玄武岩纤维在土木工程中的应用研究
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作者: 赖震环 田承宇
摘 要:玄武岩纤维被誉为21世纪无污染的“万能”纤维,目前对玄武岩纤维的应用研究已成为国内外研究的热点,本文介绍了玄武岩纤维在土木工程中的应用情况,为进一步深入研究玄武岩纤维提供参考.
关键词:玄武岩纤维;纤维混凝土;土木工程
1 前言
玄武岩纤维与玻璃纤维和其他无机非金属纤维一样,是用于复合材料的一种新型优质增强材料,具有原材料无限、天然的强度、对腐蚀性介质作用的稳定性、耐用性、电绝缘性、无三废排放等特点,因此,被誉为“石头变丝”的21世纪新型的环保型材料。此外, 玄武岩纤维还具有耐高温、耐烧蚀、耐酸碱性能强、耐化学性能好和热稳定性优越等优点,作为基础工业的增强复合材料有很好的发展前景,特别是玄武岩纤维应用在建筑工程中,与碳纤维等相比有性价比优势。
它是前苏联科学家在20世纪70年代中期研发成功并投入工业化生产的一种新型无机纤维材料,产品最初主要用于军工和航天,直到1995年才得以公开,并用于民用领域,目前只有俄罗斯、乌克兰、加拿大等少数几个国家掌握了玄武岩连续纤维的生产技术[1]。现在乌克兰和俄罗斯各有一座年产2000t的玄武岩连续纤维工程。从2001年开始,我国有关机构开始了玄武岩纤维的研制工作,2002年连续玄武岩纤维被列入我国863高科技项目。国家发改委也明确将玄武岩纤维与碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维列为我国今后15年中长期发展规划中重点鼓励发展的四大高新技术纤维,其中对玄武岩连续纤维的发展规划有专家学者提议:2010年全国生产玄武岩纤维1万吨,2020年为7～10万吨[2]。我国已经拥有自主知识产权的玄武岩纤维制造技术及工艺,并且以“后来居上”的后发展优势达到了国际领先水平,目前国内主要生产厂家有黑龙江宁安镜泊湖玄武岩纤维公司、横店集团上海俄金玄武岩纤维公司、牡丹江玄武岩纤维公司和成都航天拓鑫公司等。 因此,大力发展玄武岩纤维及其复合材料产业及其相应的研究工作无疑具有重要的现实意义。
2 玄武岩纤维在工程中的应用
2.1 在混凝土增强领域的应用
混凝土中常用的增强纤维主要有钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、碳纤维和玄武岩纤维等。钢纤维重量大,施工搅拌困难,价格高,而且容易锈蚀;耐碱玻璃纤维虽然价格最低,但其抗裂效果为最差, 而且在大气中使用一段时间后,其强度和韧性会大幅度下降,即由早期高强度、高韧性向普通混凝土退化,因此亦不宜选用;聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维价格虽然与玄武岩纤维差不多, 但由于其抗拉强度小,主要的破坏形式是拉断破坏,耐久性也不够,而且在抗老化和耐碱方面不够好;碳纤维具有各方面的优良性能,但价格昂贵, 一般混凝土工程难以承担。 目前玄武岩纤维被视为碳纤维产品的低价替代品,玄武岩纤维及其制品
的开发应用已引起世界各国广泛的重视,其必将成为本世纪遍及各领域具有极其重要应用的一种高新技术材料。
玄武岩纤维与其它常见纤维性能比较见表1。从表1中可知,首先,从强度方面看, 玄武岩纤维占有绝对优势,它的拉伸强度均高于E-玻纤、碳纤维、Kevlar49芳纶纤维和钢纤维等已有的增强纤维材料,因此增强效果最好;其次,从耐碱性方面看, 玄武岩纤维略逊于碳纤维和Kevlar49芳纶纤维,但好于玻璃纤维和钢纤维;再次,玄武岩纤维与混凝土有着基本相同的成分,密度也较接近,所以,玄武岩纤维在混凝土中的相容性和分散性均优于其它增强纤维[4]。 最后,玄武岩纤维的化学稳定性均优于玻璃纤维和钢纤维。基于以上优点,玄武岩纤维被誉为“21世纪的新材料”。研究表明,凡是玻璃纤维增强水泥的各种制品,连续性玄武岩纤维都能代替,且成本低,性能好,指标均优于玻璃纤维。 另外,随着我国玄武岩纤维批量生产的开始,玄武岩纤维增强硅酸盐水泥的技术方案再次被业界重视,尤其是我国一些原来用聚丙烯纤维增强水泥混凝土的化学建材企业,积极采用玄武岩纤维增强硅酸盐水泥及其混凝土;另一些建筑加固企业采用玄武岩纤维片材替代碳纤维用于建筑桥梁的加固、补强和修复,也取得了较好的效果,加上与碳纤维相比具有生产成本相当、但性能优异等优点,所以,连续玄武岩纤维玄武岩纤维被视为碳纤维产品的低价替代品,目前连续玄武岩纤维及其制品的开发应用已引起世界各国广泛的重视,其必将成为本世纪遍及各领域具有极其重要应用的一种高新技术材料。
2.2 在建筑加固和补强领域的应用
以建筑加固补强为例,碳纤维和芳纶纤维是目前世界上所采用的主要的加固补强用的新型材料,但从性价比方面看,玄武岩纤维的价格大大低于碳纤维和芳纶纤维,所以玄武岩纤维具有更大的竞争优势,是碳纤维和芳纶加固抗震补强材料的首选替代产品。从强度方面看,玄武岩纤维的强度并不逊于碳纤维,但是与树脂的亲合性上,玄武岩纤维大大好于碳纤维和芳纶纤维,有效的提高了补强效果和补强材料的使用寿命。初步的研究结果表明,与碳纤维和芳纶纤维相比,玄武岩纤维在保持较高的抗拉、抗剪和抗冲击强度以及抗热振稳定性优异的基础上,具有更好的性价比。因此。在桥梁、隧道、房屋等结构抗震加固补强方面具有极为广阔的应用前景。
2.3 在混凝土降噪、抗振和抗震等耗能领域的应用
在水泥或混凝土中合理地编排、铺设玄武岩纤维格栅,组成的纤维结构能使混凝土复合材料的耗散性能有较大的增长,混凝土的动态性能明显有了改善,具体表现为相应频率降低、阻尼比增大[5]。这样,利用玄武岩纤维高模量、耐冲击和低成本等优势,可以开发其在降噪、抗振和抗震等耗能领域的应用。
2.4 在保温、隔热方面的应用
玄武岩纤维与玻璃纤维不同,它可以利用无机粘合剂制造复合材料,也就是说,该复合材料是难燃甚至不可燃材料,它是一种新型复合材料,可以用在具有高火灾危然的工业建设项目,核电站,化学工业与石化工业,高层建筑群,造船工业,汽车制造业等领域。
2.5 在道路与桥梁中的应用
采用土工格栅对路面进行加盘处理,已经成为道路建设的一个研究方向。土工格栅的主要作用是抗疲劳开裂、耐高温车辙、抗低温缩裂、延缓反射裂缝等。土工格栅材料主要是玻璃纤维和塑料两大类。玄武岩纤维及其土工材料的各方面性能均好于以上两种材料,它具有较高的强度、弹性模量和耐高低温、耐侵蚀等性能,适用于路面土工格栅中的基础材料,即纤维布。土工格栅是指用沥青处理过的纤维布经烘干成型后铺设在沥青道路罩面层下的加筋材料,在国外已应用多年。土工格栅用于沥青道路时,可发挥以下几个方面的作用:抗疲劳开裂;)耐高温车辙、抗低温缩裂;加强软土基[6]。在建筑业、桥梁工业、混凝土构件中采用连续性玄武岩纤维代替钢筋,将彻底解决长期困扰人类的钢筋锈蚀问题,而且重量轻、强度高,代替石棉和玻璃纤维可以解决石棉对人体健康的危害,解决玻璃纤维的耐酸碱性差等问题[7]。据有关资料介绍美国已用玄武岩纤维增强水泥建成了一座跨度40米、宽度30米的大桥。
2.6 在水利工程的应用
美国用玄武岩短切纤维代替聚丙烯增强混凝土,用玄武岩纤维网布代替金属网用在建筑工程上,用玄武岩纤维增强树脂筋和棒材增强混凝土用在盐湖、海边水土工程建筑和防磁混凝土以及某些特殊的军事工程混凝土建筑中[8]。 一些不同几何形状的纤维网格织物可用于建设堤坝和灌溉工程用增强材料以及港口码头建设的增强材料。
3 结束语
玄武岩纤维在土木工程中的应用研究在国内外还处于刚起步的阶段,由于其力学性能有别于现有的一些纤维,所以,在工程中进行应用,需进行深入研究,与其他纤维类似,玄武岩纤维在土木工程中的应用也可以包括短切玄武岩纤维、玄武岩片材、型材、棒材、板材、筋材、索材等[9]。它是芳纶纤维、碳纤维和玻璃纤维增强材料(BFRP、CFRP、GFRP)的替代品和换代产品,还生产结构胶、复合用胶以及玄武岩纤维机织布、无纺布、大孔土工格栅、土工布、圆筒布、覆铝箔布、高温除尘过滤袋、层压板、蜂窝板、防盗防火门等产品,广泛应用于结构补强、桥梁加固、建筑抗震、土木工程、航空航天、国防军工、高速列车、汽车船舶、石油电力、防火工程等行业。
参考文献
[1]李东风,王浩静,王心葵.高性能无机连续纤维[J].合成纤维工业,2005,(2):40-43.
[3]谢尔盖.玄武岩纤维的特性及其在中国的应用前景.玻璃纤维[J].2005,(5):44-48.
[4]胡显奇,申屠年.连续玄武岩纤维在军工和民用领域的应用[J].高科级纤维与应用,2005,30(6):7-14.
[5]林智荣,姚立宁,施斌,何军拥等.玄武岩连续纤维混凝土动力性能的试验研究[J].第十一届全国纤维混凝土学术会议论文集,2006,(9):37-40.
[6]王飙鹏,张伟.玄武岩纤维的性能与应用[J].建材技术与应用,2002,(4):17-18.
[7]田春竹.玄武岩连续纤维在建筑结构中的应用前景[J].黑龙江水利科技,2006(34)3:80-81.
[8]石钱华.国外连续玄武岩纤维的发展及其应用[J].玻璃纤维,2003,(4):27-31.
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