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土木工程建设中玄武岩纤维制品的运用

来源:原创论文网 添加时间:2019-11-07

  摘    要: 使用生态、天然纤维作为增强材料来制造轻质、低成本的复合材料的情况最近有所增加,目前广泛使用的这类材料之一是玄武岩纤维。本文介绍玄武岩纤维生产工艺、性能及玄武岩纤维制品在土木工程中的应用。

  关键词: 玄武岩纤维; 土木工程; 结构加固;

  1、 玄武岩纤维的生产

  近年来玄武岩纤维(Basalt Fiber,简称BF)的机械性能越来越好,人们对玄武岩纤维的使用进行了越来越多的研究。这些纤维现在用于制造轻质高端混合复合材料,用于基础设施和民用应用。玄武岩纤维的生产不需要特殊的初步操作,在一次生产过程中不含任何其他添加剂,被认为是一种绿色材料,这种单纯化大大降低了生产成本,所以玄武岩纤维比玻璃纤维或碳纤维便宜。玄武岩纤维是以天然火山岩玄武岩矿物作为原料,细粉玄武岩在1200℃~1500℃熔化,然后以细丝的形式挤压出来。

  2、 玄武岩纤维的物理和化学性能

  碳纤维性能优越,但成本较高。在抗拉强度方面,玄武岩纤维约为3000-4840MPa,和玻璃纤维相当或更好,比碳纤维稍低。玄武岩纤维生态友好,无毒,密度小,容易负担得起,使它可以成为理想的多种用途的复合材料。玄武岩纤维不可燃,可从非常低的温度(即-200℃左右)一直到比较高的温度(即在600至800℃范围内)正常使用,经过20年的日照(相当于加速暴露4000小时)后,玄武岩纤维抗拉强度值大约下降13%。此外,还有隔热、隔音性能好,吸湿性低、良好的绝缘性等优点,且玄武岩纤维价格较低。因此,玄武岩纤维在道路土建、电子工业、隔热服装、航空航天、体育器材、汽车船舶制造等各个领域都得到非常广泛的运用。例如,在汽车领域,玄武岩纤维被广泛应用于汽车车头衬里的生产,以及汽车制动盘垫和离合器面的应用,玄武岩纤维在这一应用中的主要竞争优势是其摩擦系数更高及优异的可回收性。另外,可以采用玄武岩纤维复合材料来制作风力发电叶片。

  3、 玄武岩纤维制品在土木工程中的应用

  3.1、 玄武岩短切纤维

  最早,人们较多利用钢纤维混凝土。钢纤维可使混凝土的抗裂性能提高几倍,但是对于一些将长期暴露于水中的混凝土,假如利用钢纤维增强混凝土材料,水的对流和扩散发生,最终导致钢纤维被腐蚀。因此,钢纤维混凝土在水工建筑物中的应用受到严格限制。玄武岩纤维作为一种替代纤维,以其优异的性能受到了世界各国的广泛关注。玄武岩纤维与水泥具有更好的结合强度,在混凝土中加入玄武岩短切纤维,即使在较低的含量下也能提高水泥混凝土的抗拉强度,并且缩小了混凝土的裂缝宽度。添加玄武岩纤维可显着减少水泥砂浆的干缩,特别是在早期。此外,玄武岩纤维增强砂浆在水化早期具有更大的抗压强度和抗弯强度,但在28天龄期时强度却比没有纤维的砂浆小。
 

土木工程建设中玄武岩纤维制品的运用
 

  热拌沥青混凝土中使用玄武岩纤维对稳定性有积极的影响,并且能提高沥青混凝土低温、高温性能,有效地改善路面的抗拉强度、韧性和抗车辙变形性能。

  3.2、 玄武岩纤维单向布

  玄武岩纤维单向布是采用玄武岩纤维无捻粗纱为径向,织成的一种单向织物,其经向的强度远远高于纬向的强度。在已有结构的表面上将玄武岩纤维单向布和树脂混合并粘贴,可以加固已有结构。玄武岩纤维单向布可以在梁底面和侧面进行抗弯和抗剪加固,也可以加固其他类型的构件,尤其是对酸、碱、氯盐环境腐蚀作用及紫外线作用有较强的抵抗能力。玄武岩纤维布不但可以加固钢筋混凝土结构,还可以加固木结构、钢结构和砌体结构,加固后均能提高承载力和变形能力。如果同时寻求适度的结构加固,但同时寻求较高的耐火能力,玄武岩纤维单向布可以很好地替代玻璃纤维布或碳纤维布。

  3.3、 玄武岩纤维筋

  钢筋腐蚀导致的基础设施退化是建筑业面临的主要挑战之一。此外,用钢筋加固的结构很难修复。这种固有的不相容存在于混凝土和钢筋之间,导致了新的混凝土加固材料的发展。纤维增强聚合物(FRP)筋替代传统钢筋在钢筋混凝土结构中的应用,在建筑领域得到了广泛的认可。FRP筋是一种无腐蚀、无磁性的材料,使其在恶劣的环境中非常适合于混凝土结构的加固。近年来,为应对资源短缺和钢筋锈蚀问题,提出了海水与海砂混凝土(SWSSC)与纤维增强聚合物(FRP)筋相结合的方法,以取代传统的钢筋混凝土结构。玄武岩纤维筋不导电,耐蚀性好、强度与重量比高,很容易用常规工具切割到长度,它不需要像玻璃纤维筋一样的特殊涂层,可以用于海水与海砂混凝土中,也可以用于易遭受海水、海风影响的沿海地区等不利环境中的水泥混凝土结构。玄武岩纤维筋常用于受到强烈环境侵蚀的混凝土结构构件,如污水处理厂的地基、道路结构和罐体、防波堤和其他海滨结构以及其他岩土结构。FRP筋应用的障碍之一是对FRP筋加固混凝土结构的设计缺乏标准和明确的指导原则,目前还没有确定FRP筋力学参数的标准,因此在应用玄武岩纤维筋时应进行单独的力学性能试验。

  3.4、 玄武岩纤维编织网

  在欧洲工程师已经把建筑外墙板、永久性模板等做成TRC构件应用于实际工程。TRC所采用的编织网主要包括玄武岩纤维网格布、碳纤维网格布和耐碱玻璃纤维网格布等,它们具有质量轻、不锈蚀等优点,网格布径向和纬向抗拉强度均较高,是双向增强材料,比钢筋具有明显的优势。

  4、 结束语

  在全球范围内,使用生态、天然纤维作为增强材料来制造轻质、低成本的聚合物复合材料的情况最近有所增加。目前广泛使用的这类材料之一是玄武岩纤维,它属于绿色环保材料,生产成本低,具备良好的机械物理化学性能和生物降解性,在土木工程领域必将得到更加大力的推广应用。

  参考文献

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