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天龙玄武岩纤维在道路工程的应用

2017-05-19

自70年代中期以来,确切地说,在1974年中国建材研究院再此开展玻璃纤维用于增强硅酸盐水泥(GRC)的研究,提出了“双保险”的技术路线(即抗碱玻璃纤维增强低碱度硫酸盐水泥),在此后的几十年中虽然取得了很多成果,但是,长期以来,我国的GRC产业并没有真正解决其耐久性问题,一直存在着一些令人极为忧虑的问题:


(1)降低抗碱玻璃纤维中ZrO2含量;


(2)低碱度硫铝酸盐水泥质量不稳定;


(3)用一般中碱玻璃纤维替代抗碱玻璃纤维;


(4)用普通的硅酸盐水泥替代低碱度硫铝酸盐水泥。


另一方面的问题是有些企业GRC制品生产机械化水平低,基本上都是手工作业的,加上不严格按技术规程操作,造成出厂产品质量低下等等(详见2000年6月王燕谋编著的《中国玻璃纤维增强水泥》序言一文)。显然,我国的GRC产业并没有真正走出一条宽广的健康的发展道路。随着我国连续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。用硅酸盐类天然火山喷出岩为原料生产的玄武岩纤维预示着建筑材料业的一场革命正在来临!


它的应用主要表现在以下几个方面: 一是在混凝土增强领域的应用。现在的混凝土增强材料主要有碳纤维、玻璃纤维、对位芳纶、钢纤维和玄武岩纤维。增强的主要目的是提高制品的抗拉强度和建筑工程的防渗抗裂等。从强度方面看玄武岩纤维占有绝对的优势,它的拉伸强度都高于以上的增强材料,增强效果最好。从耐碱性方面看,玄武岩纤维略逊于碳纤维和对位芳纶,但好于玻璃纤维和钢纤维。从与混凝土的相容性上看,玄武岩纤维与混凝土有着基本相同的成分,密度也较接近,所以玄武岩纤维的相容性、分散性好于其它增强纤维。例如用玄武岩纤维增强铁路水泥枕木可解决其耐久性,尤其适合在青藏高原等气候多变地区的使用。


大家如果有兴趣可以查阅我们2004年在《工业建筑》杂志增刊上发表的《玄武岩纤维在建筑和基础工程领域中的应用》一文。二是在建筑修复、加固和更新领域的应用。碳纤维加固补强织物是一种高科技含量和高成本的产品。目前使用的补强材料是碳纤维和芳纶纤维,主要是利用材料的强度和弹性模量。从强度方面,玄武岩纤维的强度并不逊于碳纤维,且比芳纶高,虽然弹性模量不如碳纤维,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,有效的提高了补强效果和补强材料的使用寿命。尤其是连续玄武岩纤维用于桥梁、立柱缠绕加固期效果与碳纤维没有差异。这一重大发现是东南大学土木工程学院通过玄武岩纤维与碳纤维在同等条件下的对比实验后得到的(可参阅东南大学土木工程学院吴刚副教授主笔撰写及即将发表的《连续玄武岩纤维在墩柱抗震加固中的应用研究》论文)。


从性价比看,玄武岩纤维的价格大大低于碳纤维和芳纶,所以,玄武岩纤维有极大的竞争优势,是碳纤维和芳纶加固抗震补强材料的首选替代产品。它可广泛用于梁、柱、板、墙等补强,也可用于桥梁、隧道、水坝等其它土木工程的加固,尤其是抗震加固。


玄武岩纤维与粘钢和碳纤维加固具有如下不同的特点:不导电;性价比好;抗剪切强度高;延性好、抗震能力强;与混凝土热膨胀系数一致;抗老化、耐高温、抗冻融;与混凝土和树脂的结合力强;耐酸碱,对各种环境的适应性强;受力后变形协调,碳纤维加固后的破坏常态是脆性等。以建筑加固补强为例,碳纤维和芳纶是目前世界上所采用的主要的高性能纤维加固补强用的新型材料。


初步的研究结果表明:与碳纤维和芳纶相比,玄武岩纤维在保持较高的抗拉、抗剪和抗冲击强度和热振稳定性的优异性能基础上,具有更好的性价比。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。此外,初步的应用研究证明,CBFRP(连续玄武岩纤维增强塑料)的复合材料筋又是一种替代碳纤维、芳纶等连续纤维复合筋的新型建筑材料,可主要用于代替钢筋用于环境条件严酷的混凝土中,根本解决钢筋锈蚀问题,提高混凝土结构的耐久性。三是在道路施工领域的应用。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。土工格栅是一种新型的土工合成材料,其结构合理、性能优良、具有很高的耐热性和耐寒性、强度大、模量高、膨胀系数低、物化性能稳定等优点。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。所以土工材料在高等级公路、大桥桥面、市政道路及机场路面等要求较高的领域广泛应用。目前,土工材料主要是玻璃纤维和塑料两大材料。玄武岩纤维的各方面性能均好于以上两种材料。玄武岩纤维土工材料的主要优点是:抗拉强度高、延伸率好;无长期蠕变;热稳定性好;与沥青混合料的相容性强;理化稳定性好;耐低温性好等。