玄武纤维论文

玄武纤维论文（共9篇）

玄武纤维论文 篇1

1 概述

FRP (Fiber Reinforced Polymer) 纤维增强聚合物是由纤维材料与基体材料按一定的比例混合, 经过特别的模具挤压、拉拔而形成的高性能型材料。其在土木工程领域的研究和应用在国外开始比较早。目前我国土木工程中常用的是碳纤维增强复合材料 (CFRP) , 玻璃纤维增强复合材料 (GFRP) 和芳纶纤维增强复合材料 (AFRP) 。其中CFRP的力学和物理性能最为理想, 但碳纤维原丝基本依赖进口, 相对价格偏高;GFRP和AFRP价格虽较便宜, 然而力学性能及一些物理性能相比CFRP差, 如玻璃纤维的耐碱和耐久性一直是尚未很好解决的问题, 故其使用受到一定的限制。目前出现一种新型纤维——玄武岩纤维, 这种纤维不仅具有较高抗拉强度和弹性模量, 同时还有优越的物理学性能, 如良好的粘合性、耐热性及抗腐蚀性等, 非常适于土木工程结构或构件使用。特别是在混凝土结构抗震加固方面应用是一个理想的选择。因此玄武岩纤维发展前景十分乐观, 已经被我国列为中长期要重点发展的四大高新技术纤维之一。

2 玄武岩纤维的组成, 制品及性能

玄武岩纤维是前苏联经过30多年研发成功的高科技纤维。最近几年, 中国也有了批量生产。玄武岩纤维是以天然的火山喷出岩作为原料, 将其破碎后加入熔炉中, 在1450~1500oC熔融后, 通过铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维, 其主要成分有SiO2, Al2O3, Fe2O, Ca OM, gO, k2O, TiO等。由于天然的火山成分, 使纤维的耐高温, 抗拉强度和弹性模量等性能得到了提高和改善, 在玄武岩纤维的各项性能中有两点最为突出:a.耐高温, 耐烧蚀, 热稳定性好;b.耐化学性好。把玄武岩纤维进行各种工艺加工就可得到不同的纤维制品以满足工程上的需要。目前的主要制品有短切玄武岩纤维, 玄武岩纤维筋, 玄武岩纤维布, 玄武岩纤维网, 玄武岩纤维毡等, 下面就短切玄武岩纤维, 玄武岩纤维筋和玄武岩纤维布来简单介绍一下它们各自的用途和性能。

2.1 短切玄武岩纤维

短切玄武岩纤维是用连续玄武岩纤维原丝短切而成的制品。将其掺入砂浆中, 能使砂浆的性能有所提高。普通砂浆存在粘结与硬化过程中收缩大, 抗拉强度低, 极限延伸率以及抗冲击性能差等缺点, 而在其加入短切玄武岩纤维可以阻止基材中原有裂缝的扩展并延缓新裂缝的产生, 从而使其抗裂, 抗渗等性能得到提高。杭甬高速公路上某桥就是应用了短切玄武岩纤维, 将短切玄武岩纤维掺入砂浆中, 最后表明, 加固工程及加固后的使用工程中, 均没有在短切玄武岩纤维砂浆中发现裂缝。将短切玄武岩纤维掺入混凝土中, 能明显提高混凝土的早期强度, 混凝土的28d抗压强度, 抗拉强度以及抗冲磨强度和冲击忍性都有不同程度的提高。其提高程度与短切纤维的掺量, 长径比的范围有很大关系, 其中以纤维的掺量影响较为显著。

2.2 玄武岩纤维筋

玄武岩纤维筋是以玄武岩纤维为增强材料与乙烯基树脂及填料, 固化剂等基体相结合, 经拉挤工艺成型的一种新型复合材料。与钢筋不同的是, 玄武岩纤维筋的抗拉强度为600-1500MPa, 与高强钢丝强度差不多, 因此可以用它来代替混凝土构件中的受拉钢筋, 由于玄武岩纤维筋的高抗拉强度, 必要时对其施加预应力。同时, 玄武岩纤维筋耐腐蚀性好, 不生锈, 因此用它来代替受拉钢筋可以解决长期困扰人们钢筋锈蚀问题, 因此在实际施工时玄武岩纤维筋不需要保护层, 直接放在梁底部进行浇注, 减轻了一定的工作量。玄武岩纤维筋的密度是1.9-2.1g/m3, 约为钢筋的16~25%, 因此用之代替钢筋能极大地减轻结构的自重。此外, 玄武岩纤维筋还有抗疲劳性能好, 电磁绝缘性好等特点, 因此, 对于一些有特殊要求的建筑物, 如雷达站等, 由于钢筋混凝土结构的存在而对整个结构的电磁场产生不利于使用的影响, 玄武岩纤维筋是一个理想的选择。同时, 玄武岩纤维筋也存在一定的缺点:玄武岩纤维筋的应力应变曲线始终为直线, 没有明显的屈服点台阶, 这一点与普通钢筋明显不同, 这样使它在破坏前没有明显的塑性特性, 使利用这种筋材构件的延性可能存在问题, 玄武岩纤维的弹性模量比钢筋要低一些, 这样, 在配有玄武岩纤维的混凝土结构中, 如果不施加预应力, 则会导致挠度过大和裂缝开展较宽。除此之外, 玄武岩纤维筋的抗剪强度较低, 很容易被剪坏;它的热膨胀系数与混凝土也存在一定差别, 因此在温度差别较大的环境下使用玄武岩纤维筋, 就有可能造成筋与混凝土的粘结破坏, 但国内外研究人员已经从事这方面的研究并取得了一定的成果。

2.3 玄武岩纤维布。

对于碳纤维布, 玻璃纤维布等布料加固混凝土构件, 大家并不陌生, 在国内很多专家和学者都在研究, 也取得了丰富的成果。玄武岩纤维布在国内研究开始较晚, 主要是用作结构加固上。一般是采用玄武岩纤维单向布, 它是采用高性能玄武岩纤维织成的一种工程材料, 将玄武岩纤维单向布在单丝上均匀地涂有适合于酚醛, 环氧树脂的浸润剂。用玄武岩纤维加工而成的玄武岩纤维布也继承了玄武纤维的一些优良特性, 如抗冲击性能好, 可广泛用于军事装备, 防爆设施和桥梁墩柱的加固工程;它的抗疲劳抗动载性能好;此外, 玄武岩纤维布也具有较强的耐酸、耐碱和耐化学腐蚀性能和电绝缘性能。基于玄武岩纤维布的以上优点, 用这种纤维布加固结构构件是混凝土加固的一个方向。目前, 国外一些学者正在进行这方面的研究, 用玄武岩纤维布加固已受荷载或未受荷载的构件, 如一些受弯构件 (以梁为例) , 将梁底打磨平整, 均匀刷涂酒精去除表面粉尘, 然后刷涂一层环氧树脂, 将浸透环氧树脂胶液的玄武岩纤维布平铺在梁底进行加固, 注意避免有气泡和结合不好处。研究表明, 用玄武岩纤维布加固受弯构件时, 构件的屈服荷载和极限荷载都有很大程度的提高, 提高程度与纤维布的层数和梁的配筋率的有关, 对少筋梁的提高程度明显, 经加固后梁的破坏形式为纤维布拉断, 对于适筋梁, 经加固后, 有纤维布被拉断和纤维布和梁剥离两种破坏形式, 但承载力的提高程度没有少筋梁的明显。因此, 用玄武岩纤维布来代替碳纤维布是一个很好的选择。玄武岩纤维还有很多别的制品在这不再做介绍。

3 结论

采用力学性能和耐久性良好, 成本低的纤维来是今后纤维混凝土应用发展趋势。近年来我国的许多行业和部门都大量使用各种规格型号的纤维和制品, 这就为玄武岩纤维提供了巨大的市场, 随着研究和应用开展, 其显示出的优越性, 对促进国民经济建设和国防建设将发挥重大作用。玄武岩纤维主要作为复合材料中的增强材料, 根据研究结果表明, 凡是纤维增强材料的各种制品, 玄武岩纤维都能一定程度上代替, 且成本低, 性能好, 可以填补新型材料领域的空白;另外, 我国玄武岩矿床储量及其丰富, 有充足的原料供应保障, 且生产无“三废”排放, 属于国家产业发展政策鼓励方向;玄武岩纤维有较高的技术壁垒, 近几年不会受到底价竞争。因此玄武岩纤维技术的开发及应用, 开辟了国内纤维材料的新领域, 玄武岩纤维的优越性能, 合理的价格使其成为国内市场上被受青睐的新型产品, 其前景极为广阔, 必将成为本世纪建筑行业的新型材料。

参考文献

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玄武纤维论文 篇2

摘要：本文介绍了玄武岩纤维的成分及其结构，详细列举了玄武岩纤维的特点，阐述了玄武岩纤维的生产方法和设备开发现状及其研究进展以及用玄武岩纤维作复合材料的应用现状及其研究进展。关键词 玄武岩纤维 复合材料 进展

玄武岩纤维的原料是天然玄武岩，将玄武岩破碎后加入熔窑中,在1400~1500℃熔融后，通过拉伸成纤维,并以此纤维为增强体制成的新型复合材料。因玄武岩纤维是采用单组分矿物原料熔体制备而成，在耐高温性、化学稳定性、耐腐蚀性、导热性、绝缘性、抗摩擦性等许多技术指标优于玻璃纤维，同时，因碳纤维的严重短缺，玄武岩纤维在部分应用中可替代昂贵的碳纤维，并且不产生环境问题。所以玄武岩纤维原料成本低、能耗少、生产过程清洁，是一种生态环境材料[1]，深受各国学者的关注[2]。

目前利用玄武岩纤维制备复合材料的用途国外报道得很多，而国内研究较少。玄武岩纤维不仅应用于工业、农业、建筑业,还用于航空、造纸、化工、医疗、交通和军事等方面。随着人们对玄武岩纤维的深入研究，它还将广泛应用于尖端技术领域的高强度、耐高温、防辐射等复合材料的制备，值得我们关注。

[3]1 玄武岩纤维概述

1.1 玄武岩纤维的化学成分和结构

玄武岩纤维在原料的选择上要求玄武岩熔化温度、成形温度、析晶上限温度必须在一定可操作范围内，这就需对玄武岩矿物做一定的筛选。制造纤维的玄武岩要求SiO2含量大于50%，Al2O3含量在18%左右，这种成分赋予玄武岩熔体于高粘度的特性。此外，玄武岩成分中要求FeO和Fe2O3含量高达9%~14%，高含量的铁使熔体呈黑棕色，透热性只为普通浅色玻璃透热性的1/5。玄武岩要求含有一定量的K2O、MgO和TiO2，对提高纤维防水性能和耐腐蚀性能起到了重要的作用。

随着现代表征技术的发展，玄武岩纤维的结构日益明朗。目前,业内人士普遍认为：内部玄武岩纤维为非晶态物质,具有近程有序、远程无序的结构特征主，要由[SiO4]四面体形成骨架结构，四面体的两个顶点互相连接成连[SiO3]n链，铝原子可以取代硅氧四面体中的硅，也可以氧八面体的形式存在于硅氧四面体的空隙中。链的侧方由钙、镁、铁、钾、钠、钛等金属阳离子进行连接。处于玄武岩纤维表面的金属离子因配位数未能满足而从空气和水中缔合质子或羟基,导致 1 表面的羟基化[4]。1.2 玄武岩纤维的特点

相对于其它类型的纤维材料，玄武岩纤维有以下特点：

(1)高热稳定性和高的声热绝缘特性：玄武岩纤维由于导热系数低、工作范围大、抗震性能好，广泛应用于绝热保温材料。另外，由于玄武岩纤维具有多孔结构和无规则的排列方式，吸声性能好，可作为生产设备的声绝缘材料[5]。

(2)优异的力学性能：玄武岩纤维的抗拉比强度高和弹性模量非常优异，可广泛应用于增强性的复合材料。

(3)高电绝缘性能以对电磁波的高透过性：玄武岩纤维具有比玻纤高的电绝缘性，可以将其作为耐热绝缘材料而广泛应用于电子工业的印刷线路板制造等领域，对电磁波的透过性极好，如果在建筑物的墙体中增加一层玄武岩纤维布，则能对各种电磁波产生良好的屏蔽作用。

(4)高耐腐蚀性与化学稳定性：玄武岩纤维在碱性溶液中具有独一无二的化学稳定性，该特性为在桥梁、隧道、堤坝、楼板等混凝土结构以及沥青混凝土路面、飞机起落跑道等重要且经常受到高湿度、酸、碱、盐类介质作用的建筑结构中的应用开辟了广阔的前景。

(5)过滤净化特性及原料无毒副反应:玄武岩纤维的过滤系数高,可用作过滤材料。它成功地在净化空气或烟气的设备中用作高温过滤材料,过滤腐蚀性液体或气体,如过滤熔融铝,并用作医学领域中的空气超净化过滤器等。

(6)是玻璃纤维吸湿率的12%~15%：正是由于玄武岩纤维的吸湿性极低，所以由玄武岩纤维制造的隔声隔热材料在飞机、火箭、船舶制造业等需要低吸湿性的领域率先得到广泛的应用。

(7)与金属、塑料、碳纤维等材料的良好兼容性:玄武岩连续纤维和各类树脂复合时，比玻璃纤维、碳纤维有着更强的粘合强度。用连续玄武岩纤维制成的复合材料在强度方面与玻璃纤维E相当，但弹性模量在各种纤维中具有明显优势。如果在玄武岩纤维中加入一定数量的碳纤维，并将两种不同纤维相间混杂编织，其复合材料的弹性模量、抗拉强度和其它性能都将得到明显的提高，与纯碳纤维复合材料相比，成本则会大大降低。玄武岩纤维的生产方法和设备开发研究进展

2.1玄武岩纤维的生产方法

玄武岩纤维的生产方法目前主要是过热蒸气或压缩空气垂直喷吹法、离心喷吹法和火焰喷吹法。蒸气或压缩空气垂直喷吹法是利用位于漏板下的喷嘴喷出高速气流垂直冲击漏嘴流出的熔体流股。在高速气流的作用下,熔体流股被分散并被牵引伸成许多细纤维。这种方法生产的纤维直径为7~14µm,长径比为1： 2 1000~3000,常用作生产普通玄武岩棉。

离心喷吹法是熔体不断落入离心机的分配器内,在离心力的作用下,熔体从分配器向外甩至离心机的内表面,并从离心器筒体壁上的0.8~1.2µm的小孔甩出。软化的细流股在高温高速的气流中被拉伸成细纤维。生产的纤维直径为1~14µm的短纤维,也可生产普通玄武岩棉。这种工艺的不利之处在于所采用的铂铑漏板质量达2.5kg,且漏板稳定性不高,使用不超过3个月就需替换、维修和补充贵重材料的消耗。因此,最近有报道新工艺法生产超细玄武岩纤维,即以冷坩埚感应熔化与空气立吹玄武岩熔体流股相结合为基础。此法是单独利用动力介质的较为有效的方法,与火焰喷吹法生产相比,节约成本50%。

火焰喷吹法是生产玄武岩超细纤维的主要方法,其工艺过程如下:将玄武岩原料加入池窑,熔化后从漏嘴流出,在漏板下方形成一次纤维；一次纤维在旋转胶辊和导丝装置的引导下,被成排地送到燃烧器喷出的高温高速气流中,经二次熔化、拉伸，形成20~200nm的定长超细纤维。其中由于玄武岩熔体的透热性比玻璃熔体低,容易结晶,拉丝区域的粘度高,必须建造特殊熔炉和拉丝装置。2.2玄武岩纤维的设备开发研究进展

目前国内有专利报道:采用1根铂金导料管将通道中最佳部位的熔体引导到漏板里,这样的设计保证了熔体的粘度符合拉丝需要,又不太接近其析晶温度。同时为了保证拉丝的质量,漏板各部分的结构尺寸应根据原料成分、原丝直径和产量等因素进行特殊设计,以确保温度沿整个漏板均匀分布。另外,由于在漏板下方形成纤维时易形成固体氧化物,影响了后序的工艺操作。Popovskij V M发明了一种生产玄武岩超细纤维的高效节能设备和生产方法[6]:连续供料系统将玄武岩连续输送至4000℃等离子火炬区(等离子形成是由碳正负电极之间的放电将电极间的气体电离为等离子并产生高温),随后流动的熔岩通过一个底部水冷的装置进入积蓄区,进入有高速气流的喷嘴系统进行分散并形成纤维于金属氧化物分离,此系统能有效阻止固体氧化物的产生。所制得的纤维的固体氧化物含量低于4%。

池窑是生产玄武岩纤维的关键设备,必须对熔化温度和气氛进行严格控制。其关键为池窑的设计、加热方式和金属换热器的热效率。独联体国家针对玄武岩的特点,对设计单元窑提出了专门计算公式；Denisov G A通过对池窑的设计[8],增大了制造纤维的产率且设备易于维护,提高了设备的使用率。我国目前对池窑的加热方式有火焰法和电加热。另外,据文献报道:Gogoladze Paata等采用电极在熔体内部加热,同时采用浅层熔化法,可以有效提高玄武岩熔化效率,减少熔体上下温差,并提高窑中熔体的均匀性[9]。胡显奇的专利中采用中高频(1~300kHz)感应加热法熔化玄武岩。该专利与传统的熔融技术及装置相比,具有热能均匀分[7] 3 布且利用率高、熔化温度高、连续加热和熔融速度快、装置简单、成本低、熔融体温度和粘度容易实行自动化控制等优点[10]。对池窑漏板结构研究的专利报道也较多[11],主要围绕简化结构和节约成本。另外,有专利报道在玄武岩熔化时,通过添加Li2O为总量的0.5%~1%后下丝。这种方法减少了制造纤维消耗,拓宽了选材范围,提高了玄武岩纤维的性能。玄武岩纤维复合材料的研究进展

3.1 玄武岩纤维增强复合材料

由于玄武岩纤维具有比普通玻璃纤维更高的拉伸强度、弹性模量以及更好的化学稳定性和优良的耐久性,用玄武岩纤维制成的增强复合材料在强度方面与E波纤相当[12,13],在其它方面都优于玻纤,并且与金属、塑料、无机非金属材料等材料有良好的兼容性,在某些方面将有取代碳纤维作为增强复合材料的应用前景[14]。

采用玄武岩纤维作为增强物制得的复合材料,主要根据其缠绕和编织、分布方式及其填充混容物的不同而应用于各个领域。混容物一般用的是有机高分子或者无机非金属材料以及金属、碳纤维等[15],通过有机粘合剂和矿物粘合剂或者纤维的改性使其粘合[16]。短切纤维及纤维肋、织物用作混凝土、水泥、沥青的增强体,使混凝土、水泥、沥青的强度和韧性极大增强,且破碎性和对裂缝的敏感度减弱[17,18],可用于建筑物和桥梁等的补强、加固、更新

[19]

以及道路表面增强,机场起落跑道等。用玄武岩纤维和织物浸渍树脂后缠绕为压力塑料管,可以使产品的物理及机械性能达到最佳化,可用于输送石油、天然气、化学腐蚀液体和电缆管道,如用金属材料进行填充可制得高压钢瓶。

玄武岩纤维与树脂的粘合强度高于玻璃纤维,利用聚乙烯、聚丙烯[20]为基体,通过环氧树脂粘合可制成高强性能的复合材料,可利用其纤维的吸湿性应用于制造渔船、游艇船体和防腐、防水门窗,既达到了防腐、防水的效果又增强了材料的强度。但这些复合材料的力学性能依赖于玄武岩纤维的含量和排列的方向[21]。为解决此问题,通过对玄武岩短切纤维聚酰铵复合材料的研究指出,复合材料的结构随聚酰铵的量而改变,10%~20%的聚酰铵同玄武岩纤维形成无序的网状结构,这一性质极大地增强了复合材料的机械性而无需对纤维的长度和编织有更高的要求,该研究成果大大降低了复合材料的成本。但该技术尚有许多缺陷,需要进一步探索。

目前,对玄武岩纤维增强复合材料的研究主要集中在对其缠绕和编织、分布方式上进行一系列的开发[

22、23]。如日本发明了一种汽车用的材料[24],其内外表面是由玄武岩纤维编织的纤维板,而内层是由三维网状玄武岩纤维组成的骨架结构, 4 骨架内由热硬化性添加剂和聚亚胺酯填充,通过热挤压形成一种高硬、高强、易处理的材料。

3.2 玄武岩纤维声、热绝缘复合材料

玄武岩纤维的导热系数随纤维直径的减小而减小,随纤维密度的增大先减小后增大,选用合适细度和密度的玄武岩纤维可使玄武岩纤维导热系数很低,此种玄武岩纤维可作为热绝缘复合材料[25]。同时由于此种玄武岩纤维的使用温度范围和抗震性能优于玻纤,因此可应用于高温和超低温设备以及高温作业的防护服和低温保温服[26]。由于玄武岩纤维织成的板状和网状的结构具有多孔结构和无规则的排列方式,吸声性能好,玄武岩纤维吸声能力随着纤维层厚度的增加和密度的减少而增强,玄武岩纤维可制成声绝缘复合材料应用于航空、船舶、机械制造、建筑行业中作为隔音材料。

用玄武岩纤维还可以制造一系列兼备声、热隔绝性能的复合结构材料,这类材料不燃烧,加热时不会分解出有害气体,工作温度可以达到600~700℃,在与其它材料匹配使用时的工作温度可以达到1000℃,在防火墙、防火门、电缆通孔等特殊工业或高层建筑防火设施中大有其用武之地。用玄武岩纤维作声、热绝缘复合材料与玄武岩纤维产品选用及在复合材料中的结构有很大关联,Kodera Ka-zuo通过适当的玄武岩纤维产品选用与树脂、碳纤维的混合编织,制得了性能优越的声、热绝缘复合材料。3.3 玄武岩纤维抗摩擦复合材料

目前最常用的抗摩擦复合材料的纤维为钢纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维和石棉纤维等,但这几种纤维又各有优缺点。例如钢纤维虽然强度较高、热稳定性好,但比重大、易锈蚀、易损伤对偶；玻璃纤维虽然强度高、价格便宜,但在高温时易熔化,会导致材料性能的下降,使摩擦性能不稳定；芳纶纤维和碳纤维虽然各方面性能优异,但其价格昂贵；石棉材料具有强度高、表面活性好、摩擦磨损性能好、混合料分散均匀等优异的性能,但由于石棉是一种危害人类健康的致癌物质,且石棉粉尘的污染非常大。而玄武岩纤维不仅强度高、热稳定性好、不易损伤对偶、磨损低、摩擦系数稳定,而且价格适宜,将成为无石棉纤维的首选材料。目前玄武岩纤维抗摩擦复合材料主要用于汽车用摩擦材料

[27],如:制动及离合装置、汽车轮胎等。Adamczak Loic等[28]采用20%~50%的玄武岩纤维及丙烯酸纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、铜纤维编成轮胎衬套,此衬套热稳定性好、摩擦系数稳定、磨损低且震动和噪声较小。

总之,玄武岩纤维复合材料,因玄武岩纤维本身卓越的特性,可用于制得各种各样的功能复合体型材,如:防水复合材料、电磁屏蔽材料、过滤材料、可降解生态复合材料等。随着人们对玄武岩纤维的深入研究,它将广泛应用于尖端技术领 5 域的高强度、耐高温、防辐射等复合材料的制备。结束语

玄武岩纤维因原料易得、成本较低和综合性能优异、生产无三废等优点而逐渐受到人们青睐,国内外虽对玄武岩纤维的生产方法和设备及其复合材料研究较多,但对制备玄武岩纤维的耐高温耐板、池窑结构、拉丝装置和加热熔化、拉丝方法仍有待进一步改善,以求在成本低、结构简单的基础上制得更细、更优良的玄武岩纤维,这将是今后对玄武岩纤维研究的一个热点。

在对玄武岩纤维增强复合材料方面的研究较多,但对金属、碳、陶瓷纤维与玄武岩纤维混杂复合材料的研究较少。由于玄武岩纤维同金属、碳、陶瓷纤维具有良好的兼容性,如在这些纤维中加入一定量的玄武岩纤维做成制品,其弹性模量和一系列丝束性能将会得到本质的提高,同时,由于使用的这些纤维量很少,其价格能在市场上接受,因此,开发这种新型的混杂复合材料,不仅可以提高其性能而且能降低成本,使其具有更优越的市场竞争性。可以展望,随着人们对玄武岩纤维研究的深入,它将在未来各个领域中发挥越来越大的作用。

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玄武纤维论文 篇3

关键词： FBG； BFRP； 结构健康监测

中图分类号： TN 253文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.03.008

Abstract： The paper proposes basalt fiber reinforces plastics （BFRP） intelligent sheet based on a fiber bragg grating （FBG）. It can be used as sensors for strain monitoring of concrete structure. The incorporation of FBG with BFRP can not only protect FBG， but also improve the sensing properties of the FBG. The paper puts forward the method of preparing FBGBFRP intelligent sheet， and analysis of the sensing properties of FBGBFRP intelligent sheet. The test proves that the FBGBFRP has better performance of intelligent sensing sheet.

Keywords： FBG； BFRP； structural health monitoring

引言自从20世纪70年代光纤布拉格光栅（fiber bragg grating，FBG）技术出现并应用于结构监测以来，FBG技术发展迅速。FBG具有良好的传感性能、时间耐久性能及抗干扰性能，适合在建筑结构监测领域使用。FBG传感器不易受电磁干扰影响，FBG传感器与单模光纤组成的传感网络信号传输距离长，覆盖范围广，无需信号中途放大。FBG传感器可以串联形式实现相互连接，节约了大量线缆。基于FBG的传感技术已经广泛应用于建筑或桥梁的结构健康监测中[1]。FBG的封装技术一直受到关注，良好的封装不仅可以对FBG有良好保护，也可提高 FBG传感性能。现阶段出现了一些以金属材质[2]及高聚物片状材料[3]，管状材料[4]封装形式为主的传感器，但此类传感器与混凝土结构材质特性差别较大，力学耦合不佳，传感性能不理想。近几年建筑结构加固技术发展迅速，对老旧建筑、古代建筑[5]、新建建筑的关键结构部件进行建筑加固能够极大提高建筑结构性能。纤维增强塑料（fiber reinforced plastics，FRP）在结构加固领域也得到了大量应用[6]，利用FRP对建筑结构进行加固能够极大提高结构的承载力和延性，优化结构性能。常见的FRP有芳纶纤维增强塑料（aramid FRP，AFRP）[7]、玻璃纤维增强塑料（glass FRP，GFRP）[8]、碳纤维增强塑料（carbon FRP，CFRP）[9]、玄武岩纤维增强塑料（basalt FRP，BFRP），现有的建筑结构加固工程多采用CFRP。而近几年BFRP因其低廉的价格及优异的综合性能越来越受到结构加固市场的青睐[10]，BFRP的力学性能要远远优于GFRP，抗老化性能要优于AFRP。BFRP某些力学性能也较CFRP优良[11]。将FBG传感器封装进建筑加固使用的复合纤维材料中，不仅对建筑结构有加固作用，而且FBGBFRP智能片材亦可对加固结构进行有效的应变监测[12]。在目前的研究中，对掺入FBG的CFRP、GFRP的传感性能研究较多，而掺入FBG的BFRP片材传感性能研究较少，BFRP力学特性及表面特性与CFRP、GFRP有较大区别，因此研究FBGBFRP智能片材传感特性意义很大。

1.1FBG应变传感原理由耦合波理论可得，当满足相位匹配条件时，光纤光栅的布拉格波长为 λB=2nΛ，式中：λB为布拉格波长；n为光纤传播模式的有效折射率；Λ为光栅周期。图 1所示为 FBG传感原理示意图。光纤光栅温度、应力改变都会导致反射光的中心波长的变化，光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测量的变化情况。光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系为ΔλBλB=（1-Pe）ε+（α+ξ）ΔT（1）式中：ΔλB为波长变化量；α为光纤的热膨胀系数；ξ为光纤的热光系数；Pe为光纤材料的弹光系数；ε为应变；ΔT为温度变化。假定光纤仅受外界力作用产生应变，在此过程中保持温度不变化，则光纤传感的方程式可简化为ΔλBλB=（1-Pe）ε（2）易见，当FBG受到外力作用产生应变ε时，FBG的波长变化ΔλB与ε为线性关系，即ΔλBλB=kε（3）式中k=1-Pe为灵敏系数。当FBG被封装进FRP中并粘贴于被加固表面测量其应变时，与在光纤两端受轴向拉力不同，光纤沿轴向表面每个点都受到应力作用，因此存在应变传递系数kt，kt与封装材料、封装形式有关，影响FBG的传感灵敏度。经过应变传递系数修正后，工程应用中灵敏度表示为[13]ΔλBλB=ktkε（4）1.2BFRP掺入FBG的意义BFRP由玄武岩岩石高温熔融拉丝制备而成，其原料本身是天然材料，绿色环保，符合当今绿色建筑的发展趋势。BFRP与混凝土在材料特性上有较高的相似性，且温度膨胀系数一致，易与基底混凝土材料界面紧密结合，即使发生较大的温度变化也不易产生界面剥离现象。因此将传感原件掺入BFRP中能够准确感知混凝土结构的应变。BFRP中的纤维部分为无机非金属材料，化学性质稳定，耐腐性及耐久性好。BFRP造价相对低廉，与建筑结构加固中广泛应用的CFRP相比，其造价约为CFRP的3/5[14]，有市场推广价值。BFRP材料具有广阔的应用前景，将FBG与BFRP片材结合，使用环氧树脂浸润并固化，制备成具备传感功能的复合材料的形式。智能片材实现了对FBG的完善保护并提高了传感性能。BFRP能对FBG完善保护。首先，BFRP能提高传感器整体的机械强度，FBG自身抗剪切能力不佳，而BFRP可对FBG形成良好保护，提高FBG抗剪切作用能力，有效抵御传感器安装及后期施工过程对FBG造成的冲击。其次，BFRP也能提高传感器抗化学腐蚀的作用，混凝土中的离子及空气中的酸性气体对金属材质及非金属材质传感器都存在化学腐蚀，BFRP中的环氧树脂可有效隔绝来自混凝土及空气中酸性气体的化学腐蚀，延长了传感器的使用寿命。将FBG掺入BFRP也提高了传感器的传感性能。首先BFRP可提高FBG传感灵敏性。未封装的FBG直接贴在被测混凝土结构表面时，传感器仅有一个侧面与混凝土接触，即一个界面带动FBG产生应变。当被金属片状封装时，主要存在上下两个界面带动FBG产生应变，利用BFRP封装FBG，BFRP较软，包裹性好。封装后形成FBG被四周与之平行的玄武岩纤维包裹的结构，即四周都可带动FBG产生应变，因此传感器传感灵敏性提高。其次BFRP可提高FGB受力均匀性。混凝土结构在100 mm线度以上可以作为连续均匀弹性体，但在小于100 mm线度内，由于混凝土内的气泡、石子、沙砾等材料分布不均匀因素存在，导致混凝土各局部面应变不均匀，不能视作均匀弹性体。若简单采用未封装10～20 mm长，0.015～0.050 mm宽FBG作为传感器，监测数据不能代表实际面应变，且由于栅区各处应变不均，易产生啁啾现象，难以准确测量。BFRP在1 mm线度内为均匀弹性体，各局部力学特性均匀，FBG与之结合后增大了与被测结构表面的接触面积，混凝土表面的应变经过BFRP传递给FBG后变均匀。封装后的FBG测量数据更具代表性，也避免了啁啾现象[15]。2FBGBFRP智能片材结构设计及测试

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2.1FBGBFRP智能片材结构在设计中采用建筑加固中的单向玄武岩纤维布，单向玄武岩纤维布的纤维方向即为被加固结构的方向[16]，玄武岩纤维布为30 mm×16 mm的矩形，能够将FBG较好地覆盖并封装保护。图2FBGBFRP智能片材封装示意图

Fig.2Package of FBGBFRP intelligent sheetFBGBFRP智能片材的制备流程参考建筑加固施工工艺。将FBG使用环氧树脂胶粘贴在剪裁好的玄武岩纤维布上，在制备中，保证FBG径向方向与纤维方向一致，FBG栅区位置位于BFRP材料中央，便于FBGBFRP智能片材测试时安装标定。施加调配好的加固用环氧树脂胶，覆盖上层BFRP材料。采用软质重物压合片材，环氧树脂完全浸润上下两层BFRP。待环氧树脂完全固化，最终形成复合材料形式，完成FBGBFRP智能片材制备。封装示意图如图2所示。

2.2FBGBFRP智能片材静态特性测试采用等强度悬臂梁作为测试平台[17]，检测FBGBFRP智能片材应变传感性能。等强度悬臂梁尖端加载的力与其表面应变呈线性关系。传感性能计算：λB=1 541.1 nm，弹光系数Pe=0.78，根据式（2）理论灵敏度k=0.001 202 nm/με。由于智能片材厚度的存在，在采用等强度悬臂梁实验时，FBG应变理论上略大于等强度悬臂梁表面应用，因此光纤实际理论灵敏度系数修正为0.001 413 nm/με（应变：物体局部的相对变形为相对物理量，单位为με即微应变）。传感性能测试：依次施加等质量砝码，从而制造等量增加的应变，施加砝码同时观测FBG返回峰值波长变化；按上述方式连续施加并减少砝码多次并记录数据，图3为FBGBFRP智能片材波长功率特性曲线。根据实验数据得到传感性能：实测灵敏度为0.001 460 nm/με，kt=1.03，FBGBFRP部分传感特性曲线如图4所示。

2.3FBGBFRP智能片材测试结果分析测试结果表明，FBGBFRP智能片材的灵敏度比未封装的FBG传感器高，线性度良好，重复性好。FBG在经过封装后未出现啁啾现象，证明封装流程可靠，避免了其他干扰应力对FBG的作用。总之FBGBFRP智能片材能够作为较为可靠的传感器并可被结构监测系统采用。FBGBFRP的传感线性良好，量程亦超过了常见混凝土结构可耐受的应变范围。3结论根据实验测试，ΔλB与ε之间仍保持较好的线性关系，并未出现原有类似封装过程中由于FBG受应力不均匀出现的啁啾现象，证明封装方法可靠。虽然灵敏度系数与理论FBG灵敏度系数之间存在微小差异，FBGBFRP智能片材仍能够作为较为可靠的传感器对建筑结构应变进行监测。在未来的研究中，可将掺有FBG的BFRP用于混凝土结构加固实验，通过研究初始加载到破坏全过程FBG波长信号变化，进一步研究其用于建筑加固及结构健康监测的有效性。参考文献：

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（编辑：刘铁英）

玄武岩纤维改性树脂的研究进展 篇4

玄武岩纤维 (Basalt Fiber:) 是以天然玄武岩矿石作为原料, 在1450~1500℃下熔融, 然后通过拉丝而制成的纤维, 是一种高性能无机纤维。它的主要组分为:Si O2、Al2O3、Fe O、Na2O、Ca O、Fe2O3、Mg O和Ti O2等[1]。与碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳纶等高性能纤维相比, 玄武岩纤维具有优异的力学性能、耐酸碱性能、耐高温性、吸波性能等。它取自天然矿石, 加工过程中无任何添加剂、无毒, 是对环境无污染的“绿色环保”纤维材料, 具有广阔的开发应用价值[2,3]。玄武岩纤维可以广泛应用于军工、航天航空、建筑、船体、环保、消防、汽车材料以及民用领域等[4]。玄武岩纤维可以很好地应用于聚合物中, 目前国内外对其改性树脂的研究已经有很多, 所采用的聚合物基体有环氧树脂、酚醛树脂、聚丙烯和乙烯基树脂等, 还有将其与一些纤维进行混纺的, 这些改性都获得了综合性能更优、应用范围更广的聚合物复合材料[5,6]。

1 玄武岩纤维的表面改性

玄武岩纤维为典型的无机材料, 其表面对有机高分子呈化学惰性, 与聚合物基体复合时难以形成理想的界面黏结, 而影响制品的力学性能和表面形态。因此, 必须对其进行表面改性处理, 目前针对玄武岩纤维表面处理的方法主要有偶联剂表面处理法、等离子处理法、浆料涂层法[7]等。在这些界面改性方法中, 有关硅烷偶联剂改性的研究是目前最普遍的, 也是改性工艺和机理都相对成熟、稳定的一种;而且这几种表面改性方法相比, 硅烷偶联改性可以有效改善玄武岩纤维和复合基体之间的界面粘结性, 提高复合材料力学性能, 是一种切实有效的方法。

2 玄武岩纤维改性树脂的研究进展

玄武岩纤维改性树脂基复合材料不仅继承了玄武岩纤维的优异的物理和机械性能, 还具有树脂基体的性能, 形成优势互补, 拓宽了各自的应用领域。这几十年来倍受青睐, 目前已研发了多种玄武岩纤维/树脂复合材料。

2.1 玄武岩纤维/环氧树脂

环氧树脂的附着力强, 固化收缩率小, 制品尺寸稳定性好, 力学性能较好, 耐溶剂性好, 用途广泛, 可作浇注、浸渍、层压料、粘接剂、涂料等。为了适应更高要求, 可利用玄武岩纤维对其进行改性。

Kim MT等[8]用低温氧气等离子体对玄武岩纤维/环氧树脂编织材料进行了表面处理, 使纤维表面发生物理蚀刻而且还有含氧、氮化学官能团的形成。

陈国荣等[9]用KH-550处理的纳米Si O2粒子得到有机/无机的杂化材料, 用来改性玄武岩纤维/环氧树脂复合材料。曹海琳等[10]也采用环氧/Si O2纳米杂化材料对玄武岩纤维进行表面改性。

Huonnic N等[11]用缠绕成型法制备了玄武岩/环氧树脂复合材料试样, 并通过喷砂来促进表面镀上的熔融的铝颗粒粘连。结果发现轻度喷砂可以明显提高材料的表面粘附性。

刘亚兰等[12]研究发现偶联剂的选择对连续玄武岩纤维增强环氧树脂的拉伸强度的影响最显著。Lee JH等[13]发现硅烷改性的碳纳米管/玄武岩纤维/环氧树脂复合材料具有更高的拉伸强度、杨氏模量、储能模量和玻璃化温度。嵇培军等[14]研究了连续玄武岩纤维/9518G树脂复合材料的耐热性、力学性能以及湿热对力学性能的影响。

2.2 玄武岩纤维/酚醛树脂

酚醛树脂具有良好的耐酸和耐碱性能、力学性能、耐热性能、高残碳率和低烟低毒等特性, 广泛应用于防腐蚀工程、胶黏剂、阻燃材料、摩擦材料等行业。近年来, 绿色酚醛树脂的研究已成为一种发展趋势。

Wang QH等[15]用单晶石墨Gr和纳米Si O2嵌入改性玄武岩纤维/酚醛复合材料, 以提高复合材料的摩擦损耗性能。

李卫东等[16]采用玄武岩纤维与碳纤维层间混杂来增强酚醛树脂。李想, 程广宜[17]研究了玄武岩纤维增强氨酚醛树脂以及硼酚醛树脂的力学性能和耐烧蚀性能试验。

申士杰等[18]使用酚醛树脂胶制造了具有良好的阻燃性、环境特性和力学性能的木纤维与玄武岩纤维复合板。

2.3 玄武岩纤维/乙烯基树脂

乙烯基树脂是一种国际公认的耐腐蚀树脂, 其力学性能优异, 可以在室温下发生固化, 目前乙烯基树脂的发展向低收缩型、耐冲击型、耐高温型、光敏型和气干型等方向进行。

Carmisciano S等[19]以相同纤维体积分数的玄武岩纤维和E-玻璃纤维织物增强的乙烯基树脂复合材料进行了研究, 测试了片状平纹双向织物和多层布的特性。

李伟等[20]对玄武岩纤维增强不饱和聚酯和乙烯基树脂复合材料分别进行了冲压式剪切试验, 研究其在准静态下的剪切强度。徐艳华等[21]采用VARTM工艺制备了玄武岩纤维/乙烯复合材料, 研究发现这种复合材料具有较好的轴向拉伸性能, 截面呈脆性断裂, 而且纬纱的强力高于经纱。

2.4 玄武岩/聚丙烯复合材料

聚丙烯是一种结构规整的结晶性聚合物, 材料的机械性能、化学稳定性和耐热性好, 但易老化, 低温时变脆和冲击性能差, 可以通过共混和共聚的方法来改性。

Czigány T[22]用马来酸酐与葵花籽油的反应混合物对玄武岩纤维进行了处理, 提高了纤维与基体的界面附着力。还研究了不连续的玄武岩纤维和玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的拉伸性能以及其界面改性对力学性能的影响[23]。

刘双双等[24]研制出一种玄武岩/玻纤/丙纶结构复合材料, 并对其结构和性能进行测试。

2.5 玄武岩/聚酰胺复合材料

聚酰胺材料具有良好的综合性能, 包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性, 且摩擦系数低, 有一定的阻燃性。玄武岩纤维作为增强材料的聚酰胺材料的研究已取得了较大的进展。

Deák T等[25]分别用硅烷偶联剂GF80、GF91、GF93对玄武岩纤维进行了表面处理, 结果显示GF80的改性效果最好。

Dehkordi MT等[26]分别采用单一的和混杂的玄武岩/尼龙内铺设织物, 来增强环氧树脂, 制备的混杂复合材料不但结合了玄武岩纤维和尼龙纤维优良的机械性能和耐冲击特性, 而且复合材料性能受尼龙/玄武岩纤维含量的显着影响。

刘涛等[27]分别采用KH550、KH560和钛酸丁酯偶联剂改性尼龙66/玄武岩纤维复合材料。

此外, 朱钦钦[28]对玄武岩纤维增强复合材料的制备及性能进行了研究。童庆[29]对玄武岩纤维滤料表面改性前后, 以及表面改性后玄武岩纤维滤料与无碱玻纤滤料的耐温性能和结构形态进行了对比研究。

3 展望

玄武岩纤维聚合物基复合材料比传统的复合材料具有更优异的综合性能, 应用在民用、工用、国防和航天航空等。但目前对于此类复合材料的研究还不够深入, 因此, 加快玄武岩纤维及其聚合物基复合材料的研究与开发无疑具有重要的意义。

玄武岩纤维及其聚合物基复合材料的未来研究主要有以下几个方面:第一, 改进工艺与设备的研发以提高设备生产能力, 克服其密度, 硬度, 耐磨损等的限制, 实现其深加工, 拓宽其应用领域。第二, 玄武岩纤维表面光滑、表面活性低且呈极强的化学惰性, 故其与树脂基体间的界面粘接性能很差, 从而严重影响其在高性能复合材料中的应用。因此, 对纤维进行表面改性, 增强纤维与不同种类树脂基体的界面粘结性和层间剪切强度。第三, 完善纤维增强树脂的机理, 探索纤维含量与复合材料性能之间的关系等。相关技术的突破将使有机纤维增强树脂基复合材料的开发具有重要意义, 并且对于航天、航空和国防等高新技术领域复合材料的更新换代产生推动作用。

4 结语

本文介绍了硅烷偶联剂表面处理法、等离子处理法和浆料涂层法对玄武岩纤维的表面进行改性。从玄武岩纤维/环氧树脂、玄武岩纤维/酚醛树脂、玄武岩纤维/乙烯基树脂、玄武岩纤维/聚丙烯和玄武岩纤维/芳纶复合材料等方面阐述了玄武岩纤维增强树脂的研究进展, 提出了玄武岩纤维聚合物基复合材料的发展方向。

摘要：本文首先简要介绍了玄武岩纤维的主要表面改性方法, 从玄武岩纤维/环氧树脂、玄武岩纤维/酚醛树脂、玄武岩纤维/乙烯基树脂、玄武岩纤维/聚丙烯和玄武岩纤维/芳纶复合材料这五个方面详细阐述了玄武岩纤维增强树脂的研究进展。最后就玄武岩纤维及其复合材料在未来的发展动向作了几点预测。

玄武纤维论文 篇5

目前,CBF已作为增强纤维用于与聚合物基体制备复合材料。复合材料的性能不仅与纤维和基体本身特性有关,且与两相界面间的粘合状况密切相关[4]。界面性能直接影响着复合材料的力学性能,尤其是层间剪切、断裂、抗冲击等。CBF的表面十分光滑,总体呈化学惰性,不利于与聚合物基体之间的粘合,须针对性地加以改进;而对纤维进行表面改性,是调控纤维/基体界面微结构,从而提高粘合水平的有效手段。需要注意的是,在提高与基体粘合性能的同时,也要使CBF自身的强度保持一定水平。目前CBF的表面改性方法主要包括酸/碱刻蚀、偶联剂改性、表面涂层以及等离子体改性等。另外,在生产过程中,通常会在CBF表面涂覆浸润剂以提高其集束性,为了消除浸润剂对粘合的影响,亦可首先采用溶剂浸泡或加热对CBF进行退浆预处理。

1 CBF表面改性方法

1.1 酸/碱刻蚀改性

酸/碱刻蚀改性是常见的纤维表面改性方法之一,即将纤维浸润在酸性或碱性溶液中,对纤维进行表面刻蚀的改性方法,其效果主要取决于所用溶液的种类、浓度、反应时间和反应温度。对CBF来说,酸/碱溶液可以与其成分中的氧化物发生化学反应,使CBF表面产生层状脱落、沟槽或凹陷,不仅增加了CBF与聚合物基体的接触面积,并且使聚合物链段更容易进入其表面的沟槽或者凹陷中,形成所谓“锚固”或“钉合”的机械结合力,进一步提高了CBF与聚合物基体的界面结合强度。另外,酸碱溶液还可以增加CBF表面反应性硅醇的数量[5],有利于提高复合材料的界面性能。Manikandan等[6]研究证实采用H2SO4与NaOH改性均有助于改进玄武岩纤维布/不饱和聚酯复合材料界面的粘合状况,并且复合材料的拉伸强度、层间剪切强度、冲击强度都有所提高。其中酸蚀改性效果更佳,其层间剪切强度较采用NaOH改性提高9.49%,拉伸强度提高11%。

因此,目前对CBF研究较多的是酸刻蚀改性。王宁等[7]研究了酸处理对CBF微观结构的影响。结果表明侵蚀过程首先是CBF中的金属元素与酸反应并进入侵蚀液,然后部分聚合的Si—O—Si键在H+的作用下断裂,形成Si—OH键,使CBF表面结构变得疏松,断裂强度和模量逐渐下降,但仍保持玻璃态结构。Nasir等[8]采用离子消耗深度模型描述了硫酸侵蚀作用下CBF表面裂纹的形成机理:当侵蚀时间较短,离子消耗深度较小时,CBF表面以环向裂纹为主,而随着侵蚀时间增长,离子消耗深度增大,则更倾向形成轴向裂纹,并导致CBF力学性能严重降低。因此,酸刻蚀改性在提高界面粘合性能的同时,会牺牲CBF的自身性能,在实际中必须予以综合考虑。

1.2 偶联剂改性

偶联剂改性是通过将具有特定官能团的偶联剂分子接枝在CBF的表面,利用偶联剂的“桥接”作用将CBF与聚合物基体连接在一起。常用的偶联剂包括硅烷偶联剂(KH550、KH560、KH570等)和铝锆偶联剂。以KH550为例,其结构中一端带有氨基,另一端带有三个乙氧基。偶联剂改性的优点在于:一是可依据所使用的聚合物基体的分子特点向CBF表面引入活性化学基团,使其与聚合物基体更为有效地连接在一起;另外偶联剂的引入还可以增加CBF的表面粗糙度,提高CBF与聚合物基体界面的机械摩擦力,进一步改善粘结性能。同时,接枝改性过程不会损坏CBF本体,在达到表面改性目的的同时,不以牺牲CBF自身力学性能为代价,并可以在一定程度上弥补其生产工艺的不足[9]。

刘亚兰等[10]研究了硅烷偶联剂KH550、KH560、KH570对玄武岩纤维布/环氧树脂复合材料性能的影响,结果表明经KH550改性后,复合材料的弯曲性能、拉伸性能以及层间剪切强度最优。傅宏俊等[11]研究了KH550浓度对CBF/环氧复合材料界面性能的影响,发现当KH550浓度为10%(质量分数,下同)时的改性效果最佳。张莉等[12]研究证实经KH550改性的玄武岩纤维布与酚醛树脂基体的界面间形成了C—N—C键与C—O—Si键,KH550浓度为0.8%时复合材料的层间剪切强度比浓度为1.0%时高13MPa,这是由于前者的粘合界面中存在更多的C—O—Si键。

除硅烷偶联剂外,铝锆偶联剂也被应用于CBF的表面改性。铝锆偶联剂与CBF表面的反应机理是通过其金属中心Zr、Al上结合的活性基团羟基与CBF表面的羟基以共价键或者氢键结合,从而接枝在纤维表面上。另外,对CBF表面采用酸蚀预处理亦有助于增加铝锆偶联剂在纤维表面的吸附,影响偶联剂吸附量的因素依次为酸浓度、铝锆偶联剂浓度、酸蚀预处理时间[13]。

1.3 表面涂层改性

表面涂层改性是将特定聚合物涂覆在纤维表面的一种改性方法,它可以保护纤维,提高纤维的集束性和浸润性;涂层中若存在反应性官能团还可将纤维与基体树脂有机结合在一起,进一步提高界面粘合性能。表面涂层改性方法多样且结构设计性强[14],是一种特别实用的纤维表面改性方法。另外,还可以通过添加纳米SiO2、氧化石墨烯或偶联剂改性的纳米粒子等制备无机-有机复合浆料涂覆在纤维表面,以实现进一步提高界面性能或改进CBF自身力学性能的目的。

Wei等[15]利用不同配比的环氧树脂/纳米SiO2杂化浆料对CBF进行表面改性,证实当纳米SiO2浓度为5%(质量分数)时,改性效果最佳,此时复丝拉伸强度提高15%,CBF/环氧树脂复合材料的层间剪切强度提高10%。另外,Wei等[16]还进一步将纳米SiO2用KH550改性,证实KH550可以有效降低纳米SiO2的团聚,使用该浆料涂覆CBF可大幅提高其自身拉伸性能及复合材料的性能,这是由于接枝在SiO2上的KH550可以通过“桥接”作用进一步改善界面性能,使复合材料层间剪切强度明显增加[17]。另外,氧化石墨烯带有大量的活性官能团,可有效提高与基体的相容性,也被引入到CBF的上浆剂中。叶国锐等[18]证实在上浆剂中引入氧化石墨烯可以有效提高CBF的力学性能以及CBF/环氧树脂的层间剪切强度。

1.4 等离子体改性

等离子体是由部分或者全部离子化的气体组成,包括离子、电子、自由基以及光子等。作为一种环境友好、节省能源、操作简单的表面改性技术,等离子体处理可以从3方面改进CBF与基体的粘合性能:首先,由于其组分中的粒子具有一定的动能,当与CBF表面发生碰撞时,将产生溅射刻蚀作用,提高纤维表面的粗糙度;其次,等离子体处理可以改变CBF表面能,提高浸润性[19];第三,等离子体处理还可以在CBF表面引入极性基团或其他官能团,增加与基体反应的活性点[20]。另外,等离子体能量较低,仅为几个到几十个电子伏特,在提高界面粘合性能的同时不会对CBF自身力学性能造成很大伤害,因此对于CBF,等离子体改性是一种理想的表面改性技术。等离子体改性效果取决于气体的种类、真空度、功率以及处理时间等因素[21]。

毕松梅等[22]研究证实等离子体改性可以提高CBF/聚丙烯的界面相容性,进而提高复合材料的力学性能。Kim等[23]采用低温氧等离子体对玄武岩纤维布进行改性并与环氧树脂复合,结果证实复合材料的层间断裂韧性提高16%。Kurniawan等[24]通过等离子体聚合手段将丙烯酸引入带有浸润剂的CBF的表面,证明玄武岩纤维布/聚乳酸复合材料的力学性能随着等离子体处理时间的增加先降低后提高。

2 展望

鉴于CBF的表面特性,必须通过一定的表面改性手段,在保持CBF一定的力学性能的前提下,改善其与聚合物基体之间的界面强度,进而提高复合材料综合性能。这是CBF/聚合物基复合材料发挥独特性能,得到广泛应用的前提。虽然目前国内外已对CBF表面改性进行了一定的研究,但尚处于起步阶段,还不是很系统和成熟,制约了CBF/聚合物基复合材料的进一步发展和应用。因此探索CBF表面改性方法对于CBF/聚合物基复合材料的发展具有重大的现实意义。

摘要：综述了连续玄武岩纤维(CBF)的表面改性方法研究进展,总结了各种表面改性方法的作用机理,以及对CBF力学性能和CBF/聚合物基复合材料界面性能的影响,并展望了CBF表面改性方法的研究方向。

玄武纤维论文 篇6

我国公路路面中, 沥青混合料是主要材料[1]。沥青混合料作为性质非常复杂的复合材料[2], 国内外科研人员对其开展了大量研究工作。沥青路面不单要承受行车荷载作用, 而且还有自然因素作用[3]。对沥青路面混合料设计和施工工艺研究, 确保路面长期工作性能, 具有积极的理论意义和实践意义。

沥青玛蹄脂碎石混合料, 即SMA, 因为其良好的抗滑性能, 在高等级路面的抗滑表层中应用广泛。为了进一步改善其路用性能, 常常向其中加纤维。采用矿物纤维改性沥青混合料, 相较于其他纤维, 优点是造价低、施工方便、节能环保[4]。武岩矿物纤维加入沥青后, 与沥青胶浆结合形成了玄武岩纤维胶浆, 提高混合料的强度[5]。

本文设计玄武岩矿物纤维改性沥青SMA-13的混合料组成, 通过现场试验路铺筑, 总结了玄武岩矿物纤维改性沥青路面施工工艺, 应用于实际工程中并且取得了良好效果。

1 改性沥青混合料设计

改性沥青SMA-13试验路的配合比设计采用的矿料为玄武岩粗集料、石灰岩机制砂及石灰岩磨细矿粉[6]。沥青为项目部现场制作的SBS改性沥青, 纤维掺量为沥青混合料总量的5‰的福贝安矿物纤维[6]。材料具体情况可以参见文献[6]。

经过试验路混合料室内检测和试验路现场的钻芯取样, 发现试验路配合比空隙率偏小。因此, 对施工配合比做进一步的调整。经过室内试验验证, 调整后的改性沥青SMA-13生产配合比如表1~2所示, 级配曲线如图1所示。

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2 试验路施工

2.1 总体组织

前场的沥青摊铺的施工从11:40开始, 20:00左右结束。整个施工过程总体组织良好, 人员机械配备很合理, 人员分工很明确, 施工有序, 拌合能力与摊铺速度协调, 没有等料, 摊铺过程不停机。

设备配备:ABG423摊铺机3台, 悍马双钢轮振动压路机4台。

人员配备:管理人员3人, 工人18人。

摊铺方式:加宽段3台摊铺机梯队平行摊铺, 间距约8 m;正线2台摊铺机梯队平行摊铺, 间距约8 m。

找平方式:两侧采用非接触式平衡梁自动找平, 接缝则是滑靴找平。

熨平板加热方式:气燃烧加热。

2.2 厚度情况

在整个施工过程中, 对松铺厚度进行了测量, 要求松铺系数按1.2控制, 厚度控制在4.8 cm。

从整个控制情况看, 摊铺厚度满足上面层厚度要求, 表面平整度较好。

2.3 摊铺速度

摊铺速度基本能够保持在2~2.7 m/min, 待摊铺的料车2~4辆。

2.4 碾压情况

在施工过程中存在超压现象, 据观测, 振动碾压基本上在7~9遍, 大大超出了4~6遍的碾压要求, 从碾压过后的取样中发现有非针片状骨料断裂, 可能是超压和石料强度不是很高的原因, 在后面路段施工中逐步减少了振动碾压遍数, 压实度同样达到了要求, 相反前面过压的路段都出现了压实度大于100%的现象, 同时导致软骨料断裂, 影响骨架形成, 使空隙率变小。从实际施工来看, 把振动压实控制在4~6遍是很有必要的。

由于采用2台摊铺机梯队平衡作业, 2台摊铺机间距在10 m以内, 基本能够保证接缝处混合料温度, 由于摊铺机间距比较小, 熨平板组合合理, 热接缝效果很好, 基本无明显痕迹。如图2所示。

2.5 温度情况

在施工过程中, 对摊铺温度、初压温度进行测量, 结合后场拌合站出料温度进行比较, 可以看出温度控制比较稳定, 出料温度170℃;摊铺温度大部分在165~168℃, 初步碾压温度大部分在155~162℃。

3 试验路检测与总结

10月25日对玄武岩矿物纤维改性沥青SMA-13试验路进行了检测, 其检测结果均满足规范要求。

3.1 施工状况总结

总体施工组织良好, 施工界面无污染、无杂物;摊铺机、压路机速度均衡, 能够流畅地组织施工。

试验路的构造深度都在0.8以上, 完全满足相关规范的技术要求;试验路的渗水系数满足相关技术规范的要求。

3.2 存在问题

1) 碾压过度, 导致软弱骨料断裂, 空隙率变小, 构造深度变小。

2) 拌合站温度控制不好, 导致温度降不下来, 中间还出现一次停机现象。

3) 压路机折返碾压时经常在同一断面折返, 容易造成表面不平整。

3.3 建议

1) 安排专人指挥调度运料车、检查棚布覆盖、料斗冷料清理工作。

2) 对压路机操作手进行技术培训, 统一步调, 做到“紧跟、慢压、高频、低幅”。

3) 同时压路机行进按折返方式进行, 保证碾压均衡, 避免过压或欠压。

4) 加强拌合站管理工作, 能够比较有效地控制温度。

3.4 配合比调整

在试验路配合比的基础上对施工配合比做进一步的调整。在进行施工时, 建议油石比控制范围为5.5%~5.7%, 最佳油石比为5.6%。当施工中存在空隙率仍然偏小时, 级配和油石比还可以适当调整。

经试验研究及试验路的铺筑, 建议玄武岩矿物纤维改性沥青SMA-13上面层沥青混合料的体积控制指标为:矿料间隙率VMA≥16.0%, 设计空隙率VV为3%~4.5%, 沥青饱和度VFA为75%~85%。

4 结论

通过矿物纤维改性沥青SMA-13的配合比设计、试验路铺筑与检测, 可以得出如下结论。

1) 总体施工组织良好, 施工界面无污染、无杂物;摊铺厚度满足上面层厚度要求, 表面平整度较好。

2) 对试验路进行检测可以得出, 试验路的压实度满足规范要求, 在后续的施工需要对碾压遍数进行严格控制。此外, 空隙率较低, 在接下来的施工中需要对级配进行微调。

3) 在试验路配合比的基础上对施工配合比做进一步的调整。经过室内试验验证, 调整后的生产配合比为:11~16 mm∶6~11 mm∶4~6 mm∶0~4 mm∶矿粉=30.0∶39.0∶7.0∶12.0∶12.0, 最佳油石比为5.6%。[ID:003166]

摘要：为了更好地研究玄武岩矿物纤维改性沥青玛蹄脂碎石路面混合料设计和铺筑技术, 本文首先介绍了修筑玄武岩矿物纤维改性沥青玛蹄脂碎石混合料基本情况, 介绍了试验路的详细情况和检测结果, 最后加以总结并指出了更好地保证施工效果的措施。结论是玄武岩矿物纤维改性沥青玛蹄脂碎石路面施工工艺简单, 路用性能良好, 值得推广应用。

关键词：玄武岩矿物纤维,改性沥青,SMA-13,试验路,铺筑技术

参考文献

[1]杨新春, 刘应贵, 邓毅, 等.青川天然岩沥青对基质沥青性能影响分析[J].西南公路, 2016, 43 (1) :16-19, 25.

[2]王文奇, 罗忠贤, 谢远新, 等.路用乳化沥青黏层材料黏附性实验[J].实验室研究与探索, 2015, 34 (10) :9-12.

[3]朱磊, 李强, 郑炳锋, 等.刚柔复合式路面粘结层受力影响因素分析[J].西南公路, 2015, 42 (1) :49-55.

[4]周庆坡, 张文刚, 宋克志.矿物纤维改性橡胶沥青混合料路用性能研究[J].广西大学学报:自然科学版, 2013, 38 (4) :892-895.

[5]朱磊, 李强, 郑炳峰, 等.刚柔复合式路面粘结层受力影响因素分析[J].西南公路, 2015, 42 (1) :49-55.

玄武纤维论文 篇7

关键词：玄武岩纤维,水泥砂浆,力学性能

玄武岩纤维 (Basalt Fiber简称BF) 是一种新型无机纤维材料, 是用火山爆发形成的一种玻璃态的玄武岩矿石经高温熔融后快速拉制而成的纤维[1]。具有抗拉强度高、弹性模量大、耐腐蚀和化学稳定性好等优良特性, 这些特殊的性能应用于纤维增强水泥制品、路面土工格栅、汽车用摩擦材料等领域, 具有显著的经济效益和社会效益[2,3,4]。将短切纤维用于增强砂浆混凝土中, 纤维通过桥接裂缝可提高水泥基体的韧性、抗拉强度和抗弯强度, 使水泥混凝土制品所固有的脆性问题得到极大的改善[5]。玄武岩纤维由前苏联经过30多年的研究开发而成, 最近几年中国也实现了批量生产[6], 但目前我国关于玄武岩纤维相关性能研究的报道还极少[7,8]。本文以有机聚丙烯纤维为对比, 对无机玄武岩纤维的抗压、抗折、抗拉及抗弯力学性能进行试验研究。

1 试验原材料及方法

1.1 原材料

试验所用水泥为P.O42.5的普通硅酸盐水泥, 其各项指标均符合国家标准。砂为标准砂, 砂浆配合比为水泥:标准砂:水=450 g:1 350 g:225 g。试验采用的聚丙烯纤维 (简称PP) 的掺量为最佳推荐掺量0.9 kg/m3, 玄武岩纤维的掺量分别为0.9 kg/m3、1.2 kg/m3和1.5 kg/m3。表1为聚丙烯纤维及玄武岩纤维的性能参数。

1.2 试验方法

抗压、抗折试验依据GB177—85方法进行, 采用40 mm×40 mm×160 mm的试模按固定水灰比分别制作试件, 标准养护后按3 d、7 d及28 d龄期分别在EHDC300-03压力试验机和DKZ-5000型电动抗折试验机上进行抗压、抗折强度测试;拉伸强度测试依据聚合物改性水泥试验规程DL/T5126—2001中的《砂浆拉伸强度试验》进行;8字型试样养护28 d后放置在WE-100型液压万能试验机上的两圆环夹具之间, 以5 mm/min的速度均匀加载到试件破坏, 以破坏荷载和破坏面积计算最终的破坏强度;试件的抗弯试验采用40 mm×40 mm×160 mm试件, 标准养护28 d后在电子万能试验机Instron8501上根据ASTM1018规程进行。图1为加载图示, 试验过程中用千分表测量跨中挠度值, 同时注意观察裂缝的开展情况, 记录裂缝开始发生和构件破坏时的荷载值。韧性采用荷载与挠度曲线所围成的面积Tb (N·mm) 来表示。

2 试验结果及分析

2.1 抗折和抗压试验结果

表2列出了不同的聚丙烯纤维和玄武岩纤维掺量情况下胶砂的流动度, 以及3 d、7 d及28 d的抗折和抗压强度。

与空白样相比, 在相同的水灰比下PP和BF的掺入降低了胶砂流动度, 其中0.9 kg/m3掺量的聚丙烯纤维使流动度降低了13.6%。相同质量掺量的玄武岩连续纤维对胶砂流动度的影响较小, 随着玄武岩连续纤维掺量的增加, 对胶砂流动度的降低愈明显。

与空白样相比, PP和BF的掺入提高了3 d龄期砂浆的抗压强度和抗折强度, 同掺量的PP和BF砂浆的3 d抗折及抗压强度增幅几乎一致, 掺量为1.5 kg/m3BF砂浆试样的3 d抗折及抗压强度较之空白样分别增加了24%和28%。但PP纤维砂浆的7 d抗折、抗压强度较之3 d强度增幅减缓, 28 d龄期时PP纤维砂浆的抗压强度和抗折强度相比于空白样均有所下降, 28 d时PP砂浆抗折和抗压强度分别下降了5%和3%, 相同掺量的BF砂浆的抗折和抗压强度则分别下降了6%和7%。说明纤维的掺入对于砂浆的长期力学性能有一定的衰减, 这是因为纤维与水泥基体之间的界面粘结存在一定的老化现象, 从而降低了基材的延性和韧性。Kata[7]的研究也表明, 将弹性模量较高的纤维掺入到密实基体中, 砂浆的强度会随着时间增长而降低, 而将弹性模量低的纤维掺入后, 砂浆的强度随着时间增长也会出现降低, 但是降低幅度要小一些。玄武岩连续纤维的弹性模量比聚丙烯纤维大许多, 因而在相同掺量的情况下, 玄武岩连续纤维水泥浆体28 d的强度下降更明显。

2.2 抗拉伸性能

表3为不同掺量的PP和BF砂浆的28 d抗拉强度。由表中可以看出掺入纤维后水泥砂浆的抗拉强度具有较大改善, 随着纤维掺量的增加, 这种作用也更加明显。对于相同掺量的PP和BF砂浆, PP砂浆的抗拉强度提高较多。

2.3 抗弯性能

表4为分别掺入PP、BF的砂浆与空白砂浆的抗弯荷载 (P1) 、韧度 (Tb) 和初裂荷载 (Pe1) 的比较结果。从表中可以看出, 加入纤维后砂浆的抗弯荷载均有一定程度的增加, 但增加不明显。

图2为PP和BF砂浆的4点抗弯试验的力-位移曲线图。由图中可以看出, 加入纤维后砂浆的挠度明显增大。当荷载为2 kN时, 加入0.9 kg/m3 PP和BF的砂浆试件挠度分别增加了16.1%和17.8%。BF掺量越高, 其试件的挠度也越大, 但是1.2 kg/m3和1.5 kg/m3掺量的BF砂浆在相同荷载下的挠度差别不大。在使用BF来改善砂浆的韧性时, 存在一个最佳掺量, 当掺量达到最佳掺量时, 继续提高BF的掺量对于砂浆的韧性改善不明显。

3 结论

通过以上试验和分析, 可以得出如下结论:

(1) 在相同的水灰比下, 玄武岩纤维的加入降低了砂浆的流动度, 显著提高水泥浆体的早期强度, 但对28 d强度有一定的降低作用, 说明玄武岩纤维砂浆的长期力学性能有一定的衰减。

(2) 玄武岩纤维的加入可以有效改善水泥砂浆的抗拉伸性能。

(3) 加入玄武岩纤维后砂浆的韧性增加, 虽然抗弯强度改善不显著, 但相同荷载下试件的挠度明显增大。

(4) 玄武岩纤维的最佳掺量为1.2 kg/m3左右, 在此掺量下其各种力学性能优于最佳掺量下聚丙烯纤维水泥砂浆性能, 但其价格远远低于聚丙烯纤维, 因而可以作为聚丙烯和聚丙烯晴的良好替代产品用于增强砂浆混凝土。

参考文献

[1]胡显奇, 董国义, 鄢宏.玄武岩纤维在建筑和基础设施中的应用[J].工业建筑, 2004, 34 (增刊) :21-26.

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[4]张燕, 田风.玄武岩连续纤维的性能与应用[J].中国个体防护装置, 2004, (6) :13-15.

[5]王成启, 吴科如.胶砂质量比对钢纤维砂浆力学性能的影响[J].同济大学学报, 2003, 31 (7) :853-856.

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[7]Kataa.Effect of fiber modulus of elasticity on the long 2 term properties of micro 2 fiber reinforced cementations composite[J].Cement and Concrete Composites, 1996, 18 (6) :389-399.

玄武纤维论文 篇8

在结构维修加固方面, 虽然已有不少传统的手段和技术, 如增大截面法、外包钢加固法等, 但是这些传统的加固法存在一定的局限性:加固工艺复杂、防腐能力差、后期维护成本高等缺点。近年来, 纤维增强复合材料 (Fiber Reinforced Polymer, 简称FRP) 由于具备重量轻、强度高、抗腐蚀和疲劳性强、施工方便等优点, 正被广泛地应用于建筑结构的加固工程中。目前, 玄武岩纤维 (Basalt Fiber Reinforced Polymer, 简称BFRP) 片材 (布和板) 由于具备与碳纤维 (CFRP) 相当的优质性能, 而且价格还远底于CFRP, 是土木工程加固领域研究人员关注的热点。为了完善BFRP加固技术, 推广其在混凝土结构加固工程中的应用。本文拟从BFRP特性、加固混凝土构件的抗弯性能、抗剪性能和抗压性能以及BFRP-混凝土界面粘结性能等方面总结和展望BFRP在混凝土结构加固中的研究现状以及应用前景, 并指出当前研究存在的问题及未来需要解决的关键问题。

1 玄武岩纤维的发展与特性

针对玄武岩纤维的开发, 我国开展的研究较晚。20世纪90年代中期, 南京玻璃纤维研究设计院最早在中国开始BFRP的研究, 专注于适合充当隔热材料的超细玄武岩纤维, 主要用于战斗机的发动机外壳等军工用途。2002年11月我国将BFRP批准列为国家863计划, 2003年该863计划成果与浙江民营企业对接成立了横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司。该公司经过一年多的研究试验, 已掌握了BFRP生产工艺技术。2004年开始在上海实现产业化, 部分技术达到国际先进水平和领先水平[1,2]。

玄武岩纤维完全由单一玄武岩矿石熔融后拉丝而成, 和其它纤维比较具有以下特性: (1) 具有良好的耐温性, 玄武岩纤维的工作温度范围为-269℃~700℃, 研究表明, 虽然玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维在加热超200℃后强度均有下降, 碳纤维和玻璃纤维强度下降得十分明显, 碳纤维约在300℃时就有CO和CO2产生, 而玄武岩纤维在加热到600℃后其强度保持率仍在90%以上; (2) 具有较好的化学稳定性和耐酸碱腐蚀性; (3) 具有较好的力学性能, 抗拉强度更高; (4) 取材广泛、价格低廉, 约为碳纤维的1/10、高硅纤维的1/4~1/6; (5) 耐辐射和紫外线; (6) 100%由矿物组成, 生产时不添加其它成分, 对健康和环境无害[3]。

2 BFRP加固混凝土研究现状

目前, BFRP在土木工程领域的应用研究, 主要集中在利用BFRP筋材代替钢筋方面, 针对BFRP片材加固混凝土技术的研究还不多。国内BFRP片材加固研究起步于最近五年的时间, 并先于其他国家。下面将从BFRP加固混凝土构件的抗弯、抗剪和抗压性能以及BFRP-混凝土界面粘结性能等方面综述BFRP加固混凝土的研究现状及发展动态。

2.1 BFRP加固梁

外贴BFRP增强RC梁的抗弯性能是BFRP片材最常用的加固方法之一。针对BFRP加固梁的静力抗弯性能, 陈绪军等[4,5]对BFRP加固梁和CFRP加固梁进行实验研究, 分析了FRP类型、FRP粘贴层数和混凝土强度等级对加固梁抗弯性能的影响, 其实验结果表明:梁的抗弯承载力和抗弯刚度随BFRP强度、BFRP粘贴层数及混凝土强度等级的增加而提高, 但不成线性关系, 存在一个使构件达到最大承载力的极限层数, 超过该层数后, 构件的极限承载力将不会再提高;U型箍锚固量相同的情况下, CFRP加固梁较BFRP加固梁更容易发生锚固失效;对于加固梁承载力的加固效果, 粘贴1层CFRP布优于粘贴1层BFRP布, 但劣于粘贴2层BFRP布。关于BFRP加固梁的抗弯疲劳性能, 杨勇新等[6]对玄武岩纤维布加固RC梁进行弯曲疲劳实验研究, 其实验结果表明:采用玄武岩纤维布进行加固后, 梁的抗疲劳性能得到极大改善;粘贴1层和2层玄武岩纤维布后, 钢筋混凝土梁的疲劳寿命分别提高了66%和235%, 50万次时, 其疲劳变形分别减小了26.0%和35.4%;在纤维布与混凝土粘结可靠的情况下, 若梁的配筋率不超过2.5%, 加固梁发生钢筋疲劳断裂破坏的可能性极大。针对BFRP加固梁的抗剪性能, 欧阳煜等[7]通过对5根玄武岩纤维加固混凝土梁的实验, 研究了玄武岩纤维布对梁的抗剪承载力的影响和作用, 实验结果表明:BFRP布抗剪原理和箍筋类似, 可以有效地延缓剪裂缝的发展, 提高梁的刚度, 从而提高梁的跨中位移以及梁的抗剪承载力;BFRP的抗剪承载力, 取决于其加固形式, U形加固提高的承载力幅度优于I形加固, 片材加固率越大, 梁的抗剪承载力提高得越多;加固梁的最终破坏形式仍然是剪压区混凝土剪压破坏, 在此之前BFRP布发生剥离, 片材一旦剥离立即失去抗剪承载力, 导致梁迅速发生剪压破坏, 这种破坏是无预兆的脆性破坏, 工程设计中需要避免。

2.2 BFRP加固板

针对BFRP加固板的承载能力, 万黎黎和陈忠范[8]、张学义和廉杰[9]等的实验研究结果表明:采用BFRP加固技术, 能使混凝土板的承载能力得到了大幅度的提高。龚斌文等[10]也对BFRP加固板进行了实验研究, 其结果表明:与未加固板相比, 玄武岩纤维加固板的整体性和刚度均有较大提高, 其抗裂能力有很大改善, 受弯承载力提高了37%, 但玄武岩纤维加固板的受弯承载力提高的幅度小于碳纤维加固板;李猛深等人[11]研究了BFRP对钢筋混凝土结构的抗爆加固效果, 他们利用流固耦合算法模拟了板的破坏过程, 比较了加固前后板的破坏形态、钢筋应力及板底位移, 发现BFRP是钢筋混凝土结构在爆炸荷载下一种经济有效的加固材料;BFRP能够增强板的刚度, 降低钢筋应力, 减少局部破坏, 但也会加重混凝土保护层的破坏;在与CFRP加固效果相差不大的条件下, BFRP加固板保护层破坏较轻。

2.3 BFRP加固柱

关于BFRP加固柱抗震性能的研究, 吴刚等[12]、[13]对BFRP加固混凝土矩形柱和圆形柱进行了实验研究, 其结果表明:连续玄武岩纤维丝束缠绕加固能够显著提高混凝土柱的抗剪承载力, 改变试件的破坏形态, 在相近侧向约束刚度下, BFRP加固对柱承载力的提高以及延性、耗能等结构性能的改善都能够达到甚至超过CFRP加固柱。另外, 周长东等[14]、[15]对预应力BFRP加固混凝土柱的轴压性能和抗震性能进行了实验研究, 其结果表明:与非加固试件相比, 环向预应力纤维布加固试件的轴心受压承载力和延性均有明显提高;对纤维布施加预应力能避免纤维布的应力滞后, 更好地发挥纤维布的高强性能;在工程应用中环向纤维布的预应力宜控制在纤维布抗拉强度的0~0.20倍之间。郭旗[16]通过BFRP约束混凝土圆柱在冻融循环、冻融循环-Na Cl盐溶液复合两种环境下的轴心受压实验, 研究环境因素对BFRP约束混凝土圆柱轴压性能的影响, 实验结果表明:环境作用后, 两种环境对约束圆柱纵向变形能力有较大劣化作用;如果从提高强度、抗震能力、耐久性方面考虑, 全裹约束形式优于条带约束形式全裹约束形式优于条带约束形式。

2.4 BFRP-混凝土界面粘结性能

针对BFRP-混凝土界面的粘结性能, 国内外已开展的研究相对较少。吴智深等人[17]进行了单调荷载下BFRP-混凝土界面力学性能的实验研究, 该实验采用双面剪切试件的形式, 利用数字图像相关法测量FRP表面的应变分布, 其结果表明:与同层数CFRP试件相比, BFRP-混凝土界面剥离承载力较低, 但剥离破坏过程具有延性特征;与碳纤维混杂后, 混杂纤维-混凝土界面的承载力明显提高。杨新勇等人[18]通过27个混凝土与BFRP的粘结试件的单剪试验, 考察树脂种类、混凝土强度、粘结长度等因素对粘结性能的影响, 通过描述粘结界面破坏形态, 测量BFRP与混凝土界面的应变分布规律, 分析界面粘结应力的分布规律, 其结果表明:当混凝土强度在C20~C40的强度等级范围内, 随着混凝土强度等级的提高, 有效粘结长度稍微有所减少。

3 玄武岩纤维加固需进一步研究的问题

从以上的研究现状可以看出, BFRP片材加固技术在混凝土结构加固工程中富有广泛应用前景, 然而目前BFRP作为一种新型复合材料, 关于BFRP加固混凝土的研究还不够深入, 如果要将BFRP广泛应用在实际的加固工程中, 目前宜先解决下述相关技术问题。

⑴BFRP-混凝土界面长期性能的研究。在BFRP片材加固技术中, BFRP直接粘贴于混凝土表面, BFRP-混凝土界面是传递应力的关键部位也是加固构件的薄弱环节。但是, 目前国内外对BFRP–混凝土界面的粘结性能研究主要集中在短期力学性能上, 关于BFRP加固混凝土界面的研究并未全面展开。因此, 需要深入开展BFRP-混凝土界面的长期性能, 探明界面破坏机理, 为避免加固构件发生脆性剥离破坏提供施工依据。

⑵预应力BFRP加固技术的发展。目前FRP加固法主要采用的是被动加固技术, 这种技术主要存在下列缺点: (1) 整体加固效率低, 直接粘贴于受损结构表面的FRP, 只有在被加固结构二次受力后, 才能逐步发挥作用; (2) 不能改善调整原结构受力状况, 对于具有一定损伤状态的旧有结构而言, 外贴FRP不能促使这些已有的损伤恢复, 难于减小既有裂宽和变形。因此, 需要发展预应力BFRP加固技术, 提高加固效率。

玄武岩纤维混凝土的力学性能研究 篇9

近年来, 随着混凝土研究技术的不断提高, 纤维混凝土在建筑领域得到了越来越多的推广和应用。玄武岩纤维[1] (Basalt Fiber, 简称BF) 以其低廉的价格和良好的性能而倍受关注, 玄武岩纤维由纯天然玄武岩矿石经1450~1500℃高温熔融后, 通过铂铑合金拉丝漏板制成, 其外观为深褐色, 有金属光泽。玄武岩纤维具有许多优良特性[2]:承载能力高、抗冲击性能好, 利用玄武岩纤维的高模量、耐冲击和成本优势, 在混凝土中掺入短切玄武岩纤维, 可有效地降低混凝土的脆性, 提高其承载力, 改善其抗裂性和抗冲击能力;加固补强性价比高;耐腐蚀性和化学稳定性可靠, 玄武岩纤维在碱性溶液中具有独特的化学稳定性, 耐酸性比ECR玻璃纤维还要好, 具有明显的耐酸、耐碱性;另外, 该纤维防水性能好, 属于一级防水材料;良好的动态能量耗散性能;独特的耐高温性能, 玄武岩纤维具有突出的耐高温性能, 气温度使用范围为:-269~700℃;并且与混凝土有着基本相同的成分, 密度也接近, 所以玄武岩纤维与混凝土的相容性和分散性好于其他纤维[3]。目前, 玄武岩纤维在土木工程中的应用还处于刚起步阶段, 因此, 对于研究玄武岩纤维混凝土在土木工程中的应用具有重要的价值和深刻的意义。为推广玄武岩纤维在土木工程中的应用, 本文对素混凝土 (Plain Concrete, 简称PC) 和不同体积掺量的玄武岩纤维混凝土 (Basalt Fiber Reinforced Concrete, 简称BFRC) 的抗压性能、抗折性能进行对比试验, 研究不同体积掺量的玄武岩纤维对28d龄期混凝土的抗压性能、抗折性能影响。

1 试验材料与试验方法

1.1 实验材料

水泥:国道牌普通硅酸盐水泥P·O 42.5 级;水:普通自来水;细骨料:中砂;粗骨料: 粒径5~20 mm连续级配碎石;减水剂:高效减水剂, 减水效率为20%;玄武岩纤维: 横店集团玄武岩纤维公司生产的短切玄武岩纤维, 玄武岩纤维的主要物理力学性能指标见表1。

1.2 配合比

混凝土配合比采用普通混凝土配合比设计方法, 见表2。

1.3 试件分组

通过改变玄武岩纤维的体积掺量来研究其对混凝土抗压性能、抗折性能的影响, 测试6 种不同体积掺量下玄武岩纤维混凝土的抗压性能、抗折性能, 共计6 组试件, 见表3。6组不同的玄武岩纤维掺量分别为0、1.35、2.70、4.05、5.40、6.75 kg/m3, 相应试件代码为B00、B05、B10、B15、B20、B25。抗压强度试验的试件尺寸均为100mm×100mm×100mm的标准试件, 抗折强度试验的试件尺寸均为100mm×100mm×400mm的标准试件。

1.4 试件制作及养护

混凝土的取样符合《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》 (GB/T 50080-2002) 中的有关规定。试件在制作过程中, 投料顺序、搅拌方式、搅拌时间对混凝土的性能都有影响。为保证混凝土拌合物的均匀性, 混凝土采用强制式搅拌机搅拌。投料顺序为先将细骨料和短切玄武岩纤维以及高效减水剂共同搅拌30s, 玄武岩纤维要逐渐投入, 再依次放入水泥、水、粗骨料等其他材料。当材料全部投入完毕后, 再搅拌280s, 随着玄武岩纤维掺入量的增加, 适当延长搅拌的时间。混凝土装入模具后, 放到振动台上振动密实成型。24h后拆模, 立即搬入养护室养护, 养护室的温度为 (20±3) ℃, 相对湿度为90%以上。养护龄期为28d, 28d后将试件从养护室中搬出, 试验测试。

1.5 试验测试

抗压试验和抗折试验均参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》 (GB/T 50081-2002) 实施, 其中抗压试验的加载速度为0.5~0.8MPa/s, 抗折试验的加载速度为0.05~0.08MPa/s。以3 个试件测得的计算平均值为测定值, 计算分别精确至0. 1MPa和0. 01MPa。3 个测值中的最大值或最小值中如有一个与中间值之差超过中间值的15%, 则取中间值为测定值, 如最大值和最小值与中间值之差均超过中间值的15%, 则该组试验结果无效。

2 实验结果与分析

2.1 抗压强度

从素混凝土 (图1) 和玄武岩纤维混凝土 (图2) 试件的破坏特征可以看出, 素混凝土 (B00 组) 从出现裂缝到完全破坏过程很短暂, 属于很明显的脆性破坏。而掺入玄武岩纤维的混凝土试件的破坏过程相对缓慢, 随着玄武岩纤维掺量的增加, 破坏过程有明显的延长, 破坏后基本无碎块崩裂, 能保持原来的完整性, 表现出明显的延性破坏特征。其原因在于混凝土中夹杂的玄武岩纤维被拉断时需要消耗一定的能量, 使裂缝的扩展延迟, 玄武岩纤维能改善混凝土的延性, 在一定程度上能够抑制混凝土裂缝的产生和开展。抗压强度实验结果见表4。

图3 为28d龄期抗压强度与玄武岩纤维掺量之间的关系曲线。由图3 可知, 与素混凝土试件B00 相比, 玄武岩纤维混凝土试件B05、B10、B15、B20、B25 抗压强度都有一定程度的提高, 在B15 组的时候强度达到最强, 强度较素混凝土试件B00 相比提高了20.2%, 说明玄武岩纤维的掺入对于混凝土强度有着一定的提高作用。掺入量继续增加, 混凝土抗压强度呈现下降趋势, 说明玄武岩纤维存在最佳掺量的范围。掺入量高于4.05 kg/m3时, 混凝土抗压强度呈下降趋势的主要原因可能是过量的纤维在搅拌过程中存在结团现象, 不能均匀地分散在水泥浆中, 不能被所需要的水泥浆体完全包住, 在混凝土内部产生的缺陷增多, 在压力作用下较多的缺陷会使得混凝土试块更早被破坏, 过量的玄武岩纤维吸收了部分原本用于水泥水化的水, 影响混凝土水化过程, 从而降低了混凝土的抗压强度。

试验表明, 玄武岩纤维有助于提高混凝土的抗压强度。其主要原因是玄武岩属于无机材料, 并且与混凝土有着基本相同的成分, 密度也接近, 所以玄武岩纤维与混凝土能很好地黏结在一起。由于其在混凝土中良好的分散性, 玄武岩纤维掺入后形成了一定的网状结构, 协同骨料受力, 当应力自基体传递给纤维时, 纤维因变形而消耗一定的能量, 从而提高了混凝土的抗压强度。

2.2抗折强度

由图4 可以看出, 由于短切玄武岩纤维的加入, 混凝土的抗折强度在纤维掺量为1.35kg/m3内随纤维掺量的增加而增强, 当纤维掺量大于1.35kg/m3后, 混凝土抗折强度开始下降, 当纤维掺量大于6.75kg/m3后, 玄武岩纤维混凝土的抗折强度与素混凝土的抗折强度相差不多。其原因可能是由于实验操作引起的短切玄武岩纤维在混凝土机体中分散不均产生了众多的薄弱界面, 使混凝土不能够形成具有整体性的空间网架, 这些薄弱界面使混凝土的立方体抗折强度下降。

与素混凝土试件B00 相比, 玄武岩纤维混凝土试件的抗折强度都有明显的提高, 说明玄武岩纤维的掺入能提高混凝土的抗折强度, 但存在一个最优掺量, 最优纤维掺量为1.35kg/m3。抗折强度实验结果见表5。

3 结论

本试验通过对玄武岩纤维混凝土抗压强度、抗折强度的研究, 分析了不同掺量玄武岩纤维对混凝土力学性能的影响, 得出以下结论:

(1) 掺入玄武岩纤维能有效提高混凝土的抗压强度、抗折强度, 抗压强度最大提高20.2%, 抗折强度最大提高12.3%。

(2) 对于普通混凝土, 随着玄武岩纤维掺量的增加, 混凝土的抗压强度、抗折强度在各自对应的范围内均是先增大到某一峰值, 当超过这一峰值后再继续增加玄武岩纤维的掺量, 混凝土的抗压强度、抗折强度就会逐渐减小。这说明玄武岩纤维有一个最佳掺量, 超过最佳掺量后, 过多的纤维将会导致混凝土自身的最佳构造遭到破坏, 从而降低其抗压强度、抗折强度。

(3) 玄武岩纤维的掺入有效地改善了混凝土自身的破坏特征, 使混凝土的破坏从脆性破坏变为塑性破坏。玄武岩纤维是一种值得推广和应用的新型纤维增强材料, 应拓宽其在混凝土工程中的应用。

(4) 玄武岩纤维混凝土存在一个最优掺量。基于试验结果最优掺量为1.3 kg/m3, 当玄武岩纤维的掺量为1.35 kg/m3时, 对混凝土抗压、抗折强度的提高最为显著。

参考文献

[1]李韧, 毕重, 王玉, 等.短切玄武岩纤维自密实混凝土力学性能的试验研究[J].混凝土与水泥制品, 2008 (2) :48-50。

[2]武迪, 邵式亮.玄武岩纤维混凝土的特性及应用[J].路基工程, 2010 (2) :37-39。