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摘要：使用生態、天然纖維作為增強材料來制造輕質、低成本的復合材料的情況最近有所增加，目前廣泛使用的這類材料之一是玄武巖纖維。本文介紹玄武巖纖維生產工藝、性能及玄武巖纖維制品在土木工程中的應用。
關鍵詞：玄武巖纖維；土木工程；結構加固
1玄武巖纖維的生產
近年來玄武巖纖維（BasaltFiber，簡稱BF）的機械性能越來越好，人們對玄武巖纖維的使用進行了越來越多的研究。這些纖維現在用于制造輕質高端混合復合材料，用于基礎設施和民用應用。玄武巖纖維的生產不需要特殊的初步操作，在一次生產過程中不含任何其他添加劑，被認為是一種綠色材料，這種單純化大大降低了生產成本，所以玄武巖纖維比玻璃纖維或碳纖維便宜。玄武巖纖維是以天然火山巖玄武巖礦物作為原料，細粉玄武巖在1200℃~1500℃熔化，然后以細絲的形式擠壓出來。
2玄武巖纖維的物理和化學性能
碳纖維性能優越，但成本較高。在抗拉強度方面，玄武巖纖維約為3000-4840MPa，和玻璃纖維相當或更好，比碳纖維稍低。玄武巖纖維生態友好，無毒，密度小，容易負擔得起，使它可以成為理想的多種用途的復合材料。玄武巖纖維不可燃，可從非常低的溫度（即-200℃左右）一直到比較高的溫度（即在600至800℃范圍內）正常使用，經過20年的日照（相當于加速暴露4000小時）后，玄武巖纖維抗拉強度值大約下降13%。此外，還有隔熱、隔音性能好，吸濕性低、良好的絕緣性等優點，且玄武巖纖維價格較低。因此，玄武巖纖維在道路土建、電子工業、隔熱服裝、航空航天、體育器材、汽車船舶制造等各個領域都得到非常廣泛的運用。例如，在汽車領域，玄武巖纖維被廣泛應用于汽車車頭襯里的生產，以及汽車制動盤墊和離合器面的應用，玄武巖纖維在這一應用中的主要競爭優勢是其摩擦系數更高及優異的可回收性。另外，可以采用玄武巖纖維復合材料來制作風力發電葉片。
3玄武巖纖維制品在土木工程中的應用
3.1玄武巖短切纖維
最早，人們較多利用鋼纖維混凝土。鋼纖維可使混凝土的抗裂性能提高幾倍，但是對于一些將長期暴露于水中的混凝土，假如利用鋼纖維增強混凝土材料，水的對流和擴散發生，最終導致鋼纖維被腐蝕。因此，鋼纖維混凝土在水工建筑物中的應用受到嚴格限制。玄武巖纖維作為一種替代纖維，以其優異的性能受到了世界各國的廣泛關注。玄武巖纖維與水泥具有更好的結合強度，在混凝土中加入玄武巖短切纖維，即使在較低的含量下也能提高水泥混凝土的抗拉強度，并且縮小了混凝土的裂縫寬度。添加玄武巖纖維可顯著減少水泥砂漿的干縮，特別是在早期。此外，玄武巖纖維增強砂漿在水化早期具有更大的抗壓強度和抗彎強度，但在28天齡期時強度卻比沒有纖維的砂漿小。熱拌瀝青混凝土中使用玄武巖纖維對穩定性有積極的影響，并且能提高瀝青混凝土低溫、高溫性能，有效地改善路面的抗拉強度、韌性和抗車轍變形性能。
3.2玄武巖纖維單向布
玄武巖纖維單向布是采用玄武巖纖維無捻粗紗為徑向，織成的一種單向織物，其經向的強度遠遠高于緯向的強度。在已有結構的表面上將玄武巖纖維單向布和樹脂混合并粘貼，可以加固已有結構。玄武巖纖維單向布可以在梁底面和側面進行抗彎和抗剪加固，也可以加固其他類型的構件，尤其是對酸、堿、氯鹽環境腐蝕作用及紫外線作用有較強的抵抗能力。玄武巖纖維布不但可以加固鋼筋混凝土結構，還可以加固木結構、鋼結構和砌體結構，加固后均能提高承載力和變形能力。如果同時尋求適度的結構加固，但同時尋求較高的耐火能力，玄武巖纖維單向布可以很好地替代玻璃纖維布或碳纖維布。
3.3玄武巖纖維筋
鋼筋腐蝕導致的基礎設施退化是建筑業面臨的主要挑戰之一。此外，用鋼筋加固的結構很難修復。這種固有的不相容存在于混凝土和鋼筋之間，導致了新的混凝土加固材料的發展。纖維增強聚合物（FRP）筋替代傳統鋼筋在鋼筋混凝土結構中的應用，在建筑領域得到了廣泛的認可。FRP筋是一種無腐蝕、無磁性的材料，使其在惡劣的環境中非常適合于混凝土結構的加固。近年來，為應對資源短缺和鋼筋銹蝕問題，提出了海水與海砂混凝土（SWSSC）與纖維增強聚合物（FRP）筋相結合的方法，以取代傳統的鋼筋混凝土結構。玄武巖纖維筋不導電，耐蝕性好、強度與重量比高，很容易用常規工具切割到長度，它不需要像玻璃纖維筋一樣的特殊涂層，可以用于海水與海砂混凝土中，也可以用于易遭受海水、海風影響的沿海地區等不利環境中的水泥混凝土結構。玄武巖纖維筋常用于受到強烈環境侵蝕的混凝土結構構件，如污水處理廠的地基、道路結構和罐體、防波堤和其他海濱結構以及其他巖土結構。FRP筋應用的障礙之一是對FRP筋加固混凝土結構的設計缺乏標準和明確的指導原則，目前還沒有確定FRP筋力學參數的標準，因此在應用玄武巖纖維筋時應進行單獨的力學性能試驗。
3.4玄武巖纖維編織網
在歐洲工程師已經把建筑外墻板、永久性模板等做成TRC構件應用于實際工程。TRC所采用的編織網主要包括玄武巖纖維網格布、碳纖維網格布和耐堿玻璃纖維網格布等，它們具有質量輕、不銹蝕等優點，網格布徑向和緯向抗拉強度均較高，是雙向增強材料，比鋼筋具有明顯的優勢。
4結束語
在全球范圍內，使用生態、天然纖維作為增強材料來制造輕質、低成本的聚合物復合材料的情況最近有所增加。目前廣泛使用的這類材料之一是玄武巖纖維，它屬于綠色環保材料，生產成本低，具備良好的機械物理化學性能和生物降解性，在土木工程領域必將得到更加大力的推廣應用。
參考文獻
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作者:時長春 王誠杰 單位:河北水利電力學院