玄武岩纤维在高速公路建设中的应用

2019-12-02尤帆帆

山西建筑 2019年21期

尤帆帆

(广州市高速公路有限公司，广东广州 510000)

玄武岩纤维相比其他纤维来说，其综合性能较好，符合高速公路工程领域对材料的要求。因此，近年来已有越来越多的玄武岩纤维产品应用于高速公路工程建设中。

1 玄武岩纤维简介

玄武岩纤维(Continuous Basalt Fiber，简称CBF)是以天然玄武岩为原材，通过加工拉制而成的玻璃纤维。在1 450 ℃～1 500 ℃的高温下，玄武岩石料熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成。玄武岩纤维的生产对环境污染小，产生的废弃物少，且产品废弃后可直接在环境中降解，无任何危害，因而是一种名副其实的绿色、环保材料，被列为我国重点发展的四大纤维(玄武岩纤维、碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳纶)之一。玄武岩连续纤维已在纤维增强复合材料、土木工程行业、造船材料、汽车行业、摩擦材料、高温过滤织物、隔热材料以及防护领域等多个方面得到了广泛的应用[1](见图1，图2)。

2 玄武岩纤维的性能优势

2.1 工作温度范围大

工作温度范围-269 ℃～650 ℃，具有良好的耐温性能，能够适应各种高、低温的路面环境，可有效改变沥青高温软化、低温硬化的状况。

2.2 力学性能优异

力学性能低于碳纤维，但高于玻璃纤维，明显高于木质素纤维，具有很高的拉伸强度和模量。

2.3 化学稳定性好

在沥青混合料拌合时不与沥青发生任何化学反应，适应各种路面的工作环境。

2.4 抗老化性能好

不受沥青高温拌合影响，沥青混合料拌合及路面工作过程中不老化，不变质退化，矿物纤维沥青混合料可以实现100%的再生利用。

2.5 水稳定性好

减少沥青路面水破坏，不吸水、不怕潮，可抑制沥青氧化老化。

2.6 电热绝缘性能好

玄武岩纤维具有良好的电绝缘性能，有效防止沥青膜的电化学腐蚀，有利于沥青油膜的高温稳定性。

2.7 性价比高

价格是碳纤维的1/10～1/7，与耐碱玻璃纤维价格相当，但综合性能较优，具有较高的性价比。

3 玄武岩纤维在高速公路建设中的应用

3.1 玄武岩纤维土工格栅

1)产品简介。

玄武岩纤维土工格栅是用高强的玄武岩纤维通过先进的编制工艺制成的网格状基材，表面经涂覆处理制成的半刚性产品(见图3)。

2)产品优势。

满足施工温度要求：玄武岩纤维工作温度可达700 ℃，因此其性能不会受到高温影响。

耐久性强：玄武岩纤维土工格栅抗老化性能强，可抵抗各种物理磨损和化学侵蚀。此外，玄武岩纤维在长期荷载作用下变形很小，能长时间保持其性能。

提升沥青路面使用性能：玄武岩土工纤维格栅能够减少应力集中，分散沥青面层中的车轮荷载应力，同时其本身变形小，一定程度上可以减小路面弯沉变形，从而提高疲劳性能(见表1)。

表1 玄武岩纤维土工格栅性能指标

3)高速公路应用领域。

玄武岩纤维土工格栅，因其高抗拉强度，能够防止沥青路面产生裂纹，具有良好的与沥青混合料的相容性，无长期蠕变、热稳定性好，耐沥青混合料190 ℃以上高温的优点，可应用于高速公路路基增强、路面补强，高速公路的边坡防护，涵洞增强、坑道加固，高速公路融雪化冰用发热格栅等领域。

3.2 沥青混凝土用短切纱

1)产品简介。

沥青混凝土用玄武岩纤维短切纱是一种与沥青结合性好的短切纤维，在玄武岩纤维的基础上，通过特殊的表面处理和短切而形成(见图4)。

2)产品优势。

有效防止高温车辙，动稳定度增加；提高沥青的使用效率，减少泛油；提高抗开裂、断裂及抗老化龟裂能力；提高数倍耐疲劳循环周次，显著延长路面实际使用寿命；透水性能好，提高路面抗水损害能力。

3)性能指标。

低温抗开裂能力提高15%～30%；抗疲劳开裂能力提高2倍～6倍；抗车辙能力提高25%～40%；路面抗水损害能力大幅提高(见表2)。

表2 沥青混凝土用短切纱性能指标

4)高速公路应用领域。

短切玄武岩纤维适用于SMA,AC,PA,SUP等多种类型的沥青混凝土路面，可替代聚酯纤维、木质素纤维等沥青混凝土添加剂，用于中面层可抗反射裂缝，道路通行能力、行车安全性、舒适性、养护便利等性能有很大的改善。

3.3 玄武岩纤维复合筋

1)产品简介。

玄武岩纤维复合筋是采用乙烯基树脂(环氧树脂)和高强度的玄武岩纤维，在线拉挤、缠绕、表面涂覆和复合成型、连续生产的新型建筑材料(见图5)。

2)产品优势。

复合筋密度仅为普通钢筋的1/4左右，但抗拉强度是普通钢筋的3倍～4倍；考虑包装和运输成本，综合造价具有竞争性。

与混凝土的导热系数相近，使用复合筋可做到同胀同缩，且握裹力比钢筋大，与水泥混凝土的粘结强度大于30 MPa，是钢筋的5倍～12倍，可有效提高混凝土构件强度及耐久性。

3)性能指标见表3。

表3 玄武岩纤维复合筋性能指标

4)高速公路应用领域。

采用玄武岩纤维复合筋的高速公路桥面铺装，可承受-30 ℃严寒下车辆荷载的反复作用，且桥面没有出现任何裂缝。

3.4 玄武岩纤维锚杆

1)产品简介。

玄武岩纤维锚杆经拉挤工艺复合成型，采用高性能树脂为基础材料，玄武岩纤维为增强材料，最终形成一种高强度复合材料(见图6)。

2)产品优势。

具有耐腐蚀性、轻质、高强等优良特性。

3)性能指标。

玄武岩纤维复合筋的直径有3 mm，6 mm，8 mm，10 mm，12 mm，14 mm，16 mm，18 mm，20 mm和25 mm等规格，并分为有螺纹及无螺纹两种不同外观形式。玄武岩纤维复合筋“光杆”时的抗拉强度不小于750(800～1 100)MPa，若为螺纹筋材，相应性能指标应以95%折算。当玄武岩纤维复合筋直径超过16 mm时，其棒材和螺纹筋材的抗拉拔力均超过120 kN(传统锚杆的上限值)[2]。

4)高速公路应用领域。

用玄武岩纤维锚杆替代传统钢筋或钢绞线锚杆加固处理高速公路边坡或隧道，无需焊接，施工方便，支护效果好，节约工程造价。

4 玄武岩纤维经济性分析和应用案例

以玄武岩纤维复合筋为例：纤维复合筋强度为钢筋的4倍，重量为钢筋的1/4，由于纤维复合筋强度高，可以用小直径纤维复合筋代替大直径钢筋。经试验[3]：直径6 mm纤维复合筋可代替直径10 mm钢筋，直径7 mm纤维复合筋可代替直径12 mm钢筋，直径8 mm纤维复合筋可代替直径14 mm钢筋。按纤维复合筋单价37 000元/t、钢筋单价3 500元/t计算，两者经济性对比如表4所示。