玄武岩纤维十篇

玄武岩纤维篇1

玄武岩纤维拥有的特征与用途

玄武岩纤维具有良好的加工性能,用它可以制成多种用途的无纺布及复合织物,还可在化学、风能、交通、航空航天、建筑和海洋领域大显神威。其原因就在于,它拥有下列属性:机械性强度、化学抗阻、卓越的热效应、良好的隔音效果。玄武岩纤维材料是一种天然的矿物质,属于火山岩的一种。作为一种矿物,它拥有各种颜色,灰、黑等。是一种优良的矿物纤维原材料,含有100%的无机物,纤维兼容性极强,因此它可以与各种纺织纤维搭配,成为纤维材料的添加剂。这种矿物几乎在世界各国都能找到。在过去,人们将它用来做建筑材料或修整道路。但是,却很少有人知道,玄武岩纤维含有100%的连续性纤维,且纤维长度和直径很高,因此它具有很强的坚韧度,易弯曲,成本低廉,透气性好,对环境和健康无害,因此目前被看做最佳的石棉替代物。但是,玄武岩纤维的功能远不止这些。其天然的外观色泽可构成最佳的装饰效果。然而,更让人称奇的是,玄武岩纤维的特点和功能却在于强化其他纺织纤维,经强化后的纺织纤维具有如下特征:高强度、高系数、耐腐、耐高温、工作温度宽广、手感良好等等。

玄武岩纤维的比抗张力(其密度决定其断裂应力)超过钢铁纤维许多倍。而玄武岩的密度仅超过玻璃5%,其拉伸模量也超过玻璃纤维。这使玄武岩纤维可成为最佳的复合纺织强化纤维。不仅如此,它还具有稳定的规格尺寸,因为玄武岩纤维的弯曲度和柔软性不易发生变异,具有良好的抗疲劳性,是世界上具有最好摩擦系数的纤维之一。

由于具有绝缘性,玄武岩纤维还可制作从绝缘仪表板到电路板等广泛的产品,其应用十分广泛。玄武岩的需求量每年都在上升。凡是要用玻璃纤维的地方,玄武岩就能加以应用。

世界玄武岩纤维的发展历程

国外连续玄武岩纤维(CBF)研发经历了几十年的艰辛,近十年才真正取得玄武岩纤维技术的实质性进展。上个世纪末,苏联解体后,CBF经历了这十多年来初创发展期,加之世界经济快速发展,全球又迎来了新一轮的投资CBF的高潮,它有力地推动了这种复合材料的强劲发展。但由于生产连续玄武岩纤维的技术含量高、工艺难度大,迄今为止,全世界能生产这种纤维材料的仅有乌克兰、俄罗斯、美国、加拿大、中国等少数几个国家约数十家企业。

2005年全球规模较大的,现年产300～1500t级连续玄武岩纤维生产线在乌克兰有4家、俄罗斯4家、美国2家,格鲁吉亚、加拿大及德国各1家。其中在乌克兰基辅的乌日(TOYOTA)合资企业2005年约年产800tCBF,产品全部销往日本。最新获悉,该企业正着手规划扩建年产5000tCBF的新工厂;还打算在离乌克兰基辅350公里地方筹建万吨级连续玄武岩纤维新工厂。俄罗斯也在美国俄亥俄州建立了SUDAGLASS玄武岩纤维工厂,并已于2006年正式投产。

玄武岩纤维工业联盟(Basalt Fibre Association)BAF已在美国得州乌德兰兹成立,他们将以新产品新技术为契机,全力推广玄武岩纤维材料的应用。

目前,连续玄武岩纤维产品应用最为广泛的是独联体国家,他们已成功应用于多个领域,并大量出口西方。最近,他们又向加拿大转让相关技术并建成一条生产线,也与中国、越南、波兰和印度等国进行技术转让谈判。美国欧文斯・科宁(Owens Corning)公司对此项目也展开过产业化研究,曾建过大型流水生产线,投资约1亿美元,但因技术不过关,太冒进,投产后不能连续运行而影响工业化生产。

玄武岩纤维篇2

关键词：玄武岩纤维；比重瓶：测定

玄武岩纤维是以天然玄武岩矿石作为原料，将其在1450℃-1500℃熔融后，通过拉丝而制成的纤维。玄武岩纤维一般可分为普通玄武岩纤维，超细玄武岩纤维和连续玄武岩纤维。玄武岩纤维具有突出的力学性能，耐高温、耐酸碱、吸湿性低，此外，还有绝缘性好、绝热隔音性能优异、良好的透波性能等优点。广泛应用于航空航天，建筑、化工、医学、电子、农业等军工和民用领域，被誉为21世纪的新材料。

密度是表征物质特性的一个重要的物理量，测定物质的密度具有一定的实际意义，可以通过测定密度判定物质的种类。测定密度的方法很多，如浮沉法、液体浮力法、气体容积法、密度梯度管法等。笔者在日常检验工作中遇到关于玄武岩纤维密度的检测的需求，查无此方面的测试方法标准和测试方法的研究。本文以期用比重瓶法测试玄武岩纤维的密度，为其制定相关的测试方法标准作初步研究。

1　玄武岩纤维基本性能

玄武岩纤维密度大约在2.6 g／cm3-3.05g／cm3，主要组分为SiO2(44％-45％)、A12O3(12％～18％)、Fe203和FeO(9％-14％)、TiO2，Na2O等。玄武岩纤维组分中硅氧化物所占比例最大，由它形成了纤维的链状结构骨架，A1203也进入结构骨架网络中，在链的侧方由阳离子铁、钛，钠等进行连接形成结构稳定的非晶态物质。玄武岩纤维化学稳定性好，使用温度范围大(工作温度约为一269℃-9000℃)，具有良好的力学性能，导热系数及吸湿能力低且不随温度变化，无毒、不易燃，废弃后可天然降解，是一种“绿色环保材料”。

玄武岩纤维具有优良的物理机械性能，拉伸强度，弹性模量和断裂伸长，具有良好的耐酸碱性和耐水性，在一些应用领域内，完全可以代替玻璃纤维、碳纤维等充当复合材料的增强体，且性价比较其优越。

2　试验

2.1　材料与仪器

玄武岩纤维：美国福特路：玻璃纤维：重庆国际复合材料有限公司；涤纶纤维和棉纤维：重庆纤检所实验室提供。

附温比重瓶(50mL)：南京娇子藤科学器材有限公司；电子秤(精度为img)：上海精密仪器仪表有限公司，恒温烘箱：JGS100，上海基玮试验仪器设备有限公司：恒温水浴锅：DK-S22，上海基玮试验仪器设备有限公司。

2.2　测试原理

比重瓶法测定纤维真密度是基于“阿基米德原理”。将待测纤维浸入对其润湿而不溶解的浸液中，抽真空除气泡，求出纤维试样从已知容量的容器中排出已知密度的液体，就可计算所测纤维的真密度。真密度p的计算式(1)：

式中：mo――比重瓶的质量，g；ms――(比重瓶+纤维)的质量，g，ml――(比重瓶+纤维+液体)的质量，g；msl――(比重瓶+液体)的质量，g；pl――测定温度下浸液密度，g／m3；p――纤维的真密度，g／cm3。

2.3　测定

2.3.1比重瓶的校准

1　将比重瓶洗净、烘干，置于干燥器内，冷却后称量，准确至0.001g。

2　将煮沸经冷却的纯水注入比重瓶。对长颈比重瓶注水至刻度处；对短颈比重瓶应注满纯水，塞紧瓶塞，多余水自瓶塞毛细管中溢出，将比重瓶放入恒温水槽直至瓶内水温稳定。取出比重瓶，擦干外壁，称瓶、水总质量，准确至0.001g。测定恒温水槽内水温，准确至0.5℃。

3　调节数个恒温水槽内的温度，温度差不超过5℃，测定不同温度下的瓶、水总质量。每个温度均应进行两次平行测定，两次测定的差值不得大于0.002g，取两次测值的平均值。绘制温度与瓶、水总质量的关系曲线。

2.3.2　试样的制取

随机取足够量的样品，充分扯松去除杂质；用乙醚洗除样品上的油剂后置于蒸馏水中煮沸30min；然后取出样品，置于105℃烘箱中烘至绝干，置于干燥器中冷却备用。

2.3.3　测定步骤

1)比重瓶洗净烘干，在干煤器中充分冷却后称量比重瓶的重量mo。

2)在比重瓶中倒入三级水(经煮沸去除水中气体)。在25℃室温下平衡30min，称量比重瓶和液体总重量ms/o。

3)烘干比重瓶，取约1.0g纤维试样置于比重瓶中，称量比重瓶和纤维的总重量ms。

4)向比重瓶中加入三级水，浸没纤维后置于超声波中，超声振动30min除去纤维夹带的气泡等，室温下平衡足够时间使其温度达到25 oc，称量比重瓶、纤维和液体总重量ml。

3　结果与分析

采用无水乙醇与三级水作为测试介质，按2，3的方法对棉纤维、涤纶纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维进行密度测试，测试结果见表1。

从表1中看，采用比重瓶法能够比较准确地测出纤维的密度，从三级水测试介质的CV值变化趋势看，吸湿性强的棉纤维CV值要大于吸湿性差的涤纶纤维，远大于玻璃和玄武岩纤维，这说明吸湿性能对于纤维的密度测试有一定的影响，原因为吸湿性强，水可以有效地进入纤维内部孔隙结构，减少真密度测试误差：从测试介质看，采用水作介质测得棉纤维的密度大于采用无水乙醇的，对于吸湿性差的玻璃纤维和玄武岩纤维，采用无水乙醇大于水的测试结果，原因是无水乙醇不能有效地进入纤维内部孔隙及挥发性强的影响。

4　结论

玄武岩纤维篇3

玄武岩纤维属于高科技纤维,其应用领域广泛。文章阐述了玄武岩纤维国内外研究的最新进展,讨论了玄武岩纤维的性能以及我国玄武岩纤维生产技术存在的一些主要问题。文章还重点介绍了玄武岩纤维的产品及其应用。

关键词:玄武岩纤维;进展;性能;产品;应用

玄武岩纤维是玄武岩石料经过1450℃～1500℃熔融后,再通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。作为矿产资源中的一种,玄武岩矿石资源比较丰富,价格低廉,熔化后不需要经过净化过滤即可制成纤维。玄武岩纤维和玻璃纤维相似,其性能介于高强度S玻璃纤维和无碱E玻璃纤维之间,纯天然玄武岩纤维的颜色一般为褐色,有些似金色[1]。玄武岩纤维的耐温范围比较宽泛,可以应用在-260℃～+800℃的条件中,而玻璃纤维的适用温度仅在-60℃～+450℃之间,其耐碱性能和耐酸性能都要优于普通的玻璃纤维,抗氧化耐水解性能也比玻璃纤维要好得多,弹性模量是玻璃纤维的1.3倍左右,可以达到100GPa,而玻璃纤维只有70GPa～80GPa,抗拉强度甚至可以达到4000MPa以上[2]。据专家预测,玄武岩纤维制造业将成为迅速崛起的新兴材料产业之一[3]。因此,对玄武岩纤维的开发与研究具有显著的经济效益和良好的社会效益。

1玄武岩纤维研究的国内外最新进展

近年来,国内外研究者开始从事玄武岩纤维的研究并取得了一定的进展。我国对于玄武岩纤维的研究还处于起步阶段,俄罗斯与乌克兰在该研究领域代表着世界先进水平,他们主要采用铂金管分流器,加热式管状流液洞,同时使用中心取液法,配合较小的漏板、很短的漏嘴和热风式丝根冷却器等一系列专有技术和技术诀窍,使玄武岩纤维产品稳定,并运用上述技术开发了上百种玄武岩纤维产品[4]。近几年来,日本、德国等国都加强了对玄武岩纤维的研究开发,并取得了一系列新的研究成果。我国在上世纪90年代中期,南京玻璃纤维研究设计院开始对玄武岩纤维进行研究。其中,刘柏森、斯维特兰娜、何建生等[5]针对玄武岩熔体透热性低、易结晶、拉丝黏度高等特性,研究了一种生产连续玄武岩纤维的池窑,主要是在玻璃纤维池窑的基础上,通过在熔化池与作业区之间增加分隔墙、上升通道、热屏、薄层熔融体溢流带和溜槽等部分,保证了流入拉丝作业漏板的熔融体的质量和参数的稳定;王岚和李振伟[6]针对玄武岩熔点高、熔融体易结晶、漫流等问题,对普通玻璃纤维用铂金漏板中漏嘴进行改进,制成了玄武岩纤维用的铂金漏板,此种漏板中漏嘴出口与入口的直径比为1:1.05～1.3,高度为2mm～7mm,壁厚为0.2mm～0.7mm,这样的漏板有效地解决了料液在漏板上的析晶、漫流等问题,降低了拉丝工作的劳动强度,并提高了产品成品率;奥斯诺斯・谢尔盖・彼得洛维奇、李中郢[7]通过研究玄武岩矿石的熔融体制取短纤维的工艺和设备,给出了矿石的熔融温度范围、拉丝的温度范围、喷吹短纤维的喷吹压力值和喷吹气流速度的范围,明确了玄武岩短纤维生产设备的构成;闫全英、胡琳娜、谈和平等[8、9]也对玄武岩成型工艺中粘流性、高温黏度、析晶性能等在理论上做了大量的研究。据了解,2000年日本丰田公司在乌克兰投资,依靠乌克兰技术,建成工业化生产玄武岩纤维基地,开始玄武岩纤维制造业为民品服务。2001年我国哈尔滨工业大学组建了专门的研究队伍致力于玄武岩纤维制备技术的研发。2002年,连续玄武岩纤维被列为我国863高科技项目(2002AA334110)。2003 年该计划成果与浙江民营企业对接克服了氧化还原不好等技术难题,现已掌握了玄武岩纤维生产所有工艺技术,并于2004年开始在上海实现产业化,目前技术已经达到国内领先水平,部分技术达到国际先进水平和领先水平。从而为今后大规模稳定生产玄武岩纤维奠定了基础。

2玄武岩纤维的主要成分

在原料的选择上,玄武岩纤维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控制范围之内,这就需要对玄武岩矿物进行筛选。用于制造纤维的玄武岩要求SiO2含量高于50%,Al2O3含量在18%左右,这种成分赋予玄武岩熔体高黏度的特性。此外,由于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20%,制造玄武岩纤维的玄武岩成分中要求FeO和Fe2O3含量高达9%～14%。为了提高玄武岩纤维防水性能和耐腐蚀性能,还要求成分中含有一定量的 K2O、MgO和TiO2,拉制优良的纤维所需的玄武岩的成分见表1。随着现代表征技术的进步,玄武岩纤维的结构日益清晰。目前,业内人士普遍认为:玄武岩纤维内部为非晶态物质,具有远程无序、近程有序的结构特征,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[SiO3]n链,铝原子可以取代硅氧四面体中的硅,也可以以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不能满足而从空气和水中缔合质子或羟基,导致表面羟基化[10]。

3玄武岩纤维的性能

3.1优异的力学性能

玄武岩纤维具有较高的拉伸强度和弹性模量,玄武岩纤维在70℃水作用下,其强度可保持1200h,而一般玻璃纤维不超过200h就失强;在100℃～250℃温度下的拉伸强度可提高30%,而一般玻璃纤维却下降23%。玄武岩纤维的拉伸强度是普通钢材的10～15倍,是E玻璃纤维的1.4～1.5倍。加拿大Albarrie公司研制出的玄武岩纤维拉伸强度甚至达到4840 MPa,其力学性能见表2[11]。

3.2突出的耐高温性和低温热稳定性

玄武岩纤维的耐热性和耐高温的石英玻璃纤维接近。在400℃条件下,其断裂强度仍保持在85%左右;在300℃的条件下,其抗拉强度能保持80%以上[12]。这说明连续玄武岩纤维有优良的耐温特性,与碳纤维相比其耐热氧化性能更加突出,可以作为耐高温材料使用[13]。在长期处于低温-196℃液氮介质作用后,其强度不发生变化,足以说明它是有效的低温绝热材料。

3.3高的声绝缘特性

玄武岩纤维隔音效果好,可用作隔音材料,其声绝缘性见表3。

3.4高的耐腐蚀性与化学稳定性

玄武岩纤维在酸、碱溶液中,具有极高的化学稳定性。该性质决定了玄武岩纤维能够广泛应用于处于高湿度、酸、碱、盐类介质作用的建筑结构。

3.5良好的耐水性

玄武岩细纤维的耐水性远远好于玻璃纤维,吸湿率在0.2%～0.3%之间,而且其吸收能力不随时间变化,这就保证了它在使用过程中的热稳定性、使用周期性长和环境协调性好。

3.6高电绝缘性能和介电性能

玄武岩连续纤维具有良好的电绝缘性能和介电性能,其体积电阻率和表面电阻率比E玻纤还要高一个数量级,玄武岩中含有质量分数不到20%的导电氧化物,经过用专门浸润剂处理的玄武岩纤维的介质损失角正切比玻璃纤维低50%,可广泛用于电子工业制作印制电路板。

3.7良好的兼容性

玄武岩纤维可以用于制作性能良好的玄武岩塑料制品。玄武岩纤维可以替代玻璃纤维用于路面工程的土工格栅。玄武岩纤维具有比玻璃纤维更好的性能,可更有效地防止道路反射裂缝、龟裂等质量通病。

3.8防电磁辐射的特性

玄武岩纤维镀镍后的复合材料可以用于防电磁辐射[14]。依据成分的不同,这些材料反射电磁辐射或吸收电磁辐射。如果在建筑物的墙体中,增加一层玄武岩纤维布,则能对各种电磁波起到良好的屏蔽作用。

4玄武岩纤维的产品及其应用

玄武岩纤维制品是玄武岩纤维应用的一个主要方面,仅从民用的角度观察,玄武岩纤维可以通过不同材料结合、通过不同设计方法得到品种繁多制品。根据玻璃钢产业的统计,玄武岩纤维可以按照相应的方式得到类似的制品[15、16]。

(1)玄武岩纤维无捻粗纱

用多股平行原丝或单股平行原丝不加捻状态下并合而成的集束体。应用领域:缠绕各种耐高温、耐超低温、耐化学腐蚀、耐高压管道、储罐、气瓶,编织各种方格布、土工布用作建筑的修补和加固,耐高温的SMC、BMC、DMC短切纤维与塑料复合做增强材料,还用作防弹防护材料。

(2)玄武岩纤维纺织纱

由多根连续玄武岩纤维原丝经一次加捻而成的纱线。大体可以分为织造用纱和其他工业用纱[17]。应用领域:织造耐酸碱、耐高温的布和带,针刺毡用基布,电绝缘板用基布,电绝缘用纱,缝纫线,帘子线,高档的耐高温耐化学性织物。

(3)玄武岩纤维布

采用玄武岩纤维细纱(单丝直径一般小于9微米)加工而成的纺织布。产品应用:覆铜板基布,针刺毡基布,防火布基布,防辐射材料基布,建筑工程修补加固的基布,尤其适用于军队防毒、防辐射、防火、防化学腐蚀和屏蔽性强的装备和设施的篷布。

(4)玄武岩纤维防火布

用 GBF的7～9微米连续玄武岩纤维细纱编织而成的,其中有平纹布、缎纹布等,经耐高温、无毒害的涂层处理。产品应用:适于造船业、大型钢结构和电力维修的现场焊接、气割的防护用品纺织、化工、冶金、剧院、军工等通风防火和防护用品,消防头盔、护颈织物,玄武岩纤维防火布为不燃材料,在1000℃火焰作用下,不变形、不爆炸、耐火在一个小时以上。可在潮湿、蒸汽、烟雾、含化学气体的环境下起到防护作用。还适用于避火消防服、隔火帘、防火毯、防火包、电焊、防火布围墙等。

(5)玄武岩纤维土工布

以耐酸强的玄武岩纤维为原料,编织成格栅布,在经过沥青处理后烘干成型。玄武岩纤维混凝土在常温下弹性模量与沥青混凝土模量比高达24:1,具有很高的抗变形能力,断裂延伸率在3.4%左右。产品应用:是增强砂浆混凝土防渗抗裂的优良建筑材料,与沥青混合搅拌用于路面施工[18]。

(6)玄武岩纤维短切纱

用连续玄武岩纤维原丝短切而成的产品。一般其上涂有硅烷偶联剂。所以玄武岩纤维短切纱是增强热塑性树脂首选材料,同时还是用于砂浆/混凝土和沥青/混凝土最佳的防渗抗裂增强材料[19]。产品应用:适用于增强热塑性树脂,是制造SMC、BMC、DMC的优质材料;由于具有良好的性价比,特别适合与树脂复合用做汽车、火车、舰船壳体的增强材料;用于水电站大坝的防渗抗裂抗压和延长道路路面使用寿命的增强材料;还可用于热电厂的冷凝塔、核电厂的蒸汽水泥管道;用于耐高温针刺毡、汽车吸音片、热轧钢材、铝管等。

(7)玄武岩纤维针刺毡

由单纤维无序交错穿插,形成无定向三维微孔结构。产品应用:高级空气过滤材料,电子行业的过滤、吸音、隔热、防振材料,化工、有毒有害气体、烟尘过滤材料,汽车、轮船舰艇的隔热、保温、消音材料[20]。

(8)玄武岩纤维表面毡

用于复合材料,不但能形成树脂量80%的富树脂层,使制品表面有一个色泽光亮平整的表面,同时提高制品的防渗漏、防腐蚀能力。玄武岩纤维表面毡的粘接性与树脂的相容性很好,能提高异性复合材料的成型性。同时还是拉挤和缠绕成型复合材料的首选材料;可部分替代纤维、芳纶幅面毡。

(9)连续玄武岩纤维膨体纱

将玄武岩纤维原丝通过膨胀体纱机,在高速空气进入成型膨化通道中形成紊流,利用这种紊流将玄武岩纤维分散开,使其形成毛圈状纤维,从而赋予玄武岩纤维蓬松性,制造成膨体纱。产品应用:制造耐高温过滤布,制造防火窗帘布,用膨体纱与连续纤维混织,是制造耐高温过滤布、高等级针刺毡的优良材料。

(10)连续玄武岩纤维套管

由玄武岩纤维编织而成,使用时一般都需经过加工和表面处理。产品应用:适于电器、电机的剥线部位的绝缘管,还可用作定纹管、电刷软管、耐高温复合管的基材使用。

(11)玄武岩纤维短切原丝毡

用连续玄武岩纤维原丝短切成50mm的定长纤维,均匀分布在成型网带上,经过粘结剂后再烘干而成的卷材。由于玄武岩纤维的电绝缘性好,具有透波和吸波性能,弹性模量高,是造船、管、罐、板、雷达罩、雷达天线、体育场游泳池等的增强材料。

(12)玄武岩纤维多轴向布

采用国际先进的多轴向编织设备和工艺编织而成。产品应用:风力发电叶片、船舶、汽车、高速列车、体育用品、建筑物的补强和航天、航空、防弹、防护等领域。

5玄武岩纤维生产技术存在的主要问题

玄武岩纤维的生产工艺虽然非常简单,但由于纯天然玄武岩熔体导热性能差,析晶上限温度较高容易析晶,而且容易造成漫流,成纤黏度控制区间较窄,对于天然玄武岩矿物相和成分必须进行严格的筛选。因此生产玄武岩纤维过程中有着成纤难度大、工艺控制条件严格和设备适应性高等技术难点。目前世界上最大的玄武岩熔池窖年产才几百吨,拉丝板的最多喷嘴孔数为800孔,而真正投入工业化生产的却只有200孔。因此,在进行生产能力更高的多孔喷嘴技术上,需要取得突破性进展[21]。

6结束语

玄武岩纤维集多种优良功能于一体,但是玄武岩纤维生产难度很高,目前全世界仅有俄罗斯、乌克兰、中国等少数几个国家掌握了该生产技术,全世界的总产量不足3500吨,但是我们相信随着玄武岩纤维生产技术的提高及对玄武岩纤维产品性能研究的不断进步,对玄武岩纤维的需求量会不断增加,加之它又是一种高科技含量和高附加值的新产品,其将拥有广阔的市场前景,将会为企业带来巨大的经济效益和社会效益。因此加快对玄武岩纤维及其制品的研究与开发符合国家产业化发展政策,有利于促进我国矿产资源的合理开发和综合利用,对促进我国建立一种低投入、高产出、少排放、能循环、可持续发展的资源节约型、环境友好型社会有着举足轻重的意义。

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玄武岩纤维篇4

【摘要】 目的：利用玄武岩纤维加强聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)义齿基托材料，提高该材料的抗折裂能力。方法：采用长度分别为3、4和6 mm的短切玄武岩纤维作为PMMA复合材料的加强体，玄武岩纤维加入量分别按占牙托粉质量的0、2%、4%和6%，制成64.0 mm×10.0 mm×3.0 mm的试件，采用万能力学试验机和扫描电子显微镜分别对试件的挠曲强度、弹性模量以及断面的微观形貌进行测量和表征分析。结果：4 mm纤维长度添加量在4%时，复合材料的挠曲强度和弹性模量分别为115.35 MPa和3.49 GPa，相比于0组[(102.50±1.56)MPa，(3.07±0.04)GPa]增强效果最为显著(P

【关键词】 玄武岩纤维; 聚甲基丙烯酸甲酯; 义齿基托; 挠曲强度; 弹性模量

[Abstract] Objective: To study the mechanical properties of denture base resin enhanced by basalt fiber. Methods: A range of basalt fiber reinforced poly methyl methacrylate(PMMA) composites(64.0 mm×10.0 mm×3.0 mm)， were developed with fiber contents of 0， 2%， 4% and 6% by weight and fiber length of 3， 4 and 6 mm. The flexural strength， flexural modulus and fracture surface morphology were characterized by universal testing machine and SEM. Results:When the fiber content and length were 4% and 4 mm respectively， the flexural strength and flexural modulus of the composite were improved most significantly compared with the control group， reaching up to 115.35 MPa and 3.49 GPa respectively. SEM observation showed that fiber could be uniformly dispersed in the composite and well bonded with PMMA matrix. Conclusion: The flexural strength and flexural modulus of the denture base resin can be improved by incorporating basalt fiber into PMMA.

[Key words] basalt fiber; poly methyl methacrylate; denture base rein; flexural strength; flexural modulus

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是目前制作义齿基托的主要材料。尽管PMMA具有良好的生物性能、色泽美观和易于加工成型等诸多优越性，但其脆性较大，韧性较低，义齿基托易发生断裂[1]。研究证实将纤维加强复合树脂作为义齿基托加强材料是具有临床使用价值的。玄武岩纤维是一种新型高强度的天然硅酸盐纤维，经硅烷偶联剂处理能与树脂基质形成良好的化学结合[2]。本研究采用玄武岩纤维作为义齿基托的加强材料，并就玄武岩纤维长度和含量对复合材料挠曲强度和弹性模量的影响进行了初步的研究，以期为临床应用提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 材料

热凝型义齿基托树脂、义齿基托水(登士柏牙科有限公司);玄武岩纤维(横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司馈赠)，纤维表面经KH570硅烷偶联剂处理，平均直径10 μm，密度2.8 g·cm-3，长度分别为3、4和6 mm。

1.2 方法

1.2.1 试件的制备 制备尺寸为64.0 mm×10.0 mm×40.0 mm不锈钢金属试件若干，用石膏于型盒内翻成试件阴模。将不同长度(3、4和6 mm)的短切玄武岩纤维，分别按占牙托粉质量的2%、4%和6%分组加入到PMMA中，用玻璃球充分混匀，再设置一未加纤维的PMMA作为空白对照组。按粉液比2 ∶1(g·ml-1)调合。将达到面团期的调和物充填入型盒模腔内，加压后按照牙托粉厂家要求对树脂基托进行热聚合。试样固化完成后，使用水冷慢速切割锯将试件切割成64.0 mm×10.0 mm×3.0 mm试件，打磨抛光后，贮存在37 ℃恒温水浴中50 h。

1.2.2 挠曲强度和弹性模量测试 参照国家医药行业标准YY02702003。试件为64.0 mm×10.0 mm×3.0 mm，每组材料制备5个试件，分别测量每个试件的实际宽度、厚度。采用三点弯曲法在MTS Synergie100万能力学试验机上测试试件的挠曲强度及弹性模量。试件支点跨距为50.0 mm，加载杆和支撑柱直径均为3.2 mm，加载速度为5 mm·min-1，加载至试件破坏，记录挠曲强度和弹性模量值。

1.2.3 扫描电镜(SEM)观察 在机械性能测试后，分别从每一实验组中随机选取两个折断试样进行干燥，喷金，采用JEOL JSM6300型扫描电子显微镜观察试样断面形貌。

1.3 统计学处理

所有数据应用SPSS13.0统计软件进行处理。各组内数据采用±s表示，用单因素方差(Oneway ANOVA)分析及均值间的StudentNewmanKeuls多重比较进行对比，P

2 结 果

2.1 玄武岩纤维加强PMMA义齿基托挠曲强度和弹性模量 3 mm玄武岩纤维的添加量增加到6%时，PMMA义齿基托材料的挠曲强度和弹性模量均明显增强，优于0、2%、4%的组别(P

图1是4 mm玄武岩纤维添加量为0、2%、4%和6%的PMMA材料的断面SEM照片。从图1a中可以看出，当4 mm长纤维含量为4 %时，纤维在基体中分布均匀，没有发现气泡等缺陷。复合材料断面有少量纤维被拔出而留下的孔洞以及纤维被部分拔出后断裂的现象，说明纤维与基体结合性好。从图1 b可知，纤维与PMMA基体间的界面紧密，无间隙，纤维表面包裹着致密的基体材料。纤维在较低添加量(2%)时，断面处的纤维数量较少(图1c)。当纤维添加量增加到6%时，如图1d所示，纤维出现部分团聚现象。

3 讨 论

义齿基托的折裂常常是导致齿科修复失败的主要原因。研究表明68%的PMMA基板在制作后的几年内就会发生破裂。这主要是因为义齿意外坠落撞击硬物和反复咬合使之变形而产生疲劳所致。上颌义齿的破裂多由疲劳和冲击联合作用引起，而下颌义齿的破裂80%是由冲击引起的。多数情况下，断裂发生在基板中线处，而且，上颌多于下颌[3]。为了提高PMMA基托的强度，人们做了很多尝试，如在基托内加金属丝、金属网或金属板等[4]。但该法的主要问题在于金属与树脂间的粘结性较差。而铸造基板虽可提高挠曲强度和冲击强度，但操作复杂，价格昂贵，不美观且易腐蚀[5]。

随着纤维材料的开发和利用，研究者们发现通过纤维加强义齿基托可以提高它们的挠曲强度、抗张强度和冲击强度，具有临床使用价值。常用的纤维有尼龙纤维、金属纤维、玻璃纤维和碳纤维等[6]。本研究中使用的玄武岩纤维是一种由天然玄武岩矿石经过高温熔融拉丝而成的高性能硅酸盐纤维，具有高强度、抗冲击、抗疲劳和耐酸碱腐蚀等特性。玄武岩纤维的抗拉强度为4 100～4 800 MPa，弹性模量为90～110 GPa，极限延伸率为3.1%(碳纤维1.7%，纺纶2.4%)[7]。与同为硅酸盐物质的玻璃纤维相比，玄武岩纤维除具有相当甚至更加优异的机械性能外，其原料仅为天然岩石，资源丰富，价格低廉。同时玄武岩纤维对人体无害，是目前唯一非人工合成的环保洁净纤维，我们的前期试验显示它们具有很好的生物安全性。因而，玄武岩纤维的高性价比使其在增强复合材料领域具有极大的竞争优势。

本研究制备的玄武岩纤维增强义齿基托复合材料是以PMMA为基体，玄武岩纤维作为增强体构成的多相材料。基体和增强材料的界面作为纤维与基体连接的“纽带”对复合材料的力学性能有重要的影响。在制备前，采用γ(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷偶联剂(KH570)对玄武岩纤维表面进行改性处理。由于玄武岩纤维表面具有大量的硅羟基(SiOH)，能与偶联剂水解生成的硅羟基发生缩合，同时偶联剂之间的硅羟基互相缩聚，在纤维表面形成了偶联剂膜。另一方面KH570中含有活性较高的甲基丙烯酰基，能有效与丙烯酸树脂发生化学反应[8]。扫描电镜的观察结果证实了纤维和PMMA之间通过硅烷偶联实现了良好的结合，基体能渗入纤维间隙，对纤维实现粘结保护，两者之间取长补短，协同作用，形成了比原来单一材料更优异的性能。

义齿基托材料在咀嚼过程中会承受不同的力，这些力包括拉应力、剪切力和压应力[9]，是复合应力。挠曲强度则能描述材料承受这样复杂应力下的性能。而弹性模量体现了材料的刚性，弹性模量的增大表明材料受力不易变性，所制作的义齿基托树脂更能充分分散咬合力。因而挠曲强度和弹性模量是义齿基托树脂的重要机械性能，对修复体的咀嚼功能有重要作用。

研究发现玄武岩纤维对PMMA义齿基托材料机械性能的增强效果与纤维的含量和长度均有关。长度4 mm的纤维在含量4%时对基托材料的挠曲强度和弹性模量增强效果最为显著。这是因为此时纤维在基体中分布均匀，与基体的结合性好，利用纤维的高强度、高模量特性，使其成为承载体，在外部载荷作用下，纤维会分担部分载荷从而减轻基体材料本身的负担;其次纤维能有效阻挡裂纹的扩展，转移裂纹方向，并通过与基体的脱黏、断裂和拔出来吸收能量，钝化裂缝尖端，减轻应力集中，达到对脆性基托材料增强和增韧的目的[10]。另外，4 mm的纤维较长，与基体接触更多，所受的摩擦阻力也更大，当纤维被拔出时，需要消耗的能量也更多，使其增强复合材料的效果更明显。

在一定范围内，随着纤维含量和长度的提高，复合材料的强度也上升。但当进一步增加纤维含量或者长度时，纤维的分布出现不均匀，有部分团聚现象;树脂含量不足，可操作性较差，影响了甲基丙烯酸甲酯(MMA)聚合反应，导致了复合材料综合力学性能降低。

因此，合理选择纤维的长度和掺入量，能够明显提高PMMA义齿基托材料的挠曲强度和弹性模量，从而加强PMMA义齿基托材料的机械性能。

参考文献

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玄武岩纤维篇5

【关键词】功能层；沥青混合料；路用性能；玄武岩纤维

1. 前言

（1）为提高水泥混凝土路面的耐久性，已有研究提出在水泥混凝土面板与基层之间设置沥青混合料层间过渡层，其不仅能改善面板与基层的接触状况、有效减少雨水的下渗，还能缓解路面板传递来的动载冲击作用，大大提高路面的使用状况和服役寿命[1，2]。由于路面板接缝处的剪切作用往往会造成较大的应力集中，从而使过渡层产生竖向剪切变形和开裂破坏，因此需要根据所处的特殊受力环境对功能层沥青混合料进行设计[3，4]。但是前人的研究往往是针对设置层间功能层的水泥混凝土路面结构受力特性，而对功能层沥青混合料路用性能的研究较少。

（2）在国内外路面工程实践中，纤维复合材料已成为提高沥青混合料水稳定性和抗剪性能的有效技术手段。玄武岩矿物纤维由于具有耐高温、原料来源广泛和可以再生利用等优点而逐步受到工程技术人员的重视[5，6]。因此，本文采用玄武岩纤维对功能层沥青混合料进行改性，并根据功能层的技术要求对其抗渗、水稳定性和抗剪性能进行了系统分析。

2. 原材料与试验方法

（1）本研究所选用粗、细集料为玄武岩，矿粉为磨细的石灰岩，经检测各项技术指标均符合规范要求；沥青为SBS改性沥青，其技术指标见表1；玄武岩纤维为浙江石金公司生产，其技术指标见表2。

（2）混合料级配采用密级配沥青混合料AC-13，以《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）推荐的级配中值为设计级配，见表3。纤维掺量分别取0、0.15%、0.30%、0.45%和0.60%，采用马歇尔法确定的最佳沥青掺量分别为4.5%、4.7%、4.9%、5.2%和5.2%。

（3）参照T 0730-2000沥青混合料渗水试验试验规程，采用轮碾法成型试件，对沥青混合料的抗渗性能进行测试和评价；将每一组配比的标准马歇尔试件分成两组：一组在60℃恒温水槽中保温30min后测其马歇尔稳定度MS，另一组在在60℃水浴中恒温保养48h后测其马歇尔稳定度MS1，用残留稳定度MS0来分析玄武岩纤维对混合料的水稳定性能的影响；将车辙板切割成30cm×5cm×5cm的梁式试件，然后参考文献[2]所推荐的测试方法测试其抗剪性能。

3. 结果与讨论

3.1抗渗性能。

功能层沥青混合料试件的渗水系数计算时以水面从100mL下降至500mL所需的时间为标准，将渗水系数计算结果绘于图1。从图1可以看出，随着纤维掺量的增大，混合料的渗水系数逐渐减小，说明玄武岩纤维的加入对抗渗性能有利。主要是因为随着纤维的加入，沥青的裹覆面积得以提高，从而使沥青胶浆的体积量增大，混合料的空隙率减小，所以抗渗性能提高，能有效减小雨水下渗进入水泥路面基层内部，提高基层的使用寿命。

图2稳定度与残留稳定度

3.2水稳定性能。

（1）采用标准试验方法进行浸水马歇尔试验[7]，每组试验采用平行试件4个，测试结果如图2所示。从图2可以看出，加入玄武岩纤维以后，功能层沥青混合料的稳定度和残留稳定度均明显提高，并且随着纤维掺量的增大其提高幅度更明显。当纤维掺量分别为0.15%、0.30%、0.45%和0.60%时，马歇尔稳定度的提高幅度分别为14.5%、21.5%、31.2%和17.2%，残留稳定度的提高幅度分别为16.2%、23.6%、33.65和17.9%。纤维的加入导致沥青胶浆的粘度增大，劲度变大，所以混合料的稳定度提高；当把其浸入水中后，由于胶浆与矿料的粘附性提高，所以水分更难进入沥青胶浆与矿料表面之间，从而导致混合料的残留稳定度提高。

图3残留稳定度比

（2）综合分析稳定度与残留稳定度的增长趋势可以看出，当纤维掺量达到0.45%时，混合料的稳定度、残留稳定度与残留稳定度比均达到最大值，所以建议玄武岩纤维的掺量为0.45%较合适（残留稳定度比见图3）。

3.3抗剪性能。

荷载重复作用次数与功能层沥青混合料累积变形之间的关系如图4所示。从图4可以看出，纤维的加入导致混合料的累积变形大大减小，在0.45%掺量下，当荷载重复作用次数分别为5000次和50000次时，累积变形分别减小了19.4%和15.4%。沥青混合料的抗剪强度主要由矿料的嵌挤作用和沥青的粘聚作用所提供，加入玄武岩纤维以后，随机分布的纤维网络对沥青胶浆的流动产生阻滞，充当了加筋的作用，从而提高了混合料的抗力和稳定性，所以导致其累积变形的减小。但是，当纤维掺量超过0.45%以后，混合料的累积变形反而增大，主要是因为随着纤维掺量的增大，其分散性受到一定的影响，纤维的加筋作用得不到完全发挥，所以累积变形略有增大。

图4纤维掺量对抗剪性能的影响

4. 结论

玄武岩纤维的加入导致沥青的吸附面积增大，粘度增大，沥青胶浆劲度提高，所以功能层沥青混合料的抗渗性能、水稳定性和抗剪性能均明显提高，有利于功能层有效阻止雨水的下渗并缓和面层板的剪切和冲击作用，大大提高基层的使用寿命和路面的使用质量。综合考虑抗渗性能、水稳定性和抗剪性能测试结果，建议玄武岩纤维的掺量为0.45%较为合适。

参考文献

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玄武岩纤维篇6

【关键词】碳酸钙晶须；玄武岩纤维；水泥砂浆；试验；影响

1、引言

目前，纤维增强水泥基复合材料，是指在水泥基材料基体中均匀分散一定掺量和特定性能的纤维，从而使水泥基材料的力学和耐久性等综合性能得到有效改善。水泥基材料中掺入纤维是增强水泥基材料强度、韧性、耐久性以及向高性能化方向发展的有效途径，已在矿山、隧道、铁路、公路、工业与民用建筑、水利水电、防爆抗震和维修加固等工程中迅速发展并广泛应用。本文将碳酸钙晶须和玄武岩纤维引入水泥砂浆，通过试验研究，首先考察了碳酸钙晶须对水泥砂浆物理力学性能的改善，然后探讨了不同长度和掺量玄武岩纤维对砂浆的增强增韧效果，进而研究了不同长度纤维混杂对砂浆力学性能的影响。在此基础上，将晶须掺入玄武岩纤维水泥砂浆，考察晶须和纤维的复合增强效果。

2、碳酸钙晶须和玄武岩纤维的概述

碳酸钙晶须和玄武岩纤维作为新型无机矿物纤维增强材料，在成分上均与水泥基材料具有天然的相容性，凭借优异的物理力学性能和低廉的生产成本以及良好的环保性迅速成为材料研究领域的热点。碳酸钙晶须属于单晶体增强材料，尺寸极其微细，其生产原料为来源广泛的碳酸钙，是十分常见的无机非金属材料，且生产制备过程无环境污染，工艺简单，有利于实现大规模工业化生产，将其作为矿物微纤维对传统工程材料水泥进行增强，有望克服传统纤维存在的诸多弊端，也是对水泥基材料增强增籾技术的全新探索；而玄武岩纤维作为近些年发展起来的新型环保纤维，具有一系列其他纤维无法比拟的优异性能，已经在混凝土领域进行了大量研究与应用，而且玄武岩纤维生产原料来自天然的火山岩矿石，无有害的矿物成分，加之生产工艺简洁，原材料利用率高，成本低廉，为其在水泥基材料领域的更广泛应用创造了有利条件。

2.1 碳酸钙晶须的基本物性

作为一种重要且极为常见的无机矿物，碳酸钙有三种晶型，分别是方解石型、文石型和球霹石型，其热力学稳定性逐渐降低。在自然界中，方解石型碳酸钙晶须是热力学稳定相，常温常压下，以大理石和石灰石的形式存在；文石型是亚稳相，形貌特征呈针状，在自然界中常存在于海洋沉积物以及珍珠层中；球霹石则是人工合成碳酸钙，性能极其不稳定，呈球形，在自然界中没有天然存在的球霹石。碳酸钙晶须属于文石型，由于它结晶时高度有序的原子排列结构，几乎不存在削弱其强度的如空洞、位错等结构缺陷，因而它所具有的机械强度接近于原子间的价键强度。

碳酸钙晶须的化学式为CaCo3，其相对分子质量为100，外观为蓬松状的白色粉末，微观形貌呈针状或纤维状，由于碳酸钙晶须颗粒间具有良好的分散性，且长径比较高，形貌类似于短纤维，是一种性能优异的增强增初材料，同时，晶须外观平滑完整且无明显缺陷，具有良好的加工流动性，用其增强后制品表面光洁度较高，加之碳酸钙晶须丰富的原料来源及低廉的生产成木，因此开发和应用前景十分广阔。

2.2玄武岩纤维增强水泥基复合材料

玄武岩纤维（BasaltFiber）是近些年来研发的一种新型增强材料，它是由单组分玄武岩矿物原料在1450～150（rC高温熔融后，利用铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的一种连续纤维。相比于沉积岩中的页岩、砂岩和变质岩，由于玄武岩的杨氏模量更高，所以用玄武岩制备的纤维具有抗拉强度和弹性模量高、耐高温和耐腐蚀性能好等其它矿物纤维无法比拟的优势。此外，玄武岩融化过程中没有有害物质和工业垃圾排出，对环境无害，是一种绿色、环保的无机非金属矿物纤维，因而被称为21世纪无污染的"绿色工业材料和新型材料"。

由于玄武岩纤维具有优良的力学性能、化学稳定性以及低廉的生产成本，自问世以来，就有大量学者对玄武岩纤维增强复合材料进行了研究，凭借其突出的性能优势，已广泛用于宇航、化工、建筑等工程领域[60]。虽然用其增强水泥的研究起步较晚，但目前仍是纤维增强水泥基材料领域的研究热点，在未来有着广阔的发展和应用前景。

3、碳酸钙晶须试验方法

3.1主要原材料

（1）水泥

本试验所选用的水泥为P，042.5R普通硅酸盐水泥，其化学组成如表1所示。

（2）砂

本试验所选用的砂为标准砂。

（3）碳酸钙晶须

本试验所选用的碳酸钙晶须由四川成都蜀阳硼业化工有限公司生产，合成方法为碳酸化法，外观为白色蓬松状粉末。

在碳酸钙晶须中化学成分中，CaO和CO2占到总质量的97%，故所选用碳酸钙晶须的主要化学成分为CaCO3，且具有较高纯度。

利用XRD-6000型X射线衍射仪对所用碳酸钙晶须进行晶型测试，判定晶型结构。通过X衍射图谱分析可知，碳酸钙晶须的主要晶型为文石相（a=0.4962nm，b=0.7968nm，c =0.5743nm），故所选用晶须为文石型碳酸钙晶须。同时，根据衍射峰强度可知，碳酸钙晶须具有很高的纯度和结晶度。

利用QUANTA-450型扫描电子微镜对碳酸钙晶须的微观形貌进行观测，文石型碳碳酸钙晶须呈针状结构，具有较高长径比，长度约为20～40μm之间，平均直径约为0.5～1.0μm，且表面光滑，分散性较好。

（4）玄武岩纤维

本试验所用的短切玄武岩纤维为浙江金石玄武岩纤维有限公司产品，外观呈古铜色。本试验选用3mm、6mm、12mm、20mm四种长度规格的短切玄武岩纤维。

利用扫描电子显微镜对玄武岩纤维的微观形貌进行观测，由观测结果可以看出，玄武岩纤维符合一般纤维材料的形貌特征，截面呈圆形，表面光滑，具有较高的长径比，且直径尺寸分布较为均匀。

3.2水泥砂浆物理性能测试方法

（1）流动性

水泥砂柴流动性试验根据标准GB/T 2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》的规定进行。主要操作步骤如下：

①首先将跳桌台面、截锥圆模内壁、模套以及捣棒擦拭干净并充分润湿，再将试模放在跳桌台而中心，然后用湿布将其覆盖；

②将拌合好的水泥砂浆分两次先后装入截锥圆模内。第一层以试模高度的三分之二为准，装好后用捣棒沿试模边缘向中心均匀插倒15次；然后，将第二层砂浆快速装入，直到高出试模顶端约20mm为止，再用捣棒以同样的方式均匀插倒10次。在装模和插倒过程中，要保持试模稳定，不要使其移动，插倒后的砂柴应略高于试模顶端；

③将模套取下，把高出截锥圆模的多余砂衆由中间向两边刮去，并清除落在桌面上的砂浆；

④沿竖直方向缓慢匀速提起试模，并立即开动跳桌进行测试，完成25次跳动；

⑤跳桌测试结束后，测量砂柴底面上相互垂直的两个直径，并计算平均位，作为该配比水泥砂浆的流动度。

（2）干燥收缩测定方法

水泥砂浆干缩试验按JGJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》的规定进行。本实验所用仪器为立式砂浆收缩仪，精度为0.01mm，所采用试件尺寸为40mm x 40mm x 160mm。

砂浆收缩试验的步骤如下：

①在成塑试件之前，首先将收缩头在试模两端的孔洞位置中进行固定，并在试件两端面各露出8±1mm；

②将拌合好的水泥砂浆装入试模中，经振动台振动密实后，成型试件带模在标准养护条件（温度20±2°C，相对湿度90%以上）下养护7D后，然后拆模，并标注试件测试方向；

③将试件在温度20±2°C，相对湿度（60±5）%的室内进行预置，4h后即可按照标注的测试方向对其初始长度进行测定；

④完成初始长度测定后，再将砂浆试件重新放回温度20±2°C，相对湿度（60±5）%的室内进行养护，在第7d、14d、21d、28d、56d、90d分别测定试件长度；

其中，St为第t天（7d、14d.21d、28d、56d.90d）时的试件干燥收缩值；L0为试件7d后的长度，即初始长度（mm）；L为试件的长度160mm；Ld为两个收缩头埋入砂浆试件中的长度之和，即20±2mm；Lt为第t天（7d、14d、21d、28d、56d、90d）时砂浆试件的实测长度（mm）。

每组成型3个试件，取其测试值的算术平均值作为该组砂浆的干燥收缩值，若当其中一个数值与平均值偏差大于20%，应剔除该数值；若其中有两个数值偏差超过20%，则该组测试结果无效。

4、晶须对水泥砂浆物理性能的影响

（1）通过水泥砂衆流动度试验发现，随着晶须掺量的增加，流动性呈现下降趋势，当晶须掺量小于10%时，砂浆流动性无明显劣化现象，当掺量进一步增加时，流动性降低较为明显。

（2）水泥砂浆试件干缩值随着晶须掺量的增加而增大。当晶须掺量分别为5%和10%时，对砂浆试件干缩无明显改善效果，28d以后干缩值与基准试件基本相同；随着晶须掺量的进一步增加，干缩值也随之增大，当掺量为20%～40%时，干缩值要显著高于基准试件。

（3）通过压汞试验可知，水泥石的孔隙率随着晶须掺量的增加而逐渐增大。当晶须掺量为20%以内时，主要孔径分布无显著变化，增加孔隙主要为50nm以下的少害或无害孔，随着晶须掺量进一步增加，孔隙率增大更为显著。当晶须掺量为10%时，200mm

以上的多害孔总数有所降低，且随着多害孔径的不断增大，降低趋势也越来越明显，表明适宜掺量的晶须可在一定程度上对水泥石起到填充密实作用。

5、晶须对水泥砂浆力学性能的影响

（1）碳酸晶须能够提高水泥砂浆的3d和28d抗压强度。当晶须掺量为5%、10%、20%时，3d抗压强度分别增加了19.2%、15.3%、19.8%；28d时，相比于3d的增强幅度有所降低，但各掺量下的抗压强度仍有提髙，晶须掺量为10%吋，抗压强度最大提高幅度为13.0%。

（2）与抗压强度类似，掺入晶须的水泥砂浆试件抗折强度均有了明显的提高，随着晶须掺量的增加，呈现先上升后下降的趋势。3d龄期时，在晶须掺量为10%时增强效果最佳，提高幅度为29.5%；28d龄期时，抗折强度的提高幅度有所减小，当品须掺量为10%时，抗折强度提高7.2%，随着渗量的进一步增加，增幅有所降低。

（3）掺入晶须后的水泥砂浆试件的劈裂抗拉强度也得到提高。当碳酸钙品须掺量为10%时，试件劈裂抗拉强度达到最大值4.24MPa，与纯水泥砂浆试件相比，提高幅度为26.2%，而晶须掺量继续增加后，劈裂抗拉强度有所下降，但幅度不大，仍明显高于纯水泥砂浆试件。

（4）碳酸钙晶须的掺入能够一定程度上改善砂浆的抗冲击性能。当品须掺量为10%，对冲击次数和吸收冲击能的提高幅度最大，但基体初裂后，继续祗抗冲击荷载的能力无显明提高。从砂浆基体受冲击破坏形态上可以看出，纯水泥砂浆试件为典型的脆性破坏，而碳酸钙晶须增强水泥砂浆试件的脆性降低，细小裂纹分支增多，切性和延性有所提高。

6、结语

对碳酸鈣晶须增强水泥基材料的耐久性能还缺乏系统研究。由于碳酸钙晶须具有优异的物理化学性质和机械性能，可以显著改善水泥基材料的力学性能，因此，全面考察晶须增强水泥基复合材料（混凝土）的耐久性对完善整个研究体系具有重要意义。

参考文献：

[1]徐兆瑜.晶须的研究和应用新进展[J].化工技术与开发，2007，（34）.

[2]李武，靳治良，张志宏.无机晶须材料的合成与应用[J].化学进展，2003，（15）.

玄武岩纤维篇7

一、工程概况

某高速公路隧道全长850米，其中右洞K131+186―K131+241段Ⅳ类围岩，二衬设计厚度30cm，在交工检测时发现拱顶局部厚度仅为5-7cm，拱腰局部厚度仅为5-10cm。为确保营运安全，经专家论证后，设计院提出加固方案：全断面喷射一层厚15cmC25玄武岩纤维砼，并布置间距（纵*环）50cm*50cm，锚固16cm总长32cm的Φ16钢筋锚钉，再加设一层Φ18×Φ12钢筋网（详见下图）。砼方量163.3m3，钢筋27.5T，历时5天完成。

二、巴斯夫无碱速凝剂技术指标

速凝剂是能使混凝土迅速凝结硬化的外加剂。速凝剂掺入混凝土后，能使混凝土在5min内初凝，10min内终凝。1h就可产生强度，ld强度提高2～3倍，但后期强度会下降，28d强度约为不掺时的80％～90％。温度升高，提高速凝效果。混凝土水灰比增大则降低速凝效果，故掺用速凝剂的混凝土水灰比一般为O•4左右。掺加速凝剂后，混凝土的干缩率有增加趋势，弹性模量、抗剪强度、粘结力等有所降低。速凝剂的主要种类有无机盐类和有机物类。我国常用的速凝剂是无机盐类。而巴斯夫无碱速凝剂系引进德国先进技术，采用无机、有机材料合成新工艺而研制开发的新一代绿色、高效、环保型无氯、无碱液体速凝剂；其主要技术指标有：

1、凝结时间快，初凝〈5min，终凝〈10min；

2、掺量不超过5―7%；

3、粘结性好，一次喷射厚度可达8～150mm；

4、回弹量少，和易性好；

5、工作面无粉尘，无氯、无碱，有利于操作人员健康；

6、绿色环保，PH值2-5，对人体和皮肤腐蚀性小

7、可以显著地促进水泥水化与混凝土强度的提高，与各种水泥都具备良好的相融性；

8、28天强度基本不损失，甚至提高10-20%

三、隧道二衬加固喷砼施工方案

1、沥青路面防护

在隧道加固段长度内路面上满铺一层土工布和一层彩条布，并安排专职人员4名及时清除喷砼回弹料及废弃物，最大限度地保护沥青路面免遭损坏。

2、人员配备

人员按“两班”制配备，拌和12人，运输6人，湿喷12人，其中喷射手4名，杂工10人。

3、机械设备配备

拌和：采用750型强制式搅拌机，供料：采用3台8m3砼罐车运输另加一个料盘作为临时存料，喷射：采用两台成都岩峰TK500型湿喷机，供风：采用两台12 m3/min电动空压机。

4、无碱C25砼配合比

水灰比 砂率(%) 1m3砼材料用量(kg) 水泥:砂:碎石:水:减水剂:玄武岩纤维:速凝剂 坍落度(mm) 备注

水泥 碎石 砂 水 减水剂

0.4 63 450 620 1055 225 3.6 1:2.34:1.38:0.5:0.01:0.011:0.06 160±20

原材料：红狮P.O42.5水泥、5-12mm碎石、中粗河砂、萘系高效减水剂（减水率15%）、上海巴斯夫无碱液体速凝剂、玄武岩纤维掺量5kg/m3。

5、湿喷法工艺流程

湿喷法工艺流程图如下：

5.1 拌和

搅拌是保证玄武岩纤维在混凝土中均匀分布的重要环节，施工中应采取合理的投料顺序以及正确的拌制。在施工中采用以下投料顺序：砂、石、玄武岩纤维、水泥、水、外加剂。采用强制式搅拌机拌合，先加砂、石、玄武岩纤维干拌，玄武岩纤维逐渐洒散加入，再加入水泥，最后加水湿拌。加料时不允许直接将玄武岩纤维加到胶凝材料中，以防结团。

5.2 运输

采用3台8m3砼罐车运输，从上料时间至喷完整个时间段罐体要保持不停旋转，防止初凝，原则上从出料至喷完总时间越少越好，若总时间超过2小时则加水打出废弃，防止凝结在罐车内，造成无法装料及影响施工。

5.3喷砼

5.3.1速凝剂的控制

巴斯夫无碱液体速凝剂掺量不超过5―7%，侧墙取小值，拱顶取大值；严格控制流水机的大小，并及时检查是否堵漏等情况发生，确保掺量准确。

5.3.2料盘

砼运输罐车漏斗置于料盘上，料盘口置于两台湿喷机料斗上，砼料均速、连续进入料斗，人工扒料时，要注意清除粒径较大颗粒。

5.3.3喷射

喷砼采用湿喷工艺，喷嘴要靠近受喷面，并与垂直方向有一个小角度，使钢筋后面的混凝土能喷射更密实，防止钢筋后漏喷；施工时要求喷头与受喷面距离1.0～1.5m，角度应垂直于衬砌面，基本控制在750～900。喷射时对喷头做顺时针旋转，喷射顺序从下向上，先边墙后拱脚和拱腰，最后喷至拱顶。喷砼分两次进行，为保证各次喷砼间的结合，头次喷砼接缝处做成斜面，再次施工时在斜面上继续施喷，间隔时间不大于30分钟。

施工中控制风压保持稳定，不得突变，严禁出现空声区域。

喷砼采用纵向分段施工，设置环向施工缝并采用2CM厚刨花板作隔离材料，环向施工缝与二衬施工缝应尽量对齐，以减少收缩裂缝。

施工过程中，实测回弹率为20%左右，而类似工程采用相似的人员、机械配备进行湿喷法施工，采用有碱速凝剂时喷砼回弹率多达30-45%左右。

5.4养生

采用两台简易水车，用高压水枪均匀喷洒，以保持表面湿润。在喷射完成1-2小时后，开始养生，养生时间不少于7天。

6、检测结果

设计要求性能指标：C25玄武岩纤维砼，抗拉强度2.0MPa，粘结强度0.8MPa；

委托第三方进行了取芯检测，结果如下：28天抗压强度两组：34.7MPa、37.5 MPa、36.6 MPa、37.9MPa、37 MPa、38.5 MPa；抗拉强度两组：3.85MPa、3.87MPa、3.5MPa、3.91MPa、3.1MPa、4.0MPa；粘结强度两个测点：1.27MPa、1.12MPa；三项指标均满足设计要求。

四、需注意的事项

1、各种速凝剂对水泥都存在适应性问题，使用前，必须对施工用的水泥进行适应性试验，确定最佳掺量。

2、本产品对普通硅酸盐水泥效果最佳，如用其它水泥应做好试配试验。

3、施工中应严格控制水灰比不超过0.5，否则影响速凝效果；推荐配合使用不具有缓凝作用的高效减水剂控制水灰比，采用低水灰比，可取得更好的使用效果。

4、速凝剂的掺量可采用流量计或精密水表控制。

5、水泥存放时间较长、施工温度低或施工条件差，须适当增加掺量。

6、渗水、漏水的工程部位必须加大掺量。

7、液态速凝剂采用塑料桶包装，开桶后应搅拌均匀，若一次使用不完，应密封保存。

8、运输时应轻装轻卸，防止溢漏。

9、应贮存在专用库房，防止雨淋、日晒，有效期六个月。

10、有轻微腐蚀性，应避免与皮肤接触，如溅到皮肤上请立刻用大量水冲洗，必要时请到医院就诊。

五、结论

通过这次隧道加固效果表明，采用“湿喷法”工艺进行喷射砼时掺加无碱液态速凝剂具有如下优点：

1、粘结性好、回弹量低，既提高喷砼工效，又降低了喷砼成本；

2、凝结时间快，初凝〈5min，终凝〈10min，并产生较高的早期强度；在低温下使用不失效；混凝土收缩小，不锈蚀钢筋，适用于堵漏、抢险等工程；

3、后期强度高、抗渗级别高，有利于确保喷砼质量；

玄武岩纤维篇8

关键词：纤维混凝土；路面；施工；技术；探讨。

中图分类号： TU74文献标识码：A文章编号：

我国大量的沿海公路、沙漠公路、牧区公路等多风路段，普通混凝土路面在施工期间刮风开裂、温差大开裂和运营中不抗裂的问题。在施工过程中，不允许混凝土路面出现塑性收缩裂缝和温差裂缝，尽管塑性裂缝初期仅为表面裂缝；温差裂缝仅为板中裂缝，当裂缝末穿透是不可见裂缝。但这些裂缝的危害很大，致使混凝土路面寿命非常短。

针对施工期间出现的塑性收缩裂缝和温差裂缝，可以通过施工中采取一些措施进行防治。如：对于塑性收缩裂缝采取喷养生剂加保温覆盖等加强养生，减少水分蒸发；对于温差裂缝采取保温措施。但是仅些还是不能杜绝裂缝产生。有抗裂要求的混凝土配合比设计中除适当减少砂率等技术措施外，根据实际工程长寿命的工程需要，在蒸发率较大、施工环境恶劣场合使用抗裂纤维混凝土路面势在必行。

纤维混凝土拌和

采用强制式搅拌机，钢纤维混凝土搅拌机使用双锥反转出料搅拌机容量为250L。由于采用1.2%的钢纤维掺量且坍落度较小，为不使搅拌机超负荷工作，适当降低搅拌机的利用率。

搅拌时间和投料顺序。为防止钢纤维结团，采用先干后湿的工艺。投料顺序为：砂—钢纤维——石子——水泥的顺序投入料斗。首先在搅拌机里干拌1—2分钟，再加入水湿拌2分钟左右，总搅拌时间控制在6分钟内。搅拌时间过长会形成纤维结团，且每次搅拌量控制在搅拌机容量的1/3以下。

纤维混凝土的运输

纤维混凝土运输采用自卸运输车。由于钢纤维混凝土在运输过程中受到振动，使钢纤维下沉、坍落度和含气量都会有损失，影响钢纤维混凝土的均匀性。因此，选择钢纤维混凝土的搅拌场地时尽量缩短运距，并注意选择合适的自卸运输车辆，以保证浇筑时卸料高度不得超过1.5M，确保混凝土卸料过程中不发生离析现象，同时，应注意运输时纤维混凝土的温度，避免造成纤维混凝土的施工和易性下降。

三、纤维混凝土路面的铺筑

（1）补强与抗裂拌和纤维混凝土路面的厚度、平面尺寸和纤维掺量应符合《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40）和设计图纸规定。

（2）拌和纤维混凝土路面的布料和摊铺除应满足摊铺普通混凝土路面规定外，还应符合下列规定：

A、所选用的各种机械布料和摊铺方式，应保证路面板内纤维分布均匀，在一块面板内的浇筑和摊铺不得中断；

B、较高纤维掺量的补强钢纤维及其他纤维混凝土拌和出和混合料均不得结团，当发现有结团现象时，应在拌和楼上配备纤维均布机以消除结团；

C、纤维拌和物应与所选定的摊铺方式相适应，其工作性应满足相应摊铺工艺条件下的振捣密实要求；

D、布料松铺厚度应通过试验确定，拌和物坍落度相同时，宜比相同机械施工方式的普通混凝土路面松铺厚度大10MM左右。

（3）玄武岩纤维与各种合成纤维混凝土路面适用于不折减板厚的拌和塑性抗裂纤维混凝土路面铺筑，其原材料应分别符合《公路工程玄武岩纤维及其制品》（JT776.1—2010）和合成纤维各项质量指标GB/T21120—2007的规定。其配合比设计应符合抗裂纤维混凝土的技术要求，当玄武岩纤维与合成纤维掺量较低时，抗裂纤维混凝土路面的铺筑应符合相应工艺普通混凝土路面的规定；当玄武岩纤维与合成纤维掺量较低时，抗裂纤维混凝土路面的铺筑应符合相应工艺普通混凝土路面的规定；当玄武岩纤维与合成纤维掺量较高时，抗裂纤维混凝土路面的铺筑应符合补强纤维混凝土路面的规定。

（4）各种拌和纤维混凝土路面的其他施工环节应符合相应公路等级纤维混凝土路面的规定。

（5）纤维混凝土路面的振捣与整平

A、所采用的振捣机械除保证纤维混凝土密实外，还应保证纤维在混凝土中分布的均匀性。

B、除应满足各交通等级路面平整度要求外，整平后面板表面不得上翘钢纤维。表面下10—30MM深度内的纤维应基本处于平面分布状态。

C、采用三辊轴机组摊铺纤维混凝土路面时，不得将振捣棒组插入路面纤维混凝土内振捣，也不得使用人工插捣。应采用大功率平板式振动器振捣密实，再采用振动梁压实振平，振动梁底面应设凸棱以利表面纤维和粗集料压入。然后用三辊轴整平机将表面滚压平整，再用3M以上刮尺、刮板或抹刀纵、横向精平表面。

D、采用滑膜摊铺机铺筑纤维混凝土路面时，振捣棒组的振捣频率不宜低于10000次/分钟，振捣棒组底缘应严格控制在面板表面位置，不得将振捣棒组插入路面纤维混凝土内部振捣。

（6）纤维混凝土路面施工的特殊工艺要求

A、纤维混凝土路面的板长宜为6—10M，纤维掺量较大时，可用大值，掺量小，用小值，面板长宽比应符合设计要求。

B、纤维混凝土路面必须使用硬刻槽方式制作抗滑沟槽，但不得拖出纤维或留下纤维拖行的沟槽。

C、纤维混凝土拌和物从出料到运输、铺筑完毕的允许时间不宜超过表1的规定。在浇筑和摊铺过程中严禁因拌和物干涩而加水，但可喷雾防止表面水分蒸发。

表1 纤维混凝土拌和物从出料到运输、铺筑完毕允许最长时间

注：施工温度指施工时的日平均气温，使用缓凝剂延长凝结时间后，本表数值可增加0.2—0.35H。

四、层布钢纤维混凝土路面铺筑

（1）层铺钢纤维结构形式

各级公路层布钢纤维混凝土路面应使用双层层布纤维混凝土路面；除非特殊场合，一般不宜使用单层层布纤维混凝土路面。层布钢纤维混凝土路面使用原材料和配合比应符合普通塑性路面混凝土的规定，并应符合表2中对层布钢纤维特殊几何参数用形状精度的要求。

表2钢纤维几何参数及形状精度要求

注：钢纤维几何参数及形状精度的检验方法应符合YB—151—1999。

（2）层布钢纤维路面的适应范围

双层层布钢纤维混凝土路面主要用于特重、重交通的二级及其以下公路的路面补强，在施工时，应由上、下两层均匀撒布的钢纤维与上、中、下三层振捣密实的路面混凝五层组成。施工时，为了保证撒布的钢纤维均匀，应使用专用的撒布机撒布。表层混凝土施工整平时，钢纤维不得在路面表面。

（3）钢纤维混凝土路面面板板厚折减

双层层布钢纤维混凝土路面厚度折减系数应根据钢纤维掺量大小及混凝土实测弯拉强度高低，宜在0.8—1.0范围内选取。钢纤维掺量大，混凝土实测弯拉强度高，可取小值；反之，应不折减板厚。单层层布钢纤维混凝土路面不得折减板厚。层布钢纤维混凝土路面的弯拉强度试验可参照施工规范附录J进行。

（4）单双层层布钢纤维撒布的要求

玄武岩纤维篇9

去年11月份，上海胶州路上一栋28层的民宅发生火灾，带走了50多个鲜活的生命。同月，吉林市商业大厦的一把大火又使得19人命丧于此。而2009年央视文化中心的大火，也使1名消防队员牺牲。

为减少火灾，岩棉不燃材料担当“防火员”

在这些沉痛的灾难发生后，人们开始对不燃型外墙保温材料尤为关注。研究安全耐用的不燃的岩棉外墙外保温材料已经成为一个迫切的任务。岩棉的生产技术虽然在国外已经比较成熟，但是进口一条生产线的价格在1亿元左右，而如果将我国现有的生产线进行改造，只需要花费3000万左右就能生产高品质的岩棉制品。所以2009年11月，北京工业大学、北新建材等企业共同承担了北京市科委科技项目预培育课题“不燃型外墙保温材料研究及应用”，对A级不燃型墙体保温材料展开了攻关。课题组以岩棉为对象，在广泛调研及试制的基础上，对外墙保温用岩棉进行了实验研究，试制材料性能达到了欧洲标准，产业化改造的技术方案已基本完善。

岩棉以天然火成岩为主要原材料，其中玄武岩和辉绿岩是常用的原材料品种。而岩棉的这些主要成分，使它具备了不燃的特性。在1400摄氏度的高温下，玄武岩等原料被化成水。经过如此的高温，原料中已经不存在可燃物，比如碳等物质，所以制成的岩棉成品就具有了不可燃烧的性质。

这种兼具防火、保温、吸声等多种功能的绿色环保材料，在国外，尤其是欧洲的建筑市场在关系到生命财产安全的建筑应用中大量使用，北欧人均年消耗量在20公斤以上，美国年人均消耗量为5~10公斤。

1980年，北新建材集团就开始引进设备生产龙牌岩棉，1982年，就将产品应用于中国第一家五星级饭店――北京长城饭店。但由于建筑外墙保温对岩棉的酸度系数、横向抗拉强度、憎水性等性能有更高的要求，普通岩棉很难满足，也正由于此岩棉外墙保温应用一直没有成熟的规范和标准，所以这也正是此次课题研究的初衷。

所以在此次的研究中，课题组对北新建材集团的矿渣棉生产线进行了升级和改造。矿渣棉和岩棉的生产线类似，但是矿渣棉是以工业生产形成的尾渣为主要原材料，其中钢渣为常见的原材料。它的耐水性和强度都没有岩棉优异，同时也缺乏岩棉的阻燃功能，所以矿渣棉不能应用于外墙外保温。在改进生产线的过程中，课题组攻克了很多技术难关，其中强度和耐水性是决定岩棉性能的两个关键技术。

调制配方，提高岩棉功效

北京工业大学材料学院教授孙诗兵告诉记者，要想提高岩棉的强度，需要对很多环节进行调整，首先就是配方的调整。在配方中，课题组将硅和铝的含量提高，把碱的含量减少，这就使岩棉纤维的强度更高。因为岩棉跟玻璃的结构很相似，在玻璃中，硅和铝的含量越高，它的网络结构就越完整。如果碱含量高，其中的网络结构就容易断裂，整个材料的强度就会下降。

配方调整好后，被熔成液体的岩石原料，被离心机制成短纤维，制成的岩棉纤维就像棉花糖的一束束糖丝，但是岩棉纤维不具备糖丝的黏性，它们聚在一团时，会相互滑动，为了固定纤维，增加强度。在制成短纤维的过程中，就需要用酚醛树脂粘接剂将岩棉纤维粘接在一起。只有在每一根纤维表面都均匀地挂一层粘接剂，岩棉的每一根纤维才能牢牢地粘住，使岩棉的强度均匀，不容易断裂。所以课题组在改进喷头的设计，改变喷嘴压力等方面都进行了调整。

经过这些步骤后，纤维再通过集棉装置成为薄薄的棉片，尔后，这些棉片被送到摆锤机上一层层地叠起来。在这个过程中，为了增加强度，还要经过打褶的工艺，使岩棉纤维在空间立体中充分交叉，之间形成牵扯，这样它的强度才能提高。而在这个步骤中，课题组也进行了工艺改进，使棉片更薄、打褶更深、纤维更长，进一步增加了岩棉成品的强度。最后通过改进热风系统，固化炉的温度变得更加均匀。棉片进入固化炉中进行固化，使岩棉定型成为具有一定抗压强度的成品。

岩棉出关，经受考验

此外，在耐水性的改进方面，课题组也改进了很多工艺。比如为了使防水性能更好，在配方中对防水剂的乳化性能进行了增强等。这一整套工艺的技术跟进，使岩棉成品的质量等级不仅达到了我国的标准，更达到了欧洲的标准。

玄武岩纤维篇10

关键词：碳纤维板材；桥梁加固；力学特性

中图分类号：U445文献标识码： A

1. 前言

随着我国经济实力的不断增强以及人民生活水平的不断提高，现有的交通基础设施已经难以满足巨大的人口基数以及日益繁荣的社会生产经济活动的需求。国家在交通基础设施建设上投入了巨大的资源，大量的公路、桥梁、铁路、城市轨道交通等正以前所未有的速度进行建设，城市化与交通网络化进程的发展速度正在不断加快。

而越来越多的桥梁得到建设的同时，大量建于较早时期的旧桥其养护维修加固的工作正日益繁重。环境的侵蚀、材料的日益老化、车辆荷载的提高以及超限车辆的普遍存在均造成许多旧桥无法满足安全运营的需要。为了合理的分配有限的公路建设资金，节省国家交通建设资源，挖掘在役旧桥的承载潜力，研究开发新型的桥梁加固技术及材料，并在病危旧桥的加固工程中合理的加以应用，恢复和提高旧桥的承载能力和通行能力，延长桥梁的使用寿命，以满足现代化交通运输的需要，是切合我国当前国情的必然选择。

2. 纤维板材介绍

高性能纤维增强复合材料(FRP) 加固修复混凝土结构是20世纪80年代末在美、日等发达国家兴起的一项新技术，随着不同FRP产品的出现和发展，FRP板材以其高强、高弹性模量、轻质、高耐久性等优异的力学性能，越来越受到结构工程界的广泛关注。

FRP板材是由增强材料和基体构成，目前结构工程中常用的FRP板材主要是树脂基体的碳纤维（CFRP）、芳纶纤维（AFRP）、无碱或耐碱玻璃纤维（GFRP）以及玄武岩纤维( BFRP)。各种纤维材料力学性能参数变化范围很大，因此在工程中有很大的灵活性和可设计性。

⑴ 碳纤维(CF)

碳纤维存在某些固有的缺陷，如抗冲击强度和抗剪切强度低，导电，会产生电磁干扰等，应用范围受到一定限制。但因其具有高强度、高模量、施工简便等优异的力学性能，是FRP的首选材料， 已被广泛应用于建筑结构加固中。中国碳纤维的年消耗量为4200t，约占世界总产量的25%，其中增长速度最快、最有发展潜力的就是碳纤维增强复合材料( CFRP)。

⑵ 对位芳纶(AF)

对位芳纶具有高强度、高模量、低延伸、电绝缘、抗震性好、柔软、施工简便等优良性能，在许多方面与CF 具有互补性， 是一种重要的FRP 用材。AF可以单独使用，也可与CF、GF 等混用。国外AFRP 的用途相当广泛， 日本有关厂商和大型建筑公司还专门成立了一个“芳纶补强研究会”。但是， 中国AFRP在结构加固方面的应用尚处于起步阶级，研究较少。

⑶ 玻璃纤维(GF)

可用作FRP的玻璃纤维包括无碱GF和耐碱GF。GF的抗拉强度为3000MPa，延伸率较低，价格便宜，但弹性模量仅60GPa，耐碱性差，易受盐腐蚀，施工操作性较差，因此，应用范围受到较大限制，通常用于对补强要求相对较低的场合。

⑷ 玄武岩纤维(BF)

玄武岩纤维是一种以玄武岩为原料，经高温熔融拉丝而制得的新型矿物纤维。BF的强度和模量较高，且与混凝土有天然的相容性，其价格界于AF和GF之间。但因其原料取自天然的玄武岩，产品性能分散性较大，目前尚处于试验阶段。

3. 碳纤维板材力学特性及加固机理

（1）碳纤维板材力学特性

CFRP板材具有高强度和高弹模的特点。主要有两种类型的碳纤维材料被应用于混凝土结构加固，一种是高强度型，另一种是高弹模型。高强度型碳纤维的抗拉强度比钢筋高10倍，弹性硬度几乎与钢筋相当。高弹模型碳纤维抗拉强度比钢筋大6~8倍，而弹性模量比钢筋大1.8~2.6倍。

高强度碳纤维板材的抗拉强度达到3400Mpa～4000Mpa，弹性模量有2.35×105Mpa~3.8×105Mpa等几种，与钢筋相近或略高，因此，有很好的与钢筋共同工作的性能。由于采用了不同配比、性能各异的环氧树脂材料，可以使界面树脂渗入混凝土中，片材紧随构件外形粘贴，粘贴用的树脂又具有较高粘结强度，能有效传递碳纤维片与混凝土两种材料间的应力，保证不产生界面的粘结剥离。

（2）碳纤维板材加固机理

采用碳纤维板材粘贴加固，一般是粘贴在梁底受拉区，以提高截面的抗弯承载力，这时碳纤维板的作用类似于梁底受拉钢筋。碳纤维板和混凝土梁通过粘结层传递剪应力(锚固剪应力)和粘结正应力(剥离正应力)，以达到共同工作的目的。然而，在碳纤维板端部处往往产生较大的锚固剪应力和剥离正应力，因此，其常见的破坏模式主要有三种：

① 受压区混凝土被压坏相当于混凝土适筋梁破坏梁体所具有的良好延性：

② 混凝土粘结面剪切破坏，即在碳纤维板端部应力作用下由于粘结层的剥离强度较低导致碳纤维板剥落；

③ 混凝土保护层剥落破坏，这是由于端部混凝土保护层被拉裂产生竖向裂缝，当裂缝延伸到纵向钢筋后，又沿钢筋产生水平向的剥离裂缝，使碳纤维板连同保护层发生剥离破坏。

4. 碳纤维板材加固技术的应用现状

粘贴碳纤维板材加固钢筋混凝土梁的抗弯性能研究是近十年来最为普遍的，国外在该领域的研究起步较早，相应的研究成果较多，其中早期的研究成果主要以完整梁的抗弯加固受力性能为主。研究手段大都采用加固钢筋混凝土小梁室内试验，通过与参考梁的对比，分析粘贴碳纤维板对加固钢筋混凝土试验梁抗弯强度、跨中挠度、受拉钢筋应变、裂缝宽度与形态以及破坏模式的影响，从而对粘贴加固效果做出合理的评价。

国内现有的研究成果大都采用了上述研究方法。在已有的研究方法中，碳纤维板材主要粘贴于加固梁的受拉面，也有少数学者针对我国相关技术规程对侧面粘贴的抗弯加固效果进行了试验验证。根据已有研究的加载方案，国内外学者对一次受力问题研究的较多，对二次受力问题(持载加固问题)研究较少。通过对基于完整梁以及二次受力(保持荷载情况)抗弯加固受力性能的试验研究，目前已经就下述结论达成了共识：

1．在梁的受拉区粘贴碳纤维板可显著提高梁的承载能力；在不达到“超筋"限制并确保粘结锚固可靠的前提下，提高幅度与板材厚度及配筋率有关；

2．粘贴碳纤维板可提高加固梁在加载后期的抗弯刚度，但对弹性受力阶段的刚度改善效果不明显；

3．粘贴碳纤维板材可有效抑制加载后期的裂缝，但对提高开裂弯矩以及改善早期开裂的效果并不显著；

4．在加载小于60~70％极限荷载的情况下，加固梁的复合截面仍能很好地满足平截面假定。开裂后，碳纤维板与混凝土复合截面一般不再满足严格意义上的平截面假定；

5．达到极限状态时，碳纤维板的实测拉应变仍远小于碳纤维板材的极限拉应变，即粘贴于加固梁上的碳纤维板存在一个综合强度的问题；

6．在没有可靠锚固措施的情况下，多数加固梁发生了碳纤维板的剥离，加固梁的破坏模式具有明显的脆性特征，发生剥离破坏加固梁的极限承载能力甚至低于未加固的参考梁；

7．附加的端部锚固及局部加强措施(如碳纤维布U型箍条或压条)可有效防止碳纤维板的剥离，明显提高破坏时的跨中挠度和截面曲率，确保加固梁发生延性破坏。

5. 展望

已有的研究成果解决了粘贴碳纤维板加固钢筋混凝土梁的基本受力性能，为这一技术的深入研究及推广应用奠定了一定的基础。然而，由于只是针对完整梁或少数持载加固梁所进行的研究，无法解释某些公路桥梁粘贴碳纤维板加固前后受力性能的变化规律。这就需要针对实际公路桥梁的破损特点，关于加固破损梁的受力性能进行更深入的研究，从而为碳纤维板加固技术在桥梁工程中的广泛应用奠定理论基础。

参考文献：

[1] 叶列平,冯鹏.FRP在工程结构中的应用与发展. 土木工程学报. 2006，39(3)：24-33；