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蓄势待发的玄武岩纤维筋
发布时间:2023-10-10 阅读次数:538 信息来源: Robert Hakimian 桥梁视界

  Robert Hakimian 桥梁视界 2023-09-19 17:30 

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长期以来,钢材都是建筑业的支柱型产品,但是随着钢价的不断上涨,碳排放目标的日益紧迫,玄武岩纤维筋(BFRP)或许可以代替钢材,成为建筑业支柱产品的良好选择。

 

取代钢筋的优势

 

作为钢筋或玻璃纤维混凝土的替代品,玄武岩纤维增强复合材料并不是一项新兴的材料技术。在一些国家,已经有几十年的使用历史。而在英国,玄武岩纤维筋仍是一个新的选择。随着脱碳力度不断加强,玄武岩纤维筋也在变得越来越重要。

 

由于玄武岩纤维筋在英国高速铁路2号(HS2)及M42重大项目的应用,大大提高了其知名度,也凸显出了在未来建筑业的应用潜力。

 

制造这种纤维需要将火山玄武岩收集起来,压碎成小块,再将碎块加热至1400°C,高温熔化成液体。在重力作用下,通过一块特殊的板将液体拉伸成长达数千米的细丝。拉伸后的细丝可以用卷轴缠绕起来,最终做成钢丝。纤维在张力作用下被拉伸,然后浸入液态环氧树脂中,并在几分钟内固化为钢筋成品。

 

玄武岩纤维筋制造商巴斯科技公司(Bastech)的马尔科姆·牛顿(Malcolm Newton)表示,玄武岩纤维筋在多个方面优于钢材。

 

首先,在施工过程中,玄武岩纤维筋更容易使用。从重量来看,它比钢轻4.5倍,然而抗拉强度却是钢的2.5倍。作为一种惰性材料,玄武岩具有超强的耐碱性和耐酸性,其不易被腐蚀的特性成为在潮湿环境下用于建筑结构的理想材料。

 

由于玄武岩纤维筋的吸湿性低,因此玄武岩钢筋所需的混凝土覆盖面积比普通钢筋减少了20%。其耐腐蚀性有助于降低钢筋混凝土的碳足迹。

 

玄武岩纤维筋自身的碳足迹也明显低于普通钢材。目前,英国的玄武岩多来自于美国进口,并且还需要高温加热处理,从直觉来看,这似乎与材料的低碳性质不符。但马尔科姆表示,根据英国的金斯顿大学对玄武岩生命周期的分析,生产过程中的碳足迹,玄武岩比钢筋少70%,比回收钢少22%。

 

但是在某些方面,玄武岩逊色于钢。玄武岩不能像钢一样弯曲,虽然其抗拉强度较高,但弹性较低。因此,这些因素决定了玄武岩钢筋不太适用于较高的垂直结构。

 


图1 英国HS2工程中的连续墙采用了玄武岩纤维筋

 

马尔科姆认为,英国采用玄武岩纤维筋的速度较慢,其主要原因是碍于玄武岩纤维筋的价格高昂。也许玄武岩纤维筋产量增加后,价格会有所下降。但目前来看,即便钢铁价格不断上涨,玄武岩纤维筋的价格也一直比较稳定,二者的价格几乎持平。

 

“长久以来,没有人想过使用其他材料替代钢材,因为钢价格低、容易使用,而且可以很容易地写入专业赔偿协议。”马尔科姆说道,由于欧洲在纤维增强聚合物的测试方面经验有限,包括玄武岩纤维筋在内,因此没有欧洲标准,而且纤维增强聚合物行业从定义上讲是保守的。工程师们不愿意对这些材料进行详细的说明。他还补充道:“然而,巴斯科技公司的结构工程师可以在我们的实验室进行测试和计算,提供符合欧洲标准的玄武岩纤维筋。”

 

汤普森大桥上的尝试

 

在英国北爱尔兰的汤普森大桥上较早地采用了玄武岩钢筋,为玄武岩材料的长期研究提供了数据。

 

汤普森大桥是一座公路桥,项目由贝尔法斯特女王大学规划、建筑与土木工程学院团队领导,由交通部资助,大桥于2011年开通。大桥的桥面使用了玄武岩纤维增强复合材料替代钢材,在长期研究数据的支持下,展示了玄武岩的优势。

 

女王大学智能与可持续基础设施研究小组负责人苏·泰勒说,她的团队使用了嵌入桥面内部的纤维光缆监测桥梁状况。在纤维丝浸入树脂之前,将光纤电缆插入其中。这个步骤是钢铁不可能做到的,因为钢铁在加工过程中产生的热量太高。

 

调查结果比预期的要好。泰勒说:“玄武岩纤维增强复合材料中的应变一直保持在较低水平,实时交通下的实测应变也远低于更繁重的静载试验预测的应变。”

 


图2 北爱尔兰的汤普森大桥中采用了玄武岩钢筋

 

建筑行业的巨头,瑞典斯堪斯卡公司(Skanska)也对玄武岩钢筋进行了测试。尽管到目前为止,测试的玄武岩纤维筋仅用在了临时工程中。斯堪斯卡与英国国家高速公路管理局(National Highways)合作,在临时通道和HS2项目的挡墙临时工程中使用了玄武岩纤维筋。

 

在英国国家高速公路管理局试验中,斯堪斯卡使用各种类型的混凝土板建造了一条通往M42高速公路6号路口的临时工程通道。试验测试了玄武岩纤维筋与传统混凝土、低碳混凝土组合材料的性能,在相同条件下,与钢材的性能进行了比较。

 

斯堪斯卡公司的总工程师、试验负责人保罗·科尔解释说:“低碳混凝土与玄武岩纤维筋的结合使用,是一项前所未有的创新。”

 

试验监测了临时通道上各种板结构的抗折强度、抗剪强度和拉拔力。科尔表示,与钢筋混凝土板的对比结果,令人印象深刻。在任何情况下,玄武岩纤维筋混凝土板的表现都超出了预期。

 

在抗剪强度方面,施加荷载时,玄武岩纤维筋混凝土板的表现优于钢筋混凝土板。玄武岩纤维筋混凝土的最大强度为141.5kN,传统混凝土为106kN,而钢筋混凝土分别达到了110.1kN和97.5kN。

 

试验结果对科尔来说是一个惊喜,因为抗剪强度是他最担心的方面。他解释说:“钢铁是一种同质产品,但玄武岩纤维不是。玄武岩纤维的抗拉强度是钢的两倍,但如果你想把它切开,它的性能就不如钢了。”虽然玄武岩纤维的剪切性能结果是非常优秀的,但科尔希望能够在该领域进行更多试验。

 

玄武岩纤维筋在HS2工程中的应用也展示出了其他优势。斯堪斯卡公司的项目主管德翁·洛解释说:“切割玄武岩纤维就像切割岩石一样,不会产生火花,因此玄武岩纤维的切割不需要高温作业许可也能进行。”

 

据洛和科尔二人所说,玄武岩钢筋比同类材料轻得多,不仅节省了工人体力,还提高了施工速度和效率。玄武岩纤维筋可以被轻松地徒手搬运或托举,因此挡墙的施工仅用了原来一半的时间。

 

长远来看,玄武岩纤维筋的发展潜力巨大,优势较多,这也在汤普森大桥桥面的应用中得到了证实。尽管如此,要使玄武岩纤维筋像钢铁一样成为英国建筑业的主流产品,还需要进行更多的测试。

 



本文刊载 / 《桥梁》杂志

2023年 第4期 总第114期

作者 / Robert Hakimian

资料来源 / 英国土木工程师学会学报(五月刊)

 

翻译 / 王冰

美编 / 赵雯

责编 / 裴小吟

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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