玄武巖纖維在高速公路建設(shè)中的應(yīng)用

尤 帆 帆

(廣州市高速公路有限公司，廣東 廣州 510000)

玄武巖纖維相比其他纖維來說，其綜合性能較好，符合高速公路工程領(lǐng)域?qū)Σ牧系囊蟆Ｒ虼?，近年來已有越來越多的玄武巖纖維產(chǎn)品應(yīng)用于高速公路工程建設(shè)中。

1 玄武巖纖維簡介

玄武巖纖維(Continuous Basalt Fiber，簡稱CBF)是以天然玄武巖為原材，通過加工拉制而成的玻璃纖維。在1 450 ℃～1 500 ℃的高溫下，玄武巖石料熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成。玄武巖纖維的生產(chǎn)對環(huán)境污染小，產(chǎn)生的廢棄物少，且產(chǎn)品廢棄后可直接在環(huán)境中降解，無任何危害，因而是一種名副其實的綠色、環(huán)保材料，被列為我國重點發(fā)展的四大纖維(玄武巖纖維、碳纖維、超高分子量聚乙烯纖維、芳綸)之一。玄武巖連續(xù)纖維已在纖維增強復(fù)合材料、土木工程行業(yè)、造船材料、汽車行業(yè)、摩擦材料、高溫過濾織物、隔熱材料以及防護(hù)領(lǐng)域等多個方面得到了廣泛的應(yīng)用[1](見圖1，圖2)。

2 玄武巖纖維的性能優(yōu)勢

2.1 工作溫度范圍大

工作溫度范圍-269 ℃～650 ℃，具有良好的耐溫性能，能夠適應(yīng)各種高、低溫的路面環(huán)境，可有效改變?yōu)r青高溫軟化、低溫硬化的狀況。

2.2 力學(xué)性能優(yōu)異

力學(xué)性能低于碳纖維，但高于玻璃纖維，明顯高于木質(zhì)素纖維，具有很高的拉伸強度和模量。

2.3 化學(xué)穩(wěn)定性好

在瀝青混合料拌合時不與瀝青發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，適應(yīng)各種路面的工作環(huán)境。

2.4 抗老化性能好

不受瀝青高溫拌合影響，瀝青混合料拌合及路面工作過程中不老化，不變質(zhì)退化，礦物纖維瀝青混合料可以實現(xiàn)100%的再生利用。

2.5 水穩(wěn)定性好

減少瀝青路面水破壞，不吸水、不怕潮，可抑制瀝青氧化老化。

2.6 電熱絕緣性能好

玄武巖纖維具有良好的電絕緣性能，有效防止瀝青膜的電化學(xué)腐蝕，有利于瀝青油膜的高溫穩(wěn)定性。

2.7 性價比高

價格是碳纖維的1/10～1/7，與耐堿玻璃纖維價格相當(dāng)，但綜合性能較優(yōu)，具有較高的性價比。

3 玄武巖纖維在高速公路建設(shè)中的應(yīng)用

3.1 玄武巖纖維土工格柵

1)產(chǎn)品簡介。

玄武巖纖維土工格柵是用高強的玄武巖纖維通過先進(jìn)的編制工藝制成的網(wǎng)格狀基材，表面經(jīng)涂覆處理制成的半剛性產(chǎn)品(見圖3)。

2)產(chǎn)品優(yōu)勢。

滿足施工溫度要求：玄武巖纖維工作溫度可達(dá)700 ℃，因此其性能不會受到高溫影響。

耐久性強：玄武巖纖維土工格柵抗老化性能強，可抵抗各種物理磨損和化學(xué)侵蝕。此外，玄武巖纖維在長期荷載作用下變形很小，能長時間保持其性能。

提升瀝青路面使用性能：玄武巖土工纖維格柵能夠減少應(yīng)力集中，分散瀝青面層中的車輪荷載應(yīng)力，同時其本身變形小，一定程度上可以減小路面彎沉變形，從而提高疲勞性能(見表1)。

表1 玄武巖纖維土工格柵性能指標(biāo)

3)高速公路應(yīng)用領(lǐng)域。

玄武巖纖維土工格柵，因其高抗拉強度，能夠防止瀝青路面產(chǎn)生裂紋，具有良好的與瀝青混合料的相容性，無長期蠕變、熱穩(wěn)定性好，耐瀝青混合料190 ℃以上高溫的優(yōu)點，可應(yīng)用于高速公路路基增強、路面補強，高速公路的邊坡防護(hù)，涵洞增強、坑道加固，高速公路融雪化冰用發(fā)熱格柵等領(lǐng)域。

3.2 瀝青混凝土用短切紗

1)產(chǎn)品簡介。

瀝青混凝土用玄武巖纖維短切紗是一種與瀝青結(jié)合性好的短切纖維，在玄武巖纖維的基礎(chǔ)上，通過特殊的表面處理和短切而形成(見圖4)。

2)產(chǎn)品優(yōu)勢。

有效防止高溫車轍，動穩(wěn)定度增加；提高瀝青的使用效率，減少泛油；提高抗開裂、斷裂及抗老化龜裂能力；提高數(shù)倍耐疲勞循環(huán)周次，顯著延長路面實際使用壽命；透水性能好，提高路面抗水損害能力。

3)性能指標(biāo)。

低溫抗開裂能力提高15%～30%；抗疲勞開裂能力提高2倍～6倍；抗車轍能力提高25%～40%；路面抗水損害能力大幅提高(見表2)。

表2 瀝青混凝土用短切紗性能指標(biāo)

4)高速公路應(yīng)用領(lǐng)域。

短切玄武巖纖維適用于SMA,AC,PA,SUP等多種類型的瀝青混凝土路面，可替代聚酯纖維、木質(zhì)素纖維等瀝青混凝土添加劑，用于中面層可抗反射裂縫，道路通行能力、行車安全性、舒適性、養(yǎng)護(hù)便利等性能有很大的改善。

3.3 玄武巖纖維復(fù)合筋

1)產(chǎn)品簡介。

玄武巖纖維復(fù)合筋是采用乙烯基樹脂(環(huán)氧樹脂)和高強度的玄武巖纖維，在線拉擠、纏繞、表面涂覆和復(fù)合成型、連續(xù)生產(chǎn)的新型建筑材料(見圖5)。

2)產(chǎn)品優(yōu)勢。

復(fù)合筋密度僅為普通鋼筋的1/4左右，但抗拉強度是普通鋼筋的3倍～4倍；考慮包裝和運輸成本，綜合造價具有競爭性。

與混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)相近，使用復(fù)合筋可做到同脹同縮，且握裹力比鋼筋大，與水泥混凝土的粘結(jié)強度大于30 MPa，是鋼筋的5倍～12倍，可有效提高混凝土構(gòu)件強度及耐久性。

3)性能指標(biāo)見表3。

表3 玄武巖纖維復(fù)合筋性能指標(biāo)

4)高速公路應(yīng)用領(lǐng)域。

采用玄武巖纖維復(fù)合筋的高速公路橋面鋪裝，可承受-30 ℃嚴(yán)寒下車輛荷載的反復(fù)作用，且橋面沒有出現(xiàn)任何裂縫。

3.4 玄武巖纖維錨桿

1)產(chǎn)品簡介。

玄武巖纖維錨桿經(jīng)拉擠工藝復(fù)合成型，采用高性能樹脂為基礎(chǔ)材料，玄武巖纖維為增強材料，最終形成一種高強度復(fù)合材料(見圖6)。

2)產(chǎn)品優(yōu)勢。

具有耐腐蝕性、輕質(zhì)、高強等優(yōu)良特性。

3)性能指標(biāo)。

玄武巖纖維復(fù)合筋的直徑有3 mm，6 mm，8 mm，10 mm，12 mm，14 mm，16 mm，18 mm，20 mm和25 mm等規(guī)格，并分為有螺紋及無螺紋兩種不同外觀形式。玄武巖纖維復(fù)合筋“光桿”時的抗拉強度不小于750(800～1 100)MPa，若為螺紋筋材，相應(yīng)性能指標(biāo)應(yīng)以95%折算。當(dāng)玄武巖纖維復(fù)合筋直徑超過16 mm時，其棒材和螺紋筋材的抗拉拔力均超過120 kN(傳統(tǒng)錨桿的上限值)[2]。

4)高速公路應(yīng)用領(lǐng)域。

用玄武巖纖維錨桿替代傳統(tǒng)鋼筋或鋼絞線錨桿加固處理高速公路邊坡或隧道，無需焊接，施工方便，支護(hù)效果好，節(jié)約工程造價。

4 玄武巖纖維經(jīng)濟(jì)性分析和應(yīng)用案例

以玄武巖纖維復(fù)合筋為例：纖維復(fù)合筋強度為鋼筋的4倍，重量為鋼筋的1/4，由于纖維復(fù)合筋強度高，可以用小直徑纖維復(fù)合筋代替大直徑鋼筋。經(jīng)試驗[3]：直徑6 mm纖維復(fù)合筋可代替直徑10 mm鋼筋，直徑7 mm纖維復(fù)合筋可代替直徑12 mm鋼筋，直徑8 mm纖維復(fù)合筋可代替直徑14 mm鋼筋。按纖維復(fù)合筋單價37 000元/t、鋼筋單價3 500元/t計算，兩者經(jīng)濟(jì)性對比如表4所示。

表4 纖維復(fù)合筋與鋼筋經(jīng)濟(jì)性對比表

4.1 經(jīng)濟(jì)性分析

1)鋼筋需焊接，造成至少6%的損耗，玄武巖纖維復(fù)合筋可按需求長度生產(chǎn)，無需焊接。

2)鋼筋鋪設(shè)勞動強度大，玄武巖纖維復(fù)合筋鋪設(shè)勞動強度較小，可節(jié)省工期和人工費。

3)玄武巖纖維復(fù)合筋能提高橋梁耐久性，延長橋梁使用壽命和養(yǎng)護(hù)周期，間接節(jié)省橋梁運營期養(yǎng)護(hù)費用。

4.2 高速公路應(yīng)用案例

1)某高速橋面鋪裝，經(jīng)對比：若使用鋼筋大約需15人5 d完成施工，使用玄武巖纖維復(fù)合筋10人2 d即全部完成。

2)某繞城高速公路5座橋梁橋面使用纖維筋和玄武巖纖維混凝土鋪裝，經(jīng)檢測，相比同期施工的普通混凝土橋面裂縫減少30%，且施工完成后4年內(nèi)未進(jìn)行維修。

5 結(jié)語

我國玄武巖纖維在高速公路建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于初級階段，玄武巖纖維的發(fā)展和應(yīng)用需要進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，穩(wěn)定產(chǎn)品性能，完善行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系。國家層面需做好頂層設(shè)計，大力支持玄武巖纖維以及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域，推動玄武巖纖維的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。