巖土工程用玄武巖纖維復(fù)合材料耐久性研究

摘 要：為了提高長(zhǎng)期使用條件下玄武巖纖維復(fù)合材料的耐久性，針對(duì)巖土工程用玄武巖纖維復(fù)合材料展開(kāi)研究。以雙向編織的玄武巖纖維板為實(shí)驗(yàn)材料，采用非破壞性試件的實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)試了玄武巖纖維板在紫外輻照下的耐久性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在紫外線的輻照下，玄武巖纖維板試件的表面發(fā)黃，而且光澤度逐漸消失，導(dǎo)致其質(zhì)量明顯下降；試件在縱向拉伸條件下的破壞模式仍然保持脆性破壞，紫外老化對(duì)荷載與位移關(guān)系、應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系幾乎沒(méi)有任何影響；紫外老化初期，試件的力學(xué)性能逐漸提高，以非破壞性試件的彈性模量作為實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，能夠有效降低實(shí)驗(yàn)誤差。

關(guān)鍵詞：巖土工程；復(fù)合材料；玄武巖纖維；力學(xué)性能；紫外老化

中圖分類號(hào)：TQ343+.4;TU52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2024）03-0069-04

Durability study of basalt fiber composite materials for geotechnical engineering

YANG Yuteng

（Changan Umiversity， Xian 710064，China

）

Abstract：In order to improve the durability of basalt fiber composite materials under long term use conditions，basalt fiber composites for geotechnical engineering were studied.Taking bidirectional woven basalt fiberboard as the experimental material，the durability of basalt fiberboard under ultraviolet irradiation was tested by using the experimental method of non-destructive specimens.The results showed that under the irradiation of ultraviolet rays，the surface of basalt fiber board samples turned yellow，and the gloss gradually disappeared，which led to the obvious decline of its quality.The failure mode of the specimen remained brittle under longitudinal tension，and ultraviolet aging had little effect on the relationship between load and displacement and the relationship between stress and strain.At the initial stage of ultraviolet aging，the mechanical properties of the specimens were gradually improved.Taking the elastic modulus of non destructive specimens as the evaluation index of the experiment could effectively reduce the experimental error.

Key words：geotechnical engineering;composite materials;basalt fiber;mechanical properties;ultraviolet aging

玄武巖纖維板（BFRP）憑借著較輕的質(zhì)量、更高的強(qiáng)度、良好的電絕緣和線彈性等特點(diǎn)，在我國(guó)巖土工程、國(guó)防和航空等多個(gè)行業(yè)得到了大量的使用［1］。目前，有關(guān)BFRP在巖土工程中的各方面性能研究較少，少數(shù)的一些研究還停留在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上，只是進(jìn)行了定性分析，缺少對(duì)BFRP性能的定量分析。通過(guò)對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)材料的抵抗拉伸強(qiáng)度、耐候性和抗剪切強(qiáng)度3個(gè)方面的測(cè)試，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)和理論計(jì)算［2］，可以很好地解決我國(guó)巖土工程中出現(xiàn)的諸如鋼筋銹蝕等問(wèn)題。以玄武巖纖維為原料，利用硅烷偶聯(lián)劑KH550對(duì)其進(jìn)行表面接枝，獲得一種新型的改性材料W-BF，將其與高密度聚乙烯在熔融狀態(tài)下復(fù)合，得到一種HDPE/W-BF，并對(duì)其硬度耐刮擦性能和顯微形態(tài)進(jìn)行表征［3］。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，選用雙向編織的玄武巖纖維板，該材料的體積分?jǐn)?shù)為60%，其厚度為0.118 mm，基本參數(shù)如表1所示。

1.2 制作試件

對(duì)于玄武巖纖維板的老化測(cè)試，通過(guò)破壞性試件與非破壞性試件的對(duì)比，在測(cè)試破壞性試件時(shí)，如果試件出現(xiàn)斷裂式破壞，就要停止實(shí)驗(yàn)［4］。在測(cè)試非破壞性試件時(shí)，以試件在相同時(shí)間點(diǎn)的彈性模量為參照對(duì)象，直到試件處于彈性階段，才可以立即停止實(shí)驗(yàn)［5］。在GB 1446—2005《纖維增強(qiáng)塑料性能試驗(yàn)方法總則》下，一共設(shè)計(jì)34塊玄武巖纖維板的老化試件，表2給出了各組試件的參數(shù)。

在相關(guān)規(guī)定下，制作玄武巖纖維板試件時(shí)，將試件的總長(zhǎng)度和寬度設(shè)置為210 mm和12 mm，用于測(cè)試的區(qū)段長(zhǎng)度為50 mm，為了避免夾具側(cè)玄武巖纖維板在應(yīng)力集中的情況下出現(xiàn)破壞，需要在2個(gè)端點(diǎn)處粘貼一層質(zhì)地較硬的鋁片［6-7］，加強(qiáng)片的長(zhǎng)、寬和厚度分別為40、12 和2 mm，圖1給出了玄武巖纖維板試件的具體設(shè)計(jì)尺寸。

將制作完成的玄武巖纖維板試件放在23 ℃、45%濕度的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中［8］，經(jīng)過(guò)一周的固化之后，將其置于紫外老化箱中，測(cè)試試件的老化性能。

1.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)用紫外老化箱的波長(zhǎng)在320～410 nm，在0.72 W/m2的輻照度下，將老化箱的溫度和濕度設(shè)置為55 ℃和50%。在老化箱的兩邊各安裝4根發(fā)射紫外光的燈管［9］，每個(gè)紫外燈的額定輸出功率為40 W；老化箱中含有一個(gè)發(fā)出紫外光線的輻照傳感器，它是一種高精度的亮度控制系統(tǒng)，能夠按照試驗(yàn)的要求對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行控制，從而達(dá)到對(duì)光照強(qiáng)度的自動(dòng)化維修和持續(xù)的監(jiān)控，同時(shí)還可以對(duì)燈管的能量進(jìn)行調(diào)整［10］。

在整個(gè)老化實(shí)驗(yàn)中，所有的樣品都是接受單面紫外光照射，試件與燈管的最近距離大約是40 mm，并且為了避免試件在進(jìn)行力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于受到紫外線輻射而導(dǎo)致試件的末端受到損傷或者滑動(dòng)［11］，因此，被暴露的部分只是試件的一個(gè)有效測(cè)試截面。同時(shí)還要保證玄武巖纖維板不會(huì)互相重疊，影響輻射效果，以保證實(shí)驗(yàn)的正確性。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，從老化箱中取出玄武巖纖維板試件，在室溫下靜置2 d，消除試件表面的殘余應(yīng)力之后，測(cè)試試件的力學(xué)性能。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的壓力為150 kN，并搭配電子拉伸儀，對(duì)玄武巖纖維板的破壞性試件和非破壞性試件進(jìn)行性能測(cè)試。對(duì)所有試件進(jìn)行標(biāo)記和編號(hào)，在測(cè)試區(qū)段內(nèi)，任意選取3個(gè)位置，分別測(cè)試各個(gè)位置的試件寬度和厚度并取平均值。

在進(jìn)行測(cè)試之前，首先在試件中央劃出一個(gè)50 mm的區(qū)域，以方便對(duì)電子拉伸儀進(jìn)行夾緊和定位［12］。將被測(cè)試件固定在與上、下兩個(gè)固定裝置的中心線大致相同的位置；用手握住電子拉伸儀，并將計(jì)算機(jī)的初值調(diào)為0，然后才能啟動(dòng)拉伸。加載過(guò)程中設(shè)置一個(gè)以2 mm/min的移動(dòng)加載；在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)試件進(jìn)行了持續(xù)的加載，直到試件出現(xiàn)失效破壞，測(cè)試了其抵抗拉伸的強(qiáng)度、彈性模量、斷裂伸長(zhǎng)率以及最大的失效破壞荷載，并對(duì)其破壞形態(tài)進(jìn)行了分析。玄武巖纖維板的非破壞性試件測(cè)試，是以試件處于彈塑階段為標(biāo)準(zhǔn)［13］，在不對(duì)其產(chǎn)生破壞的情況下，僅對(duì)其進(jìn)行加載，直至試件恢復(fù)到彈塑性后，測(cè)試試件的彈性模量，即可終止其加載。

2 結(jié)果分析

2.1 物理性質(zhì)變化

將玄武巖纖維板試件放進(jìn)老化箱中，經(jīng)過(guò)不同時(shí)間的老化，得到破壞性試件各個(gè)階段的表面特性變化情況，如圖2所示。

由圖2可知，玄武巖纖維板試件經(jīng)過(guò)不同時(shí)間的老化之后，表面的物理特性有顯著改變。未經(jīng)過(guò)老化處理時(shí)，試件的表面是光滑的，呈亮黑色，沒(méi)有出現(xiàn)任何的粉末化現(xiàn)象，并且沒(méi)有出現(xiàn)明顯的凹陷、點(diǎn)蝕和微裂縫，也沒(méi)有出現(xiàn)起泡、發(fā)泡的現(xiàn)象。試件經(jīng)過(guò)360 h的老化后，其表面光澤略有下降，呈黑色，兩邊有輕微的發(fā)黃，這是因?yàn)楸韺拥臉?shù)脂陳舊造成的，在被輻射的纖維板的交界處，出現(xiàn)了一些不明顯的白色斑點(diǎn)。720 h老化后，試件的表面變成了暗點(diǎn)，光澤度越來(lái)越差，最終變成了暗黑色，兩端發(fā)黃的更加嚴(yán)重，在纖維絲束搭接處出現(xiàn)了零星的、明顯的白斑。經(jīng)過(guò)1 440 h的處理，纖維片材兩邊的發(fā)黃情況顯著惡化，而在絲束線連接部位出現(xiàn)的白色斑點(diǎn)更為顯著。在2 880 h之后，纖維片的表面光澤繼續(xù)下降，色澤越來(lái)越深，白色斑點(diǎn)越來(lái)越多，越來(lái)越顯著；在持續(xù)了5 760 h之后，以上的現(xiàn)象變得更加顯著，但并沒(méi)有出現(xiàn)粉末化、輕微裂紋、起泡甚至發(fā)酵等現(xiàn)象。

玄武巖纖維板試件在不同老化階段的質(zhì)量變化情況如表3所示。

由表3可知，對(duì)破壞性試件而言，減少率是老化后的質(zhì)量減少量與老化前的質(zhì)量之比，對(duì)于非破壞性試件而言，減少量是老化后質(zhì)量與老化0 h質(zhì)量的差值與0 h質(zhì)量之比。從表3的結(jié)果還可以看出，對(duì)于破壞性試件而言，經(jīng)過(guò)紫外老化之后，其質(zhì)量有所減少，對(duì)于非破壞性試件而言，隨著老化時(shí)間的增加，質(zhì)量損失率越來(lái)越高。

2.2 力學(xué)性質(zhì)變化

玄武巖纖維板的破壞性試件和非破壞性試件經(jīng)過(guò)不同時(shí)間的紫外線輻照之后，破壞性試件應(yīng)力與應(yīng)變等的關(guān)系曲線如圖3所示，非破壞性試件荷載與位移等的關(guān)系曲線如圖4所示。

由圖3可知，玄武巖纖維破壞性試件在老化前后的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系、荷載與位移關(guān)系沒(méi)有明顯的差異，始終是線性變化。根據(jù)拉伸實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，紫外線輻照對(duì)試件的破壞形式?jīng)]有明顯影響，主要以脆斷為主。

由圖4可知，玄武巖纖維非破壞性試件經(jīng)過(guò)紫外老化之后，彈性沒(méi)有發(fā)生顯著變化，也就是紫外照射不會(huì)改變玄武巖纖維板的彈性。

在不同的老化時(shí)間下，玄武巖纖維板試件的力學(xué)性能如圖5所示。

由圖5可知，玄武巖纖維板試件在不同條件下的基本力學(xué)性能隨時(shí)間的變化而變化，但總體表現(xiàn)出一個(gè)先上升后下降的變化趨勢(shì)，最后基本趨于穩(wěn)定。在紫外老化早期，試件各項(xiàng)力學(xué)性能不減反增。對(duì)于破壞性試件而言，其在拉伸狀態(tài)下的強(qiáng)度、斷裂時(shí)的延伸率以及彈性模量3個(gè)指標(biāo)中的下降幅度分別為31.7%、36.58%和7.04%。而對(duì)于非破壞性試件而言，其彈性模量的下降幅度為6.68%。通過(guò)對(duì)圖5（c）的分析可知，在紫外線的照射下，玄武巖纖維板的彈性模量呈現(xiàn)出比較平穩(wěn)的波動(dòng)幅度。但在彈性模量測(cè)試中，破壞性試件與非破壞性試件仍然存在差異，最大的下降幅度分別為6.23%和5.97%。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的來(lái)源不同，導(dǎo)致結(jié)果存在一定的波動(dòng)性和分散性，因此可以利用非破壞性試件的彈性模量對(duì)玄武巖纖維的耐久性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，這也證明了這種評(píng)價(jià)方式更加科學(xué)合理。

3 結(jié)語(yǔ)

提出了巖土工程用玄武巖纖維復(fù)合材料研究及性能分析，結(jié)果顯示，紫外輻照降低了玄武巖纖維板的質(zhì)量，但是力學(xué)性能幾乎沒(méi)有受到任何影響。研究雖然取得一定成果，但是還存在很多需要改進(jìn)的地方，在今后的研究中，希望可以分析溫度條件對(duì)玄武巖纖維復(fù)合材料的疲勞性能影響情況，并從微觀角度構(gòu)建材料壽命的預(yù)測(cè)模型，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出玄武巖纖維復(fù)合材料的疲勞壽命。

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收稿日期：2023-10-18；修回日期：2024-02-26

作者簡(jiǎn)介：楊宇騰（1994-），男，碩士，研究方向：建筑安全;E-mail：yang_yuteng@163.com。

引文格式：楊宇騰.巖土工程用玄武巖纖維復(fù)合材料耐久性研究［J］.粘接，2024，51（3）：69-72.