Forschung zu Basaltfasern in Anwendungen im Bauwesen

1. Hauptanwendungsrichtungen

• Betonbewehrungsmaterialien

Faserbeton (BFRC): Abkürzung Basaltfasers (6-24 mm) werden in den Beton eingemischt (Mischmenge 0,1%-0,5%), was die Rissbeständigkeit (Reduzierung der Rissbreite um 30%-50%), die Schlagfestigkeit (Erhöhung um das 2- bis 3-fache) und die Dauerhaftigkeit (Erhöhung der Frost-Tau-Wechselbeständigkeit um 40%) deutlich verbessern kann.

Ersatz von Stahlbewehrung: In korrosiven Umgebungen (z. B. im Meeresbau) werden Basaltfaserbewehrungsstäbe verwendet (BFRP-Stäbe) kann die Stahlbewehrung ersetzen, um Korrosionsprobleme zu vermeiden. Zum Beispiel die Verwendung von bfrp Durch die Verstärkung der Pfeiler einer Seebrücke in Qingdao soll deren Lebensdauer auf über 100 Jahre verlängert werden.

• Strukturelle Verstärkung und Reparatur

Fasergewebe-/Netzverstärkung: Basaltfasergewebe (Zugfestigkeit ≥ 2000 MPa) wird auf die Oberfläche von Trägern und Stützen geklebt, wodurch die Tragfähigkeit um 20–30 % erhöht werden kann. Beispielsweise wurde die Tragfähigkeit einer alten Brücke in Sichuan nach der Verstärkung mit Basaltfasergewebe von Autobahn II auf Klasse I angehoben.

Erdbebenverstärkung: faserverstärkte Verbundwerkstoffe (BFRP) ummantelte Betonsäulen, die die Duktilität und die Energieaufnahmekapazität erhöhen und sich für Gebäude in erdbebengefährdeten Gebieten eignen.

• Neue Verbundstrukturen

Basaltfaser-Polymer-Sandwichplatten: werden für leichte Dächer und Trennwände verwendet und zeichnen sich durch hohe Festigkeit und Wärmedämmung (Wärmeleitfähigkeit ≤ 0,05 W/mK) aus.

3D-Druck-Baumaterialien: Basaltfaser-Verstärkte zementgebundene Werkstoffe ermöglichen den Druck komplexer Strukturen und reduzieren den Bauabfall.

2. Technische Vorteile und Kerndaten

3. Forschungsfortschritte und typische Fallbeispiele

• Inländische Forschung

Tsinghua-Universität: entwickelte einen mit Basaltfasern und Nano-Siliciumdioxid modifizierten Beton mit 25 % höherer Druckfestigkeit und 60 % geringerer Chloridionendurchlässigkeit.

Southeast University: vorgeschlagene Technologie für Stahlbetonbalken mit BF/Epoxidharzlaminat, die die Ermüdungslebensdauer um mehr als das Dreifache verlängert.

• Internationale Anwendung

Japan: Nach dem Hanshin-Erdbeben wurde in einem Hochhaus in Osaka eine mit BF-Netz verstärkte Schubwand eingesetzt, wodurch die seismische Leistungsfähigkeit um 40 % verbessert wurde.

Europa: In Venedig, Italien, wurde BF-bewehrter Beton für Hochwasserschutztore verwendet, der eine Lebensdauer von 50 Jahren gegen Erosion durch Meerwasser aufweist.

• Ingenieurfälle

China - Hongkong-Zhuhai-Macau-Brücke: Basaltfaser Bei einigen Pfeilern wird Verbundwerkstoff in der Korrosionsschutzschicht verwendet, wodurch die Instandhaltungskosten um 30 % gesenkt werden.

USA - San Francisco Bay Area Rapid Transit (BART): BF-Gewebe wird zur Verstärkung der Tunnelauskleidung verwendet, und die Verformungsbeständigkeit wird um 25 % erhöht.

4. Herausforderungen und zukünftige Ausrichtung

• Bestehende Probleme

Unzureichende Grenzflächenhaftung: Die Grenzfläche zwischen Faser und Beton/Harz neigt zum Ablösen, es müssen neue Haftvermittler (z. B. Silanmodifikatoren) entwickelt werden.

Mangel an Langzeitleistungsdaten: Kriechverhalten der BF-Bewehrung unter hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit (mehr als 10 Jahre an Daten sind immer noch unvollständig).

Einheitlichkeit des Normensystems: Die Konstruktionsvorgaben für Hochofenmaterialien sind in verschiedenen Ländern noch nicht vollständig festgelegt (China hat GB/T 38143-2019 veröffentlicht, aber die Anwendungsdetails müssen noch präzisiert werden).

• Zukünftige Forschungsrichtung

Intelligente Faserverbundwerkstoffe: Eingebettete Sensoren zur Überwachung des strukturellen Zustands (z. B. Dehnung, Risserkennung).

Grüne Aufbereitungstechnologie: Reduzierung der Schmelz- und Ziehtemperatur (derzeit erforderlich 1400-1500℃) und Entwicklung eines kohlenstoffarmen Verfahrens.

Multiskalige synergistische Verstärkung: Mischung mit Kohlenstofffasern und Stahlfasern zur Herstellung von Gradientenverbundwerkstoffen.

5.Zusammenfassung

Die Anwendung von Basaltfaser Im Bauingenieurwesen hat sich die Technologie vom Labor in die Praxis überführt, und ihre kosteneffizienten und umweltfreundlichen Eigenschaften entsprechen den Anforderungen an nachhaltiges Bauen im Sinne der „Dual-Carbon“-Strategie. Zukünftig gilt es, die Schnittstellenoptimierung, die Langzeitbeständigkeitsprüfung und andere Schlüsseltechnologien voranzutreiben und gleichzeitig die Verbesserung der Entwurfsspezifikationen sowie Synergien in der industriellen Wertschöpfungskette zu fördern, um die großflächige Anwendung in Infrastrukturprojekten, im Wasserbau, im Erdbeben- und Katastrophenschutz und anderen Bereichen zu beschleunigen.