Badania włókien bazaltowych w zastosowaniach inżynierii lądowej
1.Główne wskazówki dotyczące stosowania
- Materiały wzmacniające beton
Beton włóknisty (BFRC): skrót Włókno bazaltoweDo betonu dodaje się granulki (6-24 mm) (ilość mieszanki 0,1%-0,5%), co może znacząco poprawić odporność na pęknięcia (zmniejszenie szerokości pęknięć o 30%-50%), odporność na uderzenia (zwiększenie o 2-3 razy) i trwałość (wzrost odporności na cykle zamrażania i rozmrażania o 40%).
Wymiana zbrojenia stalowego: W środowiskach korozyjnych (np. inżynieria morska) stosuje się pręty zbrojeniowe z włókna bazaltowego (Pręty BFRP) może zastąpić zbrojenie stalowe, aby uniknąć problemów z korozją. Na przykład, zastosowanie bfrp Wzmocnienie filarów mostu nad morzem w Qingdao ma przedłużyć jego żywotność do ponad 100 lat.
- Wzmocnienie i naprawa konstrukcji
Wzmocnienie tkaniną/siatką bazaltową: Tkanina z włókien bazaltowych (wytrzymałość na rozciąganie ≥2000 MPa) jest nakładana na powierzchnię belek i słupów, co może zwiększyć nośność o 20–30%. Na przykład, po wzmocnieniu starego mostu w Syczuanie tkaniną bazaltową, nośność mostu zostaje podniesiona z Highway-II do klasy I.
Wzmocnienie sejsmiczne: kompozyty wzmacniane włóknami (BFRP) kolumny z betonu otulonego, które mogą zwiększyć ciągliwość i energooszczędność, i są odpowiednie do budynków w rejonach narażonych na trzęsienia ziemi.
- Nowe struktury kompozytowe
Płyty warstwowe z włókien bazaltowych i polimerów: stosowane do lekkich dachów i ścian działowych, charakteryzujące się zarówno wysoką wytrzymałością, jak i izolacyjnością termiczną (współczynnik przewodnictwa cieplnego ≤ 0,05 W/mK).
Materiały budowlane do druku 3D: włókno bazaltowe-wzmocnione materiały cementowe umożliwiają realizację skomplikowanych konstrukcji i redukcję ilości odpadów budowlanych.
2. Zalety techniczne i dane podstawowe
| Wskaźniki wydajności | Włókno bazaltowe | Materiał porównawczy (włókno szklane) |
| Wytrzymałość na rozciąganie | 3000-4800 MPa | 2000-3500 MPa |
| Odporność na działanie alkaliów (pH=13) | Utrzymanie wytrzymałości ≥90% | Włókno szklane: utrzymanie wytrzymałości ≤ 50% |
| Korzyści dla środowiska: produkcja zużywa tylko 30% mniej energii niż włókno szklane, a całość nadaje się do recyklingu. | ||
3. Postęp badań i typowe przypadki
- Badania krajowe
Uniwersytet Tsinghua: opracowano modyfikowany beton kompozytowy z włókien bazaltowych i nanocząsteczek krzemionki, charakteryzujący się 25% wzrostem wytrzymałości na ściskanie i 60% redukcją przepuszczalności jonów chlorkowych.
Uniwersytet Południowo-Wschodni: zaproponowano technologię belek żelbetowych zbrojonych laminatem BF/żywicą epoksydową, trwałość zmęczeniowa wydłużona ponad 3-krotnie.
- Aplikacja międzynarodowa
Japonia: Po trzęsieniu ziemi w Hanshin w jednym z wieżowców w Osace zastosowano ścianę ścinającą wzmocnioną siatką BF, co poprawiło odporność na wstrząsy sejsmiczne o 40%.
Europa: Beton zbrojony BF został użyty do budowy bram przeciwpowodziowych w Wenecji we Włoszech. Ma on żywotność 50 lat i jest odporny na erozję morską.
- Przypadki inżynieryjne
Chiny – Most Hongkong-Zhuhai-Makau: Włókno bazaltowe W warstwie antykorozyjnej niektórych filarów zastosowano materiał kompozytowy, co pozwoliło obniżyć koszty konserwacji o 30%.
USA - San Francisco Bay Area Rapid Transit (BART): tkanina BF jest stosowana do wzmocnienia okładzin tuneli, a odporność na odkształcenia wzrasta o 25%.
4. Wyzwania i przyszłe kierunki rozwoju
- Istniejące problemy
Niewystarczające parametry wiązania międzyfazowego: połączenie między włóknem a betonem/żywicą jest podatne na odrywanie, konieczne jest opracowanie nowych środków sprzęgających (np. modyfikatorów silanowych).
Brak długoterminowych danych dotyczących parametrów eksploatacyjnych: charakterystyka pełzania zbrojenia BF w środowisku o wysokiej temperaturze i dużej wilgotności (dane gromadzone ponad 10 lat temu są nadal niepełne).
Jednolitość systemu norm: specyfikacje projektowe dotyczące materiałów wielkogabarytowych w różnych krajach nie zostały jeszcze w pełni ustalone (Chiny wydały normę GB/T 38143-2019, ale szczegóły dotyczące zastosowania wymagają dopracowania).
- Przyszły kierunek badań
Inteligentne kompozyty włókniste: wbudowane czujniki umożliwiające monitorowanie stanu konstrukcji (np. wykrywanie naprężeń i pęknięć).
Zielona technologia przygotowania: obniżenie temperatury topienia i ciągnienia (obecnie wymagane jest 1400–1500°C) oraz opracowanie procesu niskoemisyjnego.
Wzmocnienie synergistyczne na dużą skalę: mieszanie z włóknem węglowym i stalowym w celu tworzenia kompozytów gradientowych.
5.Podsumowanie
Zastosowanie włókno bazaltowe W inżynierii lądowej technologia ta przeniosła się z laboratorium do praktyki inżynierskiej, a jej opłacalne i przyjazne dla środowiska cechy odpowiadają zapotrzebowaniu na zielone budynki w ramach dążenia do „podwójnego węgla”. W przyszłości konieczne będzie przełamanie optymalizacji interfejsów, długoterminowej weryfikacji trwałości i innych kluczowych technologii, a jednocześnie promowanie doskonalenia specyfikacji projektowych i synergii łańcucha przemysłowego, aby przyspieszyć jej szerokie zastosowanie w infrastrukturze wielkoskalowej, inżynierii morskiej, zapobieganiu trzęsieniom ziemi i katastrofom oraz w innych scenariuszach.
