巖土工程用玄武巖纖維復合材料耐久性研究

摘 要：為了提高長期使用條件下玄武巖纖維復合材料的耐久性，針對巖土工程用玄武巖纖維復合材料展開研究。以雙向編織的玄武巖纖維板為實驗材料，采用非破壞性試件的實驗方法，測試了玄武巖纖維板在紫外輻照下的耐久性。實驗結果顯示，在紫外線的輻照下，玄武巖纖維板試件的表面發黃，而且光澤度逐漸消失，導致其質量明顯下降；試件在縱向拉伸條件下的破壞模式仍然保持脆性破壞，紫外老化對荷載與位移關系、應力與應變關系幾乎沒有任何影響；紫外老化初期，試件的力學性能逐漸提高，以非破壞性試件的彈性模量作為實驗的評價指標，能夠有效降低實驗誤差。

關鍵詞：巖土工程；復合材料；玄武巖纖維；力學性能；紫外老化

中圖分類號：TQ343+.4;TU52

文獻標志碼：A文章編號：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）憑借著較輕的質量、更高的強度、良好的電絕緣和線彈性等特點，在我國巖土工程、國防和航空等多個行業得到了大量的使用［1］。目前，有關BFRP在巖土工程中的各方面性能研究較少，少數的一些研究還停留在實驗數據上，只是進行了定性分析，缺少對BFRP性能的定量分析。通過對玄武巖纖維增強材料的抵抗拉伸強度、耐候性和抗剪切強度3個方面的測試，對其進行試驗和理論計算［2］，可以很好地解決我國巖土工程中出現的諸如鋼筋銹蝕等問題。以玄武巖纖維為原料，利用硅烷偶聯劑KH550對其進行表面接枝，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下復合，得到一種HDPE/W-BF，并對其硬度耐刮擦性能和顯微形態進行表征［3］。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗過程中，選用雙向編織的玄武巖纖維板，該材料的體積分數為60%，其厚度為0.118 mm，基本參數如表1所示。

1.2 制作試件

對于玄武巖纖維板的老化測試，通過破壞性試件與非破壞性試件的對比，在測試破壞性試件時，如果試件出現斷裂式破壞，就要停止實驗［4］。在測試非破壞性試件時，以試件在相同時間點的彈性模量為參照對象，直到試件處于彈性階段，才可以立即停止實驗［5］。在GB 1446—2005《纖維增強塑料性能試驗方法總則》下，一共設計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。

在相關規定下，制作玄武巖纖維板試件時，將試件的總長度和寬度設置為210 mm和12 mm，用于測試的區段長度為50 mm，為了避免夾具側玄武巖纖維板在應力集中的情況下出現破壞，需要在2個端點處粘貼一層質地較硬的鋁片［6-7］，加強片的長、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計尺寸。

將制作完成的玄武巖纖維板試件放在23 ℃、45%濕度的標準環境中［8］，經過一周的固化之后，將其置于紫外老化箱中，測試試件的老化性能。

1.3 實驗環境

實驗用紫外老化箱的波長在320～410 nm，在0.72 W/m2的輻照度下，將老化箱的溫度和濕度設置為55 ℃和50%。在老化箱的兩邊各安裝4根發射紫外光的燈管［9］，每個紫外燈的額定輸出功率為40 W；老化箱中含有一個發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，能夠按照試驗的要求對光照強度進行控制，從而達到對光照強度的自動化維修和持續的監控，同時還可以對燈管的能量進行調整［10］。

在整個老化實驗中，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行力學性能實驗時，由于受到紫外線輻射而導致試件的末端受到損傷或者滑動［11］，因此，被暴露的部分只是試件的一個有效測試截面。同時還要保證玄武巖纖維板不會互相重疊，影響輻射效果，以保證實驗的正確性。

根據以上設計，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力之后，測試試件的力學性能。

1.4 實驗方法

實驗用電子萬能試驗機的壓力為150 kN，并搭配電子拉伸儀，對玄武巖纖維板的破壞性試件和非破壞性試件進行性能測試。對所有試件進行標記和編號，在測試區段內，任意選取3個位置，分別測試各個位置的試件寬度和厚度并取平均值。

在進行測試之前，首先在試件中央劃出一個50 mm的區域，以方便對電子拉伸儀進行夾緊和定位［12］。將被測試件固定在與上、下兩個固定裝置的中心線大致相同的位置；用手握住電子拉伸儀，并將計算機的初值調為0，然后才能啟動拉伸。加載過程中設置一個以2 mm/min的移動加載；在試驗過程中，對試件進行了持續的加載，直到試件出現失效破壞，測試了其抵抗拉伸的強度、彈性模量、斷裂伸長率以及最大的失效破壞荷載，并對其破壞形態進行了分析。玄武巖纖維板的非破壞性試件測試，是以試件處于彈塑階段為標準［13］，在不對其產生破壞的情況下，僅對其進行加載，直至試件恢復到彈塑性后，測試試件的彈性模量，即可終止其加載。

2 結果分析

2.1 物理性質變化

將玄武巖纖維板試件放進老化箱中，經過不同時間的老化，得到破壞性試件各個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過不同時間的老化之后，表面的物理特性有顯著改變。未經過老化處理時，試件的表面是光滑的，呈亮黑色，沒有出現任何的粉末化現象，并且沒有出現明顯的凹陷、點蝕和微裂縫，也沒有出現起泡、發泡的現象。試件經過360 h的老化后，其表面光澤略有下降，呈黑色，兩邊有輕微的發黃，這是因為表層的樹脂陳舊造成的，在被輻射的纖維板的交界處，出現了一些不明顯的白色斑點。720 h老化后，試件的表面變成了暗點，光澤度越來越差，最終變成了暗黑色，兩端發黃的更加嚴重，在纖維絲束搭接處出現了零星的、明顯的白斑。經過1 440 h的處理，纖維片材兩邊的發黃情況顯著惡化，而在絲束線連接部位出現的白色斑點更為顯著。在2 880 h之后，纖維片的表面光澤繼續下降，色澤越來越深，白色斑點越來越多，越來越顯著；在持續了5 760 h之后，以上的現象變得更加顯著，但并沒有出現粉末化、輕微裂紋、起泡甚至發酵等現象。

玄武巖纖維板試件在不同老化階段的質量變化情況如表3所示。

由表3可知，對破壞性試件而言，減少率是老化后的質量減少量與老化前的質量之比，對于非破壞性試件而言，減少量是老化后質量與老化0 h質量的差值與0 h質量之比。從表3的結果還可以看出，對于破壞性試件而言，經過紫外老化之后，其質量有所減少，對于非破壞性試件而言，隨著老化時間的增加，質量損失率越來越高。

2.2 力學性質變化

玄武巖纖維板的破壞性試件和非破壞性試件經過不同時間的紫外線輻照之后，破壞性試件應力與應變等的關系曲線如圖3所示，非破壞性試件荷載與位移等的關系曲線如圖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力與應變關系、荷載與位移關系沒有明顯的差異，始終是線性變化。根據拉伸實驗的現象發現，紫外線輻照對試件的破壞形式沒有明顯影響，主要以脆斷為主。

由圖4可知，玄武巖纖維非破壞性試件經過紫外老化之后，彈性沒有發生顯著變化，也就是紫外照射不會改變玄武巖纖維板的彈性。

在不同的老化時間下，玄武巖纖維板試件的力學性能如圖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性能隨時間的變化而變化，但總體表現出一個先上升后下降的變化趨勢，最后基本趨于穩定。在紫外老化早期，試件各項力學性能不減反增。對于破壞性試件而言，其在拉伸狀態下的強度、斷裂時的延伸率以及彈性模量3個指標中的下降幅度分別為31.7%、36.58%和7.04%。而對于非破壞性試件而言，其彈性模量的下降幅度為6.68%。通過對圖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出比較平穩的波動幅度。但在彈性模量測試中，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%。這是因為實驗數據的來源不同，導致結果存在一定的波動性和分散性，因此可以利用非破壞性試件的彈性模量對玄武巖纖維的耐久性能進行評價，這也證明了這種評價方式更加科學合理。

3 結語

提出了巖土工程用玄武巖纖維復合材料研究及性能分析，結果顯示，紫外輻照降低了玄武巖纖維板的質量，但是力學性能幾乎沒有受到任何影響。研究雖然取得一定成果，但是還存在很多需要改進的地方，在今后的研究中，希望可以分析溫度條件對玄武巖纖維復合材料的疲勞性能影響情況，并從微觀角度構建材料壽命的預測模型，準確預測出玄武巖纖維復合材料的疲勞壽命。

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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合材料耐久性研究［J］.粘接，2024，51（3）：69-72.