蓄势待发的玄武岩纤维筋

长期以来，钢材都是建筑业的支柱型产品，但是随着钢价的不断上涨，碳排放目标的日益紧迫，玄武岩纤维筋（BFRP）或许可以代替钢材，成为建筑业支柱产品的良好选择。

取代钢筋的优势

作为钢筋或玻璃纤维混凝土的替代品，玄武岩纤维增强复合材料并不是一项新兴的材料技术。在一些国家，已经有几十年的使用历史。而在英国，玄武岩纤维筋仍是一个新的选择。随着脱碳力度不断加强，玄武岩纤维筋也在变得越来越重要。

由于玄武岩纤维筋在英国高速铁路2号(HS2)及M42重大项目的应用，大大提高了其知名度，也凸显出了在未来建筑业的应用潜力。

制造这种纤维需要将火山玄武岩收集起来，压碎成小块，再将碎块加热至1400°C，高温熔化成液体。在重力作用下，通过一块特殊的板将液体拉伸成长达数千米的细丝。拉伸后的细丝可以用卷轴缠绕起来，最终做成钢丝。纤维在张力作用下被拉伸，然后浸入液态环氧树脂中，并在几分钟内固化为钢筋成品。

玄武岩纤维筋制造商巴斯科技公司（Bastech）的马尔科姆·牛顿(Malcolm Newton)表示，玄武岩纤维筋在多个方面优于钢材。

首先，在施工过程中，玄武岩纤维筋更容易使用。从重量来看，它比钢轻4.5倍，然而抗拉强度却是钢的2.5倍。作为一种惰性材料，玄武岩具有超强的耐碱性和耐酸性，其不易被腐蚀的特性成为在潮湿环境下用于建筑结构的理想材料。

由于玄武岩纤维筋的吸湿性低，因此玄武岩钢筋所需的混凝土覆盖面积比普通钢筋减少了20%。其耐腐蚀性有助于降低钢筋混凝土的碳足迹。

玄武岩纤维筋自身的碳足迹也明显低于普通钢材。目前，英国的玄武岩多来自于美国进口，并且还需要高温加热处理，从直觉来看，这似乎与材料的低碳性质不符。但马尔科姆表示，根据英国的金斯顿大学对玄武岩生命周期的分析，生产过程中的碳足迹，玄武岩比钢筋少70%，比回收钢少22%。

但是在某些方面，玄武岩逊色于钢。玄武岩不能像钢一样弯曲，虽然其抗拉强度较高，但弹性较低。因此，这些因素决定了玄武岩钢筋不太适用于较高的垂直结构。

图1 英国HS2工程中的连续墙采用了玄武岩纤维筋

马尔科姆认为，英国采用玄武岩纤维筋的速度较慢，其主要原因是碍于玄武岩纤维筋的价格高昂。也许玄武岩纤维筋产量增加后，价格会有所下降。但目前来看，即便钢铁价格不断上涨，玄武岩纤维筋的价格也一直比较稳定，二者的价格几乎持平。

“长久以来，没有人想过使用其他材料替代钢材，因为钢价格低、容易使用，而且可以很容易地写入专业赔偿协议。”马尔科姆说道，由于欧洲在纤维增强聚合物的测试方面经验有限，包括玄武岩纤维筋在内，因此没有欧洲标准，而且纤维增强聚合物行业从定义上讲是保守的。工程师们不愿意对这些材料进行详细的说明。他还补充道：“然而，巴斯科技公司的结构工程师可以在我们的实验室进行测试和计算，提供符合欧洲标准的玄武岩纤维筋。”

汤普森大桥上的尝试

在英国北爱尔兰的汤普森大桥上较早地采用了玄武岩钢筋，为玄武岩材料的长期研究提供了数据。

汤普森大桥是一座公路桥，项目由贝尔法斯特女王大学规划、建筑与土木工程学院团队领导，由交通部资助，大桥于2011年开通。大桥的桥面使用了玄武岩纤维增强复合材料替代钢材，在长期研究数据的支持下，展示了玄武岩的优势。

女王大学智能与可持续基础设施研究小组负责人苏·泰勒说，她的团队使用了嵌入桥面内部的纤维光缆监测桥梁状况。在纤维丝浸入树脂之前，将光纤电缆插入其中。这个步骤是钢铁不可能做到的，因为钢铁在加工过程中产生的热量太高。

调查结果比预期的要好。泰勒说：“玄武岩纤维增强复合材料中的应变一直保持在较低水平，实时交通下的实测应变也远低于更繁重的静载试验预测的应变。”

图2 北爱尔兰的汤普森大桥中采用了玄武岩钢筋

建筑行业的巨头，瑞典斯堪斯卡公司（Skanska）也对玄武岩钢筋进行了测试。尽管到目前为止，测试的玄武岩纤维筋仅用在了临时工程中。斯堪斯卡与英国国家高速公路管理局（National Highways）合作，在临时通道和HS2项目的挡墙临时工程中使用了玄武岩纤维筋。

在英国国家高速公路管理局试验中，斯堪斯卡使用各种类型的混凝土板建造了一条通往M42高速公路6号路口的临时工程通道。试验测试了玄武岩纤维筋与传统混凝土、低碳混凝土组合材料的性能，在相同条件下，与钢材的性能进行了比较。

斯堪斯卡公司的总工程师、试验负责人保罗·科尔解释说：“低碳混凝土与玄武岩纤维筋的结合使用，是一项前所未有的创新。”

试验监测了临时通道上各种板结构的抗折强度、抗剪强度和拉拔力。科尔表示，与钢筋混凝土板的对比结果，令人印象深刻。在任何情况下，玄武岩纤维筋混凝土板的表现都超出了预期。

在抗剪强度方面，施加荷载时，玄武岩纤维筋混凝土板的表现优于钢筋混凝土板。玄武岩纤维筋混凝土的最大强度为141.5kN，传统混凝土为106kN，而钢筋混凝土分别达到了110.1kN和97.5kN。

试验结果对科尔来说是一个惊喜，因为抗剪强度是他最担心的方面。他解释说：“钢铁是一种同质产品，但玄武岩纤维不是。玄武岩纤维的抗拉强度是钢的两倍，但如果你想把它切开，它的性能就不如钢了。”虽然玄武岩纤维的剪切性能结果是非常优秀的，但科尔希望能够在该领域进行更多试验。

玄武岩纤维筋在HS2工程中的应用也展示出了其他优势。斯堪斯卡公司的项目主管德翁·洛解释说：“切割玄武岩纤维就像切割岩石一样，不会产生火花，因此玄武岩纤维的切割不需要高温作业许可也能进行。”

据洛和科尔二人所说，玄武岩钢筋比同类材料轻得多，不仅节省了工人体力，还提高了施工速度和效率。玄武岩纤维筋可以被轻松地徒手搬运或托举，因此挡墙的施工仅用了原来一半的时间。

长远来看，玄武岩纤维筋的发展潜力巨大，优势较多，这也在汤普森大桥桥面的应用中得到了证实。尽管如此，要使玄武岩纤维筋像钢铁一样成为英国建筑业的主流产品，还需要进行更多的测试。

本文刊载 / 《桥梁》杂志

2023年 第4期 总第114期

作者 / Robert Hakimian

资料来源 / 英国土木工程师学会学报（五月刊）

翻译 / 王冰

美编 / 赵雯

责编 / 裴小吟

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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