岩土工程用玄武岩纤维复合材料研究及性能评价.pdf

PDF下载72合成纤维SyntheticFiberinChina2023年第52 卷第7 期岩土工程用玄武岩纤维复合材料研究及性能评李勇（合肥铁路工程学校，安徽合肥230001)摘要：为了提高岩土工程的施工质量，以玄武岩纤维布、酚醛树脂、纳米材料Si-Q和固化剂ER-1为主要原料，制备了一种适用于岩土工程的玄武岩纤维复合材料，并对其拉伸性能、弯曲性能和抗老化性能进行了测试。试验结果表明：纳米材料Si-Q的加入量越大，玄武岩纤维复合材料的拉伸强度越大，而弯曲强度则先减小后增大；此外，玄武岩纤维复合材料还具有良好的耐酸碱老化性能，当纳米材料Si-Q的质量分数为5%时，玄武岩纤维复合材料在盐酸溶液中浸泡8 0 d后的拉伸强度和弯曲强度分别为3 3 7 MPa和2 52 MPa，与浸泡前相比强度保留率分别可以达到7 6.59%和8 0.2 5%，而在氢氧化钠溶液中浸泡8 0 d后的拉伸强度和弯曲强度分别为40 5MPa和2 9 9 MPa，与浸泡前相比强度保留率则分别可以达到9 2.0 5%和9 5.2 2%。玄武岩纤维复合材料的综合性能较好，能够满足岩土工程施工对加固材料性能的要求。关键词：玄武岩纤维；复合材料：拉伸强度：弯曲强度：抗老化性能中图分类号：TU599文献标志码：A文章编号：10 0 1-7 0 54(2 0 2 3)0 7-7 2-0 4在地质复杂区域进行岩土工程施工过程中极易发生地面塌、沉降以及滑坡等地质灾害现象，此时通常会使用钢筋等钢质材料来构建防护墙等保护设施，而钢筋在土壤或者地下水环境中容易产生严重的腐蚀现象，从而使其强度大幅降低，造成防护设施的失效，影响岩土工程的施工质量-4。因此，需要寻找更加耐腐蚀、环保以及强度达标的新型材料来代替钢筋，以满足岩土工程施工的需求。玄武岩纤维(BF)复合材料是近年来研究及应用较多的一种新型复合材料，一般以合成树脂、固化剂以及纳米矿物材料作为基体材料，以BF作为增强材料制备而成 5-。复合材料中的BF不仅具有较高的强度，还具有耐高温、耐腐蚀以及绝缘等优良的性能，从而使复合材料在受到外力作用时不易损坏，并且在温度较高、酸碱性较强以及水分含量较高的环境中使用时能够长时间保持材料的强度，确保施工质量10-12 。此外，BF复合材料中纤维的含量一般较高，这使其比传统的钢筋材料具有更高的强收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 6修回日期：2 0 2 3-0 4-2 3基金项目：安徽省住房城乡建设厅科学技术计划项目(2 0 2 0-YF46)作者简介：李勇（19 8 2 一），男，汉族，安徽合肥人，硕士研究生在读，高级讲师，主要从事土木工程方面的教学和研究工作。度，通过施加预应力的方式将其与混凝土结构或者木材黏结在一起，制备出形式多样、性能优异的建筑结构，以满足岩土工程施工对建筑材料的需求 13-15。本试验以BF布、酚醛树脂(PF)、纳米材料Si-Q和固化剂ER-1为主要原料，通过裁剪、模压、脱模、固化等工艺制备了一种适合岩土工程用的BF复合材料，并考察了其拉伸性能、弯曲性能和抗酸碱老化性能，以期为其制备提供一定的借鉴。1试验1.1主要材料及仪器BF布，细纱布状，天津科恩建筑技术有限公司。PF，工业级，江苏雷恩环保科技有限公司纳米材料Si-Q、固化剂ER-1，自制。无水乙醇、浓盐酸、氢氧化钠，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。脱模剂，沈阳中北铸造材料有限公司。硅油，济南铭鑫化工有限公司。天津市美特斯试验机厂ASD/001型数显万能材料试验机，无锡市莱科自动化科技有限公司RD-3050-2T热压成型机，上海诺萱科学仪器有限公司Sino1004T型电子分析天平，郑州卓成仪器科技有限公司DZF6010型数显恒温干燥箱，济南爱来宝仪2023,52(7)73李勇.岩土工程用玄武岩纤维复合材料研究及性能评价器设备有限公司MS-H280-Pro小型搅拌机，山东万利精密机械制造有限公司WL-160X型切割机，武汉艾特美科精密模塑有限公司模具。1.2BF复合材料的制备将BF布裁剪成边长为2 0 cm的正方形，备用；将PF粉碎后加入到无水乙醇中，在7 0 条件下加热搅拌使其完全溶解，然后再分别按比例加入一定量的纳米材料Si-Q和固化剂ER-1，继续搅拌混合均匀即得到混合溶液A；在涂有硅油和脱模剂的模具中放入BF布，并在8 0 下均匀涂抹混合溶液A，涂抹完毕后继续放入BF布，然后继续涂抹混合溶液A；操作完毕后将其固定，并将其放入热压成型机中压模，设置压力为10 MPa，温度为160，压模时间为3 0 min；压模完毕后将其放置于恒温干燥箱中，在16 0 下反应8 h，然后继续在18 0 下反应5h，即得到最终产物BF复合材料。根据拉伸性能和弯曲性能测试试验的要求，使用切割机将BF复合材料切割成不同尺寸的试验用样条，备用。1.3性能评价方法1.3.1拉伸性能测试参照标准ASTMD3039-088聚合物基复合材料拉伸性能标准试验方法中的相关规定，采用万能材料试验机对1.2 中制备的BF复合材料的拉伸性能(拉伸强度和断裂伸长率)进行测试。测试样条的尺寸为8 0 mm5mm2mm，测试温度为室温，拉伸速率为2 mm/min1.3.2弯曲性能测试参照标准ASTMD2344聚合物基复合材料及其层压材料短梁强度的标准试验方法中的相关规定，采用万能材料试验机对1.2 中制备的BF复合材料的弯曲性能(弯曲强度)进行测试。测试样条的尺寸为8 0 mm10mmx4mm，测试温度为室温，试验速度为 1 mm/min。1.3.3抗酸碱老化性能测试将1.2 中制备的BF复合材料切割成相应尺寸的样条，然后将其分别放入0.5mol/L盐酸溶液和2mol/L氢氧化钠溶液中浸泡，浸泡温度为室温，浸泡不同时间后取出，用清水冲洗干净，并擦干表面的溶液，继续按照1.3.1和1.3.2 中的试验方法，测试样条的拉伸性能和弯曲性能变化情况，以此评价BF复合材料的抗老化性能。2结果与讨论2.1拉伸性能按照1.3.1中的试验方法，以拉伸强度为评价指标，测试了不同质量分数纳米材料Si-Q的BF复合材料的拉伸性能，结果见图1。450430410390370350330012345Si-Q质量分数/%图1BF复合材料的拉伸性能由图1可知，随着纳米材料Si-Q质量分数的不断增大，BF复合材料的拉伸强度呈现出逐渐增大的趋势。当纳米材料Si-Q的质量分数达到3%时，拉伸强度可以达到43 2 MPa，与未添加纳米材料Si-Q时的3 7 5MPa相比提升了15.2%，提升幅度较大。这是由于纳米材料Si-Q的加入使其在PF中形成较为稳定的插层式结构，有效地抑制了纳米材料与PF界面处的分子链运动，从而使BF复合材料的拉伸性能有所增强。而当纳米材料Si-Q的质量分数继续增大至5%时，BF复合材料的拉伸强度为440MPa，继续提升的幅度较小。2.2弯曲性能按照1.3.2 中的试验方法，以弯曲强度为评价指标，测试了不同质量分数纳米材料Si-Q的BF复合材料的弯曲性能，结果见图2。350330/甲310290270250230012345Si-Q质量分数/%图2 BF复合材料的弯曲性能由图2 可知，随着纳米材料Si-Q质量分数的不断增大，BF复合材料的弯曲强度呈现出先减小后增大的趋势。当纳米材料Si-Q的质量分数为1%74合成纤维SyntheticFiberinChina2023年第52 卷第7 期时，BF复合材料的弯曲强度达到最低，这是由于纳米材料Si-Q质量分数较小时，其主要集中在PF和BF的界面处，一定程度上减弱了PF和BF之间的界面黏结力，使其弯曲强度有所降低。当纳米材料Si-Q的质量分数增大至5%时，弯曲强度为3 14MPa，但仍低于未添加纳米材料Si-Q时的弯曲强度。2.3抗酸碱老化性能2.3.1盐酸溶液浸泡由图3、4可知，随着老化时间的延长，不同质量分数纳米材料Si-Q的BF复合材料在0.5mol/L盐酸溶液中浸泡后的拉伸强度和弯曲强度均呈现出逐渐减小的趋势。这是由于酸性环境会导致BF复合材料中纤维和其他材料的剥离，并且酸液也可能会对部分材料基体产生溶蚀降解作用，从而使BF复合材料的拉伸强度和弯曲强度有所减小。450元400350上300一质量分数1%Si-Q一质量分数3%Si-Q250+一质量分数5%Si-Q200020406080老化时间/d图3 盐酸溶液浸泡不同时间后BF复合材料的拉伸强度350r300250200一质量分数1%Si-Q150一质量分数3%Si-Q一质量分数5%Si-Q100020406080老化时间/d图4盐酸溶液浸泡不同时间后BF复合材料的弯曲强度由图3、4还可知，纳米材料Si-Q的质量分数越大，盐酸浸泡后的拉伸强度和弯曲强度减小的幅度相对越小。当纳米材料Si-Q的质量分数为5%时，BF复合材料在盐酸中浸泡8 0 d后的拉伸强度和弯曲强度分别可以达到3 3 7 MPa和2 52 MPa，与未浸泡时的440 MPa和3 14MPa相比，拉伸强度和弯曲强度保留率分别可以达到7 6.59%和8 0.2 5%。这说明BF复合材料在盐酸溶液中浸泡后仍能保持较高的强度，具有良好的耐酸性，能够满足在酸性环境中施工对材料性能的要求。2.3.2氢氧化钠溶液浸泡由图5、6 可知，随着老化时间的延长，不同质量分数纳米材料Si-Q的BF复合材料在2 mol/L氢氧化钠溶液中浸泡后的拉伸强度和弯曲强度均呈现出逐渐减小的趋势，这与2.3.1中的试验结果趋势相一致。同样，随着BF复合材料中纳米材料Si-Q质量分数的不断增大，BF复合材料经过氢氧化钠溶液浸泡后的拉伸强度和弯曲强度减小的幅度逐渐变小。当纳米材料Si-Q的质量分数为5%时，BF复合材料在氢氧化钠溶液中浸泡8 0 d后的拉伸强度和弯曲强度分别可达40 5MPa和2 9 9 MPa，与未浸泡时的440 MPa和3 14MPa相比，拉伸强度和弯曲强度保留率分别可以达到9 2.0 5%和9 5.2 2%，均明显高于盐酸溶液浸泡后的。这说明BF复合材料具有更好的耐碱性，能够在碱性环境中长时间保持较高的强度，可满足地质复杂区域施工需求。450元400350一质量分数1%Si-Q300一质量分数3%Si-Q250一一质量分数5%Si-Q200020406080老化时间/d图5氢氧化钠溶液浸泡不同时间后BF复合材料的拉伸强度350斤300P/甲250200一质量分数1%Si-Q一质量分数3%Si-Q150一质量分数5%Si-Q100020406080老化时间/d图6 氢氧化钠溶液浸泡不同时间后BF复合材料的弯曲强度3结语(1)以BF布、PF、纳米材料Si-Q和固化剂ER-1等为主要原料，制备了一种适用于岩土工程的BF2023,52(7)75李勇.岩土工程用玄武岩纤维复合材料研究及性能评价复合材料。(2)随着纳米材料Si-Q质量分数的不断增大，BF复合材料的拉伸强度逐渐增大，而弯曲强度则呈现出先减小后增大的趋势，当纳米材料Si-Q的质量分数为5%时，BF复合材料的拉伸强度和弯曲强度分别可达440 MPa和3 14MPa，强度较高。(3)BF复合材料在盐酸或者氢氧化钠溶液浸泡后，其拉伸强度和弯曲强度均呈现出不同程度的减小现象，并且纳米材料Si-Q的质量分数越大，BF复合材料经过盐酸或氢氧化钠溶液浸泡后的拉伸强度和弯曲强度保留率相对就越大。综合来看，研究的BF复合材料具有良好的抗老化性能，能够适应不同施工环境对材料性能的要求。参考文献1李学华，岩土工程桩基础施工常见问题与对策 .西部探矿工程,2022,34(11):31-33.2张艳.岩土工程中玄武岩纤维复合加固材料的性能分析 J.粘接,2022,49(07):57-60.3度海洋.渤中A油田火成岩地层抗钻特性及钻井参数优化研究 J非常规油气，2 0 2 2,9(5):13 5-143.4阀洪阁，薛杰，罗腾跃，等，延113 一延13 3 井区水平井钻遇地层特征及地质导向 .非常规油气,2 0 2 2,9(1):57-6 4.5景芳达，韩松，秦野，等.玄武岩纤维增强聚合物复合材料及其机械性能的研究进展 J.当代化工,2 0 2 3,52(1):2 19-2 2 2.6罗金标，彭哲琦，汪昕，等.新型玄武岩纤维复合材料(BFRP)锚杆力学性能研究 J.复合材料科学与工程,2 0 2 2(12):7 9-8 6.7李智佳，任庆龙,夏英，等.芦苇/玄武岩纤维增强PP/EVA复合材料力学性能的研究 .合成纤维工业，2 0 16,3 9(6)：3 9-42.8张文斌，陶燕，李鑫鑫，等.玄武岩纤维水泥基复合材料基本力学性能试验研究 J.新型建筑材料,2 0 2 2,49(6):17-2 2.9李文翔.聚合物基玄武岩纤维复合材料的制备与性能研究 D.武汉：湖北大学，2 0 19.10南无疆，黄亚州.纤维增强复合材料高品质加工工艺优化机理探究 J.新型工业化,2 0 2 2,12(10):2 3 1-2 3 5.11李年华，刘元坤，崔正浩，等.玄武岩纤维的性能及其应用 1.合成纤维,2 0 2 2,51(12):16-2 3.12王崇杰，杨明君，周松，等.玄武岩纤维/聚丙烯复合材料的力学性能与摩擦磨损特性 .塑料工业,2 0 2 2,50(9):16 0-16 7.13张娜,周健.高温处理后玄武岩纤维水泥基复合材料应变率效应研究 J.材料导报,2 0 2 2,3 6(S1):241-245.14周傲,李烁，刘铁军，等.疏水改性玄武岩纤维增强树脂复合材料筋的力学性能及耐久性 J.复合材料学报,2 0 2 2,3 9(11):52 2 8-52 3 8.15陈晋华.玄武岩纤维在桥梁抗裂中的应用研究 .合成纤维，2023,52(1):20-23.Research and Performance Evaluation of Basalt Fiber Geotechnical EngineeringLI Yong(Hefei Railway Engineering College,Hefei 230001,Anhui,China)Abstract:In order to improve the construction quality of geotechnical engineering,a basalt fiber compositessuitable for geotechnical engineering was prepared with basalt fiber cloth,phenolic resin,nano-material Si-Q and curing agent ER-1 as the main raw materials,and its tensile properties,bending properties and anti-aging properties were tested.The results show that the tensile strength of basalt fiber composites increaseswith the addition of nano-materials Si-Q,while the bending strength decreases first and then increases.Inaddition,basalt fiber composites also have good acid-alkali aging resistance.When the mass fraction of na-no-materials Si-Q is 5%,the tensile strength and flexural strength of basalt fiber composites after soakingin hydrochloric acid solution for 80 days are 337 MPa and 252 MPa,respectively,and the strength retentionrate can reach 76.59%and 80.25%compared with that before soaking.The tensile strength and flexuralstrength after soaking in sodium hydroxide solution for 80 days are 405 MPa and 299 MPa,respectively,thestrength retention rate can reach 92.05%and 95.22%respectively compared with that before immersion.Basalt fiber composites have good comprehensive performance which can meet the requirements of geotech-nical engineering construction on the performance of reinforcement materials.Key words:basalt fiber,composites,tensile strength,bending strength,anti-aging performance