（河南交院）玄武岩纤维及制品在交通工程中的应用研究20201208

1玄武岩纤维及制品在交通工程中的应用河南交院工程技术有限公司绿色高性能材料应用技术行业研发中心邵景干2020年12月目录2目录CONTENTS连续玄武岩纤维（简称CBF）简介CBF应用领域与发展历程CBF成分与性能CBF制品与应用01020304CBF交通土建工程应用0506CBF应用技术与成果07应用总结08学术交流

PART013CBF简介1.1纤维概念连续玄武岩纤维（ContinueBasaltFibre,简称CBF）

以火山喷发形成的天然玄武岩矿石为原料，将其破碎后投入熔窑中，加热至1500℃形成玄武岩熔融玻璃体状态，通过铂铑合金拉丝漏板快速拉制成的纤维，称为连续玄武岩纤维。

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CBF简介1.2

生产工艺流程原丝烘干玄武岩碎石清洁处理石料称重窑前仓储池窑熔融石料投放喷涂浸润剂拉丝机粗纱细纱连续玄武岩纤维制品

PART01铂铑合金漏板5

CBF简介1.3一步法工艺流程

PART01储料器1200火焰区1250-13501400热电偶热电偶热电偶横式电热棒废料清理阀匀化池热电偶热电偶精确控温拉丝作业铂铑合金漏板液面调节阀加料器“一步法“生产玄武岩纤维工艺示意图熔化池工作室6

CBF简介1.4CBF工艺下的其它产品

PART01●玄武岩岩棉

basaltwool玄武岩玻璃体溶液经拉丝漏板流出时，经离心机高速离心成纤维，同时喷入一定量粘结剂、防尘油、憎水剂后经集棉机收集后进行固化、切割，形成不同规格的岩棉产品。岩棉可制成：毡、条、管、粒状、板状等●玄武岩鳞片basalt

scale制备工艺：玄武岩玻璃体熔液经拉丝漏板流出时，迅速冷却膨化得到玄武岩鳞片。玄武岩鳞片是一种新型鳞片材料，是选用性能优良的天然玄武岩矿石经高温熔融、澄清、均化成型、筛选等特殊加工工艺而成的新型材料，呈现透明或深绿色片状结构，厚度一般在3μm左右，尺寸一般在25μm~3mm左右。

CBF成分与性能2.1纤维成分与性能7纤维类型密度（g/cm2)抗拉强度(Mpa)弹性模量(Gpa)断后伸长率(%)热传导系数W/m•K比体积电阻（Ω•m）极限工作温度(℃)玄武岩纤维2.632600～480090～1103.10.031～0.0381×1012-269～650碳纤维1.783500～6000230～6001.5～2.05～1852×10-5500芳纶1.452600～340070～1402.8～3.60.04～0.133×1013250S-玻璃纤维（高强玻纤）2.54～2.572600～460083～865.30.034～0.0401×1011300E-玻璃纤维（无碱玻璃）2.542000～380070～754.70.034～0.0401×1011-60～380SiO2Al2O3CaO

MgO

TiO2

其他Na2OK2OFeOFe2O3玄武岩纤维化学成分（%）玄武岩纤维与其他纤维性能对比52～6014～195.0～9.0

3.0～6.03.0～6.00.5～2.59.0～14.0

0.09～0.13

PART02CBF成分与性能2.2纤维特性84热传导系数为0.031W/m•K—0.038W/m•K，低于芳纶纤维、硅酸铝纤维、无碱玻纤、岩棉、硅纤维、碳纤维和不锈钢。热传导系数低5玄武岩纤维的体积电阻率比玻璃纤维高出一个数量级，具有很好的介电性能。介电性能好6吸湿率极低，只有0.2%~0.3%，而且其吸湿能力不随时间变化而变化。吸湿率低1玄武岩纤维抗拉强度为3500MPa左右，比大丝束碳纤维、芳纶、钢纤维都高，与S玻璃纤维相当。力学性能优越2使用温度一般在-269—650℃，这一温度远远优于芳纶纤维、无碱E玻纤、石棉、岩棉、不锈钢，接近硅纤维、硅酸铝纤维和陶瓷纤维。耐温候性能良好3具有良好的耐酸、耐碱性能。化学稳定性好

PART02CBF应用领域与发展历程3.1应用领域9

PART03CBF发展历程与应用领域3.2国外发展历程（1）10

PART0350年代60-70年代80年代90年代1995年后

前苏联开始开展研发前苏联建成工业生产线乌克兰建成第一台工业化生产炉窑苏联解体后独联体多国开发了新工艺、新设备俄罗斯，乌克兰、加拿大、美国等少数国家掌握了生产技术玄武岩纤维起源于前苏联乌克兰CBF应用领域与发展历程3.2国内发展历程（2）11

PART03玄武岩纤维发展于中国

“年产2000吨高端连续玄武岩纤维项目”被国家发改委列入新型特种纤维产业化项目“玄武岩拉丝原料控制技术与熔炉优化升级关键技术开发与示范”及“玄武岩纤维规模化生产技术及工艺优化关键技术研究与示范”被科技部批准立项为“十二五”科技支撑项目“玄武岩连续纤维及其复合材料”被科技部列为国家863计划被国防科工委列为“十一五”2个重大基础科研课题之一被列为国家重点发展四大纤维之一（碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯、玄武岩纤维）列入《重点新材料首批次应用示范指导目录（2018年版）》“年产5000吨交通基础设施用玄武岩纤维产业化项目”被国家发改委列入新型特种纤维产业化项目

2002200620082009201020112016列入《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》201820172019列入《重点新材料首批次应用示范指导目录（2017年版）》连续3年列入《重点新材料首批次应用示范指导目录（2019年版）》首条2400孔年产6万吨生产线投产2020CBF应用领域与发展历程3.3国内产业现状12

PART03原料充沛工艺简洁性能卓越环境友好产权自主发展持续2013-2018年中国玄武岩纤维行业供需平衡情况资料来源：智研咨询整理

随着我国玄武岩纤维行业生产工艺和技术的提高，产量大幅增长，2018年我国产量突破万吨级，出口量6千余吨，近5年出口规模增长了15倍，进口量约30吨。中国玄武岩纤维材料分布图始于前苏联

发于乌克兰盛产于中国CBF应用领域与发展历程3.4国家产业政策13

PART03国家大力重点发展的四大高技术纤维（玄武岩纤维、碳纤维、芳纶和超高分子量聚乙烯）之一国家863计划主推新型材料“十三五”国家战略性新兴产业重点产品国家《2019年产业结构调整指导目录》鼓励发展的高性能纤维交通运输部列入《交通运输建设科技成果推广目录》玄武岩纤维产业政策连续3年（2017-2019）列入《重点新材料首批次应用示范指导目录》CBF制品与应用14形态名称样品使用领域纱连续纤维缠绕拉挤各种管、罐、气瓶、棒材、型材；编织各种方格布、网格布、单向布、土工布；与塑料复合作增强材料等。短切纤维可显著增强沥青、水泥混凝土道路的高温稳定性、低温抗裂性和抗疲劳性，延长道路使用寿命。网土工格栅各种公路、铁路、机场的路基增强路面补强；大型停车场和码头货物等永久性承载的地基增强；公路、铁路的边坡防护；涵洞增强、矿山、坑道加固。布单向布建筑、桥梁结构的加固、补强和修复雷达罩、发动机部件、雷达天线、坦克装甲车车体、结构件、车轮毂、扭力杆和套管体育滑水板、高山滑雪板、冲浪板等缎纹布制作发电机组、锅炉与烟囱的软连接、发动机舱的隔热、防火帘、灭火毯，防火毯、电焊毯、防火包等。也可压制成各种高强度的防弹产品，也是钓鱼竿和划水板的优质增强材料。

PART044.1CBF制品与应用（1）

4.1CBF制品与应用（2）

15形态名称特点使用领域管套管适用于电器、电机线圈剥线部位的绝缘管；也可以用于内连接线和各种耐温接头的绝缘管；还可作为定绷管、电刷软管和耐高温复合管的基材使用。棒复合筋用于土建、交通等工程领域增强混凝土抗震结构，具有钢筋和FRP筋材的互补优点，模量高、抗拉强度高、尤其是耐腐蚀性强。在各类混凝土结构中采用SFCB与普通钢筋作为主筋混合使用。毡针刺毡高级空气过滤系统；电子行业的过滤、吸音、隔热、防振系统；

化工、有毒有害气体、烟尘过滤系统；

汽车消音器；舰艇、轮船隔热、保温、消音系统。板保温板应用于建筑外墙外保温系统、建筑铝幕墙系统、建筑室内装饰隔音墙系统、铝扣板天棚吊顶吸音系统及屋顶保温隔热系统。绳纤维绳玄武岩纤维绳是高性能的密封材料。主要产品有各种圆绳、方绳、扭绳。

PART04CBF制品与应用CBF交通土建工程应用16道路工程

PART05桥梁工程机场道面海工结构17

PART05路面结构面层可为单层、双层或三层。路面的功能表面层（磨耗层）：平整、抗滑耐磨

防排水、抗裂、耐久；中下面层：高强、抗车辙、抗剪切、下面层：抗弯拉、抗裂。“强基薄面”的设计理念“强基薄面”：即用厚半刚性材料层构成路面承载能力，以承受预估行车荷载的反复作用，用较薄沥青面层满足路面的使用功能要求：平整度、抗滑能力和防止雨水透入等。5.1沥青路面功能与设计CBF交通土建工程应用“强基薄面”之父沙庆林院士18

PART055.1沥青路面功能与设计CBF交通土建工程应用《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2017）沥青路面的设计，取决并通过验算沥青混合料疲劳开裂损害、永久变形量、路面低温开裂，以及基层的疲劳开裂损坏和竖向压应变五项指标。材料类型动态模量20℃，10hz/Mpa泊松比玄武岩纤维SMA-13130000.3玄武岩纤维AC-13140000.3玄武岩纤维AC-20135000.3AC-1380000.25AC-2075000.2519

PART05路面厚度设计的模糊性、经验性

5.1沥青路面功能与设计CBF交通土建工程应用为保证沥青路面的使用性能和耐久性，沥青面层必须要有适当的厚度。现在通常依靠经验推荐厚度、模糊确定。玄武岩纤维沥青试验数据表明：玄武岩纤维能显著提高沥青混合料的动稳定度、浸水马歇尔残留稳定度、低温弯曲试验、冻融劈裂试验残留强度等指标。20玄武岩纤维“改性”沥青混凝土功能玄武岩纤维短切纱①比表面积大，能很好的吸附沥青，增加油膜厚度，提高吸油率、增加油石比，起到防水耐老化作用；②在沥青混合料中均匀分散，起到桥接和加筋作用，增强混合料的弯拉强度，提高高温抗车辙、低温抗劈裂和抵抗疲劳破坏能力；③提高抗温变应力能力，抑制温缩裂缝和反射裂缝的产生。主要表现在动稳定度、冻融劈裂强度的提高。

PART05CBF交通土建工程应用5.2CBF沥青混合料应用技术（1）21适用于沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）开级配沥青碎石混合料（OGFC）密级配沥青混凝土（AC）半开级配沥青混凝土路面

PART05CBF交通土建工程应用5.2CBF沥青混合料应用技术（2）22

PART05CBF交通土建工程应用粗集料用量多，占到矿料总量的70％以上；矿粉用量多，8%-12%；沥青用量多，5.5%-6.5%，比密级配沥青混凝土大1%左右；细集料用量少，一般为10%左右。典型路面结构SMA路面结构特点5.2CBF沥青混合料应用技术（3）23

PART05CBF交通土建工程应用5.2CBF沥青混合料应用技术（4）SMA路面性能指标短切玄武岩纤维替代木质素纤维，开发新型SMA路面结构。试验结果木质素纤维17μm/6mm11μm/6mm11μm/3mmCBF混杂纤维规范要求DS（次/mm）63307631779975578000≥3000不同长度与直径的CBF短切纱提升SMA路面高温稳定性20%左右。24玄武岩纤维封层路面结构CBF碎石封层通常指同步碎石封层和稀浆封层。这些结构中的短切纱呈平面万向分布，形成致密网络缠绕状态，起到桥接和加筋作用，提升了集料与沥青的粘聚力，具有较好的板体性，达到了阻裂、抗剪、抗剥落目的。

PART055.3CBF制品封层结构应用技术CBF交通土建工程应用5.4单向格栅抗裂路面结构技术25玄武岩纤维单向格栅抗裂路面结构

PART05CBF交通土建工程应用将单向格栅设置于沥青面层间或水泥稳定碎石与沥青面层层间，呈线性状态与水稳碎石产生的横向裂缝垂直分布。

数据显示：简单的一个格栅层可减少沥青路面厚度1/3。施工便捷，绿色环保，廉价长寿。26CBF水泥混凝土特性：水泥混凝土中掺入CBF，建立一种均匀万向结构，形成一种二级加强效能，削弱混凝土中的塑性收缩，提升了混凝土的韧性。纤维在混凝土中起到了“承托”作用，提高了和易性，抑制了泌水与离析现象，减少了原生裂缝，提高了混凝土的抗渗能力。降低温变应力引起的裂缝扩展。

PART05CBF交通土建工程应用5.5CBF水泥混凝土应用技术（1）5.5CBF水泥混凝土应用技术（2）27玄武岩纤维是典型的硅酸盐纤维，综合的优异性能是增强水泥混凝土替代钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯、聚丙烯腈纤维的最佳材料。玄武岩纤维在混凝土中的先天优势：CBF的密度与水泥混凝土集料相当，具有天然的相容性。在水泥等碱性介质中能保持高度稳定性。钢纤维混凝土有以下弊端：钢纤维密度大，不易分散、运输及振捣施工时易离析。和易性差，泵送困难。混凝土中钢纤维因产生电化学反应易锈蚀，并因锈涨致混凝土破损，影响混凝土的耐久性。钢纤维末端暴露于混凝土表层，不易收浆、抹面、找平；若是道面混凝土，则会致行驶轮胎早期磨损或造成爆胎事故。

PART05CBF交通土建工程应用28玄武岩纤维签：通过研究玄武岩纤维纱和钢纤维混凝土的作用机理和应用缺陷，提出一种玄武岩纤维签制品概念（现已申请专利），有效地提升了水泥混凝土的综合性能。

PART05CBF交通土建工程应用5.5CBF增强水泥混凝土技术（3）29

混杂纤维混凝土优势：不同类型纤维“协同工作，优势叠加”，既防裂阻裂，更增强增韧。CBF短切纱发挥数量优势，因比表面积大，全方位约束微裂缝，尤其是贡献抗渗、抗冻指标。其中的玄武岩纤维签通过提升握裹力，充分发挥其高模量、高抗拉强度优势。混杂纤维复合受力，整体提高混凝土的品级。

PART05CBF交通土建工程应用5.5CBF增强水泥混凝土技术（4）混杂纤维增强混凝土：按照一定比例添加不同规格玄武岩纤维签和短切纤维纱制备高性能的混凝土优于普通的纤维混凝土。30

CBF机场道面混凝土有效控制道面混凝土初凝期病害并提升混凝土的韧性与抗磨耗性。

PART05CBF交通土建工程应用5.6CBF机场道面混凝土应用技术31玄武岩纤维在海工结构应用：玄武岩纤维增强海工混凝土玄武岩纤维复合筋

替代钢筋应用于海工混凝土玄武岩材料海洋工程应用院士论坛留影

PART05CBF交通土建工程应用5.7CBF海工混凝土应用技术

岛礁建设32玄武岩纤维复合材料比其它复合材料拥有更好的强度、韧性、耐候性、耐久性等特性,

也可以应用到交通土建附属工程。防眩板装配式泄水槽高速公路防护网绿植袋玄武岩纤维复合材料伸缩缝锚杆沙漠地区路基防风固沙网格人造生态梯田护坡土石笼筐复合筋井盖

PART05CBF交通土建工程应用5.8CBF交通土建工程其它应用33一、CBF水泥混凝土应用技术《长大桥梁桥面系混凝土玄武岩纤维应用技术研究》，已被列入2018年度交通运输行业重点科技项目清单。初步成果已应用到河南息邢高速（95km）、周南高速（198km）全段桥梁伸缩缝混凝土中。《喷射玄武岩纤维混凝土应用技术与装备研究》《玄武岩纤维橡胶混凝土桥面铺装技术研究》《玄武岩纤维橡胶混凝土桥面铺装技术研究》二、CBF沥青混合料应用技术《基于玄武岩纤维材料的SMA路面应用研究技术》《锚接玄武岩纤维丝纵向加筋路面抗横向裂缝关键技术研究》《基于玄武岩纤维的同寿命沥青砼路面结构应用研究》《基于玄武岩纤维的道路平交路口同寿命沥青砼路面应用研究》

PART06CBF应用技术与成果6.1CBF应用技术与成果(1)34三、专利一种玄武岩纤维护坡绿植袋、护坡结构及护坡方法玄武岩纤维护坡绿植袋、护坡结构一种坡道绿植恢复用玄武岩纤维护坡构件坡道绿植恢复用玄武岩纤维护坡构件一种混凝土用玄武岩纤维签及其制备方法混凝土用玄武岩纤维签及其制备装置一种玄武岩纤维签的制备方法一种短切玄武岩纤维束增强混凝土及其制备方法用于增强水泥混凝土的短切玄武岩纤维束及其制备方法一种混杂玄武岩纤维增强混凝土及其制备方法一种预制纤维沥青路面铺设方法一种预制纤维沥青路面铺设装置预制纤维路面及预制纤维路面板块四、标准《公路工程用短切玄武岩纤维》《玄武岩纤维沥青路面技术指南》

PART06CBF应用技术与成果6.1CBF应用技术与成果(2)玄武岩纤维系列标准35五、玄武岩纤维技术推广应用

PART06CBF应用技术与成果6.1CBF应用技术与成果(4)

河南交院工程技术有限公司以交通运输部绿色高性能材料应用技术研发中心为平台，在前期研究成果的基础上，积极推广玄武岩纤维在道路工程中的应用。主要分为以下两个方面：

1.在沥青混凝土路面中的应用

1.1玄武岩纤维同步碎石封层的应用

1.2玄武岩纤维在沥青混凝土路面中的应用1.3玄武岩纤维格栅在路面层间的应用

2.在水泥混凝土中的应用

2.1玄武岩纤维在桥面系混凝土中的应用36郑西高速尧栾段玄武岩纤维同寿命沥青路面应用

PART06CBF应用技术与成果6.1CBF应用技术与成果(5)

在保证路面行车及路用性能要求情况下，将一定质量（沥青混凝土掺量）玄武岩纤维加入沥青混凝土中，在郑西高速尧栾段铺筑了2公里科研试验路，加入纤维后原设计路面厚度为18cm变更为12cm，路面总厚度降低6cm，变更后路面结构为上面层4cm细粒式玄武岩纤维SBS改性沥青混凝土（AC-13C）+粘层改性乳化沥青+下面层8cm中粒式玄武岩纤维SBS改性沥青混凝土（AC-20C）+下封层热喷玄武岩短切纤维SBS改性沥青同步碎石封层。37郑西高速尧栾段玄武岩纤维同寿命沥青路面应用

PART06CBF应用技术与成果6.1CBF应用技术与成果(6)科研试验路试验数据显示：高温性能动稳定度由8000次/mm,提升至12800次/mm,提高了60.0%；低温抗裂性提高了35%；水稳定性提高了25%。路面各项性能全面提升，路面寿命预估延长5年左右，降低了沥青路面养护费用。38郑西高速尧栾段玄武岩纤维同寿命沥青路面应用

PART06CBF应用技术与成果6.1CBF应用技术与成果(7)经济效益变更后节约沥青混合料6624t，降低造价119.7万元，降低沥青混合料在原材料生产、混合料拌合、运输、摊铺及碾压5个阶段碳排放总量27.6万吨，各阶段机械燃油能源消耗降低248MJ，达到了节能降碳目的，践行了绿色交通理念，产生了巨大的经济和环境效益。39息县马援大道市政主干道玄武岩纤维沥青路面应用

PART06CBF应用技术与成果6.1CBF应用技术与成果(8)应用概况马援大道位于信阳师范学院淮河校区西侧，全长约6.5公里，为双向八车道，中间规划有8米宽绿化带，是信阳师范学院淮河校区重要交通道路。为了提高沥青路面的高温稳定性、低温抗裂性，有效延长沥青路面的使用寿命，在沥青路面的下面层加入了玄武岩纤维。使用了：4cm普通沥青AC13混凝土+7cm普通沥青玄武岩纤维混凝土的路面结构。40

PART06CBF应用技术与成果6.1CBF应用技术与成果(9)息县马援大道市政主干道玄武岩纤维沥青路面应用

41在息邢高速和周南高速桥面系混凝土中的应用

PART06CBF应用技术与成果6.1CBF应用技术与成果(10)淮滨至信阳高速公路息县至邢集段全长约102公里。伸缩缝混凝土设计总方量1327方。混凝土设计标号为C50。伸缩缝混凝土全线采用玄武岩纤维混凝土配合比设计。河南交院工程技术有限公司提供C50玄武岩纤维混凝土技术服务。能有效替代钢纤维，取得了良好的经济效益。42玄武岩纤维在稀浆封层中的应用

PART06CBF应用技术与成果6.1CBF应用技术与成果(11)43

PART07应用总结

一、在公路建设中应用规模较小的原因

玄武岩纤维与碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯是国家大力重点发展的四大高技术纤维。玄武岩纤维虽然综合性能突出，但应用较少，总结原因如下：

1、宣传力度不够因缺乏宣传，即使业内人士也很少知道“玄武岩纤维”，何谈应用。

2、玄武岩纤维材料规模小价格高2010年玄武岩纤维全国年产5000吨，单价4.5万元/吨，2019年玄武岩纤维全国年产30万吨，单价约1.5万元/吨。