民用玄武巖纖維

R. N. Turukmane， S. S. Gulhane， A. M. Daberao

SVKM’S NMIM’S(印度)

將玄武巖纖維紡織應(yīng)用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)工程是一種技術(shù)創(chuàng)新。玄武巖纖維具有與玻璃纖維相似的化學(xué)成分和更好的品質(zhì)屬性，與大多數(shù)玻璃長絲不同，其不易被堿、酸和鹽侵蝕。這使得玄武巖纖維可以用于建造堅固的民用建筑框架和海岸結(jié)構(gòu)物。目前，盡管某些聚合物基復(fù)合材料使用黃麻、劍麻纖維作為增強(qiáng)材料，但與玄武巖纖維相比，麻纖維并非是切實可行的選擇。玄武巖纖維具有抗氧化性高、抗輻射性強(qiáng)、抗壓強(qiáng)度高及抗剪強(qiáng)度高等優(yōu)點。與芳香族聚酰胺纖維及類似芳綸、碳纖維這類耐高溫纖維相比，玄武巖纖維有更寬的使用溫度范圍(-269～+650 ℃)，能承受更高的溫度。玄武巖纖維的制造及其制造成本與玻璃纖維類似，但制造成本比高強(qiáng)玻璃纖維低。玄武巖纖維是火山玄武巖在1 500 ℃下熔融拉絲形成的連續(xù)纖維，與碳纖維和玻璃纖維非常相似，且具有更好的力學(xué)性能和更低的價格。用作增強(qiáng)材料時，采用1 kg的玄武巖纖維相當(dāng)于采用9.6 kg的鋼。玄武巖纖維的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，并且可以替代許多昂貴、稀有材料。它的制造工藝非常簡單，其原材料幾乎遍布每個國家。

1 玄武巖纖維的制備

將玄武巖粉碎成顆粒后送入爐膛，在1 500 ℃溫度下其熔融成液態(tài)。玄武巖纖維的熔點與玻璃纖維的相當(dāng)，為1 400～1 600 ℃。玄武巖纖維幾乎與玻璃纖維一樣透明，可吸收和發(fā)射紅外能量。玄武巖纖維生產(chǎn)需要連續(xù)燃燒和混合，用于熔融硅石的熔爐不能熔融玄武巖。

將玄武巖餾分還原成尺寸為5～20 mm的原料，在1 400～1 600 ℃的溫度下送入熔爐熔化。然后玄武巖熔體從襯套穿過模具孔，形成連續(xù)長度為9～15 mm的纖維。卷繞單元將該纖維卷繞在卷軸上，形成玄武巖粗紗束(圖1)。

圖1 玄武巖纖維的制備工藝

2 玄武巖纖維的性能

2.1 物理性質(zhì)

——顏色：金色或棕色；

——尺寸：直徑約5.8 μm，長6～12 mm；

——密度：2.75 g/cm3；

——摩擦因數(shù)：0.42～0.50。

2.2 化學(xué)性質(zhì)

——強(qiáng)堿環(huán)境下穩(wěn)定性強(qiáng)；

——在沸水、堿或酸中有質(zhì)量損失；

——在pH值為13～14的條件下具有良好的抗腐蝕性。

2.3 熱性能

玄武巖纖維具有較寬的使用溫度范圍(260～982 ℃)，較高的熔點(約1 450 ℃)及非常低的熱傳導(dǎo)性，可應(yīng)用于消防員防護(hù)及工業(yè)和民用領(lǐng)域。玄武巖纖維的熱性能大大優(yōu)于其他高性能纖維，其熱效率是石棉纖維的3倍，且不像石棉纖維易引起健康問題。它屬于不可燃燒和非爆炸性的纖維。

2.4 力學(xué)性能

玄武巖纖維是一種獨(dú)特的纖維，在特定載荷下具有高韌性和特殊的斷裂性能。加之其力學(xué)性能比鋼材強(qiáng)許多倍，因而在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。玄武巖纖維由于不產(chǎn)生毛細(xì)作用而具有非吸濕性，這使它具備更好的抗?jié)裥?。玄武巖產(chǎn)品有多種形式，如纖維、機(jī)織物和網(wǎng)狀物。

3 玄武巖纖維在民用工程中的應(yīng)用

3.1 玄武巖-水泥材料

玄武巖纖維具有抗拉強(qiáng)度高的特性，適合將其與水泥材料混合，增強(qiáng)水泥性能，延長建筑物壽命。用于混合的粗纖維和短切粗纖維的比例從15∶85開始變化。使用硅酸鹽水泥能提高玄武巖纖維的內(nèi)聚力，改善其拉伸、彎曲和沖擊性能。研究表明，與普通水泥相比，添加玄武巖纖維后硅酸鹽水泥的強(qiáng)度、疲勞和彎曲性能提高了2～4倍(圖2)。

圖2 添加玄武巖纖維制備的水泥

3.2 玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土

隨著硅酸鹽水泥、河砂、粗玄武巖纖維和30%的水的摻入，混凝土的穩(wěn)定性和強(qiáng)度提高。增強(qiáng)的混凝土具有無線電穿透性和高阻尼特性，成本低廉，經(jīng)濟(jì)效益高，被大量應(yīng)用于制造高強(qiáng)度的耐火建筑(圖3)。

圖3 玄武巖纖維增強(qiáng)的磚塊

3.3 土工復(fù)合材料

土工復(fù)合材料由不同類型的土工合成材料組成。由于大多數(shù)材料成分具有熱塑性，因此它們可以疊層熱復(fù)合，也可以使用黏合劑或針刺工藝。土工復(fù)合材料包括：土工織物-土工網(wǎng)；土工織物-土工格柵；土工網(wǎng)-土工膜；土工合成材料膨潤土墊(GCL)。玄武巖纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的發(fā)展提高了其在民用領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。土工復(fù)合材料的種類幾乎不受限制，這些材料的發(fā)展源于其多功能性設(shè)計和快速便捷的組裝取代單獨(dú)組件的使用。主要類型有排水土工復(fù)合材料、增強(qiáng)土工復(fù)合材料和流體阻擋土工復(fù)合材料?？刂扑畬Υ蠖鄶?shù)巖土工程的施工穩(wěn)定性至關(guān)重要，排水土工復(fù)合材料已成為滿足這一要求的重要材料。排水土工復(fù)合材料的常見構(gòu)造是土工網(wǎng)夾在兩個非織造土工織物過濾器之間，或夾在或厚或薄的預(yù)制排水芯(面板排水、邊緣排水或芯排水)之間。毯狀排水管通常用作液體收集-去除層。

增強(qiáng)土工復(fù)合材料由紡黏或熔噴非織造布通過保持紗線的緊密編織被結(jié)合到針織土工格柵中，或通過針刺結(jié)合到編織或針織土工格柵的一側(cè)或兩側(cè)。非織造布為增強(qiáng)土工格柵增加了分離和過濾功能，從而賦予土工復(fù)合材料多功能性。納米技術(shù)有助于改善增強(qiáng)纖維的性能，這對土木和建筑工程非常有益。

織造和非織造土工織物浸漬了瀝青、橡膠瀝青或聚合物混合物，可用作防潮層。通過這種浸漬，土工織物交叉平面和平面內(nèi)流體流量降至最小。但若用于吸收液體，土工合成黏土襯里將更有效。

GCL是一種土工復(fù)合材料，通常是將鈉基膨潤土黏土層夾在兩層土工織物之間、或兩層針刺非織造布之間、或一層針刺非織造布與一層編織物之間預(yù)制而成。這一過程通過縫合或針刺穿過膨潤土芯以連接頂層和底層，同時使構(gòu)件具有內(nèi)部抗剪切能力。當(dāng)水合時，膨潤土芯膨脹，成為液體或氣體的有效屏障。新研制的玄武巖纖維具有復(fù)合材料的各種特性，可以替代石棉、高強(qiáng)玻璃、二氧化硅、耐化學(xué)玻璃及其他特殊纖維，廣泛應(yīng)用于民國和建筑領(lǐng)域。

與玻璃和金屬相比，玄武巖土工網(wǎng)格更有利于路面的加固。研究表明，玄武巖纖維與石棉不同，它具有生態(tài)友好、對人體健康無不良影響及耐高溫等特點。玄武巖土工格柵比金屬更輕質(zhì)，化學(xué)上更安全。玄武巖材料被認(rèn)為是金屬基復(fù)合材料的最佳替代品之一，可用于土壤固定、道路施工和建筑施工中的加固(圖4)。

圖4 玄武巖在土工復(fù)合材料中的應(yīng)用

3.4 建筑物

玄武巖纖維在建筑中的理想用途主要包括橋梁用鋼筋、鋼筋混凝土纖維桿、無腐蝕混凝土柱、建筑結(jié)構(gòu)、軟屋頂、可重復(fù)使用的百葉窗、內(nèi)部廢管、加固結(jié)構(gòu)、供熱系統(tǒng)、電纜管道和水利設(shè)施。玄武巖纖維還可用于道路建設(shè)、混凝土和瀝青跑道的加固，以及用于公路、鐵路等吸音屏障的構(gòu)造建筑中。

3.5 玄武巖塑料管道

玄武巖塑料管道可用于井壁、土地開采及農(nóng)業(yè)(輸送氣體和水)，也可在地質(zhì)或球體物理工程中用作防護(hù)罩。包裝材料被灌注玄武巖纖維，可用來制作起結(jié)構(gòu)支撐作用的塑料復(fù)合管道。制造玻璃增強(qiáng)塑料管道的設(shè)備應(yīng)適用于制造玄武巖塑料復(fù)合管道。

3.6 優(yōu)勢

玄武巖纖維的民用優(yōu)勢如下。

——在酸性和堿性環(huán)境中力學(xué)性能和耐化學(xué)性良好(優(yōu)于E玻璃)；

——較寬的使用溫度范圍(高達(dá)580 ℃)；

——環(huán)境友好；

——與玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)相比，玄武巖纖維增強(qiáng)塑料(BFRP)易于回收；

——與其他類型的纖維相比，玄武巖纖維的生產(chǎn)成本非常低，經(jīng)濟(jì)效益好。

4 結(jié)語

玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及混凝土在民用領(lǐng)域得到長期而廣泛的應(yīng)用，其原因在于該材料性能優(yōu)異：在高溫下不脫層、成本效益高、抗拉強(qiáng)度高于鋼。玄武巖纖維因其先進(jìn)性和可持續(xù)性，在土木工程和建筑業(yè)中的應(yīng)用前景非常好，使玻璃纖維、碳纖維和鋼材在土木工程和建筑業(yè)中的應(yīng)用受到影響。