玄武岩纤维的研究现状与发展趋势

玄武岩纤维的研究现状与发展趋势

高性能纤维的应用一直受到人们的关注。纤维纤维材料通常用于混凝土增强的高性能纤维材料，如纤维、纤维和对角纤维（以下简称角纤维）。玻璃纤维不耐碱、老化快、与混凝土的适配性差,所以自上世纪60年代以来,在土木建筑中较少使用玻璃纤维增强混凝土。碳纤维和芳纶的生产技术难以掌握,生产过程严重污染环境,产品价格一直居高不下,使其在土木工程领域中的应用受到极大的制约。因为水泥是强碱性材料,目前土木建筑采用的纤维增强水泥,其添加的纤维主要是聚丙烯纤维和钢纤维,作为无活性材料完全靠物理方法固定在混凝土中,而且最高添加量也只有2%体积分数。所以这些纤维增强水泥,其实只是在混凝土凝固初期减少了水泥裂纹,从而提高了水泥的强度,并不是真正的纤维增强复合材料,即纤维承受了高于基质材料的应力。建材界一直寻找一种高活性、高刚度、耐腐蚀、耐磨、长寿、高强度、分散均匀的环保纤维。通过试验和文献数据分析,我们认为玄武岩纤维也许就是这样一种建材界正在寻找的理想纤维。我国在2005年研发成功玄武岩纤维。与玻璃纤维、碳纤维、芳纶等其他高性能纤维相比,玄武岩纤维具有很多独特的优势:如力学性能佳,耐高温性能好,耐酸耐碱,有更好的耐环境性能等优点。玄武岩纤维是以玄武岩矿石为原料,经过熔融纺丝制备的新型纤维,其熔化过程中碱金属氧化物析出很少,池炉排放的烟尘中基本无有害物质,是对环境无污染的绿色健康纤维材料。玄武岩纤维与火山灰水泥中的火山灰有着相同的成分和密度,其与水泥的相容性和分散性好于其他增强纤维。可以预见玄武岩纤维将作为新型高性能纤维,广泛地应用于土木工程领域。1组分对纤维原料的影响玄武岩的化学组成一般为SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、FeO、TiO2、K2O、Na2O等及少量杂质,其中主要成分为SiO2、Al2O3、CaO和MgO。玄武岩中含有的不同组分会赋予纤维特定的性能。例如:SiO2的含量增加有利于提高纤维的弹性;SiO2、Al2O3、TiO2、MnO和Cr2O3的含量增加可提高纤维的化学稳定性;SiO2、Al2O3、TiO2含量增加时,可提高熔体的黏度,有利于制取长纤维;CaO、MgO的含量增加有利于原料的熔化和制取细纤维;Fe2O3大量增加后可提高纤维的使用温度。因此在制造普通玄武岩纤维的时候,可以有侧重性地选取不同成分含量的玄武岩,或者添加相应辅料,生产出具有特殊优异性能的特种玄武岩纤维。例如高弹性玄武岩纤维、耐腐蚀玄武岩纤维、使用温度高于800℃的玄武岩纤维等。2玄武岩纤维的优越特性2.1纤维的性能与材料玄武岩纤维与常用于混凝土增强的各种高性能纤维的物理性能对比列于表1。从表1可以看出玄武岩纤维的抗拉强度为3450~4900MPa,比芳纶、E玻璃纤维都要高,与S玻璃纤维相当,比碳纤维低一些;而断裂伸长率则大于碳纤维,因此其脆性要比碳纤维小一些,其成品的耐冲击性能要好于碳纤维。所以用玄武岩纤维来增强水泥砂浆或混凝土,其力学性能要优于其他高性能纤维。2.2热反应系数m玄武岩纤维具有耐高温、耐低温、隔热等性能。玄武岩纤维耐温性能好,使用温度范围为-269~650℃,软化点为960℃。玄武岩纤维保温性能良好,导热系数一般为0.031~0.048W/(m·K)。玄武岩纤维的断裂强度随着温度提高而降低,400℃时降低到85%,600℃降低到80%。如果玄武岩纤维预先在780~820℃下进行处理,还能在860℃下工作而不会出现收缩,普通玻璃纤维在此温度已经熔化。玄武岩纤维熔点高达1350~1500℃,玄武岩本身在空气中不燃烧,所以用玄武岩纤维制备的土木建材可以经受高温的表面特殊处理以及应用于特殊高温或低温环境。2.3化学成分材料从表2可以看出玄武岩纤维耐酸碱和水的腐蚀。玄武岩纤维含有的MgO和TiO2等成分对提高纤维耐化学腐蚀及防水性能起到重要的作用。玄武岩纤维可以制备增强水泥,其制品具有良好的耐久性能。除此之外,因为水泥是碱性材料,而玄武岩纤维耐碱、耐磨、耐辐射,从而也提高了玄武岩纤维土木建材的耐久性能。2.4材料活性指数火成岩由地底岩浆冷凝而成,共有酸性、中性、碱性、超碱性四大类700多种,主要组分为硅、镁、铝、铁等的氧化物。火山灰是熔岩天然形成的粉尘,或者人工制备的火成岩粉末。玄武岩是一种碱性火成岩,玄武岩深加工材料的粉末也称为火山灰。火山灰水泥是一种传统水泥,在硅酸盐水泥中添加火成岩粉而成。火山灰活性指一些材料中含有SiO2和Al2O3等活性组分,可以在潮湿条件下和水泥中的Ca(OH)2生成胶凝性水化反应物(如水化硅酸钙、水化铝酸钙或水化硫铝酸钙等)。活性指数衡量的是材料和水泥复合的亲和度。活性指数越高,复合界面就越好,在水泥中添加的量就越多。笔者做了熔纺玄武岩纤维并将玄武岩纤维用于增强水泥基复合材料的实验。实验采用的玄武岩矿石组分如表3,矿石粉碎成5mm以下的碎石料,然后在实验室1500℃温度下熔化拉成长丝。在以天然玛瑙为研磨球和研磨杯的球磨机中将玄武岩长丝粉碎成5μm以下颗粒的粉末。该粉末和水泥复合制成混凝土,由天津质量检测监督第21站根据火山灰活性测试标准进行测试,第7天测得其活性指数为38%,第28天测得其活性指数为53%。GB1344—1999矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥及粉煤灰硅酸盐水泥标准规定:凡由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合材料,其中可添加20%~50%体积分数的火山灰质材料。也就是说火成岩材料包括玄武岩纤维,在水泥中含量可以高达20%~50%体积分数,具体添加量由火成岩材料中SiO2和Al2O3等活性组分的比例而定。玄武岩纤维增强水泥复合界面结合度远优于无活性的化纤和钢纤维,同时其高达50%体积分数的添加量相比最多只能添加2%体积分数的无活性纤维也是一个极大的优势。2.5玄武岩纤维的安全性玄武岩在熔化过程中没有硼和其他碱金属氧化物排出,使其制造过程的池炉排放烟尘中无有害物质析出,不向大气排放有害气体。经过熔炼的废料玻璃业内称为熟料,通常玻璃业都在生料中添加相当比例的熟料回炉,以降低能耗。此外废料也可以粉碎,制作成众所周知的火山灰矿物肥料。所以玄武岩长丝生产过程无污染,无有毒废料,使用过的产品可以回炉再生,是一种完全绿色的无机纤维材料。玄武岩纤维问世初期,人们担心玄武岩纤维是否也和玻璃纤维、石棉纤维一样,在使用过程中对人们的健康造成危害。1994年,KoganFM,Nikitina让多只老鼠分别在含有浓度为25mg/m3石棉纤维粉末和玄武岩纤维粉末的环境中生活半年,结果在含有石棉纤维粉末的环境中,三分之一的老鼠当体内石棉纤维粉末的浓度达到1.7g/kg时死亡,当老鼠体内石棉纤维粉末的浓度达到2.7g/kg时全部死亡;在含有玄武岩纤维粉末的环境中生活的老鼠,当体内玄武岩纤维粉末的浓度达到10g/kg,仍未发生死亡现象。Mcconnell等也在医学试验中发现玄武岩纤维对生物体无害,建议使用玄武岩纤维代替可以致癌的石棉纤维和玻璃纤维。另据报告在工人安全性和空气质量方面玄武岩纤维也很优秀。有关人士指出,由于玄武岩是火山活动的产物,其成纤过程比玻璃纤维更为环保。纤维加工过程中可能释放的“温室”气体已在数百年前岩浆喷发过程中排放。再者,玄武岩百分之百惰性,与空气和水均无毒性反应,而且不燃烧,防爆炸。更为重要的是玄武岩原料取自天然矿石而无任何添加剂,降解后即成为土壤母质,环境友好,是目前为止唯一的无环境污染的不致癌的绿色健康玻璃质纤维材料。从环保的角度看来,玄武岩纤维要优于所有水泥增强纤维。3增强纤维材料玄武岩纤维制品在土木工程领域的应用具有很大的优势,尤其是用于水泥增强纤维。纤维增强混凝土具有阻裂、防渗、耐久、抗拉和抗冲击等作用。现有玻璃纤维、碳纤维、芳纶、钢纤维、聚丙烯纤维和玄武岩纤维用作混凝土增强纤维材料。纤维增强的主要目的是提高混凝土的抗拉强度和减少混凝土裂纹,从而减少建筑工程的渗透。从强度看,玄武岩纤维高于水泥抗拉强度4个数量级,同时刚性超过上述其他增强纤维,抗拉增强效果最好。从耐碱性方面看,玄武岩纤维略逊于碳纤维,但好于其他纤维。从与混凝土的相容性上看,玄武岩纤维是一种高活性材料,密度和水泥也较接近,所以玄武岩纤维的相容性、分散性好于其他增强纤维。3.1单网状短切纱玄武岩纤维短切纱具有网片状和单丝状两种规格,网片状的短切纱[图1(a)]的截面近似矩形[图1(b)],表面许多单丝相互交连而形成网片状结构;单丝状短切纱纤维截面为三叶形,有利于提高纤维在砂浆或混凝土中分散性和与基体的握裹力。玄武岩短切纱可以用来增强水泥砂浆或混凝土,提高水泥砂浆或混凝土的各项力学性能。玄武岩纤维增强砂浆或混凝土还具有优越的隔热、防腐、吸波、隔声等性能,可以广泛应用于公路建设、铁路建设、水利工程,机场建设等工程建设。3.2增强或改性处理织物土工织物的种类很多,还没有一个标准的分类方法,但通常按加工和生产方法可分为机织土工织物、经编土工织物、非织造土工织物、土工膜、复合土工布以及其他土工合成材料六大类。本文主要介绍几种常见的玄武岩机织土工织物。玄武岩机织土工织物常见的组织有平纹、斜纹、缎纹、方平等组织结构,为了满足特殊土木工程领域的需要,还有复杂组织和三维织物土工织物。现在常用的玄武岩纤维土工织物是以平纹为主[图2(a)所示],因为其各项性能好,纤维之间的移动较小。玄武岩纤维平纹土工织物具有加固、隔离、加筋等作用,广泛地应用于公路建设、铁路建设、机场建设以及特殊的建筑领域,如海洋工程建设、核电站建设等。还可以用来加固混凝土,提高建筑材料的强度和韧性,延长建筑物的使用寿命。当经向采用玄武岩无捻粗纱,纬向采用强力较低的棉纱或其他纱线,设置较低的纬密,通过机织工艺可以织制玄武岩纤维单向布[图2(b)所示],因为其经向的强度远远高于纬向的强度,所以称之为单向布。玄武岩单向布通过表面处理,可以充分发挥玄武岩单向布的增强作用,可以代替碳纤维单向布用于建筑桥梁的加固、补强和修复。玄武岩纤维土工格栅[图2(c)所示]是由玄武岩长丝制备的网格布经过沥青(胶)处理后烘干成型而成,图中土工格栅所采用的网格布的织物组织为纱罗组织。玄武岩纤维土工格栅具有加筋、反滤、加固地基、防裂缝等特殊作用,可用来加固水电站水坝等堤坝,增强高速公路和立交桥的基础;可替代钢筋用作混凝土建筑结构的增强材料。3.3复合筋质量及密度玄武岩纤维复合筋(图3)是经拉挤成型的玄武岩纱线束增强乙烯基树脂材料,可以是光滑的圆杆,也可以仿照螺纹钢筋在表面制作纹路,增加在混凝土中的物理固定能力。与钢筋不同的是,玄武岩纤维复合筋质量仅为钢筋的五分之一,是一种不生锈的电绝缘体,具有非磁性,尤其具有极高的耐酸性和耐碱性;对水泥砂浆中的水分及CO2的浸透和扩散具有较高的容许度,可防止在苛刻环境下使用混凝土构筑物的腐蚀,从而提高建筑物的耐久性。玄武岩纤维复合筋不仅能提高建筑物的防腐性能,还可以降低建筑物的自重。从表4可以看出玄武岩纤维复合筋的密度小,抗拉强度、屈服强度和热膨胀性均优于钢筋。所以玄武岩纤维复合筋可以代替钢筋,应用于公路、桥梁、机场、车站、水利工程、地下工程以及军事工程、保密工程、特殊工程等需绝缘脱磁环境等特殊领域,具有良好的社会效益和经济效益。4玄武岩