李 超，孫瀟瀟，寧向向

(1.湖南省通盛工程有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410076;2.廣東交通實(shí)業(yè)投資有限公司，廣東廣州 510100;3.湖南省高速公路管理局，湖南長(zhǎng)沙 410016)

玄武巖纖維混凝土是國(guó)際上近些年發(fā)展很快的一種新型高性能水泥基復(fù)合材料。玄武巖纖維是一種新型的高性能環(huán)保材料，其主要作用是增強(qiáng)貧混凝土材料的抗裂性，減小溫差變化時(shí)結(jié)構(gòu)的收縮變形量。

玄武巖纖維是國(guó)內(nèi)近幾年新開發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種新型纖維材料，玄武巖纖維被稱為“巖石之絲”，都是由礦物成分組成，生產(chǎn)時(shí)不添加其它成分。短切玄武巖礦物纖維是一種新型的纖維，并可再生利用，玄武巖熔化過(guò)程中沒(méi)有硼和其他堿金屬氧化物排出，不向大氣排放任何有害有毒氣體，生產(chǎn)過(guò)程中不產(chǎn)生任何工業(yè)垃圾，因此玄武巖纖維也是一種環(huán)保纖維。玄武巖短切纖維(basalt fiber chopped strand)是由連續(xù)玄武巖纖維基材按照規(guī)定長(zhǎng)度切斷生產(chǎn)的短纖維。

1 玄武巖纖維的物理化學(xué)性能

1.1 玄武巖纖維的化學(xué)組成

玄武巖纖維以純天然玄武巖礦石為原料，將礦石破碎為粉末狀后加入熔窯中，在1 600℃ ～1 800℃熔融后，制成玄武巖纖維。玄武巖連續(xù)纖維的制備由原料制備工藝、熔制工藝、成型工藝和退解工藝組成。玄武巖的化學(xué)組成一般為:SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、FeO、TiO2、K2O、Na2O 等及少量雜質(zhì)，其中主要成分為 SiO2、Al2O3、CaO和MgO，次要成分是 Fe2O3、FeO、TiO2、K2O、Na2O 等，具體成分含量見表1。

表1 玄武巖纖維化學(xué)成分

其中各個(gè)化學(xué)成分對(duì)玄武巖纖維性能的影響:

1)SiO2是玄武巖纖維所含有的主要氧化物，由它組成結(jié)構(gòu)骨架。它的含量增加有利于提高玄武巖纖維的彈性和化學(xué)穩(wěn)定性;另一方面SiO2含量增高能提高熔體的粘度，利于制取長(zhǎng)纖維，但也使原料熔化困難，增加熔體形成纖維的溫度。

2)Al2O3在玄武巖纖維中也構(gòu)成骨架網(wǎng)絡(luò)的重要部分，有利于提高玄武巖纖維的化學(xué)穩(wěn)定性，當(dāng)Al2O3含量較少時(shí)，可降低熔體的粘度，對(duì)制取細(xì)纖維有利。當(dāng)Al2O3含量較高時(shí)，熔體的粘度也急劇增加，原料熔化變得困難起來(lái)，只有提高熔化溫度和熔體形成纖維時(shí)的溫度。

3)TiO2在玄武巖中含量較低，它的存在能夠提高玄武巖纖維的化學(xué)穩(wěn)定性和熔體的表面張力和粘度，有利于制取長(zhǎng)纖維。

4)CaO、MgO在玄武巖纖維結(jié)構(gòu)中不利于形成堅(jiān)固的骨架，因?yàn)樗鼈兪且环N弱堿性的氧化物，其作用與酸性的氧化物SiO2、Al2O3相反，CaO、MgO的含量增加能夠降低纖維的化學(xué)穩(wěn)定性和熔體的粘度，但是有利于原料的熔化和制取細(xì)纖維。

5)Fe2O3和FeO在熔化過(guò)程中由于焦炭的還原作用會(huì)發(fā)生價(jià)態(tài)變化，甚至還原成金屬鐵。一方面Fe2O3具有強(qiáng)烈的染色作用并提高表面張力，容易在制取纖維的過(guò)程中產(chǎn)生黑色渣球。但是另一方面，在原材料配方中大量引入Fe2O3后可提高纖維的使用溫度。玄武巖纖維與玻璃纖維最大的不同是Fe2O3的含量，一般玻璃纖維中 FeO+Fe2O3≤0.8%，而玄武巖纖維中FeO+Fe2O3的含量超過(guò)7%，正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，使得玄武巖纖維的很多性能優(yōu)于玻璃纖維(如絕熱性、耐溫性、耐燒蝕性等)。

1.2 玄武巖纖維的制備過(guò)程

纖維的工藝制備過(guò)程大概為玄武巖礦石投入熔爐→熔化→拉絲，其生產(chǎn)工藝比較簡(jiǎn)單。具體玄武巖纖維的生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 玄武巖纖維的生產(chǎn)工藝流程

將玄武巖礦石粉碎到5～20 mm大小。將粉碎的玄武巖通過(guò)專用的加料器(1)送到礦石熔化爐(2)。在爐中1 400℃ ～1 600℃高溫作用下，玄武巖礦粉被熔融。之后，玄武巖熔融物流入爐子的纖維產(chǎn)生組件中，穿過(guò)用鉑銠合金制作的噴絲漏板(3)的眾多小孔。從噴絲漏板下漏出來(lái)的玄武巖纖維(4)(單根直徑為9～15 μm)進(jìn)入油性侵潤(rùn)劑涂層設(shè)備(5)中。纏繞機(jī)(6)將連續(xù)纖維纏繞到紗筒(7)上。利用并紗機(jī)(8)，紗筒(7)上初級(jí)紗線被重新卷繞成粗紗線卷(9)。

1.3 玄武巖纖維的主要特點(diǎn)

1.3.1 材料的天然性

它是天然的火山巖噴出巖，無(wú)任何添加劑，從前面的玄武巖纖維的化學(xué)成分分析中可知，其化學(xué)成分中沒(méi)有影響人類健康的不利成分，是一種綠色環(huán)保的材料。玄武巖纖維的原料玄武巖礦石在地球上儲(chǔ)量較大，約占地球表殼的1/3。在我國(guó)，礦石儲(chǔ)量豐富，新生代的火山巖絕大部分為玄武巖，在我國(guó)很多省份都有適合CBF生產(chǎn)的礦址，有四川、浙江、黑龍江、湖北、臺(tái)灣、海南等。

1.3.2 性能的綜合性

在力學(xué)性能方面，拉伸強(qiáng)度(2 800～3 800 MPa)大于大絲束碳纖維，其抗拉強(qiáng)度比是金屬的2.5倍，其彈性模量高(100～110 GPa);在熱學(xué)性能方面，玄武巖纖維耐高低溫，其使用溫度為(－269℃ ～650℃)，熱穩(wěn)定性能和化學(xué)穩(wěn)定性能很好，在70℃熱水作用下，其強(qiáng)度能保持1 200 h，而一般的玻璃纖維在200 h后強(qiáng)度消失。

1.3.3 性價(jià)比高

玄武巖纖維的生產(chǎn)成本與玻璃纖維的差不多，在水泥混凝土中添加玄武巖纖維的成本明顯低于鋼纖維、碳纖維等，與合成纖維相當(dāng)，但是在綜合性能、對(duì)環(huán)境的影響和資源的持續(xù)發(fā)展方面，玄武巖纖維比其他幾種纖維都要優(yōu)越很多。

1.3.4 天然的相容性

玄武巖纖維是典型的硅酸鹽纖維，它與水凝混凝土拌合時(shí)容易分散，其防滲抗裂性、和易性、耐久性、抗沖擊性能好。因此，玄武巖纖維可以用在房屋建筑、橋梁、高速公路、高速鐵路、城市道路、港口碼頭、軍事設(shè)施等領(lǐng)域，可以起到加固補(bǔ)強(qiáng)、防滲抗裂、延長(zhǎng)建筑使用壽命等作用。

1.4 玄武巖短切纖維的性能指標(biāo)

玄武巖短切纖維一般應(yīng)用于水泥混凝土和瀝青混凝土中，應(yīng)用在這兩種混凝土中的產(chǎn)品主要有玄武巖原絲纖維和原絲浸膠短切纖維，原絲纖維類似于其他合成纖維，具有微米級(jí)的直徑，可以發(fā)揮數(shù)量和表面積的優(yōu)勢(shì)，對(duì)微裂縫形成約束，使之不至于連通，效果比較明顯，而且它可以克服合成纖維的密度小，彈性模量和抗拉強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，不至于在裂縫擴(kuò)展時(shí)很容易被拉斷，能有效阻止微裂縫的擴(kuò)展。對(duì)混凝土的抗?jié)B、抗沖刷、抗腐蝕、抗凍融的效果比合成纖維好。玄武巖原絲浸膠短切纖維可以發(fā)揮鋼纖維的高模量和單根的高抗拉強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，阻止裂縫的擴(kuò)展，提高混凝土抗剪、抗劈裂、抗疲勞、抗沖擊性能。同時(shí)它又克服了鋼纖維攪拌時(shí)易結(jié)團(tuán)，不利于泵送，不方便施工的缺點(diǎn)。玄武巖短切纖維基本性能見表2。

用于抗裂和增韌增強(qiáng)的水泥混凝土與水泥砂漿的玄武巖短切纖維的物理力學(xué)性能應(yīng)符合表3的技術(shù)指標(biāo)要求。

表2 玄武巖短切纖維基本性能

用于抗裂增韌增強(qiáng)的瀝青混凝土與瀝青砂漿的玄武巖短切纖維的物理力學(xué)性能應(yīng)符合表4的技術(shù)指標(biāo)要求。

表3 用于水泥混凝土與水泥砂漿的玄武巖短切纖維性能指標(biāo)

表4 用于瀝青混凝土與瀝青砂漿的玄武巖短切纖維性能指標(biāo)

2 短切玄武巖纖維貧混凝土工作性能試驗(yàn)及結(jié)果分析

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定，采用坍落度法對(duì)玄武巖纖維貧混凝土拌合物的稠度進(jìn)行試驗(yàn)。

將已經(jīng)用水濕潤(rùn)過(guò)的坍落筒放在水平的地面上(已經(jīng)濕潤(rùn)過(guò)，不吸水)，雙腳踏緊坍落筒的腳板;將已經(jīng)拌好的混合料分三層依次裝入坍落筒內(nèi)，每層的高度在1/3左右，每裝一層，用濕潤(rùn)過(guò)的搗棒對(duì)混合料進(jìn)行插搗，次數(shù)為25次;插搗頂層時(shí)，裝入的混凝土應(yīng)該高處坍落筒筒口;當(dāng)插搗完畢以后，需要刮平筒口，將筒底周圍的拌合物刮干凈，避免影響后續(xù)工作。而后垂直提起坍落筒時(shí)，應(yīng)在5～10 s內(nèi)完成，并保證混凝土不受橫向力和扭力作用發(fā)生傾斜或者倒塌。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程應(yīng)在150 s內(nèi)完成。

提起坍落筒以后，在筒頂平面放木尺，用小鋼尺測(cè)量木尺到頂面最高點(diǎn)的垂直距離，即為拌合物的坍落度，精確到1 mm。

本試驗(yàn)采用6種纖維摻量與3種水灰比，對(duì)比其對(duì)貧混凝土坍落度的影響。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

從圖2可知，貧混凝土纖維的工作性隨著纖維摻量的增加而下降。纖維摻入后，因?yàn)樗莵y向分布于貧混凝土中，有效的阻止了貧混凝土的離析，這樣的話，其粘聚性能和抗泌水性能得到了提高，但是坍落度有所降低。從試驗(yàn)過(guò)程看，貧混凝土的坍落度從不摻加纖維時(shí)的30～65 mm下降到10～25 mm。試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)水灰比為0.85的混凝土拌合料其工作性很差，不適合大面積施工，為解決這一問(wèn)題以方便施工，建議在摻加玄武巖纖維的施工路段采用水灰比0.95，未摻加玄武巖纖維的施工路段采用水灰比0.9。

表5 玄武巖纖維摻量對(duì)貧混凝土不同水灰比坍落度的試驗(yàn)結(jié)果

圖2 玄武巖纖維摻量變化與貧混凝土水灰比的關(guān)系

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了玄武巖纖維的化學(xué)組成，以及玄武巖纖維的工藝制備過(guò)程、物理力學(xué)性能指標(biāo)，研究了玄武巖纖維對(duì)貧混凝土的工作性的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明玄武巖纖維的摻入會(huì)使得貧混凝土的塌落度下降20 mm左右，并提出了適合大面積施工的水灰比，建議在摻加玄武巖纖維的施工路段采用水灰比0.95，未摻加玄武巖纖維的施工路段采用水灰比0.9。

4 展望

2009年12月中科院地質(zhì)與地球物理研究所給國(guó)家呈報(bào)的《中科院專家關(guān)于發(fā)展新資源經(jīng)濟(jì)拉動(dòng)新一輪經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的建議》，受到國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人李克強(qiáng)副總理和劉延?xùn)|國(guó)務(wù)委員的高度重視。該《建議》將玄武巖纖維生產(chǎn)技術(shù)列為新資源技術(shù)，以玄武巖為原料生產(chǎn)的玄武巖連續(xù)纖維被認(rèn)為是重要緊缺礦產(chǎn)的替代資源，可用于代替鋼材、鋁合金。工業(yè)和信息化部2012年2月22日發(fā)布的《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中，明確提出發(fā)展連續(xù)玄武巖纖維產(chǎn)品。玄武巖纖維作為一種環(huán)?？稍偕屠w維和一種新型高性能資源材料，已經(jīng)得到了越來(lái)越多的重視。