玄武巖纖維的土壤老化性能研究

姚勇+羅聰+劉靜+黃勝軍+陳中武

摘要：

本文建立了玄武巖纖維的土壤老化性能考察辦法，并對(duì)玄武巖纖維繩和玄武巖纖維無(wú)捻粗紗的土壤老化性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明玄武巖纖維繩土壤老化處理后的強(qiáng)度保留率為80%，模量提升了4.2%;玄武巖纖維無(wú)捻粗紗土壤老化處理后的強(qiáng)度保留率為82%，模量提升了3.5%。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維;老化;環(huán)保

1 ? ?引言

玄武巖纖維是一種綠色環(huán)保的高性能無(wú)機(jī)纖維，具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)異性能，在航空航天、汽車(chē)、電子、建筑等領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用[1]。基于環(huán)保理念，玄武巖纖維近年來(lái)在環(huán)保領(lǐng)域也獲得了一定的市場(chǎng)空間，如用于空氣凈化的催化劑載體[2]、用于污水處理的微生物載體[3]等。

面對(duì)城市的飛速發(fā)展，新的環(huán)保理念也不斷推出，立體綠化的概念應(yīng)運(yùn)而生。以此為契機(jī)，青島世博園項(xiàng)目組提出用綠色環(huán)保的玄武巖纖維來(lái)替代傳統(tǒng)的鋼絲繩網(wǎng)進(jìn)行護(hù)坡綠化，克服鋼絲繩網(wǎng)易腐蝕的缺點(diǎn)。該項(xiàng)目將用到玄武巖纖維繩和玄武巖纖維無(wú)捻粗紗等原料，由于玄武巖纖維并無(wú)直接用于土壤的先例，因此本單位聯(lián)合四川省纖維檢驗(yàn)局，參考類(lèi)似纖維產(chǎn)品的土壤老化處理辦法[4-5]對(duì)玄武巖纖維的土壤老化性能進(jìn)行了研究。

2 ? ?試驗(yàn)部分

2.1 ?儀器與裝置

YG751N恒溫恒濕試驗(yàn)箱（南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）;PHSJ-4F型pH計(jì)（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）;YG741C縮水率烘箱（南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）;CMT6503微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（深圳新三思材料檢測(cè)公司）;YG004N+電子單纖維強(qiáng)力儀（南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）。

2.2 ?材料與試劑

TX-TL Geo綠色多維系統(tǒng)專(zhuān)用拉繩（四川航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司）;13 μm-1200 tex玄武巖纖維無(wú)捻粗紗（四川航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司）;土壤（采自北緯30°32′，東經(jīng)104°13′）;NaOH（分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。

2.3 ?考察辦法

（1） 敲碎土壤，剔除碎石等可能割傷纖維的雜物后過(guò)篩并烘干;

（2） 取自來(lái)水，用NaOH溶液將pH值調(diào)節(jié)到6～8之間;

（3） 將纖維剪短為40 cm埋入土壤中搗實(shí)，每?jī)筛g的距離不小于5 cm，與土壤邊緣的距離不小于5 cm;

（4） 向土壤中加入足量的pH值為6～8的自來(lái)水，使土壤充分浸泡，瀝去多余的水分;

（5） 將包埋有試樣的土塊置于溫度為（50±1） ℃，相對(duì)濕度為65%恒溫恒濕老化箱中，老化300 h;

（6） 老化完成后小心地將纖維試樣徒手挖出，自來(lái)水漂洗10 min，然后用縮水率干燥箱50 ℃烘干2 h待測(cè)。

圖1 ? ?土壤老化流程圖：①碎土;②過(guò)篩;③埋樣;

④浸泡;⑤老化;⑥取樣;⑦漂洗

3 ? ?結(jié)果與討論

3.1 ?玄武巖纖維繩的土壤老化性能

根據(jù)青島世博園當(dāng)?shù)氐慕y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，土壤pH值范圍為6～8，空氣濕度40%～100%，年平均溫度12.3 ℃，因此2.3的各項(xiàng)考察條件比較合理。出于用電安全和保護(hù)設(shè)備（避免恒溫恒濕試驗(yàn)箱水分不足干燒）的考慮，高溫處理僅在正常工作日進(jìn)行，其他時(shí)間關(guān)閉試驗(yàn)箱停止加熱。玄武巖纖維制品實(shí)際在土壤中的填埋時(shí)間為10周，恒溫恒濕處理時(shí)間累計(jì)320h。獲得老化后的纖維繩樣品后，用內(nèi)徑6mm、厚度3mm、長(zhǎng)度100mm的鋼管作為增強(qiáng)片，以環(huán)氧樹(shù)脂E51和固化劑5280（比例3：1）作為增強(qiáng)樹(shù)脂制作樣品以檢測(cè)其相關(guān)力學(xué)性能[6-7]。玄武巖纖維繩土壤老化處理前后的相關(guān)力學(xué)性能實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)檢測(cè)報(bào)告（表1），由于繩子由多束纖維構(gòu)成，拉伸過(guò)程中歷經(jīng)了多次斷裂，因此取最大值作為最終結(jié)果。由表可知土壤老化處理后繩子的強(qiáng)度保留率為80%，伸長(zhǎng)率的保留也為80%左右，表明繩子在長(zhǎng)期苛刻條件破壞下并無(wú)太大性能損失;彈性模量則比處理前提高了4.2%，表明繩子抵抗形變的能力有所提升。究其原因是繩子在老化處理后表面受到一定程度的腐蝕，導(dǎo)致直徑有所減小，因而宏觀上表現(xiàn)為模量有所提高。

3.2 ?玄武巖纖維無(wú)捻粗紗的土壤老化性能

構(gòu)筑防護(hù)坡還需使用玄武巖纖維土工格柵以防止水土流失，該格柵由玄武巖纖維無(wú)捻粗紗編織后涂上瀝青保護(hù)層制得（見(jiàn)圖2）。由于格柵體積太大無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，因此直接取無(wú)捻粗紗（表面未經(jīng)過(guò)瀝青涂層處理）進(jìn)行相關(guān)考察（與玄武巖纖維繩同步進(jìn)行）。獲得老化處理的無(wú)捻粗紗后，在水洗去除表面粘連的土壤時(shí)對(duì)其完整性有一定的破壞，因此手工分離出單纖維以檢測(cè)其相關(guān)力學(xué)性能[8]。

圖2 ? ?玄武巖纖維制品用于防護(hù)坡

表2為土壤老化處理前后的玄武巖纖維無(wú)捻粗紗單絲力學(xué)性能，由表可知老化處理后的強(qiáng)度保留率為82%，彈性模量的變化趨勢(shì)與玄武巖纖維繩一致，提升了3.5%，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿(mǎn)足GB/T 25045—2010《玄武巖纖維無(wú)捻粗紗》標(biāo)準(zhǔn)要求[9]。由于土工格柵表面的瀝青涂層能隔絕土壤中的水分、腐殖酸等直接對(duì)纖維造成損害的組分，因此可以認(rèn)為玄武巖纖維無(wú)捻粗紗制成土工格柵后的抗土壤老化性能仍能滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 ? ?玄武巖纖維無(wú)捻粗紗土壤老化前后的力學(xué)性能對(duì)比

綜上所述，玄武巖纖維繩和無(wú)捻粗紗土壤老化處理后的力學(xué)性能均滿(mǎn)足使用要求。另玄武巖纖維的成分與天然玄武巖礦石一致，使用后不會(huì)造成二次污染，因此被成功應(yīng)用于青島世博園工程，使用面積達(dá)5萬(wàn)平方米。玄武巖纖維材料構(gòu)筑的防護(hù)坡與空氣取水裝置、風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)[10]等一系列綠色環(huán)保技術(shù)一起，共同打造了青島世博園這一成就卓越的低碳園林。

4 ? ?結(jié)論

（1） 建立了玄武巖纖維土壤老化性能考察辦法，該辦法可以考慮推廣到其他直接用于土壤環(huán)境的繩索材料;

（2） 玄武巖纖維繩土壤老化處理后的強(qiáng)度保留率為80%，模量提升了4.2%;玄武巖纖維無(wú)捻粗紗土壤老化處理后的強(qiáng)度保留率為82%，模量提升了3.5%。

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝爾蓋，李中郢. 玄武巖纖維材料的應(yīng)用前景[J]. 纖維復(fù)合材料，2003， 17（3）： 17-20.

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[3] 儲(chǔ)金宇，楊秀麗，蔣素英. 微生物制劑與玄武巖纖維聯(lián)用處理城市廢水[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2013， 11（7）： 4372-4376.

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[6] GB/T 7690.3—2013增強(qiáng)材料 紗線(xiàn)試驗(yàn)方法 第3部分：玻璃纖維斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)的測(cè)定[S].

[7] GB/T 14343—2008化學(xué)纖維長(zhǎng)絲線(xiàn)密度試驗(yàn)方法[S].

[8] 羅聰. 單纖維拉伸性能測(cè)試影響因素的分析[J]. 中國(guó)纖檢，2013，（01）： 60-62.

[9] GB/T 25045—2010玄武巖纖維無(wú)捻粗紗[S].

[10] 徐國(guó)棟. 低碳園林景觀建設(shè)探討——以2014年青島世界園藝博覽會(huì)青島園為例[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2014，（12）： 101-104.

（作者單位：姚勇、劉靜、黃勝軍、陳中武， 四川航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司;羅聰，四川省纖維檢驗(yàn)局）