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用于纖維增強復合材料和結構工程是一種技術創新。玄武巖纖維具有與玻璃纖維相似的化學成分和更好的品質屬性，與大多數玻璃長絲不同，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構物。目前，盡管某些聚合物基復合材料使用黃麻、劍麻纖維作為增強材料，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、抗壓強度高及抗剪強度高等優點。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纖維，與碳纖維和玻璃纖維非常相似，且具有更好的力學性能和更低的價格。用作增強材料時，采用1 kg的玄武巖纖維相當于采用9.6 kg的鋼。玄武巖纖維的應用領域廣泛，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。玄武巖纖維的熔點與玻璃纖維的相當，為1 400～1 600 ℃。玄武巖纖維幾乎與玻璃纖維一樣透明，可吸收和發射紅外能量。玄武巖纖維生產需要連續燃燒和混合，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

——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：0.42～0.50。

2.2 化學性質

——強堿環境下穩定性強；

——在沸水、堿或酸中有質量損失；

——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 ℃)及非常低的熱傳導性，可應用于消防員防護及工業和民用領域。玄武巖纖維的熱性能大大優于其他高性能纖維，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 力學性能

玄武巖纖維是一種獨特的纖維，在特定載荷下具有高韌性和特殊的斷裂性能。加之其力學性能比鋼材強許多倍，因而在許多領域得到應用。玄武巖纖維由于不產生毛細作用而具有非吸濕性，這使它具備更好的抗濕性。玄武巖產品有多種形式，如纖維、機織物和網狀物。

3 玄武巖纖維在民用工程中的應用

3.1 玄武巖-水泥材料

玄武巖纖維具有抗拉強度高的特性，適合將其與水泥材料混合，增強水泥性能，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，混凝土的穩定性和強度提高。增強的混凝土具有無線電穿透性和高阻尼特性，成本低廉，經濟效益高，被大量應用于制造高強度的耐火建筑(圖3)。

圖3 玄武巖纖維增強的磚塊

3.3 土工復合材料

土工復合材料由不同類型的土工合成材料組成。由于大多數材料成分具有熱塑性，因此它們可以疊層熱復合，也可以使用黏合劑或針刺工藝。土工復合材料包括：土工織物-土工網；土工織物-土工格柵；土工網-土工膜；土工合成材料膨潤土墊(GCL)。玄武巖纖維增強聚合物復合材料的發展提高了其在民用領域的應用潛力。土工復合材料的種類幾乎不受限制，這些材料的發展源于其多功能性設計和快速便捷的組裝取代單獨組件的使用。主要類型有排水土工復合材料、增強土工復合材料和流體阻擋土工復合材料。控制水對大多數巖土工程的施工穩定性至關重要，排水土工復合材料已成為滿足這一要求的重要材料。排水土工復合材料的常見構造是土工網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。

增強土工復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合到針織土工格柵中，或通過針刺結合到編織或針織土工格柵的一側或兩側。非織造布為增強土工格柵增加了分離和過濾功能，從而賦予土工復合材料多功能性。納米技術有助于改善增強纖維的性能，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，同時使構件具有內部抗剪切能力。當水合時，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合材料的各種特性，可以替代石棉、高強玻璃、二氧化硅、耐化學玻璃及其他特殊纖維，廣泛應用于民國和建筑領域。

與玻璃和金屬相比，玄武巖土工網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，化學上更安全。玄武巖材料被認為是金屬基復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 玄武巖在土工復合材料中的應用

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、建筑結構、軟屋頂、可重復使用的百葉窗、內部廢管、加固結構、供熱系統、電纜管道和水利設施。玄武巖纖維還可用于道路建設、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、土地開采及農業(輸送氣體和水)，也可在地質或球體物理工程中用作防護罩。包裝材料被灌注玄武巖纖維，可用來制作起結構支撐作用的塑料復合管道。制造玻璃增強塑料管道的設備應適用于制造玄武巖塑料復合管道。

3.6 優勢

玄武巖纖維的民用優勢如下。

——在酸性和堿性環境中力學性能和耐化學性良好(優于E玻璃)；

——較寬的使用溫度范圍(高達580 ℃)；

——環境友好；

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

——與其他類型的纖維相比，玄武巖纖維的生產成本非常低，經濟效益好。

4 結語

玄武巖纖維增強復合材料及混凝土在民用領域得到長期而廣泛的應用，其原因在于該材料性能優異：在高溫下不脫層、成本效益高、抗拉強度高于鋼。玄武巖纖維因其先進性和可持續性，在土木工程和建筑業中的應用前景非常好，使玻璃纖維、碳纖維和鋼材在土木工程和建筑業中的應用受到影響。