短切玄武岩纤维对贫混凝土工作性能影响研究

李 超，孙潇潇，宁向向

(1.湖南省通盛工程有限公司，湖南长沙 410076;2.广东交通实业投资有限公司，广东广州 510100;3.湖南省高速公路管理局，湖南长沙 410016)

玄武岩纤维混凝土是国际上近些年发展很快的一种新型高性能水泥基复合材料。玄武岩纤维是一种新型的高性能环保材料，其主要作用是增强贫混凝土材料的抗裂性，减小温差变化时结构的收缩变形量。

玄武岩纤维是国内近几年新开发的具有自主知识产权的一种新型纤维材料，玄武岩纤维被称为“岩石之丝”，都是由矿物成分组成，生产时不添加其它成分。短切玄武岩矿物纤维是一种新型的纤维，并可再生利用，玄武岩熔化过程中没有硼和其他碱金属氧化物排出，不向大气排放任何有害有毒气体，生产过程中不产生任何工业垃圾，因此玄武岩纤维也是一种环保纤维。玄武岩短切纤维(basalt fiber chopped strand)是由连续玄武岩纤维基材按照规定长度切断生产的短纤维。

1 玄武岩纤维的物理化学性能

1.1 玄武岩纤维的化学组成

玄武岩纤维以纯天然玄武岩矿石为原料，将矿石破碎为粉末状后加入熔窑中，在1 600℃ ～1 800℃熔融后，制成玄武岩纤维。玄武岩连续纤维的制备由原料制备工艺、熔制工艺、成型工艺和退解工艺组成。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，次要成分是 Fe2O3、FeO、TiO2、K2O、Na2O 等，具体成分含量见表1。

表1 玄武岩纤维化学成分

其中各个化学成分对玄武岩纤维性能的影响:

1)SiO2是玄武岩纤维所含有的主要氧化物，由它组成结构骨架。它的含量增加有利于提高玄武岩纤维的弹性和化学稳定性;另一方面SiO2含量增高能提高熔体的粘度，利于制取长纤维，但也使原料熔化困难，增加熔体形成纤维的温度。

2)Al2O3在玄武岩纤维中也构成骨架网络的重要部分，有利于提高玄武岩纤维的化学稳定性，当Al2O3含量较少时，可降低熔体的粘度，对制取细纤维有利。当Al2O3含量较高时，熔体的粘度也急剧增加，原料熔化变得困难起来，只有提高熔化温度和熔体形成纤维时的温度。

3)TiO2在玄武岩中含量较低，它的存在能够提高玄武岩纤维的化学稳定性和熔体的表面张力和粘度，有利于制取长纤维。

4)CaO、MgO在玄武岩纤维结构中不利于形成坚固的骨架，因为它们是一种弱碱性的氧化物，其作用与酸性的氧化物SiO2、Al2O3相反，CaO、MgO的含量增加能够降低纤维的化学稳定性和熔体的粘度，但是有利于原料的熔化和制取细纤维。

5)Fe2O3和FeO在熔化过程中由于焦炭的还原作用会发生价态变化，甚至还原成金属铁。一方面Fe2O3具有强烈的染色作用并提高表面张力，容易在制取纤维的过程中产生黑色渣球。但是另一方面，在原材料配方中大量引入Fe2O3后可提高纤维的使用温度。玄武岩纤维与玻璃纤维最大的不同是Fe2O3的含量，一般玻璃纤维中 FeO+Fe2O3≤0.8%，而玄武岩纤维中FeO+Fe2O3的含量超过7%，正是因为这一点，使得玄武岩纤维的很多性能优于玻璃纤维(如绝热性、耐温性、耐烧蚀性等)。

1.2 玄武岩纤维的制备过程

纤维的工艺制备过程大概为玄武岩矿石投入熔炉→熔化→拉丝，其生产工艺比较简单。具体玄武岩纤维的生产工艺流程如图1所示。

图1 玄武岩纤维的生产工艺流程

将玄武岩矿石粉碎到5～20 mm大小。将粉碎的玄武岩通过专用的加料器(1)送到矿石熔化炉(2)。在炉中1 400℃ ～1 600℃高温作用下，玄武岩矿粉被熔融。之后，玄武岩熔融物流入炉子的纤维产生组件中，穿过用铂铑合金制作的喷丝漏板(3)的众多小孔。从喷丝漏板下漏出来的玄武岩纤维(4)(单根直径为9～15 μm)进入油性侵润剂涂层设备(5)中。缠绕机(6)将连续纤维缠绕到纱筒(7)上。利用并纱机(8)，纱筒(7)上初级纱线被重新卷绕成粗纱线卷(9)。

1.3 玄武岩纤维的主要特点

1.3.1 材料的天然性

它是天然的火山岩喷出岩，无任何添加剂，从前面的玄武岩纤维的化学成分分析中可知，其化学成分中没有影响人类健康的不利成分，是一种绿色环保的材料。玄武岩纤维的原料玄武岩矿石在地球上储量较大，约占地球表壳的1/3。在我国，矿石储量丰富，新生代的火山岩绝大部分为玄武岩，在我国很多省份都有适合CBF生产的矿址，有四川、浙江、黑龙江、湖北、台湾、海南等。

1.3.2 性能的综合性

在力学性能方面，拉伸强度(2 800～3 800 MPa)大于大丝束碳纤维，其抗拉强度比是金属的2.5倍，其弹性模量高(100～110 GPa);在热学性能方面，玄武岩纤维耐高低温，其使用温度为(－269℃ ～650℃)，热稳定性能和化学稳定性能很好，在70℃热水作用下，其强度能保持1 200 h，而一般的玻璃纤维在200 h后强度消失。

1.3.3 性价比高

玄武岩纤维的生产成本与玻璃纤维的差不多，在水泥混凝土中添加玄武岩纤维的成本明显低于钢纤维、碳纤维等，与合成纤维相当，但是在综合性能、对环境的影响和资源的持续发展方面，玄武岩纤维比其他几种纤维都要优越很多。

1.3.4 天然的相容性

玄武岩纤维是典型的硅酸盐纤维，它与水凝混凝土拌合时容易分散，其防渗抗裂性、和易性、耐久性、抗冲击性能好。因此，玄武岩纤维可以用在房屋建筑、桥梁、高速公路、高速铁路、城市道路、港口码头、军事设施等领域，可以起到加固补强、防渗抗裂、延长建筑使用寿命等作用。

1.4 玄武岩短切纤维的性能指标

玄武岩短切纤维一般应用于水泥混凝土和沥青混凝土中，应用在这两种混凝土中的产品主要有玄武岩原丝纤维和原丝浸胶短切纤维，原丝纤维类似于其他合成纤维，具有微米级的直径，可以发挥数量和表面积的优势，对微裂缝形成约束，使之不至于连通，效果比较明显，而且它可以克服合成纤维的密度小，弹性模量和抗拉强度低的缺点，不至于在裂缝扩展时很容易被拉断，能有效阻止微裂缝的扩展。对混凝土的抗渗、抗冲刷、抗腐蚀、抗冻融的效果比合成纤维好。玄武岩原丝浸胶短切纤维可以发挥钢纤维的高模量和单根的高抗拉强度的优势，阻止裂缝的扩展，提高混凝土抗剪、抗劈裂、抗疲劳、抗冲击性能。同时它又克服了钢纤维搅拌时易结团，不利于泵送，不方便施工的缺点。玄武岩短切纤维基本性能见表2。

用于抗裂和增韧增强的水泥混凝土与水泥砂浆的玄武岩短切纤维的物理力学性能应符合表3的技术指标要求。

表2 玄武岩短切纤维基本性能

用于抗裂增韧增强的沥青混凝土与沥青砂浆的玄武岩短切纤维的物理力学性能应符合表4的技术指标要求。

表3 用于水泥混凝土与水泥砂浆的玄武岩短切纤维性能指标

表4 用于沥青混凝土与沥青砂浆的玄武岩短切纤维性能指标

2 短切玄武岩纤维贫混凝土工作性能试验及结果分析

按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》的规定，采用坍落度法对玄武岩纤维贫混凝土拌合物的稠度进行试验。

将已经用水湿润过的坍落筒放在水平的地面上(已经湿润过，不吸水)，双脚踏紧坍落筒的脚板;将已经拌好的混合料分三层依次装入坍落筒内，每层的高度在1/3左右，每装一层，用湿润过的捣棒对混合料进行插捣，次数为25次;插捣顶层时，装入的混凝土应该高处坍落筒筒口;当插捣完毕以后，需要刮平筒口，将筒底周围的拌合物刮干净，避免影响后续工作。而后垂直提起坍落筒时，应在5～10 s内完成，并保证混凝土不受横向力和扭力作用发生倾斜或者倒塌。整个试验过程应在150 s内完成。

提起坍落筒以后，在筒顶平面放木尺，用小钢尺测量木尺到顶面最高点的垂直距离，即为拌合物的坍落度，精确到1 mm。

本试验采用6种纤维掺量与3种水灰比，对比其对贫混凝土坍落度的影响。试验结果见表5。

从图2可知，贫混凝土纤维的工作性随着纤维掺量的增加而下降。纤维掺入后，因为它是乱向分布于贫混凝土中，有效的阻止了贫混凝土的离析，这样的话，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。从试验过程看，贫混凝土的坍落度从不掺加纤维时的30～65 mm下降到10～25 mm。试验过程中，发现水灰比为0.85的混凝土拌合料其工作性很差，不适合大面积施工，为解决这一问题以方便施工，建议在掺加玄武岩纤维的施工路段采用水灰比0.95，未掺加玄武岩纤维的施工路段采用水灰比0.9。

表5 玄武岩纤维掺量对贫混凝土不同水灰比坍落度的试验结果

图2 玄武岩纤维掺量变化与贫混凝土水灰比的关系

3 结语

本文介绍了玄武岩纤维的化学组成，以及玄武岩纤维的工艺制备过程、物理力学性能指标，研究了玄武岩纤维对贫混凝土的工作性的影响，试验结果表明玄武岩纤维的掺入会使得贫混凝土的塌落度下降20 mm左右，并提出了适合大面积施工的水灰比，建议在掺加玄武岩纤维的施工路段采用水灰比0.95，未掺加玄武岩纤维的施工路段采用水灰比0.9。

4 展望

2009年12月中科院地质与地球物理研究所给国家呈报的《中科院专家关于发展新资源经济拉动新一轮经济增长的建议》，受到国家领导人李克强副总理和刘延东国务委员的高度重视。该《建议》将玄武岩纤维生产技术列为新资源技术，以玄武岩为原料生产的玄武岩连续纤维被认为是重要紧缺矿产的替代资源，可用于代替钢材、铝合金。工业和信息化部2012年2月22日发布的《新材料产业“十二五”发展规划》中，明确提出发展连续玄武岩纤维产品。玄武岩纤维作为一种环保可再生型纤维和一种新型高性能资源材料，已经得到了越来越多的重视。