民用玄武岩纤维

R. N. Turukmane， S. S. Gulhane， A. M. Daberao

SVKM’S NMIM’S(印度)

将玄武岩纤维纺织应用于纤维增强复合材料和结构工程是一种技术创新。玄武岩纤维具有与玻璃纤维相似的化学成分和更好的品质属性，与大多数玻璃长丝不同，其不易被碱、酸和盐侵蚀。这使得玄武岩纤维可以用于建造坚固的民用建筑框架和海岸结构物。目前，尽管某些聚合物基复合材料使用黄麻、剑麻纤维作为增强材料，但与玄武岩纤维相比，麻纤维并非是切实可行的选择。玄武岩纤维具有抗氧化性高、抗辐射性强、抗压强度高及抗剪强度高等优点。与芳香族聚酰胺纤维及类似芳纶、碳纤维这类耐高温纤维相比，玄武岩纤维有更宽的使用温度范围(-269～+650 ℃)，能承受更高的温度。玄武岩纤维的制造及其制造成本与玻璃纤维类似，但制造成本比高强玻璃纤维低。玄武岩纤维是火山玄武岩在1 500 ℃下熔融拉丝形成的连续纤维，与碳纤维和玻璃纤维非常相似，且具有更好的力学性能和更低的价格。用作增强材料时，采用1 kg的玄武岩纤维相当于采用9.6 kg的钢。玄武岩纤维的应用领域广泛，并且可以替代许多昂贵、稀有材料。它的制造工艺非常简单，其原材料几乎遍布每个国家。

1 玄武岩纤维的制备

将玄武岩粉碎成颗粒后送入炉膛，在1 500 ℃温度下其熔融成液态。玄武岩纤维的熔点与玻璃纤维的相当，为1 400～1 600 ℃。玄武岩纤维几乎与玻璃纤维一样透明，可吸收和发射红外能量。玄武岩纤维生产需要连续燃烧和混合，用于熔融硅石的熔炉不能熔融玄武岩。

将玄武岩馏分还原成尺寸为5～20 mm的原料，在1 400～1 600 ℃的温度下送入熔炉熔化。然后玄武岩熔体从衬套穿过模具孔，形成连续长度为9～15 mm的纤维。卷绕单元将该纤维卷绕在卷轴上，形成玄武岩粗纱束(图1)。

图1 玄武岩纤维的制备工艺

2 玄武岩纤维的性能

2.1 物理性质

——颜色：金色或棕色；

——尺寸：直径约5.8 μm，长6～12 mm；

——密度：2.75 g/cm3；

——摩擦因数：0.42～0.50。

2.2 化学性质

——强碱环境下稳定性强；

——在沸水、碱或酸中有质量损失；

——在pH值为13～14的条件下具有良好的抗腐蚀性。

2.3 热性能

玄武岩纤维具有较宽的使用温度范围(260～982 ℃)，较高的熔点(约1 450 ℃)及非常低的热传导性，可应用于消防员防护及工业和民用领域。玄武岩纤维的热性能大大优于其他高性能纤维，其热效率是石棉纤维的3倍，且不像石棉纤维易引起健康问题。它属于不可燃烧和非爆炸性的纤维。

2.4 力学性能

玄武岩纤维是一种独特的纤维，在特定载荷下具有高韧性和特殊的断裂性能。加之其力学性能比钢材强许多倍，因而在许多领域得到应用。玄武岩纤维由于不产生毛细作用而具有非吸湿性，这使它具备更好的抗湿性。玄武岩产品有多种形式，如纤维、机织物和网状物。

3 玄武岩纤维在民用工程中的应用

3.1 玄武岩-水泥材料

玄武岩纤维具有抗拉强度高的特性，适合将其与水泥材料混合，增强水泥性能，延长建筑物寿命。用于混合的粗纤维和短切粗纤维的比例从15∶85开始变化。使用硅酸盐水泥能提高玄武岩纤维的内聚力，改善其拉伸、弯曲和冲击性能。研究表明，与普通水泥相比，添加玄武岩纤维后硅酸盐水泥的强度、疲劳和弯曲性能提高了2～4倍(图2)。

图2 添加玄武岩纤维制备的水泥

3.2 玄武岩纤维增强混凝土

随着硅酸盐水泥、河砂、粗玄武岩纤维和30%的水的掺入，混凝土的稳定性和强度提高。增强的混凝土具有无线电穿透性和高阻尼特性，成本低廉，经济效益高，被大量应用于制造高强度的耐火建筑(图3)。

图3 玄武岩纤维增强的砖块

3.3 土工复合材料

土工复合材料由不同类型的土工合成材料组成。由于大多数材料成分具有热塑性，因此它们可以叠层热复合，也可以使用黏合剂或针刺工艺。土工复合材料包括：土工织物-土工网；土工织物-土工格栅；土工网-土工膜；土工合成材料膨润土垫(GCL)。玄武岩纤维增强聚合物复合材料的发展提高了其在民用领域的应用潜力。土工复合材料的种类几乎不受限制，这些材料的发展源于其多功能性设计和快速便捷的组装取代单独组件的使用。主要类型有排水土工复合材料、增强土工复合材料和流体阻挡土工复合材料。控制水对大多数岩土工程的施工稳定性至关重要，排水土工复合材料已成为满足这一要求的重要材料。排水土工复合材料的常见构造是土工网夹在两个非织造土工织物过滤器之间，或夹在或厚或薄的预制排水芯(面板排水、边缘排水或芯排水)之间。毯状排水管通常用作液体收集-去除层。

增强土工复合材料由纺黏或熔喷非织造布通过保持纱线的紧密编织被结合到针织土工格栅中，或通过针刺结合到编织或针织土工格栅的一侧或两侧。非织造布为增强土工格栅增加了分离和过滤功能，从而赋予土工复合材料多功能性。纳米技术有助于改善增强纤维的性能，这对土木和建筑工程非常有益。

织造和非织造土工织物浸渍了沥青、橡胶沥青或聚合物混合物，可用作防潮层。通过这种浸渍，土工织物交叉平面和平面内流体流量降至最小。但若用于吸收液体，土工合成黏土衬里将更有效。

GCL是一种土工复合材料，通常是将钠基膨润土黏土层夹在两层土工织物之间、或两层针刺非织造布之间、或一层针刺非织造布与一层编织物之间预制而成。这一过程通过缝合或针刺穿过膨润土芯以连接顶层和底层，同时使构件具有内部抗剪切能力。当水合时，膨润土芯膨胀，成为液体或气体的有效屏障。新研制的玄武岩纤维具有复合材料的各种特性，可以替代石棉、高强玻璃、二氧化硅、耐化学玻璃及其他特殊纤维，广泛应用于民国和建筑领域。

与玻璃和金属相比，玄武岩土工网格更有利于路面的加固。研究表明，玄武岩纤维与石棉不同，它具有生态友好、对人体健康无不良影响及耐高温等特点。玄武岩土工格栅比金属更轻质，化学上更安全。玄武岩材料被认为是金属基复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(图4)。

图4 玄武岩在土工复合材料中的应用

3.4 建筑物

玄武岩纤维在建筑中的理想用途主要包括桥梁用钢筋、钢筋混凝土纤维杆、无腐蚀混凝土柱、建筑结构、软屋顶、可重复使用的百叶窗、内部废管、加固结构、供热系统、电缆管道和水利设施。玄武岩纤维还可用于道路建设、混凝土和沥青跑道的加固，以及用于公路、铁路等吸音屏障的构造建筑中。

3.5 玄武岩塑料管道

玄武岩塑料管道可用于井壁、土地开采及农业(输送气体和水)，也可在地质或球体物理工程中用作防护罩。包装材料被灌注玄武岩纤维，可用来制作起结构支撑作用的塑料复合管道。制造玻璃增强塑料管道的设备应适用于制造玄武岩塑料复合管道。

3.6 优势

玄武岩纤维的民用优势如下。

——在酸性和碱性环境中力学性能和耐化学性良好(优于E玻璃)；

——较宽的使用温度范围(高达580 ℃)；

——环境友好；

——与玻璃纤维增强塑料(GFRP)相比，玄武岩纤维增强塑料(BFRP)易于回收；

——与其他类型的纤维相比，玄武岩纤维的生产成本非常低，经济效益好。

4 结语

玄武岩纤维增强复合材料及混凝土在民用领域得到长期而广泛的应用，其原因在于该材料性能优异：在高温下不脱层、成本效益高、抗拉强度高于钢。玄武岩纤维因其先进性和可持续性，在土木工程和建筑业中的应用前景非常好，使玻璃纤维、碳纤维和钢材在土木工程和建筑业中的应用受到影响。