1.1　玄武巖及其纖維材料的特征

砂漿和混凝土使用的纖維種類較多,按材料性質可以分為三類:①金屬纖維,如鋼纖維等;②無機纖維,如抗堿玻璃纖維、碳纖維和碳化硅纖維等人造礦物纖維;③有機纖維,主要有聚丙烯纖維、尼龍纖維等合成纖維和天然植物纖維。

與其他纖維相比,玄武巖纖維具有一定的優勢。但由于玄武巖纖維的產地不同,原材料本身成分的波動性大,化學成分較為復雜,其物理力學性能及耐化學介質等性能存在著一定的差異,影響了玄武巖纖維成型工藝的穩定性,使得玄武巖纖維在拉伸強度等方面的特性產生較大波動[16-17]。

玄武巖為天然火山熔巖,經過高溫噴發而成,其主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等多種氧化物[9,14,18-20]。由于玄武巖纖維原料的差異,連續玄武巖纖維的化學成分有所不同。

表1.1列出了一些連續玄武巖纖維不同的化學成分(質量比)。

表1.1　連續玄武巖纖維的化學成分　　%

與其他纖維相比,玄武巖纖維有以下特征[1-3,11,13-14,16,21-29]:

(1)材料的環保性。玄武巖纖維的原料取自于天然的火山巖(主要含玄武巖和安山巖),在一定程度上避免了傳統材料在生產、使用和廢棄過程中需要消耗大量的能源和資源,造成環境污染等缺點。

(2)較好的物理力學性能。玄武巖纖維(無捻粗紗浸膠)的抗拉強度普遍能達到2000MPa以上,彈性模量也能達到90GPa左右。其具有三維的分子維數,與分子維數是一維的線性聚合物相比,CBF具有較高的抗壓強度、抗剪強度和在耐惡劣環境中使用的適應性及抗老化性等性能。玄武巖纖維在400℃溫度下工作時,其斷裂強度能保持85%;在600℃下工作,其斷裂強度仍能保持80%左右;玄武巖纖維軟化點為960℃,在高溫下其強度可保持較長時間。

(3)穩定的化學性能。玄武巖纖維具有較高的抗堿抗酸性能,且耐酸性和耐堿性均優于鋁硼硅酸鹽纖維。

(4)工藝的簡潔性。生產玄武巖纖維的基本工藝是:玄武巖礦石投入熔爐→融化→拉絲,工藝簡潔。由于不需要人工配料,其生產工藝環節比一般的纖維工藝要簡潔得多。

(5)應用的廣泛性。國內外將玄武巖纖維用于制備摩擦材料、造船材料、過濾材料、軍工和航空航天材料以及水泥基復合材料等。在土木工程領域,短切玄武巖纖維可用于增強水泥混凝土和瀝青混凝土,與樹脂復合可以制成復合筋代替鋼筋;在房屋、橋梁和高速公路等建筑領域可用于構件的加固補強。