1.2　玄武巖纖維材料

最早的玄武巖連續纖維的制造技術,出現在1922年的美國專利(US1438428)上,是由法國人Paul提出的,但后來并沒有進行實質性的工業化生產[3,17,30]。1953—1954年蘇聯莫斯科玻璃和塑料研究院開發出成套的玄武巖纖維生產技術[16]。1960—1970年蘇聯玻璃鋼與玻璃纖維科學研究院烏克蘭分院根據蘇聯國防部的指令,著手具體研制連續玄武巖纖維。烏克蘭建筑材料工業部設立了專門的絕熱隔音材料科研生產聯合體,主要任務是研制CBF及其制品設備工藝的生產線。聯合體的科研實驗室于1972年開始研制制備CBF,曾經研制出20多種CBF制品的生產工藝;1985年CBF研制成功并實現了工業化生產。由此可知,CBF開發成功和投入生產的歷史有20年左右。在這期間,蘇聯和美國等幾個國家都陸續建立起了CBF制造工廠。在2002年以前,蘇聯地區每年大約有500t連續玄武巖纖維產品,其主要用于軍工領域。由于產品產量少,價格居高不下,進一步限制了玄武巖纖維的發展市場以及使用范圍和使用數量,其年總產量仍然在3000t以下[22]。

玄武巖纖維及其制品本身的材料性能研究,已從其化學成分、生產工藝和材料改性等研究發展到玄武巖纖維材料及其制品的應用,如在機械制造業中的熱處理設備的保濕、增強與阻燃部件等;工程結構的補強加固。而對玄武巖纖維混凝土,開始研究其基本物理力學性能及梁等玄武巖纖維混凝土構件的性能。另外,在應用領域方面也拓展到水利工程、船舶制造和路面土工格柵等[24]。玄武巖纖維摻量對增強無機聚合物水泥混凝土斷裂韌度及強度的影響研究發現,其具有更加優越的抗斷裂性能[25]。

1.2.1　玄武巖纖維主要技術指標

早期主要研究玄武巖纖維材料的基本物理力學性能[16,18,31-32],之后主要是對比研究玄武巖纖維性能與其他纖維性能[33-34],同時開展了對玄武巖纖維制品(如連續玄武巖纖維層板、增強復合材料)的研究[35-38]。玄武巖纖維的性能很大程度上取決于玄武巖礦石的性能和整個生產工藝,不同的成品之間存在較大的差異。因此,應用玄武巖纖維制品時,應研究使用的玄武巖纖維的材料性能。

表1.2和表1.3分別列出了某玄武巖纖維有限公司生產的玄武巖連續纖維與一些主要的纖維類型在物理、化學性能上的比較[1,39]。

從表1.2和表1.3中可以看出,玄武巖連續纖維與其他纖維比較,具有更高的使用溫度、拉伸強度、更加穩定的化學性能(特別是在酸性介質中)等優勢[1,39]。玄武巖纖維增強硅酸鹽水泥混凝土的準靜態抗壓強度、劈裂抗拉強度,較素混凝土分別降低了26.4%和12%[25]。

由于玄武巖纖維的不同成品之間存在較大的差異,我國頒布了《水泥混凝土和砂漿用短切玄武巖纖維》(GBT 23265—2009)等相關的應用規范:《公路工程玄武巖纖維及其制品》(JT/T 776—2010)、《水泥混凝土和砂漿用短切玄武巖纖維》(GB/T 23265—2009)、《玄武巖纖維無捻粗紗》(GB/T 25045—2010),制定了用于砂漿和混凝土中的BF標準等。

1.2.2　玄武巖纖維主要物理力學性能

用于混凝土復合材料的纖維,其阻裂、增強和增韌作用主要取決于纖維本身的力學性能、纖維與基體的黏結性能、單位體積內纖維的數量及在基體的分布情況?，F在國內陸續有廠家生產玄武巖纖維及其增強復合材料(單向布)等產品,但由于玄武巖纖維及纖維布的成型工藝不同,使各生產企業或各批次纖維質量不穩定,造成纖維基本材料及織物的物理力學性能存在一定的差異。

短切玄武巖纖維(Chopped Basalt Fiber,CBF)是由連續玄武巖纖維按照一定的長度加工制成。其力學性能,如抗拉強度和彈性模量等,均是指連續玄武巖纖維測試得到的性能。由于所用玄武巖(火成巖)纖維的單絲直徑不同,其性能有一定的差異。關于短切玄武巖纖維的物理力學的研究成果較多[1,39,42]。連續玄武巖纖維的主要產品為原絲、無捻粗紗和加捻紗。由于玄武巖纖維具有比普通玻璃纖維更高的拉伸強度、彈性模量以及更好的化學穩定性,所以用它來增強各類樹脂所制成的復合材料具有比較理想的物理和化學性能。圖1.1是連續玄武巖纖維(CBF,無捻粗紗),圖1.2是由其制備的短切玄武巖纖維紗(絲)。

對某玄武巖纖維有限公司提供的纖維產品進行基本物理力學性能測試(本書所有試驗采用的短切玄武巖纖維、連續玄武巖纖維無捻粗紗材料及織物均購買于該公司),其主要的物理力學性能見表1.4。

在我國,水泥混凝土和砂漿用的短切玄武巖纖維性能標準應該滿足《公路工程玄武巖纖維及其制品》(JT/T 776—2010)、《水泥混凝土和砂漿用短切玄武巖纖維(GB/T 23265—2009)》、《玄武巖纖維無捻粗紗》(GB/T 25045—2010)的要求。在《水泥混凝土和砂漿用短切玄武巖纖維》中,將短切玄武巖纖維的產品按照其纖維類型分為原絲(S)和加捻合股紗(T);按照用途劃分為用于混凝土的防裂抗裂纖維(BF)和增韌增強纖維(BZ)、用于砂漿的防裂抗裂纖維(BSF)等。

按照《水泥混凝土和砂漿用短切玄武巖纖維》(GB/T 23265—2009)中規定,用于水泥混凝土和砂漿的原絲(S)公稱長度分別為15～30mm和6～15mm,單絲直徑為9～25μm;加捻合股紗(T)的公稱長度為6～50mm,單絲直徑為7～13μm,其纖維的性能指標要求見表1.5。

根據測試研究成果[1,34,39],目前生產的短切玄武巖纖維的指標一般能達到上述指標的要求。

無捻粗紗是由平行原絲或平行單絲集束而成,玄武巖纖維無捻粗紗包括合股無捻粗紗和直接無捻粗紗兩種。生產粗紗所用玄武巖纖維的單絲直徑從3～23μm不等。無捻粗紗的號數從150號到9600號(Tex)。無捻粗紗可直接用于某些復合材料工藝成型方法中,如纏繞和拉擠工藝,因其張力均勻,也可織成無捻粗紗布和織物,或將無捻粗紗進一步短切后摻入混凝土或砂漿中。對本書試驗中采用的連續玄武巖纖維無捻粗紗,進行了主要物理力學性能測試,并與其他公司生產的產品進行了對比。

表1.6是江蘇某玄武巖連續纖維高新科技有限公司提供的用于混凝土的無捻粗紗的性能;表1.7為本書采購的某玄武巖有限公司生產的玄武巖連續纖維的檢測性能[43]。測試方法均按《玻璃纖維無捻粗紗浸膠紗試樣的制作和拉伸強度的測定》(GB/T 20310—2006)執行。

由表1.6和表1.7可知,江蘇某公司生產的兩種不同直徑玄武巖無捻浸膠粗紗抗拉強度的檢驗平均值分別為2078MPa、2522MPa,本書用的某公司生產的同一直徑玄武巖無捻浸膠粗紗抗拉強度的檢驗平均值分別為2119MPa、2802MPa,表明抗拉強度平均值相差較大。因此,玄武巖纖維的生產工藝和原料,纖維產品的性能會產生差異。