1.2　玄武巖纖維材料

最早的玄武巖連續(xù)纖維的制造技術(shù),出現(xiàn)在1922年的美國(guó)專利(US1438428)上,是由法國(guó)人Paul提出的,但后來(lái)并沒(méi)有進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的工業(yè)化生產(chǎn)[3,17,30]。1953—1954年蘇聯(lián)莫斯科玻璃和塑料研究院開(kāi)發(fā)出成套的玄武巖纖維生產(chǎn)技術(shù)[16]。1960—1970年蘇聯(lián)玻璃鋼與玻璃纖維科學(xué)研究院烏克蘭分院根據(jù)蘇聯(lián)國(guó)防部的指令,著手具體研制連續(xù)玄武巖纖維。烏克蘭建筑材料工業(yè)部設(shè)立了專門的絕熱隔音材料科研生產(chǎn)聯(lián)合體,主要任務(wù)是研制CBF及其制品設(shè)備工藝的生產(chǎn)線。聯(lián)合體的科研實(shí)驗(yàn)室于1972年開(kāi)始研制制備CBF,曾經(jīng)研制出20多種CBF制品的生產(chǎn)工藝;1985年CBF研制成功并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。由此可知,CBF開(kāi)發(fā)成功和投入生產(chǎn)的歷史有20年左右。在這期間,蘇聯(lián)和美國(guó)等幾個(gè)國(guó)家都陸續(xù)建立起了CBF制造工廠。在2002年以前,蘇聯(lián)地區(qū)每年大約有500t連續(xù)玄武巖纖維產(chǎn)品,其主要用于軍工領(lǐng)域。由于產(chǎn)品產(chǎn)量少,價(jià)格居高不下,進(jìn)一步限制了玄武巖纖維的發(fā)展市場(chǎng)以及使用范圍和使用數(shù)量,其年總產(chǎn)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(xué)成分、生產(chǎn)工藝和材料改性等研究發(fā)展到玄武巖纖維材料及其制品的應(yīng)用,如在機(jī)械制造業(yè)中的熱處理設(shè)備的保濕、增強(qiáng)與阻燃部件等;工程結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)加固。而對(duì)玄武巖纖維混凝土,開(kāi)始研究其基本物理力學(xué)性能及梁等玄武巖纖維混凝土構(gòu)件的性能。另外,在應(yīng)用領(lǐng)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(duì)增強(qiáng)無(wú)機(jī)聚合物水泥混凝土斷裂韌度及強(qiáng)度的影響研究發(fā)現(xiàn),其具有更加優(yōu)越的抗斷裂性能[25]。

1.2.1　玄武巖纖維主要技術(shù)指標(biāo)

早期主要研究玄武巖纖維材料的基本物理力學(xué)性能[16,18,31-32],之后主要是對(duì)比研究玄武巖纖維性能與其他纖維性能[33-34],同時(shí)開(kāi)展了對(duì)玄武巖纖維制品(如連續(xù)玄武巖纖維層板、增強(qiáng)復(fù)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(gè)生產(chǎn)工藝,不同的成品之間存在較大的差異。因此,應(yīng)用玄武巖纖維制品時(shí),應(yīng)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(chǎn)的玄武巖連續(xù)纖維與一些主要的纖維類型在物理、化學(xué)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(xù)纖維與其他纖維比較,具有更高的使用溫度、拉伸強(qiáng)度、更加穩(wěn)定的化學(xué)性能(特別是在酸性介質(zhì)中)等優(yōu)勢(shì)[1,39]。玄武巖纖維增強(qiáng)硅酸鹽水泥混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)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(guó)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(guān)的應(yīng)用規(guī)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(wú)捻粗紗》(GB/T 25045—2010),制定了用于砂漿和混凝土中的BF標(biāo)準(zhǔn)等。

1.2.2　玄武巖纖維主要物理力學(xué)性能

用于混凝土復(fù)合材料的纖維,其阻裂、增強(qiáng)和增韌作用主要取決于纖維本身的力學(xué)性能、纖維與基體的黏結(jié)性能、單位體積內(nèi)纖維的數(shù)量及在基體的分布情況。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)陸續(xù)有廠家生產(chǎn)玄武巖纖維及其增強(qiáng)復(fù)合材料(單向布)等產(chǎn)品,但由于玄武巖纖維及纖維布的成型工藝不同,使各生產(chǎn)企業(yè)或各批次纖維質(zhì)量不穩(wěn)定,造成纖維基本材料及織物的物理力學(xué)性能存在一定的差異。

短切玄武巖纖維(Chopped Basalt Fiber,CBF)是由連續(xù)玄武巖纖維按照一定的長(zhǎng)度加工制成。其力學(xué)性能,如抗拉強(qiáng)度和彈性模量等,均是指連續(xù)玄武巖纖維測(cè)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(guān)于短切玄武巖纖維的物理力學(xué)的研究成果較多[1,39,42]。連續(xù)玄武巖纖維的主要產(chǎn)品為原絲、無(wú)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(qiáng)度、彈性模量以及更好的化學(xué)穩(wěn)定性,所以用它來(lái)增強(qiáng)各類樹(shù)脂所制成的復(fù)合材料具有比較理想的物理和化學(xué)性能。圖1.1是連續(xù)玄武巖纖維(CBF,無(wú)捻粗紗),圖1.2是由其制備的短切玄武巖纖維紗(絲)。

對(duì)某玄武巖纖維有限公司提供的纖維產(chǎn)品進(jìn)行基本物理力學(xué)性能測(cè)試(本書所有試驗(yàn)采用的短切玄武巖纖維、連續(xù)玄武巖纖維無(wú)捻粗紗材料及織物均購(gòu)買于該公司),其主要的物理力學(xué)性能見(jiàn)表1.4。

在我國(guó),水泥混凝土和砂漿用的短切玄武巖纖維性能標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)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(wú)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(chǎn)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(qiáng)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(guī)定,用于水泥混凝土和砂漿的原絲(S)公稱長(zhǎng)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(zhǎng)度為6～50mm,單絲直徑為7～13μm,其纖維的性能指標(biāo)要求見(jiàn)表1.5。

根據(jù)測(cè)試研究成果[1,34,39],目前生產(chǎn)的短切玄武巖纖維的指標(biāo)一般能達(dá)到上述指標(biāo)的要求。

無(wú)捻粗紗是由平行原絲或平行單絲集束而成,玄武巖纖維無(wú)捻粗紗包括合股無(wú)捻粗紗和直接無(wú)捻粗紗兩種。生產(chǎn)粗紗所用玄武巖纖維的單絲直徑從3～23μm不等。無(wú)捻粗紗的號(hào)數(shù)從150號(hào)到9600號(hào)(Tex)。無(wú)捻粗紗可直接用于某些復(fù)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(wú)捻粗紗布和織物,或?qū)o(wú)捻粗紗進(jìn)一步短切后摻入混凝土或砂漿中。對(duì)本書試驗(yàn)中采用的連續(xù)玄武巖纖維無(wú)捻粗紗,進(jìn)行了主要物理力學(xué)性能測(cè)試,并與其他公司生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比。

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

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