短切玄武巖纖維對貧混凝土工作性能影響研究

李 超，孫瀟瀟，寧向向

(1.湖南省通盛工程有限公司，湖南長沙 410076;2.廣東交通實業投資有限公司，廣東廣州 510100;3.湖南省高速公路管理局，湖南長沙 410016)

玄武巖纖維混凝土是國際上近些年發展很快的一種新型高性能水泥基復合材料。玄武巖纖維是一種新型的高性能環保材料，其主要作用是增強貧混凝土材料的抗裂性，減小溫差變化時結構的收縮變形量。

玄武巖纖維是國內近幾年新開發的具有自主知識產權的一種新型纖維材料，玄武巖纖維被稱為“巖石之絲”，都是由礦物成分組成，生產時不添加其它成分。短切玄武巖礦物纖維是一種新型的纖維，并可再生利用，玄武巖熔化過程中沒有硼和其他堿金屬氧化物排出，不向大氣排放任何有害有毒氣體，生產過程中不產生任何工業垃圾，因此玄武巖纖維也是一種環保纖維。玄武巖短切纖維(basalt fiber chopped strand)是由連續玄武巖纖維基材按照規定長度切斷生產的短纖維。

1 玄武巖纖維的物理化學性能

1.1 玄武巖纖維的化學組成

玄武巖纖維以純天然玄武巖礦石為原料，將礦石破碎為粉末狀后加入熔窯中，在1 600℃ ～1 800℃熔融后，制成玄武巖纖維。玄武巖連續纖維的制備由原料制備工藝、熔制工藝、成型工藝和退解工藝組成。玄武巖的化學組成一般為:SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、FeO、TiO2、K2O、Na2O 等及少量雜質，其中主要成分為 SiO2、Al2O3、CaO和MgO，次要成分是 Fe2O3、FeO、TiO2、K2O、Na2O 等，具體成分含量見表1。

表1 玄武巖纖維化學成分

其中各個化學成分對玄武巖纖維性能的影響:

1)SiO2是玄武巖纖維所含有的主要氧化物，由它組成結構骨架。它的含量增加有利于提高玄武巖纖維的彈性和化學穩定性;另一方面SiO2含量增高能提高熔體的粘度，利于制取長纖維，但也使原料熔化困難，增加熔體形成纖維的溫度。

2)Al2O3在玄武巖纖維中也構成骨架網絡的重要部分，有利于提高玄武巖纖維的化學穩定性，當Al2O3含量較少時，可降低熔體的粘度，對制取細纖維有利。當Al2O3含量較高時，熔體的粘度也急劇增加，原料熔化變得困難起來，只有提高熔化溫度和熔體形成纖維時的溫度。

3)TiO2在玄武巖中含量較低，它的存在能夠提高玄武巖纖維的化學穩定性和熔體的表面張力和粘度，有利于制取長纖維。

4)CaO、MgO在玄武巖纖維結構中不利于形成堅固的骨架，因為它們是一種弱堿性的氧化物，其作用與酸性的氧化物SiO2、Al2O3相反，CaO、MgO的含量增加能夠降低纖維的化學穩定性和熔體的粘度，但是有利于原料的熔化和制取細纖維。

5)Fe2O3和FeO在熔化過程中由于焦炭的還原作用會發生價態變化，甚至還原成金屬鐵。一方面Fe2O3具有強烈的染色作用并提高表面張力，容易在制取纖維的過程中產生黑色渣球。但是另一方面，在原材料配方中大量引入Fe2O3后可提高纖維的使用溫度。玄武巖纖維與玻璃纖維最大的不同是Fe2O3的含量，一般玻璃纖維中 FeO+Fe2O3≤0.8%，而玄武巖纖維中FeO+Fe2O3的含量超過7%，正是因為這一點，使得玄武巖纖維的很多性能優于玻璃纖維(如絕熱性、耐溫性、耐燒蝕性等)。

1.2 玄武巖纖維的制備過程

纖維的工藝制備過程大概為玄武巖礦石投入熔爐→熔化→拉絲，其生產工藝比較簡單。具體玄武巖纖維的生產工藝流程如圖1所示。

圖1 玄武巖纖維的生產工藝流程

將玄武巖礦石粉碎到5～20 mm大小。將粉碎的玄武巖通過專用的加料器(1)送到礦石熔化爐(2)。在爐中1 400℃ ～1 600℃高溫作用下，玄武巖礦粉被熔融。之后，玄武巖熔融物流入爐子的纖維產生組件中，穿過用鉑銠合金制作的噴絲漏板(3)的眾多小孔。從噴絲漏板下漏出來的玄武巖纖維(4)(單根直徑為9～15 μm)進入油性侵潤劑涂層設備(5)中。纏繞機(6)將連續纖維纏繞到紗筒(7)上。利用并紗機(8)，紗筒(7)上初級紗線被重新卷繞成粗紗線卷(9)。

1.3 玄武巖纖維的主要特點

1.3.1 材料的天然性

它是天然的火山巖噴出巖，無任何添加劑，從前面的玄武巖纖維的化學成分分析中可知，其化學成分中沒有影響人類健康的不利成分，是一種綠色環保的材料。玄武巖纖維的原料玄武巖礦石在地球上儲量較大，約占地球表殼的1/3。在我國，礦石儲量豐富，新生代的火山巖絕大部分為玄武巖，在我國很多省份都有適合CBF生產的礦址，有四川、浙江、黑龍江、湖北、臺灣、海南等。

1.3.2 性能的綜合性

在力學性能方面，拉伸強度(2 800～3 800 MPa)大于大絲束碳纖維，其抗拉強度比是金屬的2.5倍，其彈性模量高(100～110 GPa);在熱學性能方面，玄武巖纖維耐高低溫，其使用溫度為(－269℃ ～650℃)，熱穩定性能和化學穩定性能很好，在70℃熱水作用下，其強度能保持1 200 h，而一般的玻璃纖維在200 h后強度消失。

1.3.3 性價比高

玄武巖纖維的生產成本與玻璃纖維的差不多，在水泥混凝土中添加玄武巖纖維的成本明顯低于鋼纖維、碳纖維等，與合成纖維相當，但是在綜合性能、對環境的影響和資源的持續發展方面，玄武巖纖維比其他幾種纖維都要優越很多。

1.3.4 天然的相容性

玄武巖纖維是典型的硅酸鹽纖維，它與水凝混凝土拌合時容易分散，其防滲抗裂性、和易性、耐久性、抗沖擊性能好。因此，玄武巖纖維可以用在房屋建筑、橋梁、高速公路、高速鐵路、城市道路、港口碼頭、軍事設施等領域，可以起到加固補強、防滲抗裂、延長建筑使用壽命等作用。

1.4 玄武巖短切纖維的性能指標

玄武巖短切纖維一般應用于水泥混凝土和瀝青混凝土中，應用在這兩種混凝土中的產品主要有玄武巖原絲纖維和原絲浸膠短切纖維，原絲纖維類似于其他合成纖維，具有微米級的直徑，可以發揮數量和表面積的優勢，對微裂縫形成約束，使之不至于連通，效果比較明顯，而且它可以克服合成纖維的密度小，彈性模量和抗拉強度低的缺點，不至于在裂縫擴展時很容易被拉斷，能有效阻止微裂縫的擴展。對混凝土的抗滲、抗沖刷、抗腐蝕、抗凍融的效果比合成纖維好。玄武巖原絲浸膠短切纖維可以發揮鋼纖維的高模量和單根的高抗拉強度的優勢，阻止裂縫的擴展，提高混凝土抗剪、抗劈裂、抗疲勞、抗沖擊性能。同時它又克服了鋼纖維攪拌時易結團，不利于泵送，不方便施工的缺點。玄武巖短切纖維基本性能見表2。

用于抗裂和增韌增強的水泥混凝土與水泥砂漿的玄武巖短切纖維的物理力學性能應符合表3的技術指標要求。

表2 玄武巖短切纖維基本性能

用于抗裂增韌增強的瀝青混凝土與瀝青砂漿的玄武巖短切纖維的物理力學性能應符合表4的技術指標要求。

表3 用于水泥混凝土與水泥砂漿的玄武巖短切纖維性能指標

表4 用于瀝青混凝土與瀝青砂漿的玄武巖短切纖維性能指標

2 短切玄武巖纖維貧混凝土工作性能試驗及結果分析

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》的規定，采用坍落度法對玄武巖纖維貧混凝土拌合物的稠度進行試驗。

將已經用水濕潤過的坍落筒放在水平的地面上(已經濕潤過，不吸水)，雙腳踏緊坍落筒的腳板;將已經拌好的混合料分三層依次裝入坍落筒內，每層的高度在1/3左右，每裝一層，用濕潤過的搗棒對混合料進行插搗，次數為25次;插搗頂層時，裝入的混凝土應該高處坍落筒筒口;當插搗完畢以后，需要刮平筒口，將筒底周圍的拌合物刮干凈，避免影響后續工作。而后垂直提起坍落筒時，應在5～10 s內完成，并保證混凝土不受橫向力和扭力作用發生傾斜或者倒塌。整個試驗過程應在150 s內完成。

提起坍落筒以后，在筒頂平面放木尺，用小鋼尺測量木尺到頂面最高點的垂直距離，即為拌合物的坍落度，精確到1 mm。

本試驗采用6種纖維摻量與3種水灰比，對比其對貧混凝土坍落度的影響。試驗結果見表5。

從圖2可知，貧混凝土纖維的工作性隨著纖維摻量的增加而下降。纖維摻入后，因為它是亂向分布于貧混凝土中，有效的阻止了貧混凝土的離析，這樣的話，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。從試驗過程看，貧混凝土的坍落度從不摻加纖維時的30～65 mm下降到10～25 mm。試驗過程中，發現水灰比為0.85的混凝土拌合料其工作性很差，不適合大面積施工，為解決這一問題以方便施工，建議在摻加玄武巖纖維的施工路段采用水灰比0.95，未摻加玄武巖纖維的施工路段采用水灰比0.9。

表5 玄武巖纖維摻量對貧混凝土不同水灰比坍落度的試驗結果

圖2 玄武巖纖維摻量變化與貧混凝土水灰比的關系

3 結語

本文介紹了玄武巖纖維的化學組成，以及玄武巖纖維的工藝制備過程、物理力學性能指標，研究了玄武巖纖維對貧混凝土的工作性的影響，試驗結果表明玄武巖纖維的摻入會使得貧混凝土的塌落度下降20 mm左右，并提出了適合大面積施工的水灰比，建議在摻加玄武巖纖維的施工路段采用水灰比0.95，未摻加玄武巖纖維的施工路段采用水灰比0.9。

4 展望

2009年12月中科院地質與地球物理研究所給國家呈報的《中科院專家關于發展新資源經濟拉動新一輪經濟增長的建議》，受到國家領導人李克強副總理和劉延東國務委員的高度重視。該《建議》將玄武巖纖維生產技術列為新資源技術，以玄武巖為原料生產的玄武巖連續纖維被認為是重要緊缺礦產的替代資源，可用于代替鋼材、鋁合金。工業和信息化部2012年2月22日發布的《新材料產業“十二五”發展規劃》中，明確提出發展連續玄武巖纖維產品。玄武巖纖維作為一種環保可再生型纖維和一種新型高性能資源材料，已經得到了越來越多的重視。