玄武巖纖維的土壤老化性能研究

姚勇+羅聰+劉靜+黃勝軍+陳中武

摘要：

本文建立了玄武巖纖維的土壤老化性能考察辦法，并對玄武巖纖維繩和玄武巖纖維無捻粗紗的土壤老化性能進行了研究。結果表明玄武巖纖維繩土壤老化處理后的強度保留率為80%，模量提升了4.2%;玄武巖纖維無捻粗紗土壤老化處理后的強度保留率為82%，模量提升了3.5%。

關鍵詞：玄武巖纖維;老化;環保

1 ? ?引言

玄武巖纖維是一種綠色環保的高性能無機纖維，具有高強度、高模量、耐高溫、耐化學腐蝕等優異性能，在航空航天、汽車、電子、建筑等領域都獲得了廣泛的應用[1]。基于環保理念，玄武巖纖維近年來在環保領域也獲得了一定的市場空間，如用于空氣凈化的催化劑載體[2]、用于污水處理的微生物載體[3]等。

面對城市的飛速發展，新的環保理念也不斷推出，立體綠化的概念應運而生。以此為契機，青島世博園項目組提出用綠色環保的玄武巖纖維來替代傳統的鋼絲繩網進行護坡綠化，克服鋼絲繩網易腐蝕的缺點。該項目將用到玄武巖纖維繩和玄武巖纖維無捻粗紗等原料，由于玄武巖纖維并無直接用于土壤的先例，因此本單位聯合四川省纖維檢驗局，參考類似纖維產品的土壤老化處理辦法[4-5]對玄武巖纖維的土壤老化性能進行了研究。

2 ? ?試驗部分

2.1 ?儀器與裝置

YG751N恒溫恒濕試驗箱（南通宏大實驗儀器有限公司）;PHSJ-4F型pH計（上海儀電科學儀器股份有限公司）;YG741C縮水率烘箱（南通宏大實驗儀器有限公司）;CMT6503微機控制電子萬能試驗機（深圳新三思材料檢測公司）;YG004N+電子單纖維強力儀（南通宏大實驗儀器有限公司）。

2.2 ?材料與試劑

TX-TL Geo綠色多維系統專用拉繩（四川航天拓鑫玄武巖實業有限公司）;13 μm-1200 tex玄武巖纖維無捻粗紗（四川航天拓鑫玄武巖實業有限公司）;土壤（采自北緯30°32′，東經104°13′）;NaOH（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）。

2.3 ?考察辦法

（1） 敲碎土壤，剔除碎石等可能割傷纖維的雜物后過篩并烘干;

（2） 取自來水，用NaOH溶液將pH值調節到6～8之間;

（3） 將纖維剪短為40 cm埋入土壤中搗實，每兩根之間的距離不小于5 cm，與土壤邊緣的距離不小于5 cm;

（4） 向土壤中加入足量的pH值為6～8的自來水，使土壤充分浸泡，瀝去多余的水分;

（5） 將包埋有試樣的土塊置于溫度為（50±1） ℃，相對濕度為65%恒溫恒濕老化箱中，老化300 h;

（6） 老化完成后小心地將纖維試樣徒手挖出，自來水漂洗10 min，然后用縮水率干燥箱50 ℃烘干2 h待測。

圖1 ? ?土壤老化流程圖：①碎土;②過篩;③埋樣;

④浸泡;⑤老化;⑥取樣;⑦漂洗

3 ? ?結果與討論

3.1 ?玄武巖纖維繩的土壤老化性能

根據青島世博園當地的統計數據，土壤pH值范圍為6～8，空氣濕度40%～100%，年平均溫度12.3 ℃，因此2.3的各項考察條件比較合理。出于用電安全和保護設備（避免恒溫恒濕試驗箱水分不足干燒）的考慮，高溫處理僅在正常工作日進行，其他時間關閉試驗箱停止加熱。玄武巖纖維制品實際在土壤中的填埋時間為10周，恒溫恒濕處理時間累計320h。獲得老化后的纖維繩樣品后，用內徑6mm、厚度3mm、長度100mm的鋼管作為增強片，以環氧樹脂E51和固化劑5280（比例3：1）作為增強樹脂制作樣品以檢測其相關力學性能[6-7]。玄武巖纖維繩土壤老化處理前后的相關力學性能實測數據見檢測報告（表1），由于繩子由多束纖維構成，拉伸過程中歷經了多次斷裂，因此取最大值作為最終結果。由表可知土壤老化處理后繩子的強度保留率為80%，伸長率的保留也為80%左右，表明繩子在長期苛刻條件破壞下并無太大性能損失;彈性模量則比處理前提高了4.2%，表明繩子抵抗形變的能力有所提升。究其原因是繩子在老化處理后表面受到一定程度的腐蝕，導致直徑有所減小，因而宏觀上表現為模量有所提高。

3.2 ?玄武巖纖維無捻粗紗的土壤老化性能

構筑防護坡還需使用玄武巖纖維土工格柵以防止水土流失，該格柵由玄武巖纖維無捻粗紗編織后涂上瀝青保護層制得（見圖2）。由于格柵體積太大無法在實驗室條件下進行相關試驗，因此直接取無捻粗紗（表面未經過瀝青涂層處理）進行相關考察（與玄武巖纖維繩同步進行）。獲得老化處理的無捻粗紗后，在水洗去除表面粘連的土壤時對其完整性有一定的破壞，因此手工分離出單纖維以檢測其相關力學性能[8]。

圖2 ? ?玄武巖纖維制品用于防護坡

表2為土壤老化處理前后的玄武巖纖維無捻粗紗單絲力學性能，由表可知老化處理后的強度保留率為82%，彈性模量的變化趨勢與玄武巖纖維繩一致，提升了3.5%，各項性能指標均滿足GB/T 25045—2010《玄武巖纖維無捻粗紗》標準要求[9]。由于土工格柵表面的瀝青涂層能隔絕土壤中的水分、腐殖酸等直接對纖維造成損害的組分，因此可以認為玄武巖纖維無捻粗紗制成土工格柵后的抗土壤老化性能仍能滿足相關標準要求。

表2 ? ?玄武巖纖維無捻粗紗土壤老化前后的力學性能對比

綜上所述，玄武巖纖維繩和無捻粗紗土壤老化處理后的力學性能均滿足使用要求。另玄武巖纖維的成分與天然玄武巖礦石一致，使用后不會造成二次污染，因此被成功應用于青島世博園工程，使用面積達5萬平方米。玄武巖纖維材料構筑的防護坡與空氣取水裝置、風光互補系統、光伏系統[10]等一系列綠色環保技術一起，共同打造了青島世博園這一成就卓越的低碳園林。

4 ? ?結論

（1） 建立了玄武巖纖維土壤老化性能考察辦法，該辦法可以考慮推廣到其他直接用于土壤環境的繩索材料;

（2） 玄武巖纖維繩土壤老化處理后的強度保留率為80%，模量提升了4.2%;玄武巖纖維無捻粗紗土壤老化處理后的強度保留率為82%，模量提升了3.5%。

參考文獻：

[1] 謝爾蓋，李中郢. 玄武巖纖維材料的應用前景[J]. 纖維復合材料，2003， 17（3）： 17-20.

[2] 陳靜波，龐邦永，顧寅峰. 一種空氣凈化裝置[P]. 中國，CN102120041. 2011-07-13.

[3] 儲金宇，楊秀麗，蔣素英. 微生物制劑與玄武巖纖維聯用處理城市廢水[J]. 環境工程學報，2013， 11（7）： 4372-4376.

[4] 倪冰選，張鵬. 土工布老化性能及測試標準研究[J]. 中國纖檢，2011，（14）： 52-54.

[5] 白建穎. 土工布老化試驗研究[J]. 紡織學報，1996， 17（5）： 54-56.

[6] GB/T 7690.3—2013增強材料 紗線試驗方法 第3部分：玻璃纖維斷裂強力和斷裂伸長的測定[S].

[7] GB/T 14343—2008化學纖維長絲線密度試驗方法[S].

[8] 羅聰. 單纖維拉伸性能測試影響因素的分析[J]. 中國纖檢，2013，（01）： 60-62.

[9] GB/T 25045—2010玄武巖纖維無捻粗紗[S].

[10] 徐國棟. 低碳園林景觀建設探討——以2014年青島世界園藝博覽會青島園為例[J]. 工程建設與設計，2014，（12）： 101-104.

（作者單位：姚勇、劉靜、黃勝軍、陳中武， 四川航天拓鑫玄武巖實業有限公司;羅聰，四川省纖維檢驗局）