1.2 玄武岩纤维材料
最早的玄武岩连续纤维的制造技术,出现在1922年的美国专利(US1438428)上,是由法国人Paul提出的,但后来并没有进行实质性的工业化生产[3,17,30]。1953—1954年苏联莫斯科玻璃和塑料研究院开发出成套的玄武岩纤维生产技术[16]。1960—1970年苏联玻璃钢与玻璃纤维科学研究院乌克兰分院根据苏联国防部的指令,着手具体研制连续玄武岩纤维。乌克兰建筑材料工业部设立了专门的绝热隔音材料科研生产联合体,主要任务是研制CBF及其制品设备工艺的生产线。联合体的科研实验室于1972年开始研制制备CBF,曾经研制出20多种CBF制品的生产工艺;1985年CBF研制成功并实现了工业化生产。由此可知,CBF开发成功和投入生产的历史有20年左右。在这期间,苏联和美国等几个国家都陆续建立起了CBF制造工厂。在2002年以前,苏联地区每年大约有500t连续玄武岩纤维产品,其主要用于军工领域。由于产品产量少,价格居高不下,进一步限制了玄武岩纤维的发展市场以及使用范围和使用数量,其年总产量仍然在3000t以下[22]。
玄武岩纤维及其制品本身的材料性能研究,已从其化学成分、生产工艺和材料改性等研究发展到玄武岩纤维材料及其制品的应用,如在机械制造业中的热处理设备的保湿、增强与阻燃部件等;工程结构的补强加固。而对玄武岩纤维混凝土,开始研究其基本物理力学性能及梁等玄武岩纤维混凝土构件的性能。另外,在应用领域方面也拓展到水利工程、船舶制造和路面土工格栅等[24]。玄武岩纤维掺量对增强无机聚合物水泥混凝土断裂韧度及强度的影响研究发现,其具有更加优越的抗断裂性能[25]。
1.2.1 玄武岩纤维主要技术指标
早期主要研究玄武岩纤维材料的基本物理力学性能[16,18,31-32],之后主要是对比研究玄武岩纤维性能与其他纤维性能[33-34],同时开展了对玄武岩纤维制品(如连续玄武岩纤维层板、增强复合材料)的研究[35-38]。玄武岩纤维的性能很大程度上取决于玄武岩矿石的性能和整个生产工艺,不同的成品之间存在较大的差异。因此,应用玄武岩纤维制品时,应研究使用的玄武岩纤维的材料性能。
表1.2和表1.3分别列出了某玄武岩纤维有限公司生产的玄武岩连续纤维与一些主要的纤维类型在物理、化学性能上的比较[1,39]。
表1.2 玄武岩纤维的主要技术指标[1,39]
表1.3 玄武岩纤维与玻璃纤维、碳纤维及其他纤维的主要指标[1,39]
续表
从表1.2和表1.3中可以看出,玄武岩连续纤维与其他纤维比较,具有更高的使用温度、拉伸强度、更加稳定的化学性能(特别是在酸性介质中)等优势[1,39]。玄武岩纤维增强硅酸盐水泥混凝土的准静态抗压强度、劈裂抗拉强度,较素混凝土分别降低了26.4%和12%[25]。
由于玄武岩纤维的不同成品之间存在较大的差异,我国颁布了《水泥混凝土和砂浆用短切玄武岩纤维》(GBT 23265—2009)等相关的应用规范:《公路工程玄武岩纤维及其制品》(JT/T 776—2010)、《水泥混凝土和砂浆用短切玄武岩纤维》(GB/T 23265—2009)、《玄武岩纤维无捻粗纱》(GB/T 25045—2010),制定了用于砂浆和混凝土中的BF标准等。
1.2.2 玄武岩纤维主要物理力学性能
用于混凝土复合材料的纤维,其阻裂、增强和增韧作用主要取决于纤维本身的力学性能、纤维与基体的黏结性能、单位体积内纤维的数量及在基体的分布情况。现在国内陆续有厂家生产玄武岩纤维及其增强复合材料(单向布)等产品,但由于玄武岩纤维及纤维布的成型工艺不同,使各生产企业或各批次纤维质量不稳定,造成纤维基本材料及织物的物理力学性能存在一定的差异。
短切玄武岩纤维(Chopped Basalt Fiber,CBF)是由连续玄武岩纤维按照一定的长度加工制成。其力学性能,如抗拉强度和弹性模量等,均是指连续玄武岩纤维测试得到的性能。由于所用玄武岩(火成岩)纤维的单丝直径不同,其性能有一定的差异。关于短切玄武岩纤维的物理力学的研究成果较多[1,39,42]。连续玄武岩纤维的主要产品为原丝、无捻粗纱和加捻纱。由于玄武岩纤维具有比普通玻璃纤维更高的拉伸强度、弹性模量以及更好的化学稳定性,所以用它来增强各类树脂所制成的复合材料具有比较理想的物理和化学性能。图1.1是连续玄武岩纤维(CBF,无捻粗纱),图1.2是由其制备的短切玄武岩纤维纱(丝)。
图1.1 连续玄武岩纤维无捻粗纱
图1.2 玄武岩纤维纱及短切玄武岩纤维纱(丝)
对某玄武岩纤维有限公司提供的纤维产品进行基本物理力学性能测试(本书所有试验采用的短切玄武岩纤维、连续玄武岩纤维无捻粗纱材料及织物均购买于该公司),其主要的物理力学性能见表1.4。
表1.4 某短切玄武岩纤维的主要技术指标
在我国,水泥混凝土和砂浆用的短切玄武岩纤维性能标准应该满足《公路工程玄武岩纤维及其制品》(JT/T 776—2010)、《水泥混凝土和砂浆用短切玄武岩纤维(GB/T 23265—2009)》、《玄武岩纤维无捻粗纱》(GB/T 25045—2010)的要求。在《水泥混凝土和砂浆用短切玄武岩纤维》中,将短切玄武岩纤维的产品按照其纤维类型分为原丝(S)和加捻合股纱(T);按照用途划分为用于混凝土的防裂抗裂纤维(BF)和增韧增强纤维(BZ)、用于砂浆的防裂抗裂纤维(BSF)等。
按照《水泥混凝土和砂浆用短切玄武岩纤维》(GB/T 23265—2009)中规定,用于水泥混凝土和砂浆的原丝(S)公称长度分别为15～30mm和6～15mm,单丝直径为9～25μm;加捻合股纱(T)的公称长度为6～50mm,单丝直径为7～13μm,其纤维的性能指标要求见表1.5。
表1.5 短切玄武岩纤维的性能指标要求[40]
① 三项试验值的变异系数不得大于15%。
根据测试研究成果[1,34,39],目前生产的短切玄武岩纤维的指标一般能达到上述指标的要求。
无捻粗纱是由平行原丝或平行单丝集束而成,玄武岩纤维无捻粗纱包括合股无捻粗纱和直接无捻粗纱两种。生产粗纱所用玄武岩纤维的单丝直径从3～23μm不等。无捻粗纱的号数从150号到9600号(Tex)。无捻粗纱可直接用于某些复合材料工艺成型方法中,如缠绕和拉挤工艺,因其张力均匀,也可织成无捻粗纱布和织物,或将无捻粗纱进一步短切后掺入混凝土或砂浆中。对本书试验中采用的连续玄武岩纤维无捻粗纱,进行了主要物理力学性能测试,并与其他公司生产的产品进行了对比。
表1.6是江苏某玄武岩连续纤维高新科技有限公司提供的用于混凝土的无捻粗纱的性能;表1.7为本书采购的某玄武岩有限公司生产的玄武岩连续纤维的检测性能[43]。测试方法均按《玻璃纤维无捻粗纱浸胶纱试样的制作和拉伸强度的测定》(GB/T 20310—2006)执行。
表1.6 江苏某玄武岩连续纤维公司的无捻粗纱性能
表1.7 某玄武岩有限公司的无捻粗纱性能
由表1.6和表1.7可知,江苏某公司生产的两种不同直径玄武岩无捻浸胶粗纱抗拉强度的检验平均值分别为2078MPa、2522MPa,本书用的某公司生产的同一直径玄武岩无捻浸胶粗纱抗拉强度的检验平均值分别为2119MPa、2802MPa,表明抗拉强度平均值相差较大。因此,玄武岩纤维的生产工艺和原料,纤维产品的性能会产生差异。