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编者按 玄武岩纤维是一种矿物纤维, 由于其具有比普通玻璃纤维更好的物理力学性能, 近年来受到广大工程技术人员的重视, 有关玄武岩纤维的生产技术研究、 应用技术开发、 产品 制造等方面的工作都得到了空前的发展, 同时也出现了学术争议。为了使大家对玄武岩纤维 的特性和各方面的情况有一个全面的了解和充分的认识, 本刊集中介绍几篇有关玄武岩纤维 技术的文章, 期望对广大工程技术人员有所帮助。 玄武岩纤维及其应用中的几个问题 * 杨勇新 岳清瑞 国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心 北京 100088 摘 要 玄武岩纤维是继碳纤维、 玻璃纤维后又一种值得关注的高性能纤维材料, 随着研究的不断深入, 应用的不断扩展, 对玄武岩纤维的认识及应用存在不同的观点。在介绍玄武岩纤维特点的基础上, 针对其使 用过程中出现的情况, 对玄武岩纤维研究及其应用过程中的几个关键问题进行探讨, 以便对正确使用玄武岩 纤维材料及其制品有所帮助。 关键词 玄武岩纤维 应用技术 加固 制品 APPLICATION AND STUDY OF BASALTIC FIBER REINFORCED POLYMER Yang Yongxin Yue Qingrui National Engineering Research Center of Industrial Building Diagnosis and Rehabilitation Beijing 100088 Abstract Basalt fiber is an important high- powered materialwhich draws much attention just as carbern fiber and glass fiber. As further study and more application, there are different viewpoints about basalt fiber and its application. The characters of basalt fiber are discussed, and according to its application, some important problems on study and application of basalt fiber are described to lead to the proper utilization of basalt fiber and its products. Keywords basaltic fiber application technology reinforced products * 2005 年度攻关计划 国际合作 项目 高性能纤维增强复合材料工 程应用关键技术研究 2005DFBA0002 资助。 第一作者 杨勇新 男 1963年 11月出生 博士后 教授级高级工 程师 E- mail yangyongxin tsinghua. org. cn 收稿日期 2007- 02- 10 高性能纤维的开发与应用是近年来国际复合材 料界和工程界的热点之一, 随着碳纤维在土木工程 领域的研究与应用的不断扩展, 工程界的学者先后 将玻璃纤维、 芳纶纤维及其他高性能纤维引入工程 领域, 通过大量的试验、 开发、 应用, 扩展了高性能纤 维的应用领域, 提高了高性能纤维在土木工程领域 的应用水平, 形成了新的产业链, 促进了建设领域的 技术创新。但是, 由于碳纤维原丝的生产技术核心 被少数几个国家控制, 其价格受国际市场的干扰极 大, 目前, 碳纤维原丝的价格较两年前已翻番, 使得 其在我国土木工程中的应用受到极大的制约。另一 方面, 对于工程结构加固而言, 大部分玻璃纤维的性 能还不能满足要求, 尤其在耐碱性方面, 玻璃纤维与 混凝土的适配性很差, 导致玻璃纤维在土木工程中 不能像碳纤维那样广泛的应用。芳纶纤维与碳纤维 类似, 其产品主要来自日本, 加上芳纶纤维的性能与 价格还没有被业内广泛接受, 使用范围也受到限制。 基于此, 国内的复合材料界学者与工程界技术人员进 行了全面的合作, 大力开展新型高性能纤维材料及其 配套工程材料的开发与应用研究, 玄武岩纤维就是继 碳纤维、 玻璃纤维和芳纶纤维后又一种可以在土木工 程或结构加固工程中应用的新型纤维 [ 1- 4] 。 玄武岩纤维是以天然玄武岩石为原料, 经过一 系列工艺过程生产出的丝状产品, 其生产过程和工 艺与玻璃纤维的生产相似, 但由于工艺的限制, 目前 在熔融玄武岩时使用的池炉比较浅, 熔池面积也较 小。由于玄武岩熔化过程中碱金属氧化物析出很 少, 池炉排放的烟尘中基本无有害物质, 因此, 整个 1 Industrial Construction Vol37, No6, 2007工业建筑 2007 年第 37 卷第 6期 生产过程中对环境的影响不大。 玄武岩纤维是 20 世纪由前苏联莫斯科玻璃和 塑料研究院开发出来的一种产品, 于 1985年在乌克 兰开始投产, 在 2002 年以前, 前苏联每年大约有 500t 连续玄武岩纤维产品, 但主要用于军工领 域 [ 5- 7] 。目前主要的生产厂家集中在俄罗斯、 美国、 乌克兰和我国, 其中我国的生产技术具有自主知识 产权, 处于国际先进水平。 随着玄武岩纤维的生产与应用技术的不断进 步, 由于对玄武岩纤维性能及其特征的掌握和了解 不同, 工程应用领域对玄武岩纤维的应用产生了学 术争论。本文根据生产、 研究与分析的成果把玄武 岩纤维材料的性能、 产品、 适用性等方面的知识作一 介绍, 期望能够为关注玄武岩纤维材料生产与应用 的有关技术人员提供参考, 引导玄武岩纤维的应用 向有利于技术创新和技术发展的方向前进。 1 玄武岩纤维的材料性能 玄武岩纤维含有三氧化二铝、 三氧化二铁及氧 化钠等成分, 具有多孔结构和无规则的排列方式, 其 中的气孔可分为封闭气孔和开放气孔, 分别呈圆球 形和管状 [ 8] 。玄武岩纤维的优越性能体现在强度 高、 化学稳定性好、 使用温度范围广, 在吸湿性、 耐碱 性等方面的性能明显优于玻璃纤维。由于玄武岩纤 维降解后即成为土壤的母质, 具有无毒性、 不燃性, 因此是一种环境友好型材料。 11 强度高 一般情况下, 玄武岩纤维的拉伸强度是普通钢 材的 10 15倍, 是 E 型玻璃纤维的 14 15倍, 其 应力- 应变关系表现为完全弹性 图 1 。表 1 列出 的是一种国产玄武岩纤维的抗拉强度。由于玄武岩 纤维的强度与高强玻璃纤维的强度相当, 因此用于 结构加固是满足强度要求的。 图 1 玄武岩纤维布实测应力- 应变关系 Fig. 1 The measured stressstrain relationship of basaltic fiber reinforced polymer 12 化学稳定性好 与普通玻璃纤维相比, 玄武岩纤维在碱性溶液 中具有极高的化学稳定性, 该性质决定了玄武岩纤 维在混凝土中或与混凝土粘结使用比普通玻璃纤维 有更好的适应性。对处于高湿度、 酸、 碱、 盐类介质 作用的建筑结构应用玄武岩纤维及其制品更有优势。 实际测试的玄武岩纤维的化学稳定性结果见表 2。 表 1 一种国产玄武岩纤维的抗拉强度 Table 1 Tensile strength of a domestic basaltic fiber 纤维直径 m6791113 纤维的拉断强度 MPa4 2004 1104 0903 9903 950 表 2 化学介质中玄武岩纤维性能保持率[ 1] Table 2 The property keeping rate of basaltic fiber in chemical media 种类 H2O NaOH 0 5hNaOH 2hHCl 2h A996398392876 9 B99798990749 9 C99694683338 8 13 热稳定性高 试验检测结果表明, 玄武岩纤维的工作温度可 达 600 700 , 即在700 以下的环境工作对于玄武 岩纤维及其制品是可以保证使用性能的, 而普通玻璃 纤维在相同条件下的工作温度一般不超过 400 。 这种性质决定了玄武岩纤维经过不同方法设计 或与其他材料组合可以制成耐高温材料或制品, 如 高温过滤器、 隔热膜 板 、 装饰材料等。 14 耐疲劳性能优异 根据文献[ 1] 介绍, 由连续玄武岩纤维制成的细 棒在长时间 超过 9 年 经受交变载荷作用后几乎没 有疲劳破坏的痕迹, 即未出现裂纹或其他破坏现象。 15 绝缘性好 玄武岩纤维具有比普通玻璃纤维更好的绝缘性 和对电磁波的透过性。因此, 玄武岩纤维可用于制 造高压、 低压电子装置, 天线整流罩、 雷达罩等。另 外, 玄武岩纤维还具有隔热隔声特性、 低吸湿率等性 质, 对于不同的工程应用环境具有较好的适应性。 玄武岩纤维具有的优良性质为其工程应用提供 了保证, 与目前市场上常用的碳纤维、 玻璃纤维、 芳 纶纤维等相比, 玄武岩纤维在基本物理力学性能方 面的指标见表 3, 与其他几种纤维的比较也可参考 表 3所列数据。 由于玄武岩纤维实质上是玻璃纤维中的特殊一 类, 其基本性能较工程中常用的玻璃纤维具有较为 突出的标志, 尤其在耐碱性、 弹性模量、 耐高温等方 面具有较高的指标值, 为玄武岩纤维在工程中的应 用提供了基本保证。表 4 为文献[ 4] 中所列数据的 部分内容。 2 工业建筑 2007 年第 37 卷第 6期 表 3 常用高性能纤维主要性能的对比 Table 3 Comparison of the main properties of common high perance fibers 纤维种类 密度 gcm- 3 抗拉强度 MPa 弹性模量 GPa 断后延伸率 最高工作温度 玄武岩纤维27 283 000 4 84080 1002 7 34600 700 E 玻璃纤维25 272 100 3 800 7547350 400 S 玻璃纤维25 274 000 4 700 7553300 400 碳纤维 183 500 6 000210 2801 5 19500 800 芳纶纤维 152 900 3 40070 1402 6 35250 280 表 4 玄武岩纤维与常用玻璃纤维性能比较部分 [4] Table 4 Property comparison between basaltic fiber and common glass fiber 性能玄武岩纤维E玻璃纤维S 玻璃纤维AR 玻璃纤维C 玻璃纤维石英玻璃纤维 弹性模量 d 12m GPa85 10070 7286 8869 7065 8078 热处理后残留拉伸强度 20 100; 200 97; 400 85100 91 53 烧失量 1312 体积电阻率 m- 110121011 107 吸声系数090 0990 80 093 耐水性 沸腾 3h的质量损失 1662 2125 8 耐碱性2mol L NaOH 质量损失 275601 97 22 耐酸性 2mol L HCl 质量损失 22389 从表 3 和表 4 中可以看出, 与碳纤维相比, 玄武 岩纤维具有较高的延伸率, 关键是价格较碳纤维低 50以上。与高强的玻璃纤维相比, 玄武岩纤维具有 较高的耐热性能、 弹性模量,价格也低于 S 玻璃纤维。 与普通玻璃纤维相比, 玄武岩纤维在强度、 模量、 耐热 性、 耐碱性等方面都具有很高的应用可行性。 基于玄武岩纤维的各种优良性能, 目前国内外 在玄武岩纤维的应用方面进行了大量的探索性研究 和应用性开发工作。 2 玄武岩纤维的应用 玄武岩纤维制品是玄武岩纤维应用的一个主要 方面, 仅从民用的角度观察, 玄武岩纤维可以通过与 不同材料结合、 通过不同设计方法得到品种繁多的 制品。根据玻璃钢产业的统计, 玄武岩纤维的制品 可以按照相应的方式得到类似的制品。 1 风力发电机叶片 由于玄武岩纤维的刚度和 强度较玻璃纤维更高, 因此更适合于制造风力发电 机叶片。 2 汽车配件 在汽车尾气管、 面罩等部分采用玄 武岩纤维制品可以替代玻璃纤维制品。 3 隔热、 防火、 耐温制品 玄武岩纤维的工作温 度远远高于玻璃纤维, 用玄武岩纤维制成防火服装、 防火卷帘、 防火板等制品都是可行的。 4 结构加固材料 制品 目前主要制作单向布 用于结构加固, 实际上其他纤维制成的型材都可以 考虑用玄武岩纤维制作, 在不同的环境下使用。 5 特种制品 连续玄武岩纤维还可用于制作核 辐射防护装置、 吸透波隐身结构构件、 雷达罩、 防弹 材料等。 根据目前的研究成果, 玄武岩纤维制品可以根 据需要开发, 利用纤维材料的可设计特性, 只要取其 优点, 避开缺陷, 相信随着开发与应用研究的不断深 入, 会有更多和更经济有效的玄武岩纤维制品得到 开发和应用, 为经济建设服务。 目前, 玄武岩纤维已开始在众多的领域得到应 用, 但由于其生产的规模和技术水平限制, 加上对玄 武岩纤维性能的宣传不够完善, 玄武岩纤维的应用 还没有得到应有的重视和开发。以下是玄武岩纤维 已经和可能应用的一些领域 1 机械制造业 热处理设备的保湿、 增强、 阻燃 部件。 2 航空工业 隔热、 吸音薄板。 3 船舶工业 设备的隔热吸音, 船体和甲板上 部装置的结构材料。 4 汽车工业 隔热板、 离合器盘、 刹车闸瓦及其 他部件。 5 动力能源工业 蒸汽锅炉、 蒸汽透平等的保 温, 电绝缘材料。 6 化学和石化工业 各种耐腐蚀管材的保护材 料。 7 电子工业 线路板的生产, 电子仪表壳体的 增强。 8 市政工程 污水处理净化设备的过滤器。 3 玄武岩纤维及其应用中的几个问题 杨勇新, 等 9 冶金工程 加热设备、 热交换设备的保湿材 料。粉尘脱除过滤器, 污水净化过滤器。 10 建材工业 结构和饰面材料、 玄武岩筋等。 11 交通工程 表面覆盖物、 预制板及增强 材料。 12 水利工程 用作基础建材和增强材料等。 实际上, 随着玄武岩纤维生产技术的提升, 科技 进步的加快和广大工程技术人员的不断努力, 玄武 岩纤维应用领域将会不断扩大。 3 对几个应用问题的认识 由于玄武岩纤维的工程应用是近几年才逐渐开 始的, 大家对其材料特性、 应用技术要求及质量保障 等方面的认识不同, 产生了不同的观点。根据目前 的试验与检测研究成果, 有必要对下面两个问题予 以说明, 以宣传正确的观念, 规范玄武岩纤维及其制 品的使用。 首先, 目前有个别单位和个人采用玄武岩纤维 布替代碳纤维布, 甚至将玄武岩纤维布染色后冒充 碳纤维布用于结构加固。必须明确指出, 这是完全 错误的做法。玄武岩纤维的指标与碳纤维的指标有 较大的不同, 在没有经过科学的设计和计算的情况 下简单地替代可能会导致加固结构的安全性降低。 而用玄武岩纤维布冒充碳纤维布则是违法的行为, 必须予以制止。 其次, 玄武岩纤维布用于结构加固是否可行的 问题。根据目前不止一个检测单位的检测结果表 明, 玄武岩纤维布的性能在力学指标、 耐久性指标等 方面与高强玻璃纤维的指标相当或更高, 因此用于 结构加固是可行的。当然, 必须按照标准的加固设 计方法, 选择合适的设计指标进行设计与施工才能 保证其科学性。 同样, 对于玄武岩纤维制作的其他各种制品亦 不能简单地认定其能否应用, 而应该在大量检测数 据作为依据的情况下形成合理的应用标准和方法, 保证玄武岩纤维及其制品的科学合理使用。 4 结 语 在试验检验成果的基础上分析了玄武岩纤维的 性质和特点, 介绍了玄武岩纤维及其制品的应用领 域和形式, 为广大材料和工程界关心玄武岩纤维技 术的技术人员提供了有益的参考。基于研究结果, 对目前社会上对玄武岩纤维布加固结构的几个争议 予以辨析, 期望能够帮助业内技术人员全面了解玄 武岩纤维的有关问题。 同时需要指出的是, 玄武岩纤维及制品虽然具 有广泛的应用前景, 而且正在得到最大限度的开发, 但是, 由于玄武岩纤维生产工艺比玻璃纤维生产工 艺更复杂, 技术水平还有待于提升, 在世界范围内的 产量还十分有限, 因而关于玄武岩纤维的生产及其 应用的研究还有大量的工作要做, 这也促使我们进 一步深入开展工作, 同时也希望有更多的技术人员 来关注玄武岩纤维技术。 参考文献 1 谢尔盖, 李中郢. 玄武岩纤维材料的应用前景. 纤维复合材料, 2003 3 17- 20 2 胡显奇, 罗益锋, 申屠年. 玄武岩连续纤维及其复合材料. 高科技 纤维与应用,2002, 27 2 1- 5 3 王 岚, 陈 阳, 李振伟. 连续玄武岩纤维及其复合材料的研究. 玻璃钢与复合材料, 2000 6 22- 24 4 许淑惠, 彭国勋, 党新安. 玄武岩连续纤维的产业化开发. 建筑材 料学报,2005, 83 261- 267 5 Rohrmann Jurgen. 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Mickrochimica Acta, 2000, 133 114 171- 174 8 张耀明, 李巨白, 姜肇中. 玻璃纤维与矿物棉全书. 北京 化学 工业出版社, 2001 会 讯 结构加固与古建筑修复技术研讨会通知 第 2 号 由全国现代结构研究会与江苏省土木建筑学会联合主办, 并由江苏省结构加固专委会、 苏州市土木建筑学会、 苏州市计 成文物建筑设计研究院和苏州计成文物建筑工程有限公司等单位联合协办的 结构加固与古建筑修复技术研讨会定于 2007 年 6月 29 日- 7月 2 日28 日报到在江苏苏州市召开。 1凡收到此通知还准备提交论文的同志, 请自行打印 150 份带到大会交流, 提交论文及准备大会发言的同志请与韩选江 联系手机 13057536628 南京中山北路 200 号 南京工业大学虹桥校区 47 号信箱, 邮编 210009。 2每位参会代表交会务费 400元, 资料费 150元, 食宿统一安排, 费用自理。 3会后组织考察新世纪和古建筑精品工程。凡愿参加者, 可另行报名。 4凡愿出席大会者, 请抓紧寄回回执, 并附联系电话, 否则不能保证住房, 因苏州是旅游旺季。报名回执请寄 杭州市孝丰 路 5号预应力研究所 吴菊芳, 邮编 310006; 或苏州市锦帆路 9 号南楼 203 室苏州市土木建筑学会韩伟, 邮编 215002。 报到地址 苏州长城大厦广济路 233号 离苏州火车站约 300米 。第十二届、 第十三届、 第十四届和第十五届年会论文集 均有少量剩余, 可来电联系优惠购买。 4 工业建筑 2007 年第 37 卷第 6期