玄武岩纤维的土壤老化性能研究

姚勇+罗聪+刘静+黄胜军+陈中武

摘要：

本文建立了玄武岩纤维的土壤老化性能考察办法，并对玄武岩纤维绳和玄武岩纤维无捻粗纱的土壤老化性能进行了研究。结果表明玄武岩纤维绳土壤老化处理后的强度保留率为80%，模量提升了4.2%;玄武岩纤维无捻粗纱土壤老化处理后的强度保留率为82%，模量提升了3.5%。

关键词：玄武岩纤维;老化;环保

1    引言

玄武岩纤维是一种绿色环保的高性能无机纤维，具有高强度、高模量、耐高温、耐化学腐蚀等优异性能，在航空航天、汽车、电子、建筑等领域都获得了广泛的应用[1]。基于环保理念，玄武岩纤维近年来在环保领域也获得了一定的市场空间，如用于空气净化的催化剂载体[2]、用于污水处理的微生物载体[3]等。

面对城市的飞速发展，新的环保理念也不断推出，立体绿化的概念应运而生。以此为契机，青岛世博园项目组提出用绿色环保的玄武岩纤维来替代传统的钢丝绳网进行护坡绿化，克服钢丝绳网易腐蚀的缺点。该项目将用到玄武岩纤维绳和玄武岩纤维无捻粗纱等原料，由于玄武岩纤维并无直接用于土壤的先例，因此本单位联合四川省纤维检验局，参考类似纤维产品的土壤老化处理办法[4-5]对玄武岩纤维的土壤老化性能进行了研究。

2    试验部分

2.1  仪器与装置

YG751N恒温恒湿试验箱（南通宏大实验仪器有限公司）;PHSJ-4F型pH计（上海仪电科学仪器股份有限公司）;YG741C缩水率烘箱（南通宏大实验仪器有限公司）;CMT6503微机控制电子万能试验机（深圳新三思材料检测公司）;YG004N+电子单纤维强力仪（南通宏大实验仪器有限公司）。

2.2  材料与试剂

TX-TL Geo绿色多维系统专用拉绳（四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司）;13 μm-1200 tex玄武岩纤维无捻粗纱（四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司）;土壤（采自北纬30°32′，东经104°13′）;NaOH（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）。

2.3  考察办法

（1） 敲碎土壤，剔除碎石等可能割伤纤维的杂物后过筛并烘干;

（2） 取自来水，用NaOH溶液将pH值调节到6～8之间;

（3） 将纤维剪短为40 cm埋入土壤中捣实，每两根之间的距离不小于5 cm，与土壤边缘的距离不小于5 cm;

（4） 向土壤中加入足量的pH值为6～8的自来水，使土壤充分浸泡，沥去多余的水分;

（5） 将包埋有试样的土块置于温度为（50±1） ℃，相对湿度为65%恒温恒湿老化箱中，老化300 h;

（6） 老化完成后小心地将纤维试样徒手挖出，自来水漂洗10 min，然后用缩水率干燥箱50 ℃烘干2 h待测。

图1    土壤老化流程图：①碎土;②过筛;③埋样;

④浸泡;⑤老化;⑥取样;⑦漂洗

3    结果与讨论

3.1  玄武岩纤维绳的土壤老化性能

根据青岛世博园当地的统计数据，土壤pH值范围为6～8，空气湿度40%～100%，年平均温度12.3 ℃，因此2.3的各项考察条件比较合理。出于用电安全和保护设备（避免恒温恒湿试验箱水分不足干烧）的考虑，高温处理仅在正常工作日进行，其他时间关闭试验箱停止加热。玄武岩纤维制品实际在土壤中的填埋时间为10周，恒温恒湿处理时间累计320h。获得老化后的纤维绳样品后，用内径6mm、厚度3mm、长度100mm的钢管作为增强片，以环氧树脂E51和固化剂5280（比例3：1）作为增强树脂制作样品以检测其相关力学性能[6-7]。玄武岩纤维绳土壤老化处理前后的相关力学性能实测数据见检测报告（表1），由于绳子由多束纤维构成，拉伸过程中历经了多次断裂，因此取最大值作为最终结果。由表可知土壤老化处理后绳子的强度保留率为80%，伸长率的保留也为80%左右，表明绳子在长期苛刻条件破坏下并无太大性能损失;弹性模量则比处理前提高了4.2%，表明绳子抵抗形变的能力有所提升。究其原因是绳子在老化处理后表面受到一定程度的腐蚀，导致直径有所减小，因而宏观上表现为模量有所提高。

3.2  玄武岩纤维无捻粗纱的土壤老化性能

构筑防护坡还需使用玄武岩纤维土工格栅以防止水土流失，该格栅由玄武岩纤维无捻粗纱编织后涂上沥青保护层制得（见图2）。由于格栅体积太大无法在实验室条件下进行相关试验，因此直接取无捻粗纱（表面未经过沥青涂层处理）进行相关考察（与玄武岩纤维绳同步进行）。获得老化处理的无捻粗纱后，在水洗去除表面粘连的土壤时对其完整性有一定的破坏，因此手工分离出单纤维以检测其相关力学性能[8]。

图2    玄武岩纤维制品用于防护坡

表2为土壤老化处理前后的玄武岩纤维无捻粗纱单丝力学性能，由表可知老化处理后的强度保留率为82%，弹性模量的变化趋势与玄武岩纤维绳一致，提升了3.5%，各项性能指标均满足GB/T 25045—2010《玄武岩纤维无捻粗纱》标准要求[9]。由于土工格栅表面的沥青涂层能隔绝土壤中的水分、腐殖酸等直接对纤维造成损害的组分，因此可以认为玄武岩纤维无捻粗纱制成土工格栅后的抗土壤老化性能仍能满足相关标准要求。

表2    玄武岩纤维无捻粗纱土壤老化前后的力学性能对比

综上所述，玄武岩纤维绳和无捻粗纱土壤老化处理后的力学性能均满足使用要求。另玄武岩纤维的成分与天然玄武岩矿石一致，使用后不会造成二次污染，因此被成功应用于青岛世博园工程，使用面积达5万平方米。玄武岩纤维材料构筑的防护坡与空气取水装置、风光互补系统、光伏系统[10]等一系列绿色环保技术一起，共同打造了青岛世博园这一成就卓越的低碳园林。

4    结论

（1） 建立了玄武岩纤维土壤老化性能考察办法，该办法可以考虑推广到其他直接用于土壤环境的绳索材料;

（2） 玄武岩纤维绳土壤老化处理后的强度保留率为80%，模量提升了4.2%;玄武岩纤维无捻粗纱土壤老化处理后的强度保留率为82%，模量提升了3.5%。

参考文献：

[1] 谢尔盖，李中郢. 玄武岩纤维材料的应用前景[J]. 纤维复合材料，2003， 17（3）： 17-20.

[2] 陈静波，庞邦永，顾寅峰. 一种空气净化装置[P]. 中国，CN102120041. 2011-07-13.

[3] 储金宇，杨秀丽，蒋素英. 微生物制剂与玄武岩纤维联用处理城市废水[J]. 环境工程学报，2013， 11（7）： 4372-4376.

[4] 倪冰选，张鹏. 土工布老化性能及测试标准研究[J]. 中国纤检，2011，（14）： 52-54.

[5] 白建颖. 土工布老化试验研究[J]. 纺织学报，1996， 17（5）： 54-56.

[6] GB/T 7690.3—2013增强材料 纱线试验方法 第3部分：玻璃纤维断裂强力和断裂伸长的测定[S].

[7] GB/T 14343—2008化学纤维长丝线密度试验方法[S].

[8] 罗聪. 单纤维拉伸性能测试影响因素的分析[J]. 中国纤检，2013，（01）： 60-62.

[9] GB/T 25045—2010玄武岩纤维无捻粗纱[S].

[10] 徐国栋. 低碳园林景观建设探讨——以2014年青岛世界园艺博览会青岛园为例[J]. 工程建设与设计，2014，（12）： 101-104.

（作者单位：姚勇、刘静、黄胜军、陈中武， 四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司;罗聪，四川省纤维检验局）