玄武巖綜合利用研究進展

岑繼周，朱榮海，蔣朝陽，石文博，李 松

（六盤水師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州六盤水 553004）

巖漿由地表裂隙中溢出以及火山噴發(fā)后凝結(jié)成的火成巖稱為玄武巖。由于成分、結(jié)構(gòu)、組成礦物和凝結(jié)速度等不同，從而形成不同種類的玄武巖。其中按成分不同可分為堿性玄武巖、高鋁玄武巖、拉斑玄武巖；根據(jù)結(jié)構(gòu)不同可分為氣孔狀玄武巖、杏仁狀玄武巖、玄武玻璃；根據(jù)充填礦物不同可分為橄欖玄武巖、紫蘇輝石玄武巖等。而沒有風(fēng)化的玄武巖則是致密巖石，由于其凝結(jié)后產(chǎn)生六方晶體節(jié)理，被風(fēng)化后形成六方柱狀，嚴重風(fēng)化而得到的為玄武土，同時被風(fēng)化和雨水淋濾，將會由玄武土轉(zhuǎn)變成鋁土礦。有的玄武巖氣孔中還充填有銅、鈷、硫磺等礦物。正是由于各類玄武巖形成的機理不同，導(dǎo)致不同種類玄武巖所展現(xiàn)出不同的性能，因而對玄武巖的各項性能、復(fù)合加工所得到的各類纖維產(chǎn)品的運用和在各領(lǐng)域的利用前景廣泛。

1 玄武巖纖維的應(yīng)用

1.1 玄武巖纖維在汽車領(lǐng)域的利用

玄武巖纖維作為新型環(huán)保的高性能纖維，生產(chǎn)成本低，效率高，生產(chǎn)過程對人體沒有危害。玄武巖纖維能替代玻璃纖維應(yīng)用在汽車導(dǎo)流罩生產(chǎn)中。對玄武巖纖維進行加工處理，改善多種纖維和玄武巖纖維在RTM 成型導(dǎo)流罩上的應(yīng)用，梁繼才通過對不同纖維織物形式組成復(fù)合材料和不同玄武巖纖維種類不同性能的研究，探究鋪設(shè)方式對產(chǎn)品性能的影響，以及不同厚度的復(fù)合材料所展現(xiàn)出不同力學(xué)性能探究，得出影響汽車摩擦材料性能的重要因素為增強玄武巖纖維種類和含量，在同源配方中分別采用玄武巖纖維和玻璃纖維，測試了摩擦材料的摩擦系數(shù)、沖擊強度、洛氏硬度性能。結(jié)果表明，同等質(zhì)量分數(shù)（質(zhì)量分數(shù)為8%）的玄武巖纖維摩擦材料比玻璃纖維摩擦材料的洛氏硬度可以提高33.8%，沖擊強度提高7.45%，而且摩擦性能也相對穩(wěn)定，磨損率低，所以玄武巖纖維是制備高性能摩擦材料替代玻璃纖維的優(yōu)選原料。

隨著人們環(huán)境保護意識加強和節(jié)能減排的提出，輕量化也成為汽車未來發(fā)展的方向之一。加上玄武巖纖維擁有多種優(yōu)異的特性，從而在汽車、軌道交通等多個領(lǐng)域得到廣泛利用。玻纖增強同樣是汽車內(nèi)飾件常用的材料之一。然而很多玻纖存在著阻燃性差，易老化等缺點。長期使用會加大安全隱患，同時老化后也會影響產(chǎn)品的外在美觀。在阻燃方面，玄武巖纖維同樣展現(xiàn)出很好的效果，谷永強對玄武巖纖維在改善阻燃性能方面做相關(guān)的研究探討。結(jié)果表明，在添加玄武巖纖維后，產(chǎn)品能夠有效地改善車門內(nèi)飾板的剛度，而且結(jié)果與有限元分析結(jié)果吻合良好。除此之外，由玄武巖纖維混合而成的材料還能提高汽車車門的內(nèi)飾板的尺寸穩(wěn)定性、韌性和力學(xué)性能。而在此方法的基礎(chǔ)上，劉伯威通過采用熱壓法制備的玄武巖纖維增強摩擦材料，其中存在關(guān)系：伴隨玄武巖纖維含量的增加，摩擦材料的氣孔率、洛氏硬度和摩擦系數(shù)也隨之增加，而密度和壓縮變形量降低，內(nèi)剪切強度先增后降；適量的玄武巖纖維能使磨損程度和制動噪聲降到最小，隨著玄武巖纖維含量不斷增加，磨損程度和噪聲發(fā)生概率是先降低而后增加；通過大量數(shù)據(jù)表明，玄武巖纖維含量在12%時最佳。

1.2 玄武巖纖維在航天航空的利用

1.2.1 航天航空發(fā)展趨勢

目前，對于航空原材料的發(fā)展而言，依然是由鋼質(zhì)、玻璃纖維和混凝土為主，可航標(biāo)建設(shè)程度和維護難度較大，使用周期短，研發(fā)成本高等綜合問題。阻礙了航天航空領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，迫使研究方向不得不向其他復(fù)合纖維材料考慮，高科技無機纖維（連續(xù)玄武巖纖維）就是其中之一，由天然纖維和玄武巖纖維混合制成的復(fù)合材料就是可持續(xù)的，易于回收利用，并且生產(chǎn)工藝難度遠比玻璃纖維和碳纖維要低。所以高科技無機纖維（連續(xù)玄武巖纖維）在航天航空的利用引起了人們廣泛關(guān)注，研究高科技無機纖維（連續(xù)玄武巖纖維）也成了當(dāng)下的一熱門話題。

1.2.2 玄武巖復(fù)合纖維在航空的作用

玄武巖纖維增強復(fù)合材料具有較高的耐腐蝕性能和較好的力學(xué)性能，被認為是解決當(dāng)前鋼筋銹蝕難題的有效途徑之一，從而受到各航空公司的重視。由宏祥集團生產(chǎn)的玄武巖纖維機織布正是如此，采用玄武巖纖維無捻粗紗經(jīng)機織工藝織而成，并通過化學(xué)處理后配制成的復(fù)合纖維材料。其中多種氧化物組成的玄武巖石料在高溫熔融后，通過漏板快速拉制而成得到玄武巖纖維機織布，由于該產(chǎn)品具有高強、高模、輕質(zhì)、良好耐腐蝕性、高低溫穩(wěn)定性好等的優(yōu)點，而被廣泛應(yīng)用在土木工程、建筑工程、航空航天以及汽車維護等領(lǐng)域。

1.3 玄武巖纖維在工程的利用

為研究不同生產(chǎn)工藝和規(guī)格的玄武巖纖維對瀝青混合料路用性能的影響，從抗凍漲能力、水穩(wěn)定性、低溫抗裂性、膠漿高溫性和抗壓等性能綜合考慮。賀玲玲通過優(yōu)化混合料設(shè)計方法對玄武巖纖維進行路用性能研究得出：玄武巖纖維搭接效果跟長度和單絲直徑有關(guān)，長度越長搭接越好，單絲直徑越小，高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性越高，抗凍漲能力越差，水穩(wěn)定性差；王利通過摻和玄武巖纖維排水瀝青混合料和未摻加玄武巖纖維排水瀝青混合料的性能情況提出配比設(shè)計方案得出：在玄武巖纖維的作用下有助于改善瀝青混凝土的性能，使其在高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性等方面的表現(xiàn)更為良好；譚巖斌通過重復(fù)蠕變實驗、動態(tài)剪切流變實驗兩者之間的聯(lián)系來研究玄武巖纖維和瀝青膠漿高溫性能，結(jié)果表明：當(dāng)玄武巖纖維摻量為2.5%時，對瀝青膠漿高溫性能的改善效果最顯著；此時玄武巖纖維瀝青膠漿的高溫性能與加載溫度、加載頻率存在良好的線性關(guān)系。

為預(yù)防瀝青路面病害的形成，將纖維添加到瀝青混合料中。纖維的摻入能夠增強瀝青膠漿的抗剪切能力及高溫穩(wěn)定性；當(dāng)纖維摻入量為0.4%時，混合料路用性能最優(yōu)。此外，李志剛為研究舊瀝青混合料（RAP）的回收利用，減少建筑垃圾的生產(chǎn)量和對土地及環(huán)境的污染，利用玄武巖纖維較好的力學(xué)性能及與瀝青相容性好的特點來改善玄武巖纖維混合料的路用性能，通過對再生混合料進行高溫抗車轍實驗、低溫抗裂實驗、抗水毀能力實驗等方法。從而可改善溫拌再生混合料的高溫抗車轍、抗水毀及抗?jié)B水能力、低溫抗開裂能力等性能。

2 玄武巖磚及土質(zhì)利用

玄武巖擁有諸多良好性能，其中抗壓性能、耐磨性能和低吸水率性能尤為顯著，因此是建筑裝飾優(yōu)選材料，所以被廣泛利用在室內(nèi)外裝飾，它能很好地和周邊景觀協(xié)調(diào)，花色自然，較大程度滿足了人們的觀賞需求，是地鋪石材的最佳選擇。由于玄武巖擁有以上特點，所以玄武巖被加工制成磚也是玄武巖綜合利用的產(chǎn)品之一。

楊越以海南玄武巖磚紅壤為例，使用主成分分析法結(jié)合實測數(shù)據(jù)，根據(jù)不同敏感程度的土壤指標(biāo)之間篩選出的土壤中各種有機化學(xué)成分及生物標(biāo)本（如：pH、有機質(zhì)、有機物、細菌種類、香蕉枯萎等）多項指標(biāo)，對不同土壤標(biāo)本下的香蕉園質(zhì)量進行研究。得到的結(jié)果是：土壤質(zhì)量可有效地反映香蕉的產(chǎn)量及發(fā)病狀況，是較為理想的土壤評價指標(biāo)。此外，由于老撾特殊的氣候而形成了磚紅壤風(fēng)化殼，厚度在25m 以上，符合大部分微量元素的活動規(guī)律[14]。還可以通過運用活化劑來處理不同性質(zhì)的磷肥，結(jié)合玄武巖磚紅壤中的生物效應(yīng)及作用機理，從而利用玄武巖磚紅壤活化劑來提高蔬菜生產(chǎn)質(zhì)量和數(shù)量。通過利用上述的科研技術(shù)，可大大提高玄武巖在農(nóng)作物的利用率。

3 玄武巖在其他領(lǐng)域的利用

基于玄武巖的特殊優(yōu)勢，具有高強度、抗氧化、耐酸堿、電磁透過性好、防火阻燃等優(yōu)異性能。所以被運用于上述各領(lǐng)域外，同時還在國防軍工領(lǐng)域（如導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機、核潛艇和軍艦等武器裝備的運用）、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域（具備良好的耐溫性和化學(xué)穩(wěn)定，有利于抗生素生產(chǎn)過程中空氣凈化和消毒）、電子工業(yè)領(lǐng)域、交通運輸領(lǐng)域、石油化工領(lǐng)域、體育休閑領(lǐng)域、消防防彈領(lǐng)域等多個方向的綜合利用。

4 結(jié)束語

隨著我國的綜合國力不斷增強，發(fā)展模式發(fā)生一定變化，加大了對環(huán)境的治理，導(dǎo)致部分資源禁止開發(fā)等。與玄武巖相關(guān)的各類玄武巖集多種特殊優(yōu)異功能于一體，從而成了當(dāng)代對高科技發(fā)展研究的熱點，因此加快玄武巖資源的開發(fā)研究與綜合利用具有重要的意義。