Базальтовое волокно

Для термина «волокно» см. также другие значения.

Базальтовое волокно — искусственный неорганический материал, получаемый из природных минералов путём их расплавления и последующего преобразования в волокно. В зависимости от производителя, материал может быть получен как с добавками, так и без таковых. Диаметр волокна — от 20 до 500 мкм. Длина волокна — от 1 до 150 мм. Базальтовая фибра производится из расплава горных пород типа базальта при температуре выше 1400°С.

Назначение — объёмное дисперсное армирование бетонных и других изделий на основе вяжущих.

Производство

Производство базальтовых волокон основано на получении расплава базальта в плавильных печах и его свободном вытекании через специальные устройства, изготовленные из платины или жаростойких металлов. Плавильные печи могут быть электрическими, газовыми или с мазутными горелками. В качестве сырья для производства базальтовых волокон используются базальтовые горные породы, средний химический состав которых следующий (% по массе): SiO₂ (47,5-55,0); TiO₂ (1,36-2,0); Al₂O₃ (14,0-20,0); Fe₂O₃ + FeO (5,38-13,5); MnO (0,25-0,5); MgO (3,0-8,5); CaO (7-11,0); Na₂О (2,7-7,5); К₂О (2,5-7,5); P₂O₅ (не более 0,5); SO₃ (не более 0,5); прочие породы (не более 5).

Виды

Существует два основных типа базальтового волокна — штапельное и непрерывное. Одним из наиболее важных параметров штапельного базальтового волокна является диаметр отдельных волокон. В зависимости от диаметра волокна делят на: микротонкие, диаметром менее 0,6 мкм; ультратонкие, 0,6 — 1,0 мкм; супертонкие, 1,0 — 3,0 мкм; тонкие, 9 — 15 мкм; утолщённые, 15 — 25 мкм и грубые — диаметром 50 — 500 мкм.

Диаметр волокон существенно влияет на важнейшие свойства изделий из него: теплопроводность, звукопоглощение, плотность и др. Диаметр волокон также влияет на респираторные свойства базальтового волокна

Свойства

Базальтовое волокно, созданное из природного камня, имеет очень хорошие показатели по химической стойкости. Волокна диаметром 16-18 мкм имеют 100 % стойкость к воде, 96 % к щёлочи, 94 % к кислоте. Модуль упругости волокна находится в пределах от 7 до 60 ГПа, прочность на растяжение от 600 до 3500 МПа.

Дисперсное армирование базальтовой фиброй повышает следующие показатели изделий:

• ударную прочность — до 500 % (этот показатель характеризует хрупкость материала и оценивается количеством работы, которую нужно затратить на разрушение материала);
• сопротивление истираемости — до 300 %;
• прочность на растяжение при изгибе — до 300 %, на раскалывание — до 200 %, сжатие — до 150 %, по осевому растяжению — до 150 %;
• предел трещиностойкости — до 250 % (этот показатель характеризует способность фибры препятствовать возникновению и распространению трещин, за счет трёхмерного армирования);
• морозостойкость — до 200 %;
• коррозионная стойкость — до 500 % (этот показатель достигается за счёт отсутствия трещин и оказывает влияние снижение глубины карбонизации);
• кавитационная стойкость — до 400 %;
• водонепроницаемость — до 150 %.

Производство

В зависимости от диаметра волокно используется для различных целей:

• микротонкое — для фильтров очень тонкой очистки газовоздушной среды и жидкостей; изготовления тонкой бумаги и специальных изделий;
• ультратонкое — для изготовления сверхлёгких теплоизоляционных и звукопоглощающих изделий, бумаги, фильтров тонкой очистки газовоздушных и жидкостных сред;
• супертонкое — для изготовления прошивных теплозвукоизоляционных матов и звукопоглощающих (БЗМ, АТМ) изделий, картона (ТК-1, ТК-4), многослойного нетканого материала, теплоизоляционного вязально-прошивного материала, длинномерных теплоизоляционных полос и жгутов (БТШ-8, БТШ-20, БТШ30), мягких теплоизоляционных гидрофобизированных плит, фильтров и др. Специальная термическая обработка базальтовых супертонких волокон позволяет получить микрокристаллический материал со свойствами, отличающимися от обычных волокон. Микрокристаллические волокна превосходят обычные по температуре применения на 200°С, по кислотостойкости — в 2,5 раза, а гигроскопичность их в 2 раза ниже. Основным преимуществом этого вида базальтового волокна является отсутствие усадки при его эксплуатации. Из микрокристаллического волокна изготавливают высокотемпературоустойчивые теплоизоляционные материалы, плиты, а также фильтры для фильтрации агрессивных сред при высоких температурах. Базальтовое супертонкое волокно (БСТВ) получают двумя методами: дуплекс процесс, когда первоначально вытягиваются из расплава базальта через фильеры первичные волокна диаметром 250—350 мкм, которые впоследствии раздуваются высокоскоростным газовым потоком при температуре выше 1600°С в супертонкие. Второй способ — это раздув сжатым воздухом струи расплава, при этом температура расплава должна быть не менее 1500°С. Вторым способом получается БТВ с более коротким волокном и менее технологичным, из него невозможно производить весь ассортимент продукции.
• тонкие волокна из горных пород представляют собой слой беспорядочно расположенных волокон диаметром 9-15 мкм и длиной 3-1500 мм.
• утолщённые волокна диаметром 15-25 мкм и длиной 5-1500 мм. Получают их как методом вертикального раздува струи расплава воздухом (ВРВ), так и центробежновалковым методом; известно одно производство получения грубого волокна центробежнодутьевым способом. Вырабатывают в виде холстов, прошивных матов, плит на основе различных вяжущих. Утолщённые волокна находят широкое применение в качестве фильтровальной основы дренажных систем гидротехнических сооружений;
• толстые волокна представляют собой беспорядочно расположенные волокна длиной 5-3000 мм, диаметром 25-150 мкм, прочностью на разрыв 120—650 МПа.
• грубые волокна представляют собой относительно сыпучую дисперсно-волокнистую массу с длиной волокон 3-15 мм, диаметром 150—500 мкм, прочностью на разрыв 200—350 МПа, удельной поверхностью 28-280 см2/г. Волокна являются коррозионно-стойкими и могут быть использованы взамен металла для армирования материалов на основе вяжущих.

Применение в промышленности

Немецкое инженерное бюро EDAG разработало концепт автомобиля, при производстве которого использовано базальтовое волокно. Как сообщается, «материал отличает лёгкость, прочность и экологичность, к тому же в производстве он обойдётся дешевле алюминия или углепластика»

Усиление железо-бетонных конструкций базальтовым волокном обойдётся дешевле углепластика, первые испытания проведены НИИ ВСУ «ИНТЕР/ТЭК» в Екатеринбурге на базе института «УралНИАС».

Материалы на основе базальтового волокна обладают следующим важными свойствами: пористость, температуростойкость, паропроницаемость и химическая стойкость.

• Пористость базальтового волокна может составлять 70 % по объёму и более. Если поры материала заполнены воздухом, то при такой пористости он характеризуется небольшой теплопроводностью.
• Температуростойкость является весьма важным свойством теплоизоляционных материалов, особенно при использовании их для изоляции промышленного оборудования, работающего при высоких температурах. Температуростойкость материалов характеризуют технической температурой применения, при которой материал может эксплуатироваться без изменения технических свойств.
• Паропроницаемость — это способность материала пропускать через свои поры водяной пар. При наличии в материалах из базальтового волокна сообщающихся пор, они пропускают такое же количество пара, как и воздуха. Благодаря большой паропроницаемости эти материалы при эксплуатации почти всегда сухие; конденсация пара наблюдается в основном в следующем слое, на более холодной стороне ограждений.
• Химическая стойкость. Базальтовые волокна обладают хорошей стойкостью к действию органических веществ (масло, растворители и др.), а также к воздействию щелочей и кислот.

Благодаря этим свойствам, базальтовое волокно и материалы на его основе находят сегодня все более широкое применение для таких целей, как:

• теплозвукоизоляция и огнезащита в жилых и промышленных зданиях и сооружениях, банях, саунах, бытовках и т. д.;
• теплоизоляция энергетических агрегатов, трубопроводов большого диаметра;
• теплоизоляция бытовых газовых и электрических плит, жарочных шкафов и т. д.
• утепление реконструируемых зданий с установкой как изнутри, так и снаружи;
• утепление плоских крыш;
• изоляция кислородных колонн;
• изоляция низкотемпературного оборудования при производстве и использовании азота;
• в промышленных холодильниках и холодильных камерах, бытовых холодильниках;
• в трёхслойных строительных панелях-сэндвичах;

Применение базальтового волокна в качестве дисперсного армирования

Базальтовая фибра (от лат. fibra — волокно) — короткие отрезки базальтового волокна, предназначенные для дисперсного армирования вяжущих смесей, типа бетона, в строительстве. Диаметр волокна — от 20 до 500 мкм. Длина волокна — от 1 до 150 мм. Базальтовая фибра производится из расплава горных пород типа базальта при температуре выше 1400°С.

Дисперсное армирование базальтовой фиброй повышает следующие показатели изделий:

• ударную прочность — до 500 % (этот показатель характеризует хрупкость материала и оценивается количеством работы, которую нужно затратить на разрушение материала);
• сопротивление истираемости — до 300 %;
• прочность на растяжение при изгибе — до 300 %, на раскалывание — до 200 %, сжатие — до 150 %, по осевому растяжению — до 150 %;
• предел трещиностойкости — до 250 % (этот показатель характеризует способность фибры препятствовать возникновению и распространению трещин, за счет трёхмерного армирования);прочность на раскалывание — в 2 раза, ударную прочность — в 5 раз, что даёт возможность эффективно использовать её при возведении сейсмостойких сооружений, взрывобезопасных объектов и военных укреплений.
• морозостойкость — до 200 %;
• коррозионная стойкость — до 500 % (этот показатель достигается за счёт отсутствия трещин и оказывает влияние снижение глубины карбонизации);
• кавитационная стойкость — до 400 %;
• водонепроницаемость — до 150 %.

Характеристики базальтовой фибры позволяют использовать её для сооружения радиопрозрачных конструкций сложной формы. Ни один из материалов не может повысить стойкость к истираемости полов так же, как базальтовая фибра. Общеизвестно^[кому?], что, имея уникальные свойства, базальтовое литьё с успехом применяется в промышленности в качестве покрытия с целью предотвращения абразивного износа. Механизм действия фибры в промышленных полах аналогичен, волокно препятствует абразивному износу. Стойкость к истираемости повышается минимум в три раза и, соответственно, срок эксплуатации полов утраивается. Очень важным показателем для полов является ударная нагрузка. Базальтовая фибра позволяет повысить ударную нагрузку более чем в 5 раз. Соблюдаются все требования к качеству промышленных полов: высокая устойчивость к разным видам нагрузок (статистическим, ударным, динамическим, абразивным), хорошая устойчивость к перепаду температур, очень высокая стойкость к химическим воздействиям. К преимуществам полов, выполненных на основе базальтовой фибры, можно отнести низкий расход стали и бетона, малое время и низкую трудоёмкость работ по заливке, предотвращение трещинообразования уже на стадии твердения изделий, получение объёмного армирования, трёхмерной структуры, существенное уменьшение толщины бетонного пола при сохранении прочностных характеристик. Основные преимущества гидросооружений, изготовленных с применением базальтовой фибры:

• долговечность;
• высокое сопротивление истираемости;
• высокая ударная стойкость;
• высокая морозостойкость;
• высокая коррозионная стойкость;
• повышенная водонепроницаемость.

Отличие базальтовой фибры от металлической состоит в том, что, прежде всего, базальтовая фибра не имеет в изделиях негативного катодного эффекта, также она не подвержена какой-либо коррозии. По объёму одна металлическая фибра диаметром 1 мм соответствует более чем 600 базальтовых фибр, при этом площадь поверхности у базальтовой фибры больше в 25 раз. Удельный вес металлической фибры 7,8 т/м³, а базальтовой — 2,8 т/м³. Это значит, что по массе фибры требуется в 2,7 раза меньше и изделие на основе базальтового волокна легче. Изделия на основе базальтового волокна радиопрозрачны и не имеют эффекта трансформатора. Металлическую фибру выпускают разной конфигурации: волнистую, с расплющенными и загнутыми концами для увеличения анкерности, в связи со слабой адгезией металла и цементной матрицы. Базальтовая фибра в изделиях имеет высокую адгезию с цементным камнем, и ей не требуется дополнительных изменений конфигурации волокна. Цементный камень и базальтовая фибра имеют один коэффициент температурного расширения, в отличие от фибры металлической. Дисперсионное армирование базальтовой фиброй повышает пластичность бетонной массы и уменьшает образование усадочных трещин, и в отличие от стальной сетки, которая имеет ценность только после того, как бетон треснул, фибра предотвращает появление трещин в бетоне ещё на стадии, когда он пребывает в пластическом состоянии.

Сфера применения:

• гидротехнические сооружения;
• сооружения, работающие в агрессивных средах;
• строительство в сейсмоопасных регионах;
• автодороги с интенсивным движением;
• мосты;
• атомные станции и хранилища радиоактивных отходов;
• наливные полы, бетонные трубы и др.
• спортивный инвентарь (сноуборды, лыжи и тд.)

Преимущества применения

Базальтовая фибра повышает трещиностойкость в 3 раза, прочность на раскалывание — в 2 раза, ударную прочность — в 5 раз, что даёт возможность эффективно использовать её при возведении сейсмостойких сооружений, взрывобезопасных объектов и военных укреплений. Характеристики базальтовой фибры позволяют использовать её для сооружения радиопрозрачных конструкций сложной формы. Ни один из материалов не может повысить стойкость к истираемости полов так же, как базальтовая фибра. Имея уникальные свойства, базальтовое литьё с успехом применяется в промышленности в качестве покрытия с целью предотвращения абразивного износа. Механизм действия фибры в промышленных полах аналогичен, волокно препятствует абразивному износу. Стойкость к истираемости повышается минимум в три раза и, соответственно, срок эксплуатации полов утраивается. Очень важным показателем для полов является ударная нагрузка. Базальтовая фибра позволяет повысить ударную нагрузку более чем в 5 раз. Соблюдаются все требования к качеству промышленных полов: высокая устойчивость к разным видам нагрузок (статистическим, ударным, динамическим, абразивным), хорошая устойчивость к перепаду температур, очень высокая стойкость к химическим воздействиям. К преимуществам полов, выполненных на основе базальтовой фибры, можно отнести низкий расход стали и бетона, малое время и низкую трудоёмкость работ по заливке, предотвращение трещинообразования уже на стадии твердения изделий, получение объёмного армирования, трёхмерной структуры, существенное уменьшение толщины бетонного пола при сохранении прочностных характеристик. Основные преимущества гидросооружений, изготовленных с применением базальтовой фибры:

• долговечность;
• высокое сопротивление истираемости;
• высокая ударная стойкость;
• высокая морозостойкость;
• высокая коррозионная стойкость;
• повышенная водонепроницаемость.

Отличие базальтовой фибры от металлической состоит в том, что, прежде всего, базальтовая фибра не имеет в изделиях негативного катодного эффекта, также она не подвержена какой-либо коррозии. По объёму одна металлическая фибра диаметром 1 мм соответствует более чем 600 базальтовых фибр, при этом площадь поверхности у базальтовой фибры больше в 25 раз. Удельный вес металлической фибры 7,8 т/м³, а базальтовой — 2,8 т/м³. Это значит, что по массе фибры требуется в 2,7 раза меньше и изделие на основе базальтового волокна легче. Изделия на основе базальтового волокна радиопрозрачны и не имеют эффекта трансформатора. Металлическую фибру выпускают разной конфигурации: волнистую, с расплющенными и загнутыми концами для увеличения анкерности, в связи со слабой адгезией металла и цементной матрицы. Базальтовая фибра в изделиях имеет высокую адгезию с цементным камнем, и ей не требуется дополнительных изменений конфигурации волокна. Цементный камень и базальтовая фибра имеют один коэффициент температурного расширения, в отличие от фибры металлической. Дисперсионное армирование базальтовой фиброй повышает пластичность бетонной массы и уменьшает образование усадочных трещин, и в отличие от стальной сетки, которая имеет ценность только после того, как бетон треснул, фибра предотвращает появление трещин в бетоне ещё на стадии, когда он пребывает в пластическом состоянии.

См. также

• Минеральная вата
• Базальт

Источники

• Аблесимов Н. Е., Земцов А. Н. Релаксационные эффекты в неравновесных конденсированных системах. Базальты: от извержения до волокна. Москва, ИТиГ ДВО РАН, 2010. 400 с.
• Технологии переработки горных пород
• Армирование бетона базальтовым волокном
• Новицкий А. Г. Химическая стойкость базальтовых волокон для армирования бетонов.// Хімічна промисловість України. 2003. № 3, с. 16-19.
• Деревянко В. Н. Саламаха Л. В. Дисперсно-армированные растворы для устройства стяжек полов // Строительство, материаловедение, машиностроение. Сборник научных трудов. — 2009. — с. 14-19.
• Аспекты применения базальтовой фибры для армирования бетонов / Новицкий А. Г., Ефремов М. В. // Сборник Строительный материалы, изделия и санитарная техника.- 2010, № 36.
• Новицкий А. Г., Ефремов М. В. Волокно из горнах пород для армирования бетонов(Доклады VII Всероссийской научно-практической конференции (г. Белокуриха). М.: ЦЭИ «Химмаш», 2007. — С. 116—120.
• Новицкий А. Г., Ефремов М. В. Базальтовое волокно как продукт для армирования бетонов и композиционных материалов.// Тезисы докладов Международной конференции по химической технологии ХТ’07., Москва., 2007.,т. 1, с.218-220.
• Ветров Ю. И. Новицкий А.Г Базальтовые вариации // Капитальное строительство. — 2002. — № 3. — С. 40-42;
• Дьяков К. В. Особенности технологии приготовления магнезиального базальтофибробетона // Бетон и железобетон. — 2007. — № 3.