“黑石”中的未来之光：玄武岩纤维的崛起与潜能

近几十年来，玄武岩纤维增强复合材料（Basalt FRP）作为一种新型的 FRP纤维材料开始进入土木工程行业的视野。玄武岩纤维是以天然玄武岩矿石为原料，将其破碎后加入熔窑中，经 1450℃~1500℃的熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板制成的丝状产品。与传统 FRP 纤维的相比，玄武岩纤维具有优良的力学性能，如重量轻、断裂强度高、拉伸强度良好、极限拉应变高、稳定性好、绝缘性好、耐高温性好、热传导系数低、耐酸碱性好和吸湿性低等。尤为重要的是，由于其生产原料取自天然的火山岩矿石而无任何添加剂，生产过程中也无“三废”排放，对环境污染很小，是一种名副其实的环保节能产品，已被我国列为中长期重要发展的四大高新技术纤维之一。

相比最常用的 CFRP 纤维，BFRP 纤维具有一些显著的优势。第一，价格方面，玄武岩纤维的生产成本较低，售价只有碳纤维的 1/5~2/5，低廉的价格为玄武岩纤维的广泛应用创造良好的的市场优势。尤其对一些因经济因素受到限制的工程，为其能进行结构加固增加了可能性。第二，材性方面，BFRP 的抗拉强度约为 CFRP 的 1/2~2/3，弹性模量一般不到 CFRP 的 1/2，但伸长率可达 CFRP 的2 倍左右。CFRP 的强度和弹性模量比 BFRP 高，在结构承载能力加固方面更有优势，但 BFRP 的延伸率明显高于 CFRP，更加接近普通钢筋，因此在加固结构提高其延性等抗震性能方面更有优势。第三，量产方面，我国玄武岩矿床储量及其丰富，也有充足的原料供应保障。且经过多方面的研究开发、制备和应用，我国已具有自主知识产权的 BFRP 纤维制造技术和工艺。而 CFRP 原丝的核心技术则一直为少数国家掌握，价格易受国际市场的干扰。

图1 玄武岩材料应用

我国 BFRP 具有广阔的行业前景，可以较好地应用于国防建设、交通运输、建筑、石油化工、环保、电子、航空和航天等领域。市场上的 BFRP 产品主要有短切纤维、纤维筋、纤维布和纤维网格等类型。对于建筑领域，其研究应用可大致归纳为以下几个方面：①将短切 BFRP 纤维加入原有建筑材料中，可增强材料的力学性能，且伴有较强的防渗抗裂功效；②BFRP 筋可代替钢筋在建筑构件中使用，尤其是在海洋等特殊环境中较一般钢筋具有更强的抗腐蚀性；③将 BFRP 布和网格外贴于建筑构件的表面用于结构的补强、修复和加固。

总体来说，BFRP 属于一种低成本、高性能和洁净程度理想的新型纤维建筑材料，对其进行研究具有极大的经济价值和广泛的社会意义。

玄武岩纤维化学成分含量ＳｉＯ_２含量约为 ５１％ ～ ５９％，其为玄武岩纤维提供了良好的化学稳定性和机械性能；Ａｌ_２Ｏ_３的含量为１４％ ～１８％，其为玄武岩纤维提供了良好的热稳定性和耐久性；Ｆｅ_２Ｏ_３ 与 ＦｅＯ 的含量一般为９％ ～１４％，使纤维整体呈铜褐色，其提高了纤维的耐高温性；同时含有 ＭｇＯ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ 和ＴｉＯ_２ ，这些成分使得玄武岩纤维具有更好的耐水性和耐腐蚀性。

表1 玄武岩纤维与其他纤维性能对比

高性能纤维是一个国家高科技产业发展的基础，对于国家的建设具有重大意义。目前，日本对于碳纤维拥有绝对的垄断权，美国对于超高分子量纤维、芳纶纤维等高技术纤维的研究也走在世界的前端。根据我国的发展现状，有必要研究和开发一种价格低廉，综合性能优异、具有自主知识产权的高技术纤维，以适应社会的高速发展。

连续玄武岩纤维是近些年发展起来的一种高技术纤维，其生产原料来源于自然，制备过程产生的废弃物极少，可实现绿色生产，是一种对生态和环境无毒无害、资源和能源消耗较少、可再生循环的环境友好型材料，被誉为 21 世纪的新型绿色材料。其生产原料天然玄武岩在我国储量丰富，可被用于大量生产。20世纪 50 年代玄武岩纤维首次于前苏联莫斯科玻璃研究院被发现，随后乌克兰、俄罗斯、美国等国家也陆续加入到玄武岩纤维研究的行列中。我国对于玄武岩纤维的研究起步较晚，最早起源于 20 世纪 70 年代，但并未取得有效成果。进入 21 世纪后，我国开始大力发展玄武岩纤维，相继将其列为中俄政府间科技合作项目、863 发展计划等。近年来，我国玄武岩纤维发展迅速，已成为掌握主要技术的几大国家之一，截至 2020 年，我国玄武岩纤维生产厂家已达70 多家，生产总量约占全世界总量的 1/2。

玄武岩纤维的化学成分主要表现为各种硅酸盐矿物质，和玻璃纤维类似，因此是一种特殊的玻璃纤维。其制备工艺主要为坩埚法和池窑法。坩埚法制备玄武岩纤维共分为两步，因此又被称为“两步法”。首先将玄武岩粉末高温熔融成玻璃，使其均质化，再将其放入铂铑合金坩埚进行二次熔融拉丝。该方法多采用电熔，设备成本较低，但生产效率低下、能耗高，已逐渐被淘汰。目前玄武岩纤维生产多采用池窑法。该方法又被称为“一步法”。根据加热方式的不同，池窑法又可细分为电熔池窑、火焰池窑和火-电结合池窑。具体生产流程如图示。

图2 玄武岩坩埚制备法

首先将岩石进行破碎，然后投入到窑炉中熔制成玻璃溶液，后经料道运送至多孔拉丝漏板，通过拉丝机的牵引作用拉制成连续玄武岩纤维，最后通过喷涂浸润剂达到集束的效果。与坩埚法相比，此方法工艺简单、能耗低且生产效率高，更适于纤维的大规模生产。

玄武岩纤维的制备是一个连续过程，其产品的质量由多种因素共同决定。主要有：原料、设备及浸润剂三个方面。玄武岩作为一种天然的岩石矿物，其成因复杂，岩石内部的化学成分及矿物组成也存在较大差异，并非所有玄武岩岩石都具备拉丝的条件，只有符合条件的岩石才能用于拉丝制备。同时，玄武岩成分含量还具有波动性，即使同一矿石不同部位成分含量也稍有不同，从而增加了矿石熔制的难度，使矿石在熔化过程出现析晶、断丝等问题。因此，在拉制玄武岩纤维前需提前对玄武岩原料进行筛选、均质化以及合理混合，使玄武岩矿石原料满足化学成分、矿物成分、熔制和纤维成形性能、纤维均质以及纤维物理化学性能的要求，从而能够生产出合格的玄武岩连续纤维。

生产设备也是关键影响因素之一。玄武岩纤维拉丝漏板是拉丝工艺的核心部件，其使用寿命、抗变形能力、孔数均会对产品质量产生影响。玄武岩在熔化过程中最高温可达 1500℃左右，因此对于拉丝漏板的选择具有严格要求。要求其能够在高温下持续保持较高的强度，且具备良好的抗变形能力和耐酸碱能力。

玄武岩纤维作为一种无机非金属纤维，其表面具有一定量的微裂纹，使其实际强度达不到理论值要求，在其表面涂覆一层浸润剂可有效阻止纤维表面的微裂纹，进一步提高纤维的强度。目前，玄武岩纤维所使用的浸润剂大多参考玻璃纤维浸润剂配方，尚不能满足生产需求。因此，加强玄武岩纤维浸润剂的研发也是玄武岩纤维后续发展亟待解决的一大问题。

玄武岩纤维是以天然玄武岩石料为原材料，在1450～1500 ℃下熔融后通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。其拉伸强度和机械强度优异，弹性模量高，导热系数低，吸音系数高，可用于建筑、交通、电子及航空航天等领域。

国际方面，比利时Basaltex公司开发了新型玄武岩纤维复合材料，并成功试用于高铁结构件上。将该加工工艺结合EconCore公司的专利技术可制成“玄武岩纤维蜂窝结构材料”，该防火夹芯板采用玄武岩纤维与聚糠醇生物树脂（100%甘蔗废料）和回收聚酯制成，可用于面板、隔板、地板、桌子等。玄武岩纤维的热固型蒙皮可在高温下固化成型，成型时间短，有利于自动化生产。

美国玄武岩纤维生产商Mafic与TMG材料集团合作，计划扩大热塑性玄武岩纤维复合材料在汽车领域的应用，并应用于结构件，也可应用混杂复合材料。专家认为，玄武岩复合材料比玻璃纤维复合材料（GFRP）更具可持续性，且最终会实现成本、质量和可持续性的协调统一。

图3 玄武岩纤维材料

国内方面，玄武岩纤维是我国目前产量最大（2020年产量约3万t）的无机高性能纤维，有20多家生产企业，其中 以四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司和浙江石金玄武 岩纤维股份有限公司为龙头，但近年来涌现出一批新 兴加工企业。在生产技术方面，已有几家大企业向大 型池窑、多纺位和大漏板方向发展，实现了生产高效 化、产品低成本化和低离散系数。四川省玻纤集团股份有限公司于2017年开始建设 3000 t/a的池窑法玄武岩纤维生产线，2020年5月建成 1万t/a的采用电气混合纯氧燃烧的单元池窑拉丝法示 范项目并投产，此外投资1亿元，在德阳金山工业园 建设1万t/a的玄武岩纤维复合材料生产线。该公司还 计划投资5.3亿元建设3万t/a的全球最大玄武岩纤维生 产线。其中，一期1万t/a的单元窑共有24个漏板，技 术特点是将85%的玄武岩矿添加其他组分，通过微调达到设定的最佳配方，使原料稳定，同时通过加工成粉末使其热穿透性好，并能自动控制黏度－温度关系。漏板孔数1200～2400，2020年3月起该公司自己 的漏板加工厂投产，且拥有表面改性技术，拟打造世 界最大玄武岩纤维研发生产基地。二期工程拟建2万 t/a的大型生产线，窑炉面积全球最大，共有48个漏板，预计2023年建成投产。产品应用领域包括短切纤 维增强沥青道路、复合板材、拉挤型材、模压复合材料，以及与中国海洋大学合作开发的用于海岛工程的混凝土补强材料等。

图4 玄武岩纤维建材

四川谦宜复合材料科技有限公司自动化程度较高，产品离散系数小，成本接近于玻璃纤维。其产能为3500 t/a，但公用工程按6万t/a预留，便于今后扩大至经济生产规模（3万t/a）。该公司计划在河南郑州和辽宁抚顺各建产能为1万t/a的工厂。此外，江苏天龙玄武岩连续纤维股份有限公司作为我国最早实现玄武岩纤维产业化的企业之一，依旧选用纯天然玄武岩拉丝法，最大漏板孔数为800，最细单丝直径为5.5 μm，强度3500 MPa，模量90 GPa；吉林通鑫玄武岩科技股份有限公司也是我国较先进的大型玄武岩纤维生产企业，已形成拉丝设备80台（套），产能1.2万t/a，单丝直径7～20μm，该公司曾先后与吉林大学、北京工业大学、西澳大学、德国开姆尼茨科技大学、第一汽车集团等合作，探索玄武岩纤维及其复合材料在汽车及轨道交通领域的开发应用。

图5 2018-2028年全球玄武岩纤维市场规模

玄武岩纤维已应用于各大领域，主要是由于其优良性能和环保特性。以玄武岩纤维为增强材料的复合材料比玻璃纤维复合材料具有更好的稳定性，并且比碳纤维复合材料成本低，具有较高性价比，在现代工业中具有广泛的应用前景。

玄武岩纤维具有良好的耐腐蚀性，在混凝土结构中具有广阔的应用前景。玄武岩纤维主要以短切纤维、平面布、无捻粗纱、复合筋、土工格栅和土工布等形式应用于土木工程根据相关数据显示，建筑垃圾占我国城市垃圾的 ４０％以上，其中，废弃混凝土在建筑垃圾中占６０％。为实现建筑行业低碳目标，为保护自然资源并满足对混凝土日益增长的需求，最大限度地减少环境问题和建筑废物，促进建筑部门的循环经济。但再生混凝土在使用过程中存在缺陷，为解决这些问题，国内外学者研究发现玄武岩纤维可以一定程度上减少缺陷的 负面影响，研究表明，玄武岩纤维对再生混凝土的劈裂拉伸和弯曲承载力分别能提升４０. １７％和 ６１. ４５％。２０２２ 年，有机构研究了玄武岩纤维对再生混凝土抗Ｃｌ－渗透性能。研究表明玄武岩纤维掺量为 ０. ２％，粗骨料质量替代率为 ５０％时，抗 Ｃｌ－ 渗透性能改善效果最好，改善效果优于普通混凝土，为再生混凝土的推广应用提供可借鉴的理论基础。

图7 玄武岩纤维复合方管

公路是交通行业的核心之一，为让公路实现低碳节能目标，目前主要方法之一是沥青循环利用技术，对废旧沥青进行利用，达到节约资源和提高资源利用率，降低公路的建设成本，提高经济效益和生态效益。再生沥青混合料在早期易发生开裂等病害，为提高改善其路用性能，２０２１年，有研究人员发现在再生沥青混合料中掺入玄武岩纤维后性能优化，试验结果表明再生沥青掺量可提升至 ４０％，且其低温抗裂性能和高温稳定性均表现出色，综合路用性能更优，提升幅度约为 １０％。针对再生沥青混合料的回收方法有热拌再生技，术和温拌再生技术，目前热再生技术逐渐成熟，但在拌和过程中伴随着大量有毒气体的排放，造成能源消耗，也会污染环境。２０２２年，有研究人员，采用温拌再生技术制备玄武岩纤维沥青混合料，并对马歇尔试件进行气体检测，研究结果表明，降温幅度为２５℃是该玄武岩纤维温拌再生沥青混合料的最佳降温幅度。

图8 玄武岩复合纤维钢筋应用于公路地基

汽车尾气在交通运输行业中也是脱碳难题，虽提出混动车和新能源车，但目前汽车尾气问题依旧严峻。有学者提出，采用比表面积大、耐热性好的玄武岩纤维作为载体，通过气动立体混合技术将催化剂负载在玄武岩纤维孔洞中，增加催化剂负载量和反应时间，研究结果表明对ＣＯ、ＣＯ_２的净化效率均＞９８％，净化效果好，减少了汽车尾气对环境的污染和对人体的危害。

图9 玄武岩纤维应用于汽车电池外壳、车辆内饰、排气管

近年来，玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）因其卓越的性能和环保特性受到重视。BFRP具有高强度、高耐温、低吸湿性等优点，并且生产过程环保，对环境污染小。它在价格上优于碳纤维（CFRP），更接近普通钢筋，尤其在抗震性能上具有显著优势。中国拥有丰富的玄武岩资源，已成为BFRP的主要生产国之一。

未来，随着技术的进步和应用的拓展，玄武岩纤维在建筑、交通、环保等领域的应用前景广阔。它不仅可以提升建筑材料的性能，还能助力循环经济的发展，是可持续发展的理想选择。