本发明涉及一种玄武岩纤维颗粒及其制备方法和应用，属于玄武岩纤维
技术领域：
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背景技术：
：玄武岩及其它矿石及矿渣等按一定配比的化学成份，通过融熔后经过离心法制备制成的絮状玄武岩纤维棉，因为其制造成纤工艺所确定，其纤维平均长度≥30毫米，而纤维团的平均粒径≥20毫米。这种絮状矿物纤维棉因为其纤维太长纤维团不易分散，将其用于绝热保温具有良好作用，但将其用于沥青混合料中时，因为沥青的粘度高，由于它极不易均匀分散的特征，而它的掺量因经济性决定掺量极少，一般掺量为沥青混合料重量的2‰-5‰，至使它不能在沥青混合料中起到良好的增粘、增强和稳定沥青的作用。用熔融离心法或吹喷法制成玄武岩矿物纤维棉的特点是成纤工艺简单生产成本较低，但因该硅酸盐纤维的模量较高，纤维表面的显微裂纹容易造成纤维的缺陷的扩张。CN103044877A公开的一种含改性玄武岩纤维和聚合物的复合材料及其制备方法，在成纤工艺中加入一定剂量的与沥青有较好相容性的表面处理剂(如重油、聚乙二醇等)可以提高纤维品质和成纤率，可以克服一些该工艺所带来的缺陷。其他可使用的表面活性剂有十二烷基硫酸钠、硬脂酸钠、十二烷基苯磺酸钠、β-环糊精、聚氧乙烯蜡、聚乙烯蜡、吐温、十八胺、超分散剂和阿拉伯树胶等，所用的偶联剂为KH540，KH550，KH560，SG-Si900、NDZ-101、NDZ-201、TTS、OL-AT1618、DL411等。研究表明适量表面活性剂或偶联剂的加入可使改性玄武岩纤维在有机介质中的分散更为均匀并增加了复合材料中改性玄武岩纤维和聚合物间的相容性和结合力。玄武岩纤维还可以通过铂铑合金拉丝漏板法来制备，但因为漏板孔的目数较少一般为200-400目，成纤效率较低、纤维成本高昂。将熔融的熔体拉丝进行表面处理后进行切割，得到玄武岩纤维的短切丝束。而该纤维束在沥青混合料中极难在几十秒钟的拌和时间内分散。在工程实践中，不管是什么工艺制得的玄武岩纤维，需将纤维均匀的分散在沥青混合料中才能形成有效的三维网络状沥青基树脂纤维复合材料体系。否则，将适得其反造成沥青路面的病害。所以，这种纤维用于沥青混合料的关键之一就是要使纤维能迅速的在十几秒钟内均匀分散以满足施工应用的节拍要求。在申请人以前的研究中，也考虑过将纤维制成一定粒度的纤维棉，如CN101255011公开了一种用于沥青混凝土的玄武岩矿物纤维，为解决纤维在混合料拌和中的分散性，将纤维制成平均粒度为4～8mm的纤维棉。申请人发现相对单一的粒级对沥青混凝土的增强效果并不理想。这是因为沥青混合料的骨料是由按一定级配比例组成的，这些粒径大小不一的石子构成相互嵌挤的沥青混合料结构系统。大小不一的粒状纤维团更容易均布于这种骨料系统中，形成纤维沥青复合材料体系。而在其他的现有技术中，对于沥青混凝土中添加的玄武岩纤维均是通过拉丝法制成并以短切丝束的形式加入沥青混合料。用离心法或吹喷法制备玄武岩纤维因纤维棉分散性极差，也无法用它来增强沥青混合料。采用离心法或吹喷法成纤工艺与拉丝漏板法成纤工艺相比要有三方面优点。第一，高速离心法或吹喷法制成的玄武岩纤维平均直径1-8μm，而拉丝法制成的连续玄武岩纤维平均直径13-21μm，纤维越细，单位重量纤维的比表面积就越大，实际使用时更细的纤维对沥青增粘效果更理想。第二，离心法或吹喷法的生产成本比铂铑合金拉丝漏板法来制备低得多。第三，单位产量的生产效力要高很多，而且能耗低。技术实现要素：由于离心法或吹喷法制备玄武岩纤维的具有较大的纤维技术优势、成本优势和产能优势，但这种絮状玄武岩纤维因为成纤工艺所限，纤维棉的分散性极差，无法用它来增强沥青混合料。本发明解决的技术问题就是将这种方法生产的玄武岩纤维棉进行分散、剪切、造粒并将它掺入沥青混合料中增强沥青混凝土的性能。本发明的技术方案是，提供一种玄武岩纤维颗粒，玄武岩纤维的平均直径不超过8微米，平均长度为2-8毫米；玄武岩纤维的酸度系数MK为0.8-5.6，其中WCaO和WMgO分别表示SiO2、Al2O3、CaO和MgO在玄武岩纤维中的质量百分含量；所述玄武岩纤维颗粒由若干呈絮状分布的玄武岩纤维组成，其中玄武岩纤维颗粒的粒度分布为：1mm≤粒度＜5mm的粒级为18-76％，5mm≤粒度＜12mm的粒级为18-76％，其他粒度的粒级为的3-16％。优选地，所述玄武岩纤维颗粒的粒度分布为：1mm≤粒度＜3mm的粒级为7-30％，3mm≤粒度＜5mm的粒级为9-46％，5mm≤粒度＜7mm的粒级为6-29％，7mm≤粒度＜9mm的粒级为6-32％，9mm≤粒度＜12mm的粒级为6-15％，其他粒度的粒级为3-10％。这种粒度的阶梯分布，是为了将这种颗纤维团以极小的比例以优化的组合形态匀布于沥青混合料的骨料级配组合中。优选地，所述玄武岩纤维颗粒中，由于受到制备方法的限制，会存在一定比例的非纤维物质(渣球)，非纤维物质(渣球)的含量主要是通过湿法筛分的筛余量来进行确定，本发明中的非纤维物质(渣球)通过63微米的筛孔的筛余量≤30％(即渣球含量≤30％，优选≤25％)，通过250微米的筛孔的筛余量≤10％(即渣球含量≤10％，优选≤5％)。非纤维物质(渣球)含量的测试方法是参照国家标准(GB/T5480.5-2004-矿物棉及其制品渣球含量试验方法)进行测定的。优选地，所述玄武岩纤维的平均直径优选不超过6微米，更优选不超过5微米；平均长度优选为4-5毫米。优选地，所述玄武岩纤维颗粒在煤油中经浸泡半小时后的吸油量是玄武岩纤维重量的2倍以上。优选地，本发明还提供一种用于分散玄武岩纤维棉的剪切装置，包括刀具和安装所述刀具的安装座，所述刀具和安装座之间活动连接。优选地，所述刀具和安装座之间通过柔性铰链连接。优选地，本发明还提供一种用于分散玄武岩纤维棉的装置，包括上述的剪切装置和筛分装置，所述筛分装置位于剪切装置的下方；筛分装置中的筛网优选为弧形；优选地，筛孔的孔径为3-23mm。优选地，本发明还提供一种颗粒状玄武岩纤维的制备方法，利用上述的剪切装置中旋转的刀具对玄武岩纤维棉进行剪切，再进行筛分，筛下物即为玄武岩纤维颗粒。优选地，所述玄武岩纤维棉由离心法或吹喷法制备得到。优选地，所述玄武岩纤维的酸度系数MK为1-3.6，其中WCaO和WMgO分别表示SiO2、Al2O3、CaO和MgO在玄武岩纤维中的质量百分含量。优选地，本发明还提供所述玄武岩纤维颗粒在沥青混凝土中的应用；其中，玄武岩纤维颗粒的添加量优选为沥青混合料重量的0.2-0.5％。优选地，本发明还提供一种玄武岩纤维增强沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：(1)将离心法或吹喷法制备得到玄武岩纤维棉经过上述的剪切装置剪切和筛分后，得到玄武岩纤维颗粒；(2)将玄武岩纤维颗粒按沥青混合料重量的0.1-0.8％的比例掺入沥青混合料的热料仓中，拌和，得到玄武岩纤维增强的沥青混合料。对于在骨料嵌挤结构的沥青混合料如SMA混合料中使用这种纤维时，设计及施工配合比关键技术要求有别于现行JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的技术要求。它的特点是：VMA≥14.5％，VFA为65％～80％，空隙率为3.0％～4.5％，混合料析漏率≤0.2％，粗骨料骨架间隙VCAMmix≤VCADRC，纤维掺量为沥青混合料重量的0.35～0.5％。为便于理解，本发明中的玄武岩纤维颗粒也称为颗粒状的玄武岩纤维，是由若干单根的玄武岩纤维无规则的组成，所以就单个颗粒而言，内部的玄武岩纤维是呈絮状分布的，所以也可以称为絮状颗粒。而玄武岩纤维棉是指由离心法或吹喷法直接得到的棉絮状的产物，尺寸较大，无法直接应用于沥青混凝土。沥青混合料是由不同直径的骨料加矿粉和沥青及其它添加物和改性剂按一定的级配比例混合而成的沥青基树脂复合材料，在这种材料体系中掺入玄武岩纤维絮状颗粒的作用是因为该种纤维很细，平均纤维直经可≤5微米，利用该纤维较大的比表面积来与沥青相互作用吸持增粘，这样可增大沥青混合料中沥青膜的厚度，并增加沥青的粘度和韧性，通过在基体材料中掺加纤维或粒子型材料形成“基体+纤维”复合材料。所谓“复合材料化”，是指纤维与基体是一种物理合成叠加。二者完全以独立的物质形态存在，因此，复合材料可以把基体材料和纤维材料各自的优点叠加起来。“复合材料化”是唯一能同时增弹、增强、增韧的材料科学手段，避免了“合金化”方法在增弹、增强的同时也增脆的缺陷。从沥青路面抗变形的实际要求来看，希望沥青高温增弹(粘)。从沥青路面低温抗裂的要求来看，希望低温时不增大沥青的弹性模量。纤维作为复合材料增强、增弹元素，所以增强纤维都是弹性体。纤维复合沥青的粘度η可由爱因斯坦(Einstein)混合率表示[杜庆华，等.弹性与塑性理论]：η＝ηm(1+KEVf)(1)式中：η为纤维复合沥青的粘度；ηm为沥青的粘度；KE为爱因斯坦系数；Vf为纤维的体积百分数。爱因斯坦系数KE与纤维的长径比(l/d)有关。当l/d>1时，KE>2.5，只有在纤维与沥青(连续相)的界面上存在相对滑动时，KE才会小于2.5甚至减少至1。这就是要求纤维与沥青有良好粘附力的原因。纤维复合沥青的粘度与纤维加入量及纤维的长径比有关。在低温时沥青表现为弹性材料，纤维复合沥青的弹性模量G可表示为：G＝Gm(1-Vf)+GfVf(2)式中：Gm为沥青的弹性模量；Gf为纤维的弹性模量。纤维复合沥青的弹性模量与纤维加入量及纤维的弹性模量有关。式(1)～式(2)表明：1、纤维的加入量不受限制，故增粘作用不受限制；2、纤维增粘因子KE与温度无关。因为纤维的增弹(粘)与温度无关，所以不损害沥青的低温韧性，在高温下当沥青的粘度降低时，可有效补偿沥青的粘度。因此，从性质上讲，纤维是良性的增粘材料。纤维的增弹(粘)作用是解决沥青路面车辙变形缺陷问题的一个重要手段。对于随机空间分布的短纤维增强复合材料，按照复合材料细观力学原理，“沥青+纤维”复合材料的屈复强度σcu可表示如下：σcu＝σfuVfCo/K+σ'mu(1-Vf)(3)式中：σfu表示纤维的抗拉屈服强度；σ'mu表示对应于复合材料破坏时基体所承担的应力；Vf表示纤维的体积百分比；K表示最大应力集中因子；CO为纤维方位因子。上述的复合材料力学理论说明，短纤维增强复合材料的强度σcu与纤维强度σfu及纤维加入量Vf成线性正比关系，随机空间分布的短纤维比短切纤维丝束的方位因子大，所以增强性能更好。由于拉丝法生产的玄武岩纤维的平均直径一般比较粗，大于8微米，可能达到20微米、甚至更粗，不太可能会达到离心法或吹喷法所能达到的5微米以下、甚至4微米以下的平均纤维直径。这种更细纤维直径因为其单位重量的材料“比表面积”大对沥青混合料的增粘效果更好。由于拉丝法生产的短切丝玄武岩纤维，其纤维长度是固定的，如所有的玄武岩纤维短切丝均为6mm或8mm等固定长度。本发明发现这种玄武岩纤维短切丝缺乏一定的长度分布，与本发明的经过分散的离心法或吹喷法制备得到的玄武岩纤维相比，增粘效果相对较弱。离心法或吹喷法制备得到的玄武岩纤维，纤维长度的分布是在一定的区间内是连续的，比如在1-12mm内，优选2-10mm内，更优选3-8mm内是连续的。这种连续性是由于玄武岩纤维制备方法所决定的，由于离心法或吹喷法获得的玄武岩纤维棉本身具有较宽的纤维长度的分布区间，再根据活动刀头的剪切作用也使得纤维长度的在某一区间内的分布基本上属于概率分布，与短切丝完全不同。本发明通过剪切和筛分实现了玄武岩纤维棉的有效分散，得到颗粒状的玄武岩纤维。由于玄武岩纤维棉属于无机纤维，对刀具的磨损量很大，用于切割玄武岩纤维棉的刀具非常容易被磨损，所以当工业应用需要较大规模的产能时，由于受到刀具的限制，难以实现规模化生产。而且对于玄武岩纤维棉，刀具在切割一段时间后，会有较多的玄武岩纤维棉粘附在刀具上，使得刀具无法有效地进行切割。本发明利用活动刀头很好地解决了这一技术问题，刀具与安装座是活动连接的，一方面，大大地降低了刀具的模量；另一方面，旋转的刀具本身还可以较为自由地转动，也可以使纤维难以粘附在刀具上。本发明的有益效果是，利用具有粒度分布的颗粒状的玄武岩纤维增强沥青混凝土，可以大幅提高沥青混凝土的各项性能指标；并且，颗粒状的玄武岩纤维可以实现规模化的生产，成本相对较低，优势明显。附图说明图1表示颗粒状的玄武岩纤维(左侧)和絮状的玄武岩纤维棉(右侧)的示意图。具体实施方式下面结合实施例对本发明作进一步说明。实施例1：本实施例提供一种的玄武岩纤维絮状颗粒增强沥青混凝土的制备方法。以玄武岩和其它矿料和矿渣为原料，按该材料的主要酸性氧化物成份的比例为酸度系数Mk＝1.4进行配方，其中主要硅酸盐酸性氧化物的重量百分比为：通过将该材料融熔后用多轴高速离心法成纤，制成玄武岩纤维棉(其结构示意图如图1右侧所示)，结构为絮状，再将它置入多刀头5联轴作用釜中以活动刀头将其切割、筛分，得到颗粒状的玄武岩纤维；成型后玄武岩矿物纤维颗粒(图1的左侧)的物理型态和特征：再将该玄武岩纤维絮状颗粒通过密相气体输送系统送入(或手工置入)沥青拌和楼热料仓中与其它沥青混合料拌和，形成三维网络状沥青基树脂纤维复合材料体系。它可以增加沥青的粘度和韧性，从而提高和改善沥青路面的抗车辙性、抗裂性和抗冻融性能，且有益于沥青混合料的后期循环再生利用。通过测试，沥青混凝土的各项性能指标如下：1.谢伦堡析漏试验(烧杯法)试验条件：试验温度185℃；保温1小时后进行析漏测试。试验结果如表1-1所示。表1-1最佳油石比下析漏试验级配类型油石比析漏1析漏2析漏3平均要求SMA135.60.070％0.050％0.070％0.060％≤2.肯特堡飞散试验试验条件：将SMA的马歇尔试件在20℃下浸泡20小时；然后采用洛杉矶磨耗试验机旋转300次进行飞散测试。试验结果见表1-2。表1-2最佳油石比下飞散试验3.抗水损害试验以最佳油石比拌制SMA13沥青混合料，进行压实混合料的水损害性能试验。(1)浸水马歇尔试验，试验结果见表1-3。表1-3浸水马歇尔稳定度试验结果(2)冻融劈裂试验，试验结果见表1-4。表1-4冻融劈裂试验结果4.高温稳定性试验在最佳油石比下进行高温稳定性检验，车辙试验结果见表1-5。表1-5车辙试验结果汇总表5.室内配比设计结论经对SMA13改性沥青混合料(玄武岩纤维)目标配合比设计，得出结论见表1-6：表1-6目标级配的体积指标通过混合料相关验证试验，表明所设计的SMA13改性沥青混合料(玄武岩纤维)的水稳定性、高温稳定性以及各性能均满足JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》技术要求。实施例2：本实施例提供一种的玄武岩纤维絮状颗粒增强沥青混凝土的制备方法。以特选的玄武岩和其它矿料和矿渣为原料，按该材料的主要酸性氧化物成份的比例为酸度系数Mk＝2.8进行配方，其中主要硅酸盐酸性氧化物的重量百分比为：通过将该材料融熔后用多轴高速离心法成纤，制成玄武岩纤维棉(平均纤维长度≥28mm)，再将它置入多刀头5联轴作用釜中加工制成以下物理型态和特征的玄武岩纤维絮状颗粒：再将该玄武岩纤维颗粒通过密相气体输送系统置入(或手工送入)沥青拌和楼热料仓中与其它沥青混合料拌和，形成三维网络状沥青基树脂纤维复合材料体系。它可以增加沥青的粘度和韧性，从而提高和改善沥青路面的抗车辙性、抗裂性和抗冻融性能，且有益于沥青混合料的后期循环再生利用。通过测试，沥青混凝土的各项性能指标如下。1.肯特堡飞散试验试验条件：将AC20的马歇尔试件在20℃下浸泡20小时；然后采用洛杉矶磨耗试验机旋转300次进行飞散测试。试验结果见表2-1。表2-1最佳油石比下飞散试验2.抗水损害试验以最佳油石比拌制AC20沥青混合料，进行压实混合料的水损害性能试验。(1)浸水马歇尔试验，试验结果见表2-2。表2-2浸水马歇尔稳定度试验结果(2)冻融劈裂试验，试验结果见表2-3。表2-3冻融劈裂试验结果3高温稳定性试验在最佳油石比下进行高温稳定性检验，车辙试验结果见表2-4。表2-4车辙试验结果汇总表4.室内配比设计结论经对AC20改性沥青混合料(玄武岩纤维)目标配合比设计，得出结论见表2-5：表2-5目标级配的体积指标通过混合料相关验证试验，表明所设计的AC20改性沥青混合料(玄武岩纤维)的水稳定性、高温稳定性以及各性能均满足技术要求。对比例1：将未进行分散的玄武岩纤维棉长纤维掺入沥青混凝土，发现玄武岩纤维棉根本无法分散粘结成团，难以进行后续试验。对比例2：将玄武岩纤维的短切丝或玻璃纤维掺入沥青混凝土，进行试验作为对比。试验条件及效果如下表。对比例3：与没有粒度分布的玄武岩纤维颗粒对比，试验条件及效果如下表。当前第1页1 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