高爐渣纖維耐堿性及其對(duì)混凝土性能的影響

趙　波，龍　躍,張良進(jìn)，徐晨光，杜培培

(1.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，唐山　063009；2.華北理工大學(xué)現(xiàn)代冶金技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，唐山　063009)

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高爐渣纖維耐堿性及其對(duì)混凝土性能的影響

趙波1,2，龍躍1,2,張良進(jìn)1,2，徐晨光1,2，杜培培1,2

(1.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，唐山063009；2.華北理工大學(xué)現(xiàn)代冶金技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，唐山063009)

通過(guò)對(duì)高爐渣纖維耐堿性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，探索其作為增強(qiáng)材料對(duì)混凝土性能的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將高爐渣纖維浸泡于不同條件下的堿溶液中，測(cè)量其質(zhì)量損失率，分析其耐堿性能，同時(shí)還研究了不同纖維摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著堿濃度、溫度、浸泡時(shí)間的增加，纖維的質(zhì)量損失率增加，部分纖維表層出現(xiàn)破碎、斷裂的痕跡。這是由于溶液中OH-破壞了纖維結(jié)構(gòu)中的Si-O鍵，使其斷裂，出現(xiàn)纖維被腐蝕現(xiàn)象；與空白樣相比，當(dāng)纖維摻量為0.5%時(shí)，其28d的抗壓強(qiáng)度增加了8.38%；當(dāng)纖維摻量為1%、3%和6%時(shí)，纖維混凝土試件的抗壓強(qiáng)度分別下降了7.84%、16.25%和54.32%。微量的高爐渣纖維，可以在一定程度上改善混凝土力學(xué)性能；當(dāng)纖維摻量超出一定范圍時(shí)，會(huì)降低混凝土基準(zhǔn)強(qiáng)度。

高爐渣纖維； 耐堿性能； 纖維摻量； 抗壓強(qiáng)度； 腐蝕機(jī)理

1　引　言

混凝土因易成型、抗壓性能好、耐久性好、原料豐富、價(jià)格低廉等特點(diǎn)已被全世界廣泛使用，是一種非常重要的建筑工程材料。但是作為脆性材料，其具有抗拉、抗折強(qiáng)度低，極限應(yīng)變小，抗沖擊強(qiáng)度低，韌性差等缺陷[1]。高爐渣纖維是一種新型棉花狀無(wú)機(jī)纖維材料，是以高爐礦渣為主要原料，經(jīng)重熔、調(diào)質(zhì)、離心噴吹制備得到[2]。因其質(zhì)量輕、耐高溫、防蛀耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好、價(jià)廉等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、交通、建筑等領(lǐng)域[3]。有實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維能有效的提高混凝土的韌性、抗裂性能和強(qiáng)度[4-6]，纖維作為增強(qiáng)材料已引起材料界與工程界的廣泛關(guān)注。目前人們對(duì)玻璃纖維、玄武巖纖維、碳纖維、聚丙烯纖維等增強(qiáng)混凝土研究很多[7-10]，但關(guān)于高爐渣纖維增強(qiáng)混凝土性能的研究文章較少。高爐渣纖維用作增強(qiáng)混凝土既提高了高爐渣產(chǎn)品的高附加值，提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)符合國(guó)家“十二五”規(guī)劃提出的固廢循環(huán)利用政策，具有一定的社會(huì)效益。

文章中實(shí)驗(yàn)?zāi)M混凝土堿性環(huán)境，參閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)[11-13]，研究了高爐渣纖維浸泡于不同濃度的堿溶液后，其質(zhì)量損失率。并考慮到溫度對(duì)其影響，設(shè)定兩個(gè)溫度值(室溫27 ℃和高溫65 ℃)，結(jié)合其化學(xué)成分，對(duì)纖維耐堿性進(jìn)行了研究；同時(shí)還研究纖維摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，并采用掃描電鏡觀察混凝土試樣中的纖維形態(tài)。

2　實(shí)　驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)原料

水泥采用唐山某水泥廠P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；砂子采用細(xì)度模數(shù)2.8，密度2650 kg/m3的河砂；石子采用唐山遵化碎石，粒徑5～15 mm,其中5～10 mm占90%，10～15 mm占10%，密度2680 kg/m3；減水劑為唐山某廠家生產(chǎn)的FDN高效減水劑，減水率為10%；高爐渣纖維由學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)，其具體的化學(xué)成分及物理力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1、表2；水，采用自來(lái)水，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1高爐渣纖維的耐堿性試驗(yàn)

分別配制0.25 mol/L、0.5 mol/L的NaOH溶液，稱(chēng)量13 g高爐渣纖維浸泡在溶液中，并設(shè)定兩種溫度(27 ℃、65 ℃)條件，放置于恒溫水浴箱中。待浸泡1 d、3 d、7 d后用蒸餾水洗凈，放于100 ℃的真空干燥箱中烘干，然后稱(chēng)其質(zhì)量計(jì)算質(zhì)量損失率,并用場(chǎng)發(fā)射電子掃描電鏡觀察其被腐蝕的情況。

表1　高爐渣纖維的化學(xué)組成

表2　高爐渣纖維的物理、力學(xué)性能

2.2.2高爐渣纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能影響的研究

目前在纖維混凝土的相關(guān)研究和實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于纖維摻量的選取因其種類(lèi)、用途等差異而不同，一般取值范圍為體積分?jǐn)?shù)的0.5%～2%。纖維過(guò)少，起不到增強(qiáng)效果；過(guò)量時(shí)，混凝土在攪拌過(guò)程中，纖維容易纏繞攪團(tuán)不易分散，不能均勻分布于混凝土中，進(jìn)而也達(dá)不到增強(qiáng)效果。文章中實(shí)驗(yàn)配合比參照路用混凝土強(qiáng)度要求，見(jiàn)表3。為了研究高爐渣纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)、增韌效果，保持混凝土配方比不變，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)法摻合高爐渣纖維，其摻量為混凝土總用量的0%、0.5%、1%、3%、6%(6%為本實(shí)驗(yàn)選取的極限值)。將水泥、沙子、石子、高爐渣纖維加入到混凝土攪拌機(jī)內(nèi)干攪3～5 min,使纖維、水泥及其他骨料混合均勻后，加入水與減水劑再進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄嚢琛⒄誈B/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，抗壓試驗(yàn)采用邊長(zhǎng)為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，24 h后成型拆模，將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室((20±2)℃，相對(duì)濕度95%)內(nèi)養(yǎng)護(hù)。3 d、7 d、28 d齡期后，分別取出試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的測(cè)試，一組數(shù)據(jù)至少測(cè)取三個(gè)混凝土試件，并以這三個(gè)抗壓強(qiáng)度的算術(shù)平均值作為該組混凝土的抗壓強(qiáng)度值。

表3　路用普通水泥混凝土配合比

3　結(jié)果與討論

3.1高爐渣纖維的耐堿腐蝕性能

圖1　高爐渣纖維在0.25 mol/L NaOH溶液，27 ℃浸泡7 d后的SEM照片F(xiàn)ig.1　SEM images of basalt furnace slag fibers after being soaking in 0.25 mol/L NaOH for 7 d at 27 ℃

圖1為在27 ℃條件下將高爐渣纖維浸泡于0.25 mol/L NaOH溶液7 d后的掃描電鏡照片,觀察圖中纖維的表觀特征發(fā)現(xiàn)其表面粗糙暗淡，失去光澤，纖維表面粘結(jié)小顆粒雜質(zhì)，但整體保持原有形狀，仍有一定的韌性，部分纖維表層出現(xiàn)裂紋、破碎的痕跡，此處纖維的強(qiáng)度、韌性會(huì)大大減弱。

表4為高爐渣纖維被堿溶液腐蝕后測(cè)得質(zhì)量損失率。從表中數(shù)據(jù)得知，在蒸餾水中浸泡7 d后的高爐渣纖維，其質(zhì)量會(huì)發(fā)生弱的變化，研究表明[14]這可能是由于纖維組成中一些不穩(wěn)定的化學(xué)成分從纖維內(nèi)游離出來(lái)溶解于水溶液中，從而引起纖維質(zhì)量微弱變化。而在堿溶液中浸泡的纖維，質(zhì)量損失率有較大變化。在纖維的化學(xué)成分中，能夠與堿溶液反應(yīng)的主要是SiO2，其次是Al2O3。SiO2作為高爐渣纖維的主要氧化物，占纖維化學(xué)組成的40%～50%，由SiO2構(gòu)成的硅氧網(wǎng)絡(luò)骨架是提供纖維彈性、強(qiáng)度、穩(wěn)定性的關(guān)鍵。堿溶液中，游離態(tài)OH-能夠擴(kuò)散到纖維內(nèi)部，與纖維中硅氧骨架反應(yīng)，導(dǎo)致其硅酸鹽離子網(wǎng)絡(luò)斷裂，如下式[15-17]。

≡Si-O-Si≡+OH-→≡Si-O-+≡H-O-Si

當(dāng)堿溶液濃度增加時(shí)，擴(kuò)散到纖維內(nèi)部的OH-數(shù)量增加，引起纖維質(zhì)量損失率的增加，被腐蝕程度加重。例如在27 ℃時(shí)，浸泡在0.25 mol/L NaOH溶液中的纖維7天后質(zhì)量損失率為22.46%，而在0.5 mol/L NaOH溶液中的纖維損失率則為34.85%。此外，高爐渣纖維在堿溶液中的腐蝕程度與溫度也有關(guān)，例如浸泡在0.5 mol/L NaOH溶液中的高爐渣纖維，在27 ℃時(shí), 7 d后纖維的質(zhì)量損失率為34.85%，而在65 ℃時(shí)達(dá)到61.70%。因?yàn)闇囟仍礁撸芤褐蠴H-離子動(dòng)能越大，破壞硅氧鍵時(shí)反應(yīng)速率越快，導(dǎo)致纖維質(zhì)量損失率越大，腐蝕越嚴(yán)重。被堿溶液腐蝕后，纖維表面附著有雜質(zhì)斑點(diǎn)或有破裂的痕跡，纖維的各項(xiàng)性能明顯降低，如圖1所示。

3.2高爐渣纖維混凝土的力學(xué)性能

如下所示，圖2為養(yǎng)護(hù)一定齡期后含有不同纖維摻量的纖維混凝土試樣表面圖片。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)與空白試樣相比，添加高爐渣纖維的混凝土試樣表面含有的水分較少，而且當(dāng)纖維摻量增加時(shí)，試樣表面的細(xì)孔增多，孔隙率增大，表面暗淡無(wú)光，整體越不密實(shí)。這可能是由于纖維與漿體之間發(fā)生了界面作用，纖維表面形成的吸附水膜會(huì)使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生更多的滲水通道，且曲折性增加。硬化后混凝土試件表面及其內(nèi)部細(xì)孔增多，使得水分更易流通與蒸發(fā)，且摻入的纖維越多，這種現(xiàn)象越明顯。所以，較空白樣，添加纖維的試樣表面水分較少，細(xì)孔較多。

圖2　不同纖維摻量的混凝土試樣側(cè)面圖(a)FRC(0%)(b);FRC(0.5%);(c)FRC(1%);(d)FRC(3%);(e)FRC(6%)Fig.2　Profile of concrete specimen with different kinds of fiber proportion

圖3為在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)預(yù)定齡期后測(cè)得的混凝土試件表面抗壓強(qiáng)度趨勢(shì)圖。從圖中可知，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，不同纖維摻量的混凝土試件抗壓強(qiáng)度均在增加。相同養(yǎng)護(hù)齡期下，纖維摻量為0.5%與1%時(shí)，混凝土試件所測(cè)得的抗壓強(qiáng)度與空白試樣最為接近，但纖維摻量在0.5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度總體均高于空白試樣，其抗壓強(qiáng)度在7 d、28 d分別提高了12.10%、8.37%，而纖維摻量為1%，3%，6%的試件所測(cè)得抗壓強(qiáng)度值都低于空白樣，其在7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度分別降低了4.65%、7.84%，17.93%、16.25%和58.47%、54.32%。

圖3　纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度Fig.3　Compressive strength of fiber reinforced concrete

圖4　纖維混凝土中的高爐渣纖維的顯微圖像Fig.4　Microstructure images of basalt furnace slag fibers in fiber reinforced concrete

纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理被普遍認(rèn)為是通過(guò)均勻分布在混凝土中的纖維依靠自身強(qiáng)度和韌性來(lái)阻止混凝土內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，從而達(dá)到對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用[18]。文章實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)纖維摻量為0.5%時(shí)，制備混凝土過(guò)程中纖維不易攪團(tuán)，能夠較為均勻的分散于混凝土內(nèi)部，起到增強(qiáng)作用。同時(shí)加入微量纖維可以適當(dāng)提高試樣內(nèi)部及其表面的孔隙率，有效避免應(yīng)力集中，防止裂紋產(chǎn)生與發(fā)展。當(dāng)纖維含量過(guò)高時(shí)，如文章實(shí)驗(yàn)中取6%極限摻量，混凝土攪拌過(guò)程中，不能均勻分散于混凝土中，起到網(wǎng)絡(luò)承托作用，而是纏繞成團(tuán)，使纖維形成區(qū)域性分布。硬化后的基體材料在受到作用力時(shí)，纖維團(tuán)聚集的區(qū)域能夠承擔(dān)得作用力很小，不能對(duì)應(yīng)力進(jìn)行有效的分散和傳導(dǎo)，極易產(chǎn)生裂紋。而且，區(qū)域性分布的纖維在堿性環(huán)境下會(huì)被腐蝕，生成片狀帶的水化產(chǎn)物，如圖4。

圖中纖維表面粘結(jié)有大量水化產(chǎn)物，腐蝕現(xiàn)象明顯，部分纖維表層已經(jīng)脫落甚至斷裂。混凝土中分布不均勻高爐渣纖維被腐蝕后，形成區(qū)域性分布的水化產(chǎn)物，此時(shí)纖維的強(qiáng)度、韌性都明顯降低，而且纖維與周?chē)皾{整體的粘結(jié)性能大大減弱，不僅在混凝土中起不到增強(qiáng)、增韌的作用，反而會(huì)促進(jìn)微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，失去網(wǎng)絡(luò)支撐作用 ,降低混凝土的基準(zhǔn)強(qiáng)度。高爐渣纖維最佳摻量及其耐堿性能的改善將是以后研究重點(diǎn)。

4　結(jié)　論

(1) 隨著堿液濃度、浸泡時(shí)間、溫度的增加，纖維的質(zhì)量損失率加大。而且溫度對(duì)其的影響要大于堿溶液濃度。溫度越高，物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)速度越快，纖維的質(zhì)量損失率越大，纖維被腐蝕越嚴(yán)重;

(2)當(dāng)纖維摻量為0.5%時(shí)，試樣在28 d的抗壓強(qiáng)度提高8.38%，當(dāng)摻量為3%、6%時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度分別降低7.84%、16.25%、54.32%。添加微量的高爐渣纖維，能夠改善混凝土的強(qiáng)度，提高混凝土的韌性和抗裂性。若纖維摻量超出一定范圍時(shí)，會(huì)對(duì)混凝土強(qiáng)度和韌性產(chǎn)生負(fù)影響;

(3)微量的纖維通過(guò)自身均勻分布和適量提高孔隙度來(lái)改善混凝土力學(xué)性能；纖維過(guò)量時(shí)，由于其及易纏繞成團(tuán)，且被堿腐蝕后形成區(qū)域狀水化產(chǎn)物，不能承受作用力，會(huì)降低試樣基準(zhǔn)強(qiáng)度;

(4)高爐渣纖維綠色環(huán)保、原料豐富、各項(xiàng)技術(shù)性能較好。初步研究，摻入微量的高爐渣纖維到混凝土中能夠在一定程度上改善混凝土的力學(xué)性能，是一種值得研究和應(yīng)用的新型無(wú)機(jī)纖維增強(qiáng)材料，應(yīng)推廣其在建筑工程中的應(yīng)用。

[1] 唐明,楊歡.玄武巖纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料研究[J].混凝土,2010,(5):76-78+82.

[2] 肖永力,李永謙,劉茵,等.高爐渣礦棉的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].硅酸鹽通報(bào),2014,33(7):1689-1694.

[3] 毛艷麗,陳妍,王涿.高爐渣制礦渣棉工藝及其產(chǎn)品應(yīng)用[J].上海金屬,2014,36(2):49-53+58.

[4] Ramakrishnan V,Neeraj S,Tolmare,et al.Performance Evaluation of 3-D Basalt Fiber Reinforced Concrete and Basalt Rod Reinforced Concrete[R].NCHRPIDEA Program Project Final Report, Transportation Research Board,1998,(11):34-36.

[5] Sim J,Park,Moon D Y.Characteristics of basalt fiber as a strengthening material for concrete structure[J].CompositesPartB,2005,(36):504-512.

[6] 艾珊霞,尹世平,徐世烺.纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土的研究進(jìn)展及應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報(bào),2015,48(1):27-40.

[7] 鄧宗才,薛會(huì)青,王力,等.耐堿玻璃纖維混凝土的彎曲韌性[J].新型建筑材料,2009,(5):23-24.

[8] 王海良,鐘耀海,楊新磊.玄武巖纖維混凝土研究進(jìn)展與建議[J].工業(yè)建筑,2013,S1,43:639-643.

[9] 李建輝,鄧宗才.碳纖維增強(qiáng)混凝土的單軸拉伸特性[J].公路,2011,(4):185-187.

[10] 何文敏,陳拴發(fā),張學(xué)鋼.聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土研究進(jìn)展[J].化工新型材料,2013,(3):130-132.

[11] Robinovic F N,Zenva V N,Makeeva L V,et al.Stability of basalt fibers in a medium of hydrating cement[J].GlassandCeramics,2001,58(12):11-12.

[12] Sim J S,Park C,Moon D Y.Characteristics of basalt fiber as a strengthening material for concrete structures[J].CompositesPartB,2005,36(6/7):504-512.

[13] 黃凱健,鄧敏.玄武巖纖維耐堿性及對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2010,27(1):150-154.

[14] Low N P.Observation of chemical hydration in inorganic mineral fibers[J].J.Mater.Sic.,1986,21(3):998-1004.

[15] 霍文靜,張佐光,王明超,等.復(fù)合材料用玄武巖纖維耐酸堿性實(shí)驗(yàn)研究[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2007,(06):77-82.

[16] Wei B,Cao H L,Song S H.Tensile behavior contract of basalt and glass fibers after chemical treatment[J].Mater.Des.,2010,31(9):4244.

[17] Scheffler C,Forster T,Mader E,et al.Aging of alkali-resistant glass and basalt fibers in alkaling solutions: Evaluation of the failure stress by Weibull distribution function[J].JNon-CrystSOLIDS,2009,35(52-54):2588.

[18] Qian C X,Stroeven P.Development of hybrid polypropylene-steel fibre-reinforced concrete[J].CementandConcreteResearch,2000,30(1):63-69.

Stability of Blast Furnace Slag Fibers in Alkaline Solution and Its Effect on the Mechanical Property of Concrete

ZHAOBo1,2,LONGYue1,2,ZHANGLiang-jin1,2,XUChen-guang1,2,DUPei-pei1,2

(1.College of Metallurgy and Energy,North China University of Science and Technology,Tangshan 063009,China;2.Modern Metallurgical Technique Key Laboratory of Ministry of Education,North China University of Science and Technology,Tangshan 063009,China)

Experimental studies were carried out to test the alkaline resistance properties of blast furnace slag fibers and explored their effects on the mechanical property of fiber reinforced concrete as a reinforcing material. In the experiment, mass loss rates of fibers were weighed after being soaked at different alkaline solution, at different aqueous alkali, at different temperatures and at different days respectively. Meanwhile, mechanical properties of blast furnace slag fiber reinforced concrete were tested with different mass fraction of fiber. Experimental results show that the scaling of corroded fiber appears even worse, as alkalinity and soaking temperature and days increase. Compared with the plain concrete, the addition of 0.5% blast furnace slag fibers improve the compressive strength, which increased by 8.38%; whereas the addition of 1%, 3% and 6% show no increase, which decreased by7.84%, 16.25% and 54.32% respectively. The mechanical properties of concrete can be improved to some extent by adding trace amount of blast furnace slag fiber.

blast furnaces lag fiber;alkaline resistance properties;proportion;compression strength;corrosion mechanism

河北省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(152101101D)

趙波(1989-)，男，碩士研究生.主要從事高爐渣纖維增強(qiáng)混凝土方面的研究.

龍躍,博士,副教授.

TU528

A

1001-1625(2016)04-1240-05