玻璃纤维的碱腐蚀及其对混凝土结构安全性影响的研究

2015-12-02吴翠娥宋明星

江西建材 2015年12期

张凡吴翠娥宋明星李立

(武汉三源特种建材有限责任公司，武汉 430083)

1 问题的提出

众所周知，混凝土因其不可替代的优点而被广泛用于钢筋混凝土结构工程，但断裂韧性低、开裂敏感性大的缺点又是混凝土固有的弱点。混凝土的开裂是影响混凝土耐久性的关键因素。尤其早期开裂更是混凝土工程质量的重要问题，其中混凝土浇筑初期的塑性开裂是路面、场坪、楼板和大体积的筏式基础等平面混凝土构件工程中普遍存在的问题。为了缓解混凝土的塑性开裂，并提高混凝土的断裂韧性，常在混凝土中掺入工程纤维。常用的工程纤维有聚丙烯纤维、聚酯纤维、钢纤维等［1-4］，但因其价格均较高，推广应用受到一定的制约。而玻璃纤维因其外观与聚丙烯纤维、聚酯纤维极其相近，难以用肉眼准确识别。混凝土中的水泥是碱性材料，很多人不了解玻璃纤维的耐碱性，因其价格相对较低，以致目前市场上用玻璃纤维冒充聚丙烯纤维、聚酯纤维用于混凝土抗裂改性的现象越来越多。

图1 在不同pH 值溶液中玻璃腐蚀产物的溶出量变化

一般所说的玻璃纤维指的是以SiO2为主要成分的硅酸盐玻璃球料或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝等工艺制造而成的普通玻璃纤维，其绝缘性好，机械强度高，但性脆，耐磨性较差。一般硅酸盐玻璃不耐酸碱。碱对玻璃的腐蚀主要是OH-离子使Si-O 键断裂，硅氧骨架网络解体，SiO2溶于碱溶液中，生成碱-硅凝胶。由图1 可见，玻璃腐蚀物的溶出量和溶液的pH 值有关:溶出量大小表明腐蚀性的强弱。在酸性溶液中，从pH 值5 到1，溶出量随pH 值的下降而增大，即酸性越强，腐蚀性越强，所以刻蚀玻璃使用强酸;从溶液的pH 值为9 到13，溶出量随pH 值的增大呈指数函数趋势增长，表明碱性越大，腐蚀性越强。水泥混凝土即使硬化后，孔溶液也总是存在的，其pH 值一般为12 左右。因此在硅酸盐类水泥的混凝土中不能使用玻璃纤维。

因此，有必要进一步确认并重视当前市场上使用玻璃纤维对混凝土结构工程所造成的隐患，尽快杜绝这种假冒产品的继续使用。

2 已有对玻璃纤维在硅酸盐类水泥混凝土中腐蚀性的实验研究和在工程中使用的教训

针对玻璃纤维在水泥水浆体中的腐蚀，已有不少学者进行过研究。唐乃岩，李秋平等认为［8］，虽然玻璃纤维与其它纤维相比，具有高强度，高弹性模量，不燃性及价格低廉等优点，但是，其缺点之一是耐碱性差，易被水泥水化产物所产生的游离碱所腐蚀，引起混凝土强度下降。在水泥混凝土科学奠基人和开拓者吴中伟院士指导下，薛君玕，王赞，阎家骏等人通过研究［6］，得出的结果是:玻璃纤维在90℃水泥浆体中侵蚀12h，玻璃纤维的抗拉强度就降低了50%以上，24h 就完全失去抗压强度;在常温下侵蚀90d，抗拉强度降低50%以上，270d 时，玻璃纤维抗拉强度值已降低70%，而且有继续下降的趋势。许红升，杨小平等的试验［9］也得到同样的结论，玻璃纤维在90℃水泥水泥浆体中，其抗拉强度会迅速下降，浸泡12h，抗拉强度下降50%，24h 后降为0。由此可以看出，硅酸盐水泥浆体对玻璃纤维具有强烈的侵蚀作用。项影明，赵晶等研究表明，玻璃纤维混凝土后期抗压强度急剧降低，会严重影响混凝土结构的安全性。且玻璃纤维在混凝土搅拌过程中易成团，不易分散，受到碱蚀后形成分布不均的薄弱区，也会大大降低混凝土后期强度和密实性［6］。

1957年，南京一家建筑公司大胆采用玻璃纤维配筋制作混凝土楼板，短期效果甚好，然而由于硅酸盐水泥水化后析出Ca(OH)2使孔溶液呈碱性，对玻璃纤维造成强烈的腐蚀，玻璃纤维筋很快失去对混凝土的增强作用，导致楼板坍塌。为了确保建筑物的安全，原建筑工程部于1961年通告停止使用“玻璃丝混凝土”［7］。20 世纪50年代，在吴中伟院士的指导下，薛君玕等对北京、南京等地区各工地试制的玻璃纤维混凝土构件进行了长期性能的观察和试验，发现用硅酸盐水泥作胶凝材料的玻璃纤维混凝土构件在一年之后力学性能显著劣化，抗冲击性能很差［6］。

硅酸盐玻璃的主要成份是SiO2，玻璃的微结构是远程无序网状的非晶体。磨细的玻璃粉末可以具有一定的火山灰活性，这个事实也表明玻璃和碱可发生化学反应。直径只有微米数量级的玻璃纤维巨大的比表面积可提供其进行反应。鉴于早年间已有实验研究的结论，并有工程事故的先例，几十年来并无公开在硅酸盐水泥混凝土中使用玻璃纤维的情况，成功的玻璃纤维增强水泥所使用的是非碱性的硫铝酸盐水泥，。

20 世纪60年代中期，英国Majumder 发明了含锆耐碱玻璃纤维，其耐碱性比普通玻璃纤维有较大提高，与硅酸盐水泥匹配后的试件耐久性也有所改善，从而促使了GRC(玻璃纤维增强水泥)行业在全球的发展，但同时也提及，在GRC 构件的使用过程中，其增强材料——耐碱玻璃纤维会受到水泥水化后产生的Ca(OH)的腐蚀，因此耐碱玻璃纤维在碱性环境中的耐久性将对GRC 构件的强度和韧性产生至关重要的影响［13］。而邓宗才，薛会青则认为［14］，耐碱玻璃纤维在混凝土中分散性良好，可显著改善混凝土的抗弯冲击性能。这可能是实验方法的问题。我国玻璃纤维增强水泥制品已有几十年的历史，但是主要都用低碱性的硫铝酸盐水泥。在硅酸盐水泥中的行为尚需进一步验证。

近20年来，我国水泥和混凝土都发生了很大变化，一方面混凝土中矿物掺和料因高效减水剂的普及而普遍使用，对水泥水化生成成的Ca(OH)2会起稀释作用，另一方面新型干法窑节能的同时也使水泥含碱量增大。现在的水泥对玻璃纤维的腐蚀作用如何?也还需要有试验数据的支持。

3 玻璃纤维在水泥浆体中的腐蚀

在混凝土的Ca(OH)2是硅酸盐水泥主要水化产物之一。因Ca(OH)2的溶解度很低，在孔溶液中始终是饱和的，因此可用用饱和Ca(OH)2溶液模拟混凝土孔溶液环境进行试验。将纤度为15D* (直径17μm)的单丝玻璃纤维浸泡于60℃饱和氢氧化钙溶液中，在不同浸泡龄期，随机取4 根单丝玻璃纤维，置于扫描电子显微镜下观察。图2 所示分别为浸泡前、浸泡3d 和浸泡21d 后玻璃纤维的显微镜形貌。

图2 在60℃饱和Ca(H)2 溶液中浸泡至不同龄期的玻璃纤维表面显微形貌

试验中采用60℃溶液，是为了加速腐蚀反应。由图2 可看出，在用氢氧化钙溶液浸泡前(图2A)，玻璃纤维表面表面光滑无瑕疵;在60℃的饱和氢氧化钙溶液浸泡3d 后(图2B)，4 根玻璃纤维中只有一根无明显变化，其他三根则表面粗糙，并出现少量坑蚀现象;浸泡21d 后(图2C)，4 根玻璃纤维表面均明显凹凸不平，极其粗糙，并出现大量坑蚀现象，在表面还粘附一些溶出物。结果表明，浸泡龄期越长，玻璃纤维表面越粗糙，坑蚀越明显，玻璃纤维受到的侵蚀程度也越深。

4 玻璃纤维对混凝土长龄期抗压强度的影响

在相同配合比的混凝土内分别掺入在一定掺量范围内变化的普通玻璃纤维和耐碱玻璃纤维，检测其在不同养护条件下各龄期抗压强度，并与不掺纤维的空白试件的抗压强度进行对比。

4.1 试验方法

4.1.1 原材料

玻璃纤维:实验所选用的普通玻璃纤维及耐碱玻璃纤维由盐城市爱丽维纤维制品有限公司提供，纤维单丝横截面为圆形，厂家提供的材性见表1。

表1 纤维材性

水泥:华新水泥股份有限公司P.O 42.5 水泥;

矿渣粉:武汉绿色矿渣有限公司磨细矿渣粉S95;

粉煤灰:武汉青山电厂II 级粉煤灰;

砂:湖北巴河河砂，细度模数2.66;

石:湖北乌龙泉碎石，5mm～31.5mm;

减水剂:武汉源锦建材科技有限公司UJOIN -PC 型聚羧酸系高性能减水剂。

4.1.2 混凝土配合比

C45 混凝土配合比见表2。除纤维种类和纤维掺量变化以外，其它各参数均保持一致如表2 所示。

表2 混凝土拌和物配合比(kg/m3)

除对比用的不掺纤维空白混凝土外，普通玻璃纤维和耐碱玻璃纤维掺量(%)均分别均为0.6、0.8、1.0、1.5、2.0。

4.1.3 试件及试验

按采用150mm ×150mm ×150mm 的试件，成型24h 后脱模，分别置于三种养护条件下养护:标准养护、自然养护和标准养护60d 后再以60℃水浴加速养护。

按3.1.3 的配合比，采用标准养护试件和自然养护试件分别养护至龄期14d、28d、60d、90d、120d;标准养护60d 后再以60℃水浴加速养护的试件分别养护至龄期4d、8d、12d、16d、20d、30d、45d、60d。在各制定龄期，检测抗压强度。

4.2 试验结果与分析

4.2.1 标准养护条件下抗压强度比结果与分析

标准养护条件下，普通玻璃纤维及耐碱玻璃纤维混凝土与对比样抗压强度比见图3 和图4。

图3 普通玻璃纤维掺量不同的混凝土与空白混凝土不同龄期标准养护抗压强度比

由图3 可见，在标准条件下养护龄期120d 内，普通玻璃纤维在混凝土中掺量小于1.0kg/m3时，抗压强度的波动在正常离散范围;而当掺量超过1.5kg/m3以后，混凝土抗压强度均显著低于不掺玻璃纤维的混凝土强度，在120 天以内无随养护龄期的增长而明显加剧的趋势。玻璃纤维掺量从1.0～1.5kg/m3时，混凝土抗压强度有随龄期的增长而先增长后下降的趋势;当玻璃纤维掺量达到2.0kg/m3时，混凝土抗压强度比空白混凝土强度低约30 个百分点，并随龄期无明显变化。

因实验量不足，无法解释以上现象，但是可以肯定的是少量普通玻璃纤维对混凝土强度影响不大，但也无增强作用;掺量达到1kg/m3后，普通玻璃纤维掺量越大，对混凝土强度的损害越大。

图4 表明，标准养护60d 龄期以前:耐碱玻璃纤维混凝土掺量不大于1.0kg/m3时，混凝土的抗压强度均有提高，超过60d 后均降到低于对比样强度;掺量超过1.0kg/m3时，混凝土抗压强度则在各龄期均比空白混凝土的下降。尽管在数值上下降幅度稍小，似乎长龄期有增大的迹象。

图4 耐碱玻璃纤维掺量不同的混凝土与空白混凝土不同龄期标准养护抗压强度比

对比图3、图4 可知，在标准养护120d 龄期内，耐碱玻璃纤维混凝土抗压强度保持高于普通玻璃纤维混凝土的强度，说明耐碱玻璃纤维抵抗水泥浆体侵蚀的能力比普通玻璃纤维的高。但养护龄期大于60d 后，耐碱玻璃纤维混凝土抗压强度也会降低，说明此时耐碱组分开始失去效力，耐碱能力开始降低，耐碱玻璃纤维逐步向普通玻璃纤维转化。因此，在标准养护条件下，耐碱玻璃纤维抵抗碱蚀的能力是暂时的，后期仍会继续腐蚀。

4.2.2 自然养护条件下抗压强度结果与分析

在自然养护条件下，普通玻璃纤维及耐碱玻璃纤维混凝土与对比样的抗压强度比分别示于图5、图6。

图5 普通玻璃纤维掺量不同的混凝土和空白混凝土自然养护的抗压强度比

对比图5、图6 与图3、图4 可见，自然养护的两种纤维混凝土与空白样抗压强度比的变化趋势与在标准养护条件下养护的变化趋势一致，即对于普通玻璃纤维混凝土而言，纤维掺量超过1.0kg/m3时，不利于混凝土抗压强度发展;对于耐碱玻璃纤维而言，自然养护的耐碱玻璃纤维抗碱能力最多能维持90d，即在自然养护条件下，耐碱玻璃纤维混凝土也是在90 天以前有一定的抗碱侵蚀能力，但随龄期而下降。

对比图5、图6，同样可得出与标准养护条件相类似的结论，即耐碱玻璃纤维在抵抗水泥浆体侵蚀能力高于普通玻璃纤维的，但耐碱玻璃纤维抵抗碱蚀的能力是暂时的，后期仍将继续被水泥浆体所侵蚀。

4.2.3 60℃水浴加速养护条件下抗压强度比结果与分析

60℃水浴养护的目的是为了加速混凝土内水泥水化反应速率，因此通过加速养护混凝土试件得到的抗压强度结果可以用来表征标准养护及自然养护条件下混凝土试件后期的性能变化。根据相关学者的研究结论［15-16］可知，60℃水浴加速养护1d 的混凝土试件的抗压强度与标准养护1 个月的混凝土试件抗压强度相当。

图6 耐碱玻璃纤维掺量不同的混凝土和空白混凝土自然养护的抗压强度比

标准养护60d 后60℃水浴加速养护条件下，普通玻璃纤维及耐碱玻璃纤维混凝土抗压强度比曲线图分别为图7、图8。

由图7 可见，对于普通玻璃纤维混凝土，标养60天后继续用60℃水浴养护4d 以后，在玻璃纤维各掺量下，各龄期强度均低于对比样的强度，且掺量越大，混凝土抗压强度比越低，掺量为2%的最低，为对比样的70%;8d 以后强度比最低下降到对比样的60%，直到60d，各掺量的强度随龄期变化只波动于10 个百分点以内。图8 的耐碱玻璃纤维混凝土，60℃水浴加速水化养护4d～8d，各掺量玻璃纤维混凝土抗压强度似也随纤维掺量而增大而稍有下降，但只在对比样的90%以内有不同程度的损失，说明耐碱玻璃纤维的耐碱性在早期起到了一定的作用;12d 后下降幅度增大，最低的到对比样的80%，此后，在耐碱玻璃纤维各掺量下，在各龄期，混凝土抗压强度比均波动于10 百分点左右，但似与纤维掺量没有明显的关系。总的来看，标养60 天后再入60℃

图7 标养60 天后再用60℃养护加速水化的普通玻璃纤维混凝土和空白混凝土抗压强度比值

因此，普通玻璃纤维混凝土的长龄期抗压强度随纤维掺量的增加而降低，耐碱玻璃纤维混凝土虽然在短期内具有抗碱蚀能力，优于普通玻璃纤维混凝土，但是后期终会受到水泥水化产物的继续腐蚀，仍会失去耐碱蚀能力。

综上所述，无论是普通玻璃纤维还是市售耐碱玻璃纤维，用于混凝土中均会造成混凝土后期抗压强度的降低，而且随着纤维掺量的增加，混凝土抗压强度降低幅度增大，故在混凝土工程中应严禁使用玻璃制纤维材料。

5 玻璃纤维与有机合成纤维的简易识别方法

图8 标养60 天后再用60℃养护加速水化的耐碱玻璃纤维混凝土和空白混凝土抗压强度比值

实验研究表明，玻璃纤维对混凝土有较大的负水浴加速8d 耐碱玻璃纤维表面耐碱蚀蚀作用基本消失。只是耐碱玻璃纤维比普通玻璃纤维腐蚀程度较低。面影响，即使耐碱玻璃纤维，也只在两三个月内有短期的耐碱作用。但是和聚丙烯纤维、聚酯纤维相比，有较大的价格优势，且很难用肉眼准确识别，因此，市场上常有玻璃纤维冒充聚丙烯纤维、聚酯纤维的事件发生。误用后会成为工程安全的隐患。对购买方和检测方，如能简易地加以识别，就可避免造成后患和经济上的损失，具有安全性的意义。根据纺织行业标准［17］，通过燃烧法可以进行简单识别，即根据纤维燃烧状态不同判断纤维种类。按燃烧状态判别见表3 所示。

表3 用燃烧法识别纤维的燃烧状态

6 结论

(1)混凝土碱性孔溶液对玻璃的腐蚀主要是OH-离子使Si -O 键断裂，硅氧骨架网络解体，SiO2溶于碱溶液中，生成碱-硅凝胶而溶出。我国现代水泥含碱量增高，使混凝土中孔溶液pH 值保持在12以上，玻璃纤维巨大的比表面积，这些都是玻璃纤维在混凝土中腐蚀的条件。

(2)耐碱玻璃纤维虽然在短期内具有抗碱蚀能力，优于普通玻璃纤维，但是后期终会受到水泥水化产物的继续腐蚀，仍会丧失耐碱蚀能力，因此，无论是普通玻璃纤维还是耐碱玻璃纤维，用于混凝土中均会造成混凝土后期抗压强度的降低，且随着纤维掺量的增加，混凝土抗压强度降低幅度增大，应严禁在硅酸盐水泥混凝土中掺入玻璃制纤维。

(3)对冒充或替代聚丙烯纤维或聚酯纤维的玻璃纤维，可用燃烧法来简易识别，以杜绝工程质量隐患。

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