高炉渣纤维耐碱性及其对混凝土性能的影响

赵　波，龙　跃,张良进，徐晨光，杜培培

(1.华北理工大学冶金与能源学院，唐山　063009；2.华北理工大学现代冶金技术教育部重点实验室，唐山　063009)



高炉渣纤维耐碱性及其对混凝土性能的影响

赵波1,2，龙跃1,2,张良进1,2，徐晨光1,2，杜培培1,2

(1.华北理工大学冶金与能源学院，唐山063009；2.华北理工大学现代冶金技术教育部重点实验室，唐山063009)

通过对高炉渣纤维耐碱性进行实验研究，探索其作为增强材料对混凝土性能的影响规律。实验过程中，将高炉渣纤维浸泡于不同条件下的碱溶液中，测量其质量损失率，分析其耐碱性能，同时还研究了不同纤维掺量对混凝土强度的影响。实验结果表明：随着碱浓度、温度、浸泡时间的增加，纤维的质量损失率增加，部分纤维表层出现破碎、断裂的痕迹。这是由于溶液中OH-破坏了纤维结构中的Si-O键，使其断裂，出现纤维被腐蚀现象；与空白样相比，当纤维掺量为0.5%时，其28d的抗压强度增加了8.38%；当纤维掺量为1%、3%和6%时，纤维混凝土试件的抗压强度分别下降了7.84%、16.25%和54.32%。微量的高炉渣纤维，可以在一定程度上改善混凝土力学性能；当纤维掺量超出一定范围时，会降低混凝土基准强度。

高炉渣纤维； 耐碱性能； 纤维掺量； 抗压强度； 腐蚀机理

1　引　言

混凝土因易成型、抗压性能好、耐久性好、原料丰富、价格低廉等特点已被全世界广泛使用，是一种非常重要的建筑工程材料。但是作为脆性材料，其具有抗拉、抗折强度低，极限应变小，抗冲击强度低，韧性差等缺陷[1]。高炉渣纤维是一种新型棉花状无机纤维材料，是以高炉矿渣为主要原料，经重熔、调质、离心喷吹制备得到[2]。因其质量轻、耐高温、防蛀耐腐蚀、化学稳定性好、价廉等特点，广泛应用于冶金、机械、交通、建筑等领域[3]。有实验研究发现玄武岩纤维能有效的提高混凝土的韧性、抗裂性能和强度[4-6]，纤维作为增强材料已引起材料界与工程界的广泛关注。目前人们对玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、聚丙烯纤维等增强混凝土研究很多[7-10]，但关于高炉渣纤维增强混凝土性能的研究文章较少。高炉渣纤维用作增强混凝土既提高了高炉渣产品的高附加值，提高经济效益，同时符合国家“十二五”规划提出的固废循环利用政策，具有一定的社会效益。

文章中实验模拟混凝土碱性环境，参阅国内外相关文献[11-13]，研究了高炉渣纤维浸泡于不同浓度的碱溶液后，其质量损失率。并考虑到温度对其影响，设定两个温度值(室温27 ℃和高温65 ℃)，结合其化学成分，对纤维耐碱性进行了研究；同时还研究纤维掺量对混凝土强度的影响，并采用扫描电镜观察混凝土试样中的纤维形态。

2　实　验

2.1实验原料

水泥采用唐山某水泥厂P·O 42.5普通硅酸盐水泥；砂子采用细度模数2.8，密度2650 kg/m3的河砂；石子采用唐山遵化碎石，粒径5～15 mm,其中5～10 mm占90%，10～15 mm占10%，密度2680 kg/m3；减水剂为唐山某厂家生产的FDN高效减水剂，减水率为10%；高炉渣纤维由学校重点实验生产，其具体的化学成分及物理力学性能指标见表1、表2；水，采用自来水，符合国家标准。

2.2实验方法

2.2.1高炉渣纤维的耐碱性试验

分别配制0.25 mol/L、0.5 mol/L的NaOH溶液，称量13 g高炉渣纤维浸泡在溶液中，并设定两种温度(27 ℃、65 ℃)条件，放置于恒温水浴箱中。待浸泡1 d、3 d、7 d后用蒸馏水洗净，放于100 ℃的真空干燥箱中烘干，然后称其质量计算质量损失率,并用场发射电子扫描电镜观察其被腐蚀的情况。

表1　高炉渣纤维的化学组成

表2　高炉渣纤维的物理、力学性能

2.2.2高炉渣纤维对混凝土力学性能影响的研究

目前在纤维混凝土的相关研究和实际应用中，对于纤维掺量的选取因其种类、用途等差异而不同，一般取值范围为体积分数的0.5%～2%。纤维过少，起不到增强效果；过量时，混凝土在搅拌过程中，纤维容易缠绕搅团不易分散，不能均匀分布于混凝土中，进而也达不到增强效果。文章中实验配合比参照路用混凝土强度要求，见表3。为了研究高炉渣纤维对混凝土的增强、增韧效果，保持混凝土配方比不变，采用质量分数法掺合高炉渣纤维，其掺量为混凝土总用量的0%、0.5%、1%、3%、6%(6%为本实验选取的极限值)。将水泥、沙子、石子、高炉渣纤维加入到混凝土搅拌机内干搅3～5 min,使纤维、水泥及其他骨料混合均匀后，加入水与减水剂再进行适当的搅拌。参照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，抗压试验采用边长为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，24 h后成型拆模，将试件置于标准养护室((20±2)℃，相对湿度95%)内养护。3 d、7 d、28 d龄期后，分别取出试样进行抗压强度的测试，一组数据至少测取三个混凝土试件，并以这三个抗压强度的算术平均值作为该组混凝土的抗压强度值。

表3　路用普通水泥混凝土配合比

3　结果与讨论

3.1高炉渣纤维的耐碱腐蚀性能

图1　高炉渣纤维在0.25 mol/L NaOH溶液，27 ℃浸泡7 d后的SEM照片Fig.1　SEM images of basalt furnace slag fibers after being soaking in 0.25 mol/L NaOH for 7 d at 27 ℃

图1为在27 ℃条件下将高炉渣纤维浸泡于0.25 mol/L NaOH溶液7 d后的扫描电镜照片,观察图中纤维的表观特征发现其表面粗糙暗淡，失去光泽，纤维表面粘结小颗粒杂质，但整体保持原有形状，仍有一定的韧性，部分纤维表层出现裂纹、破碎的痕迹，此处纤维的强度、韧性会大大减弱。

表4为高炉渣纤维被碱溶液腐蚀后测得质量损失率。从表中数据得知，在蒸馏水中浸泡7 d后的高炉渣纤维，其质量会发生弱的变化，研究表明[14]这可能是由于纤维组成中一些不稳定的化学成分从纤维内游离出来溶解于水溶液中，从而引起纤维质量微弱变化。而在碱溶液中浸泡的纤维，质量损失率有较大变化。在纤维的化学成分中，能够与碱溶液反应的主要是SiO2，其次是Al2O3。SiO2作为高炉渣纤维的主要氧化物，占纤维化学组成的40%～50%，由SiO2构成的硅氧网络骨架是提供纤维弹性、强度、稳定性的关键。碱溶液中，游离态OH-能够扩散到纤维内部，与纤维中硅氧骨架反应，导致其硅酸盐离子网络断裂，如下式[15-17]。

≡Si-O-Si≡+OH-→≡Si-O-+≡H-O-Si

当碱溶液浓度增加时，扩散到纤维内部的OH-数量增加，引起纤维质量损失率的增加，被腐蚀程度加重。例如在27 ℃时，浸泡在0.25 mol/L NaOH溶液中的纤维7天后质量损失率为22.46%，而在0.5 mol/L NaOH溶液中的纤维损失率则为34.85%。此外，高炉渣纤维在碱溶液中的腐蚀程度与温度也有关，例如浸泡在0.5 mol/L NaOH溶液中的高炉渣纤维，在27 ℃时, 7 d后纤维的质量损失率为34.85%，而在65 ℃时达到61.70%。因为温度越高，溶液中OH-离子动能越大，破坏硅氧键时反应速率越快，导致纤维质量损失率越大，腐蚀越严重。被碱溶液腐蚀后，纤维表面附着有杂质斑点或有破裂的痕迹，纤维的各项性能明显降低，如图1所示。

3.2高炉渣纤维混凝土的力学性能

如下所示，图2为养护一定龄期后含有不同纤维掺量的纤维混凝土试样表面图片。

实验过程中发现与空白试样相比，添加高炉渣纤维的混凝土试样表面含有的水分较少，而且当纤维掺量增加时，试样表面的细孔增多，孔隙率增大，表面暗淡无光，整体越不密实。这可能是由于纤维与浆体之间发生了界面作用，纤维表面形成的吸附水膜会使混凝土内部产生更多的渗水通道，且曲折性增加。硬化后混凝土试件表面及其内部细孔增多，使得水分更易流通与蒸发，且掺入的纤维越多，这种现象越明显。所以，较空白样，添加纤维的试样表面水分较少，细孔较多。

图2　不同纤维掺量的混凝土试样侧面图(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

图3为在标准养护室内养护预定龄期后测得的混凝土试件表面抗压强度趋势图。从图中可知，随着养护龄期的增加，不同纤维掺量的混凝土试件抗压强度均在增加。相同养护龄期下，纤维掺量为0.5%与1%时，混凝土试件所测得的抗压强度与空白试样最为接近，但纤维掺量在0.5%时，抗压强度总体均高于空白试样，其抗压强度在7 d、28 d分别提高了12.10%、8.37%，而纤维掺量为1%，3%，6%的试件所测得抗压强度值都低于空白样，其在7 d、28 d的抗压强度分别降低了4.65%、7.84%，17.93%、16.25%和58.47%、54.32%。

图3　纤维混凝土的抗压强度Fig.3　Compressive strength of fiber reinforced concrete

图4　纤维混凝土中的高炉渣纤维的显微图像Fig.4　Microstructure images of basalt furnace slag fibers in fiber reinforced concrete

纤维混凝土的增强机理被普遍认为是通过均匀分布在混凝土中的纤维依靠自身强度和韧性来阻止混凝土内部微裂纹的产生和发展，从而达到对混凝土的增强作用[18]。文章实验中，当纤维掺量为0.5%时，制备混凝土过程中纤维不易搅团，能够较为均匀的分散于混凝土内部，起到增强作用。同时加入微量纤维可以适当提高试样内部及其表面的孔隙率，有效避免应力集中，防止裂纹产生与发展。当纤维含量过高时，如文章实验中取6%极限掺量，混凝土搅拌过程中，不能均匀分散于混凝土中，起到网络承托作用，而是缠绕成团，使纤维形成区域性分布。硬化后的基体材料在受到作用力时，纤维团聚集的区域能够承担得作用力很小，不能对应力进行有效的分散和传导，极易产生裂纹。而且，区域性分布的纤维在碱性环境下会被腐蚀，生成片状带的水化产物，如图4。

图中纤维表面粘结有大量水化产物，腐蚀现象明显，部分纤维表层已经脱落甚至断裂。混凝土中分布不均匀高炉渣纤维被腐蚀后，形成区域性分布的水化产物，此时纤维的强度、韧性都明显降低，而且纤维与周围砂浆整体的粘结性能大大减弱，不仅在混凝土中起不到增强、增韧的作用，反而会促进微裂纹的产生和发展，失去网络支撑作用 ,降低混凝土的基准强度。高炉渣纤维最佳掺量及其耐碱性能的改善将是以后研究重点。

4　结　论

(1) 随着碱液浓度、浸泡时间、温度的增加，纤维的质量损失率加大。而且温度对其的影响要大于碱溶液浓度。温度越高，物质之间的化学反应速度越快，纤维的质量损失率越大，纤维被腐蚀越严重;

(2)当纤维掺量为0.5%时，试样在28 d的抗压强度提高8.38%，当掺量为3%、6%时，试件抗压强度分别降低7.84%、16.25%、54.32%。添加微量的高炉渣纤维，能够改善混凝土的强度，提高混凝土的韧性和抗裂性。若纤维掺量超出一定范围时，会对混凝土强度和韧性产生负影响;

(3)微量的纤维通过自身均匀分布和适量提高孔隙度来改善混凝土力学性能；纤维过量时，由于其及易缠绕成团，且被碱腐蚀后形成区域状水化产物，不能承受作用力，会降低试样基准强度;

(4)高炉渣纤维绿色环保、原料丰富、各项技术性能较好。初步研究，掺入微量的高炉渣纤维到混凝土中能够在一定程度上改善混凝土的力学性能，是一种值得研究和应用的新型无机纤维增强材料，应推广其在建筑工程中的应用。

[1] 唐明,杨欢.玄武岩纤维增强水泥基复合材料研究[J].混凝土,2010,(5):76-78+82.

[2] 肖永力,李永谦,刘茵,等.高炉渣矿棉的研究现状及发展趋势[J].硅酸盐通报,2014,33(7):1689-1694.

[3] 毛艳丽,陈妍,王涿.高炉渣制矿渣棉工艺及其产品应用[J].上海金属,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.纤维编织网增强混凝土的研究进展及应用[J].土木工程学报,2015,48(1):27-40.

[7] 邓宗才,薛会青,王力,等.耐碱玻璃纤维混凝土的弯曲韧性[J].新型建筑材料,2009,(5):23-24.

[8] 王海良,钟耀海,杨新磊.玄武岩纤维混凝土研究进展与建议[J].工业建筑,2013,S1,43:639-643.

[9] 李建辉,邓宗才.碳纤维增强混凝土的单轴拉伸特性[J].公路,2011,(4):185-187.

[10] 何文敏,陈拴发,张学钢.聚丙烯纤维增强混凝土研究进展[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] 黄凯健,邓敏.玄武岩纤维耐碱性及对混凝土力学性能的影响[J].复合材料学报,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] 霍文静,张佐光,王明超,等.复合材料用玄武岩纤维耐酸碱性实验研究[J].复合材料学报,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

河北省科技计划资助项目(152101101D)

赵波(1989-)，男，硕士研究生.主要从事高炉渣纤维增强混凝土方面的研究.

龙跃,博士,副教授.

TU528

A

1001-1625(2016)04-1240-05