玄武岩纤维耐碱性能及其网格布对混凝土的增强效应

2023年8月3日发(作者：)

第！4卷第1期2"21

2建筑材料学报JOURNAL

OF

BUILDING

MATERIALSVol.

24,No.

1Feb

,2021文章编号:1007-9629(2021)01-0054-10玄武岩纤维耐碱性能及其网格布对混凝土的增强效应王庆轩，丁一宁(大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024)摘要：对玄武岩纤维进行了碱蚀试验，通过比较碱蚀前后纤维的微观形貌、元素组成和分子结构，

分析了其碱蚀机理，并探究了纤维在NaOH溶液中的碱蚀模型.在此基袖上，对玄武岩纤维网格布

增强混凝土板(BFTRC)进行了加速老化试验和弯曲试验，采用老化系数(Ac)和增强系数(Ec)评价

了玄武岩纤维网格布对混凝土的增强效应.结果表明：玄武岩纤维的耐碱性能与耐碱玻璃纤维相

当；碱蚀后的玄武岩纤维直径减小，其典型结构包括核心层、凝胶层和沉淀层，碱蚀过程可采用零

级模型和收缩圆柱体模型来表征；玄武岩纤维网格布增强混凝土板抗弯强度和能量吸收值的老化

系数和增强系数均随老化时间增加而减小，但增强系数始终大于1,尤其对于能量吸收值，其增强

系数在老化14

d后仍达29.00.在进行网格布增强混凝土构件设计时，需考虑因纤维网格布在混凝

土基体中碱蚀'起的承载力降低系数.关键词：玄武岩纤维；耐碱性能；碱蚀模型；增强效应；老化系数；增强系数中图分类号:TU52&

572

文献标志码:A

doi：10.

3969/j.

issn.

1007-9629.

2021.

01.

008Alkali

Resistance

of

Basalt

Fiber

and

Strengthening

Effect

ofIts

Textile

on

ConcreteWANG

Qingxuan,

DING

Lining(StateKeyLaboratoryofCoastalandOfshoreEngineering,Dalian

UniversityofTechnology,Dalian116024,China)Abstract:

An

alkaii

corrosion

test

on

basalt

fiber

was

carried

out

to

analyze

alkaii

corrosion

mechanism

by

comparing

micro-morphology,elementalcompositionandmolecularstructureofbasaltfiberbeforeandaf-

ter

alkaii

corrosion.

And

the

alkaii

corrosion

model

of

basalt

fiber

in

NaOH

solution

was

explored.

Then

the

accelerated

aging

test and

bending

test

regarding

basalt

fiber

textile

reinforced

concrete(BFTRC)

slabs

wereconducPedPoevaluaPePhesPrengPheningefecPofPhePexPileonconcrePeviaagingcoeficienP(Ac)and

enhancemenPcoe

ficienP(Ec).The

resulPs

showPhaPPhe

alkali

resisPance of

basalPfiber

is

comparablePo

alPfiberafPeralkalicorrosion,PhediamePerbecomessmaler,

the

typical

structure

is

composed

of

fiber

core,

gel

layer

and

deposition

layer,

and

the

dissolution

kinetics

can

be

expressed

by

zero-order

model

and

contracting

cylinder

AcandEcofflexuralstrength

and

energy

absorption

for

BFTRC

slabs

are

decreased

with

time,

and

the

Ec

is

greater

than

1.

In

particu-

lar,uctioncoef-

ficientofbearingcapacityshouldbeconsideredforthedesignofBFTRC

membersbecauseofalkalicorro-

ds

model;strengtheningefect;agingcoeficient;

enhancementcoeficient收稿日期：2019-09-09；修订日期：2019-10-27基金项目：国家自然科学基金资助项目#1578109）第一作者：王庆轩#988—），男，河南濮阳人，大连理工大学博士生•

E-mail:wqxl988@mail.

dlut.

edu.

cn通讯作者：丁一宁（1962—），男，江苏南京人，大连理工大学教授，博士生导师，博士.

E-mail:

ynding@hotmail. com第1期王庆轩，等：玄武岩纤维耐碱性能及其网格布对混凝土的增强效应55纤维网格布是以纤维（如玄武岩纤维、玻璃纤

维）为基材，通过退捻、织造、涂覆等一系列工序制成

的二维定向连续纤维增强材料，被广泛应用于外挂

板、三明治墙体、桥梁、承重薄壳结构、沿海建筑以及

梁板构件的加固补强等.这些应用要求其能够在

基体中保持较高的强度和化学稳定性，尤其是耐碱

性能*6+.然而在混凝土基体的强碱环境下（pH值大

于12.

5）*，纤维网格布的初期耐碱性能主要受表面

涂覆层影响，而纤维原丝的耐碱性能是网格布耐碱性

能及力学性能的决定性因素闪.对于玄武岩纤维的耐

碱性能，国内外学者已开展了部分研究.黄凯健等9

采用不同浓度、不同温度的碱溶液研究了玄武岩纤维

的耐碱性能，结果表明：随着碱溶液浓度和温度的提

高，玄武岩纤维的质量损失率增加，且温度对玄武岩

纤维碱蚀程度的影响更加显著.Friedrich等*10+采用微

观形态、化学组成，残余强度以及质量损失率等指标

比较分析了玄武岩纤维和玻璃纤维的耐碱性能，结果

表明：在经过相同条件的碱蚀处理后，玄武岩纤维的

表面损伤较小，且残余强度较高，耐碱性能优于玻璃

纤维.Lipatov等*11+研究了

ZrO：含量对玄武岩纤维耐

碱性能的影响，结果表明：当ZrO：含量为5.7%时，玄

武岩纤维的耐碱性能最佳.此外，针对如何提高玄武

岩纤维的耐碱性能，各国学者围绕纤维的化学组成、

表面改性等方面进行了一些研究*214.然而,关于玄

武岩纤维碱蚀机理的系统研究鲜有报道.玄武岩纤维网格布应用于混凝土应满足以下2

个条件*15+：（1）自身具有良好的力学和耐碱性能；（2）对混凝土具有增强增韧效果.玄武岩纤维网格布

在混凝土中能否保持其强度是保证其增强增韧效果， 混凝土 应因

系结构的安全性、适用性和耐久性而显得尤为重要.本文首先对玄武岩纤维进行了碱蚀试验,从碱蚀

前后纤维的微观形貌、元素组成、分子结构、碱蚀机理

及碱蚀模型5个方面对玄武岩纤维的耐碱性能进行

了系统研究，并与中碱、耐碱玻璃纤维进行了对比.在

此基础上，研究了素混凝土板、玄武岩纤维网格布增

混凝土板和

碱、

碱玻璃

混凝土板在加速老化试验前后的弯曲性能，进而评价了玄武

岩纤维网格布对混凝土的增强效应.1试验1.

1原材料采用国产玄武岩纤维（BF）网格布、中碱玻璃纤

1）文中涉及的含量、组成等均为质量分数.维（C-GF）网格布（ZrO：含量」为0%）和耐碱玻璃

纤维（AR-GF）网格布（ZrO：含量为14.

5%）.

3种网

格布的网孔尺寸均为5 mmX5

mm.玄武岩纤维单

丝直径d=13

%m，弹性模量E=96.0 GPa；中碱玻

璃纤维d

=

13

%m,E

=

80.

5

GPa；耐碱玻璃纤维d

=

16

%m,E

=

80.

5

GPa.水泥采用

P

•

O

42.

5R

普通

硅酸盐水泥；细骨料为石英砂，粒径为0〜2

mm；减

水剂采用聚竣酸系高效减水剂；水为自来水.混凝土

水胶比mw/mb为0.

35

,其余配合比见表1.混凝土

28d立方体抗压强度为50.

5

MPa.表1

混凝土配合比Table1

Mixproportionofconcrete

kg/m3SandCementWaterSuper-0-1

mm1-2

mmplasticizer6.21.2试验方法1.2.1

碱

试验为了研究纤维的碱蚀机理，本文分别对标记后

玄武岩

、

碱玻璃

和

碱玻璃

进行了碱蚀试验.碱液采用NaOH溶液，浓度为2

mol/

L,温度设定为（80士3）°C.试验过程中，在达到规定

的碱蚀时间（6、12、24、48、72

h）后，取出试样，参考

JC

561.2—2006.增强用玻璃纤维网布第2部分：

聚合物基外墙外保温用玻璃纤维网》对试样进行处

理.采用QUANTA

450型扫描电子显微镜（SEM）

观察纤维的微观形貌，采用扫描电子显微镜自带能

谱仪（EDS）检测纤维的元素组成，采用Nicolet

6700

Flex型傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）分析纤维的结构1.2.2

弯曲试验成型的混凝土试件包括以下4类：素混凝土板

（PC）、玄武岩纤维网格布增强混凝土板（BFTRC）、

中碱玻璃纤维网格布增强混凝土板（C-GFTRC）和

耐碱玻璃纤维网格布增强混凝土板（AR-GFTRC）.

试件

均

250mmX50mmX10

mm，

配

层

为1层，混凝土保护层厚度为2

mm.试件在浇筑

24

h后拆模，在标准养护室养护至28

d龄期.将养护后的试件分为3组：1组不作任何处理，

另外2组置于60

f的恒温水箱中分别浸泡3,14

d

进行加

老化

理对处理完成后的试件进行四点弯曲试验，加载

点之间以及加载点和支座之间的距离均为70

mm.

试验采用20

kN电液伺服试验机，加载过程采用位 56建筑材料学报第24卷移控制，加载速率为0.

2

mm/min.(凝胶层和沉淀层)的厚度不断增大，在碱蚀24

h时

达到2.

3

%m，且腐蚀层出现大范围剥落现象，见图

1(d)；碱蚀48

h后，腐蚀层基本完全

1(e)；碱蚀72

h后，纟

2结果及讨论2.1玄武岩纤维耐碱性能，内

层，腐蚀开始进入下一个循环，见图

腐蚀特征与碱蚀24

h2.1.1形貌

：图1、2为玄武岩纤维、中碱玻璃纤维和耐碱玻

后

类似，纟

相比于玄武岩

径减小了约45%，见图1(f).，中碱玻璃

璃纤维在80

°C

,2

mol/L的NaOH溶液中碱蚀不同

时间#)后的微观形态•从图1可以

玄武岩

碱蚀：在碱蚀前,作用更加严重，碱蚀6

h后，纟

完全被腐蚀,滑，无

缺陷，纟

径约为凝胶层，见图1(b)；碱蚀12

h后，纟

见图2(a)；碱蚀72

h后，纤维发生断裂，见图2(b).13.

0

%m，见图1(a)；碱蚀6

h后，纤维表面局部形成

碱玻璃

碱

6h

后

纟長，仅有一

粒

白色物质生成，见图

2(c)；碱蚀12

h后，腐蚀特征与碱蚀12

h后的玄武

完全被腐蚀，并伴有相

沉淀层生成，见图1(c)；随着碱蚀时间的继续增加，纟

腐蚀层岩

基本相同，见图2(d).(a)

Oh

(b)6h

(c)

12h(d)24h

(e)

48 h

图1玄武岩纤维在碱蚀不同时间后的扫描电镜图像(f)

72

hFig.

1

SEM

images

of

basalt fibers

after

alkali

corrosion

for

different

time

periods(a)

C-GF,

6

h

(b)

C-GF,

72

h

(c)

AR-GF,

6

h

(d)

AR-GF,

12

h图2玻璃纤维在碱蚀不同时间后的扫描电镜图像Fig.2

SEMimagesofglassfibersafteralkalicorrosionfordiferenttimeperiods作为量化评价纤维耐碱性能的指标之一，直径

减小率5)取决于碱蚀前的纤维直径a。)和碱蚀：

定》，选取5根纤维，每根纤维测试3个部位，结果取

平均值.纟

径减小率

时间后

纱线试验

径(乩).为减小数据的离散性，在确乃=玄

武

岩

定纤维直径时，参照GB/T

7690.

5—2013.增强材料

"k"'d

00(1)计算得到.X100%

(1)第5

:玻璃

径

0、

碱

玻

璃

和

碱

玻

璃第1期王庆轩，等：玄武岩纤维耐碱性能及其网格布对混凝土的增强效应57NaOH溶液中碱蚀后的直径减小率见图3.碱玻璃纤维在碱蚀72

h后发生断裂，即直径减小为0.此外，在经过相同时间的碱蚀处理后，中碱玻璃纤

径减小率

大；

碱玻璃

小于玄武岩

7%，说明玄武岩

径减小率径减小率，且两者的差异小于碱性

碱玻璃

1相当•2.1.2元素分析基

NaOH溶液中碱蚀前后微观形貌

图3各纤维在NaOH溶液中碱蚀后的直径减小率Fig.

3

Diameter

reduction

ratio

for

fibers

after

alkali

corrosion

in

NaOH

solution，碱蚀后的典

结构包括

层NaOH溶液

腐蚀(fiber

core)、凝胶层(gel

layer)和沉淀层(deposition

layer)，如图4(a)所示.纟

过程是一个动态过程，核心层、凝胶层和沉淀层

：从图+可以看出：在NaOH溶液中碱蚀6

h后，

•经过不同的碱蚀时间玄武岩

均

、中碱玻璃

和耐碱玻璃

率

径0%、4%、具有相同的结构

下，纟

，碱蚀产物相同•但一个碱试样(图减小，直径减小率

初始阶段碱

元素组成无法反映

元素变化•本文选取典

0%，这意味

；随着碱蚀大;在碱蚀循

时间的增加，纟

径减小率

4(b)),采用EDS定点

层、凝胶够清晰地表征72

h时，耐碱玻璃

、玄武岩纤维和中碱玻璃层和沉淀层的元素组成，纟

纤维的直径减小率分别达到了

52%、54%

.100%

,

个碱蚀过程

元素组

.元素变化•表2列出了玄武岩说 碱蚀时间

加，纟

生严重腐、

碱玻璃

和

碱玻璃

碱

24h

后

蚀,腐蚀层

大范围

，直径

减小•其中，中

Crystalline

compoundDeposition

layerGel

layerFiber

core(a)

Schematic

illustration图4玄武岩

(b)

SEM

imageNaOH溶液中碱蚀24

h后的典型结构Fig.

4

Typical structure

of

basalt

fiber

after

alkali

corrosion

in

NaOH

solution

for

24

h表2各纤维在碱蚀24

h后的元素组成Table

2

Elemental

composition

of fibers

after

alkaii

corrosion

for

24

h

Fiber3/

%Ti0.50.60.6LayerFiber

coreSi30.

5Al6.75.

1Fe4.7Ca3.8MgNa2.0K1.5Zr000000O47.646.345.32.74.64.9BFGelDeposition27.

625.

335.

933.230.232.27.55.97.95.01.20.36.01.20.20.34.

32.311.2000000FibercoreC-GF1.82.40000.348.7GelDeposition1.97.37.64.38.58.30.20.20.80.70.847.447.31.80.40.30.312.62.26.03.6000FibercoreAR-GF10.510.611.345.143.842.9GelDeposition29.928.

00.40.39.56.958建筑材料学报第：4卷由表2可知：玄武岩纤维的主要构成元素为O、

和Ca,约占纤维总质量的93.

3%

；中碱玻

在凝胶层表面•因此，对于碱蚀后的玄武岩纤维，从

核心层到沉淀层，Si、Al和Na元素的含量减少，Fe、

Ca和Mg元素的含量增加.研究

璃

构成元素为O、Si、Na和Ca,约占纤维，纟

Fe、总质

95.6%

；耐碱玻璃

构成元素为O

、Si

、

Na

和

Zr,

占

总

质

96.3%Ca和Ti元素有

提高玄武岩

碱性能*10皿.玄武岩

来说，在碱蚀初期，在纤维表面碱

玻

璃

和

碱

玻

璃

$初始缺

，OH-

了

（硅氧：层到沉淀层，Si、Al和Na元素含量减少，Ca和

Mg元素

四面体骨架/铝氧四面体骨架），使Si,

Al元素溶出,

力口.

•

，耐碱玻璃

Zr同时碱金属氧化物（NazO'K：。）与水发生反应

元素约占纤维总质

10.

5%，且沉淀层的Zr

液中，引起Na、K元素

，另外，反应生成元素

相比

会

层有所增加，在碱蚀过程OH-加

了碱蚀反应；随着碱蚀反应的进行，纤

一层保护壳，能够有效维表面形成多孔凝胶层（Si-OH/Al-OH），碱土

金属氧化物（CaO、MgO）、铁氧化物（FeO,Fe2O3

）及

地抑制OH-向

络

层扩散*18+.另外，作

勺Zr—O-Si，:更，Zr与Si结合

水化反应生

聚集，形成沉淀层，

化物

层向凝胶层表面Fe、Ca和Mg元素含大，不易断裂.2.1.3红外光谱分析高*16+；

碱蚀反应的继续，Fe、Ca和Mg元图5为玄武岩

碱

后

、中碱玻璃纤维和耐碱玻璃外光谱.素继续向沉淀层

，沉淀层不断发展，并完全覆盖Wavenumber/cm'1(a) BFWavenumber/cm'1(b)

C-GF图5各纤维在碱蚀前后的红外光谱Wavenumber/cm-1(c)

AR-GFFig.

5

FTIR

spectra

of

fibers

before

and

after

alkali

corrosion从图5可以看出，相比于未腐蚀的纤维，腐蚀后

减弱，表明纤维结构中Si—O和Al—O键受到碱液OH-的碱

作用发生断裂；在500

cmk1以下位

的+种纤维在1

000、780

cmk1附近和500

cm^1以下

置

880

cmk1附近

有变缓趋势，吸收强度减弱，而在置特征峰吸收强度的减弱，说

金属氧化化物，消耗了金吸收强度

变得尖锐，吸收强度

•玄物

液

水发生反应，生

武岩纤维和耐碱玻璃

变化较小，而中碱玻璃纤属氧化物880

cmk1附近

验变化相了硅氧四面体的Si—O

了

Si-H2.1.4碱蚀机理OH-发生反应生成基

有研究*17心22+和光谱分析理论，各特征1的Si-O,A1-O结构单元

峰产生的可能原因如下:1

000

cmk1附近的吸收峰

汶寸I玄武岩

体溶解反应

NaOH

液

碱

过

程

以

基伸

动

*1719+；

880

cmk1附近的吸收

•碱液中的OH-会

硅氧Si—H结构单元

动引起*20+

；780

cmk1附近的吸取决

价和四

和铝

四

骨架，

Si-O

和

Al-O

收

Si—O、A1-O结构单元的弯曲振动引断裂，网络解体产生［—Si—O+-和［—Al—O+-群纟

起*17,2门；500

cmk1以下位置

so

和AlOs溶于溶液中⑻18,3，纤维表面形成腐

蚀层，并

二价

，是由碱金属（K、Na）或碱土金属（Ca、层

，有

径减小.Mg）的氧化物（M-O）振动引起，且包括Si-O-Si

基

玄武岩

NaOH

液

碱

后弯曲振动或其与M-O的耦合振动*22+.形貌

，得出碱蚀过程如图6所示.图5中1

000、780

cmk1附近特征峰吸收强度的图6

，在NaOH溶液中，玄武岩纤维的第1期王庆轩，等：玄武岩纤维耐碱性能及其网格布对混凝土的增强效应59Stage

1

Stage

2

Stage

3

Stage

4图6玄武岩

NOH溶液 碱蚀过程Fig.

6

Alkali

corrosion

process

of

basalt

fiber

in

NaOH

solution碱蚀过程包括4个阶段.第1阶段:

制备及加工过程中，纤维表面产生了一

小

缺陷(如

刮痕、裂缝、孔)「24+•纟

入NaOH溶液后,

缺

：最先受到碱蚀,小缺陷扩展变为大缺陷*5+

•第2阶段：随着碱蚀反应的进行，纤维表面形成

多孔凝胶层(图1(b)).纟

凝胶层

径

'(0.

5

%m)远大于水分子、OHk及金属离子的直径,

水

、OHk和金属离子能够自由穿过该凝胶层,

导致凝胶层发生膨胀,

大，加快了

腐「7,18].另外，纤维组

碱土金属氧化物、铁氧化物

水化反应生

化物，以颗粒

；式附 凝胶层

，

碱蚀程度

重(位大量聚集，呈 ：.第3阶段：反应界面不断向核心层发展，金属氧

化物通过扩散和水化反应继续向沉淀层聚集，片状

产物连

，形成完

沉淀层覆盖沉淀层厚度不断变大，且结构更加

■/第

4

段

：

碱

反

应 进行，

凝

胶

层孔的结构

反应界

大大减弱了凝胶层层

结性能；水

入导致凝胶层体膨胀，

层与凝胶层

作用变大;另外，随着沉淀层扩散物质和反应产物

，物质间物理挤压作用不断增大•在以

因素

同作用下，腐蚀层发生断裂、剥落，核心层进入 碱蚀循环•在整个碱蚀过程中，纟

径不断减小•2.1.5碱蚀模型Forster等*6+采用腐蚀层厚度与碱蚀时间的线

性模型表征了玄武岩纤维的碱蚀过程•

Khawam

「27[

了常用的反应过程动力学模型，并按照成生长模型、反应级模型、几何收缩模型和扩散模

进行了总结和数学推导•本文基

反应级模型、几何收缩模型和扩散模型*7+

,并结合纤

维圆

结构

，采用零级模型、收缩圆 模

型和二维扩散模型分析了玄武岩纤维在NaOH液

碱

过程

溶

/以上3个模型的关键是确定转换系数«，

其计算公式*7+如下•a———90

~mtm

0

—mz、：丿式中：m°为纤维的初始质量；9/为碱蚀：时间后纤

质量终质量，假

0・碱

后 度

，联立式(1)和(2),得到少与a的函

系，见式(3a=1

—

(1

—

52

(3)OHk

碱

液

扩

散

过

程

用

零

级

模进行

，

理

函

见

(4

%/反

应

过

程、碱溶液的初始浓度和OHk的扩散速率相

OH-碱

,

径减小的反应

过

程

用收

圆

模

进

行

，

理

函

见式(5).纟

碱

率取决于反应界面向核心层推

进

率，

反 应

过程

OHk

度

和有关.纟

碱蚀作用后,

腐蚀层，且腐蚀层厚度不断增大，这意味着OHk的扩散

路程增加，穿过腐蚀层

反应界

时间增加，碱率

•对该过程使用二维扩散模型进行见

应

过

程

取

决

碱

液

：,理函(6%

反OHk浓度和OHk在腐蚀层内的扩散速率.%(a)=a

(4)%(a)

=

1

—槡

1

—a

(5)%(a)

=

*1

—a)ln(1

—a)

la

(6)式中：％(a)

理函基于玄武岩

、中碱玻璃

和耐碱玻璃纤维在不同碱蚀时间(6、12、24、48、72

h)下的转换系

a,根据式(4)〜(6),计算得到3

采用以上模型表示的%

(,)值，并对碱蚀时间：(横坐标)和

G(,)(纵坐标)进行拟合，见图7.图7可见，对于玄武岩

、中碱玻璃纤维和耐碱玻璃

，采用零级模型和收缩圆

模

!示的%(,)值和碱蚀时间之间

系是一次函

:系，且两者具有很高的相关性(B2〉0・93)，表明3种

NaOH溶液

碱蚀过程均符合零级模型和收

圆

模

，

采 用

零

级

模

和

收

圆

模型来

•这意味着OH-的扩散过程和OH-的反应过程均会

碱蚀反应

率控制步骤，2个过程的反应速率相当•但采用二维扩散模

示%

(,)值和碱蚀时间之间

系不是线性关系，表二

扩散

模

不

用 碱

过

程因

碱蚀作用后，随着时间

加，纤60建筑材料学报第24卷0(a)BF1.0尹二0.010

6x

疋二0.9820

40

t/h(b)

C-GF60

800.80.6Zero

order

model二0.006

8x丿/疋二0.9於0.4_

Contractingcylinder

mod步/0.2〜•丄

diffusion

model40t/h(c)

AR-GF图7各纤维在NaOH溶液中的碱蚀模型80Fig.

7

Alkali

corrosion

model

of

fibers

in

NaOH

solution维表面的腐蚀层厚度因碱蚀产物“生成、聚集和剥

化时间越长，降低幅度越大•其中，未老化的BFTRC

落”的循环过程并非持续增加，OHk穿过腐蚀层的

扩散速率也会因

生变化.2.2玄武岩

网格布

板极限荷载为393.

2

N,老化3、14

d后，极限荷载分

别降低了

12%,36%.的增强效应Shah等图8（a）〜（c）分别为未老化处理、60

f老化3

d

和60

f老化14

d

*+

研究引入老化系数（人）和

8混凝土

应，

借鉴系数混凝土板的荷（EJ这2个评价指标：老化系载-挠度曲线•借鉴GB/T

15231—2008（（玻璃纤维增强水泥性

混凝土板在老化

化

时间后某一性能指标的值与老比值;增强系

混凝土板PC板、BFTRC能试验

/根据图8计

试件的弯曲性能指

老化

时间后某一性能指标的值与老化前素混标:抗弯初裂强度兀、抗弯强度兀和

吸收值?,

结果见表3.图8和表+可知：对于未老化的试件，PC板

凝土板的比值.根据表3计

板.C-GFTRC板和AR-GFTRC板抗弯初裂强度、弯强度和

4/4可知：在60

f老化条件下，PC板的抗弯

吸收值的老化系数和

系数，见在开裂后 ，具有

性

,苛载为187.0

N；掺入

提高了混凝土板的极限荷载，并改善了韧性；相比于PC板,

BFTRC板、C-GFTRC板和AR-GFTRC板的极限

初裂强度、抗弯强度基本无变化，上

吸收值也无变化趋势，表明60

f的老化条件

混凝土基体

荷载

提高了

110%、68%和92%，能量吸收值分改善了试件开裂后的应力重

基

、滑

提高了

63,39,51倍.这是因为掺入性

产生不

，这也说明了混凝土板老化后

学性变化

和

后，一

，另一方了大；另外，试件抗弯初裂强度的老化系性

面在加载过程

系数与1的相对差异均未超过10%，这是取决于混凝土基体.老化后试件

载均呈

趋势，且老

因为试件开裂 第1期王庆轩，等：玄武岩纤维耐碱性能及其网格布对混凝土的增强效应614N/PEOJ表3各试件的弯曲性能指标Table

3

Flexural

property

indices

of

specimensConditionSpecimenPCUnagedAR-GFTRCPCAged

at60

fN/PEOJfor

3

dAgedat60

f20o-00000002

4

6

Deflection/mm(a)

Unaged3008 1002

4

6

8

Deflection/mm(b)

Aged

at

60

汇

for

3

d1020111000

4

6

Deflection/mm(c)

Aged

at

60

T

for

14

d2

8图8纤维网格布增强混凝土板的荷载-挠度曲线Fig

8

Load-deflectioncurvesforfibertextilereinforcedconcreteslabs表4各试件抗弯初

、抗弯强度和能量吸收值的老化系数和增强系数(r/MPa7.

98.

6(m/MPa7.9D/J0.0442.*27Table

4

Aand

Ec

of

first-crack strength,

flexural

strength

andenergyab*orptionof*pecimen*c

BFTRCC-GFTRC16.5IndexAging

timedPCBFTRCC-GFTRCAR-GFTRC/AcEc*.7*.1Ac0.9*Ec1.071.05Ac0.900.900.730.59Ec0.990.991.22Ac1.041.040.*50.62Ec1.0*1.0*13.215.17.91.7402.2*2(cr3141.001.000.9*0.9*0.96BFTRCC-GFTRC7.9*.47.*0.05514.59.62.1111.094(m3141.001.000.9*0.9*0.**1.*50.641.360.991.641.1*AR-GFTRCPC8.

512.97.71.7270.0341.25*D3141.250.771.250.770.754*.000.4429.000.6324.900.7639.000.4624.007.78.

27.*0.3614.00BFTRCC-GFTRC10.77.*9.33)4d后，BFTRC板抗弯强度的增强系数分别为

1.85).36,能量吸收值

for

14

d0.621AR-GFTRC*.51.053系

加，纟

48.00、29.

00.

老化时间 混对于BFTRC板，老化3)4d后，抗弯强度的老

凝土抗弯强度和韧性的提高效果变差，但与素混凝

化系

0.

88.0.

64,能量吸收值的老化系数土试件相比，性

较大提升•

碱

有

改善，

韧性

了我们，在进行

分别为0.

75).

44.这是因为随着老化时间的增加,

混混凝土基体碱蚀作用下

并

，纟

腐蚀层,凝土构件设计时，

因

混凝土基系数，其值与设计使用有效截

围基

减小，承载力承载

，上

结性

•老化62建筑材料学报第24卷BFTRC板与AR-GFTRC板各指标的老化系

数相当，但BFTRC板的增强系数高于AR-GFTRC

板，另外，两者的老化系数和增强系数均显著大于

C-GFTRC板.表明玄武岩纤维网格布的耐碱性能

与耐碱玻璃纤维网格布相当，且均优于中碱玻璃纤

维网格布.玄武岩纤维网格布对混凝土力学性能的

提高效果最显著，耐碱玻璃纤维网格布次之，中碱玻

璃纤维网格布最差.3结论(1)

在经过相同条件的碱蚀处理后，3种纤维直

径减小率的大小关系符合：中碱玻璃纤维〉玄武岩

纤维〉耐碱玻璃纤维.其中，玄武岩纤维与耐碱玻璃

纤维的直径减小率差异小于7%.因此，玄武岩纤维

的耐碱性能与耐碱玻璃纤维相当，具有较好的耐碱

耐久性能，为其作为增强材料在混凝土中的推广应

用奠定了基础.(2)

在NaOH溶液中，碱蚀后的玄武岩纤维直径

减小，其典型结构包括核心层、凝胶层和沉淀层，碱蚀

过程可采用零级模型和收缩圆柱体模型来表征.(3)

玄武岩纤维网格布增强混凝土板抗弯强度

和能量吸收值的老化系数、增强系数均随老化时间

的增加而减小，但增强系数始终大于1,能量吸收值

的增强系数在老化14

d后仍达29.

00.(4)

在进行纤维网格布增强混凝土构件设计时，

需考虑因纤维网格布在混凝土基体中碱蚀引起的承

载力降低系数，其值与设计使用年限有关.参考文献：[1]

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2023年8月3日发(作者：)

第！4卷第1期2"21

2建筑材料学报JOURNAL

OF

BUILDING

MATERIALSVol.

24,No.

1Feb

,2021文章编号:1007-9629(2021)01-0054-10玄武岩纤维耐碱性能及其网格布对混凝土的增强效应王庆轩，丁一宁(大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024)摘要：对玄武岩纤维进行了碱蚀试验，通过比较碱蚀前后纤维的微观形貌、元素组成和分子结构，

分析了其碱蚀机理，并探究了纤维在NaOH溶液中的碱蚀模型.在此基袖上，对玄武岩纤维网格布

增强混凝土板(BFTRC)进行了加速老化试验和弯曲试验，采用老化系数(Ac)和增强系数(Ec)评价

了玄武岩纤维网格布对混凝土的增强效应.结果表明：玄武岩纤维的耐碱性能与耐碱玻璃纤维相

当；碱蚀后的玄武岩纤维直径减小，其典型结构包括核心层、凝胶层和沉淀层，碱蚀过程可采用零

级模型和收缩圆柱体模型来表征；玄武岩纤维网格布增强混凝土板抗弯强度和能量吸收值的老化

系数和增强系数均随老化时间增加而减小，但增强系数始终大于1,尤其对于能量吸收值，其增强

系数在老化14

d后仍达29.00.在进行网格布增强混凝土构件设计时，需考虑因纤维网格布在混凝

土基体中碱蚀'起的承载力降低系数.关键词：玄武岩纤维；耐碱性能；碱蚀模型；增强效应；老化系数；增强系数中图分类号:TU52&

572

文献标志码:A

doi：10.

3969/j.

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1007-9629.

2021.

01.

008Alkali

Resistance

of

Basalt

Fiber

and

Strengthening

Effect

ofIts

Textile

on

ConcreteWANG

Qingxuan,

DING

Lining(StateKeyLaboratoryofCoastalandOfshoreEngineering,Dalian

UniversityofTechnology,Dalian116024,China)Abstract:

An

alkaii

corrosion

test

on

basalt

fiber

was

carried

out

to

analyze

alkaii

corrosion

mechanism

by

comparing

micro-morphology,elementalcompositionandmolecularstructureofbasaltfiberbeforeandaf-

ter

alkaii

corrosion.

And

the

alkaii

corrosion

model

of

basalt

fiber

in

NaOH

solution

was

explored.

Then

the

accelerated

aging

test and

bending

test

regarding

basalt

fiber

textile

reinforced

concrete(BFTRC)

slabs

wereconducPedPoevaluaPePhesPrengPheningefecPofPhePexPileonconcrePeviaagingcoeficienP(Ac)and

enhancemenPcoe

ficienP(Ec).The

resulPs

showPhaPPhe

alkali

resisPance of

basalPfiber

is

comparablePo

alPfiberafPeralkalicorrosion,PhediamePerbecomessmaler,

the

typical

structure

is

composed

of

fiber

core,

gel

layer

and

deposition

layer,

and

the

dissolution

kinetics

can

be

expressed

by

zero-order

model

and

contracting

cylinder

AcandEcofflexuralstrength

and

energy

absorption

for

BFTRC

slabs

are

decreased

with

time,

and

the

Ec

is

greater

than

1.

In

particu-

lar,uctioncoef-

ficientofbearingcapacityshouldbeconsideredforthedesignofBFTRC

membersbecauseofalkalicorro-

ds

model;strengtheningefect;agingcoeficient;

enhancementcoeficient收稿日期：2019-09-09；修订日期：2019-10-27基金项目：国家自然科学基金资助项目#1578109）第一作者：王庆轩#988—），男，河南濮阳人，大连理工大学博士生•

E-mail:wqxl988@mail.

dlut.

edu.

cn通讯作者：丁一宁（1962—），男，江苏南京人，大连理工大学教授，博士生导师，博士.

E-mail:

ynding@hotmail. com第1期王庆轩，等：玄武岩纤维耐碱性能及其网格布对混凝土的增强效应55纤维网格布是以纤维（如玄武岩纤维、玻璃纤

维）为基材，通过退捻、织造、涂覆等一系列工序制成

的二维定向连续纤维增强材料，被广泛应用于外挂

板、三明治墙体、桥梁、承重薄壳结构、沿海建筑以及

梁板构件的加固补强等.这些应用要求其能够在

基体中保持较高的强度和化学稳定性，尤其是耐碱

性能*6+.然而在混凝土基体的强碱环境下（pH值大

于12.

5）*，纤维网格布的初期耐碱性能主要受表面

涂覆层影响，而纤维原丝的耐碱性能是网格布耐碱性

能及力学性能的决定性因素闪.对于玄武岩纤维的耐

碱性能，国内外学者已开展了部分研究.黄凯健等9

采用不同浓度、不同温度的碱溶液研究了玄武岩纤维

的耐碱性能，结果表明：随着碱溶液浓度和温度的提

高，玄武岩纤维的质量损失率增加，且温度对玄武岩

纤维碱蚀程度的影响更加显著.Friedrich等*10+采用微

观形态、化学组成，残余强度以及质量损失率等指标

比较分析了玄武岩纤维和玻璃纤维的耐碱性能，结果

表明：在经过相同条件的碱蚀处理后，玄武岩纤维的

表面损伤较小，且残余强度较高，耐碱性能优于玻璃

纤维.Lipatov等*11+研究了

ZrO：含量对玄武岩纤维耐

碱性能的影响，结果表明：当ZrO：含量为5.7%时，玄

武岩纤维的耐碱性能最佳.此外，针对如何提高玄武

岩纤维的耐碱性能，各国学者围绕纤维的化学组成、

表面改性等方面进行了一些研究*214.然而,关于玄

武岩纤维碱蚀机理的系统研究鲜有报道.玄武岩纤维网格布应用于混凝土应满足以下2

个条件*15+：（1）自身具有良好的力学和耐碱性能；（2）对混凝土具有增强增韧效果.玄武岩纤维网格布

在混凝土中能否保持其强度是保证其增强增韧效果， 混凝土 应因

系结构的安全性、适用性和耐久性而显得尤为重要.本文首先对玄武岩纤维进行了碱蚀试验,从碱蚀

前后纤维的微观形貌、元素组成、分子结构、碱蚀机理

及碱蚀模型5个方面对玄武岩纤维的耐碱性能进行

了系统研究，并与中碱、耐碱玻璃纤维进行了对比.在

此基础上，研究了素混凝土板、玄武岩纤维网格布增

混凝土板和

碱、

碱玻璃

混凝土板在加速老化试验前后的弯曲性能，进而评价了玄武

岩纤维网格布对混凝土的增强效应.1试验1.

1原材料采用国产玄武岩纤维（BF）网格布、中碱玻璃纤

1）文中涉及的含量、组成等均为质量分数.维（C-GF）网格布（ZrO：含量」为0%）和耐碱玻璃

纤维（AR-GF）网格布（ZrO：含量为14.

5%）.

3种网

格布的网孔尺寸均为5 mmX5

mm.玄武岩纤维单

丝直径d=13

%m，弹性模量E=96.0 GPa；中碱玻

璃纤维d

=

13

%m,E

=

80.

5

GPa；耐碱玻璃纤维d

=

16

%m,E

=

80.

5

GPa.水泥采用

P

•

O

42.

5R

普通

硅酸盐水泥；细骨料为石英砂，粒径为0〜2

mm；减

水剂采用聚竣酸系高效减水剂；水为自来水.混凝土

水胶比mw/mb为0.

35

,其余配合比见表1.混凝土

28d立方体抗压强度为50.

5

MPa.表1

混凝土配合比Table1

Mixproportionofconcrete

kg/m3SandCementWaterSuper-0-1

mm1-2

mmplasticizer6.21.2试验方法1.2.1

碱

试验为了研究纤维的碱蚀机理，本文分别对标记后

玄武岩

、

碱玻璃

和

碱玻璃

进行了碱蚀试验.碱液采用NaOH溶液，浓度为2

mol/

L,温度设定为（80士3）°C.试验过程中，在达到规定

的碱蚀时间（6、12、24、48、72

h）后，取出试样，参考

JC

561.2—2006.增强用玻璃纤维网布第2部分：

聚合物基外墙外保温用玻璃纤维网》对试样进行处

理.采用QUANTA

450型扫描电子显微镜（SEM）

观察纤维的微观形貌，采用扫描电子显微镜自带能

谱仪（EDS）检测纤维的元素组成，采用Nicolet

6700

Flex型傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）分析纤维的结构1.2.2

弯曲试验成型的混凝土试件包括以下4类：素混凝土板

（PC）、玄武岩纤维网格布增强混凝土板（BFTRC）、

中碱玻璃纤维网格布增强混凝土板（C-GFTRC）和

耐碱玻璃纤维网格布增强混凝土板（AR-GFTRC）.

试件

均

250mmX50mmX10

mm，

配

层

为1层，混凝土保护层厚度为2

mm.试件在浇筑

24

h后拆模，在标准养护室养护至28

d龄期.将养护后的试件分为3组：1组不作任何处理，

另外2组置于60

f的恒温水箱中分别浸泡3,14

d

进行加

老化

理对处理完成后的试件进行四点弯曲试验，加载

点之间以及加载点和支座之间的距离均为70

mm.

试验采用20

kN电液伺服试验机，加载过程采用位 56建筑材料学报第24卷移控制，加载速率为0.

2

mm/min.(凝胶层和沉淀层)的厚度不断增大，在碱蚀24

h时

达到2.

3

%m，且腐蚀层出现大范围剥落现象，见图

1(d)；碱蚀48

h后，腐蚀层基本完全

1(e)；碱蚀72

h后，纟

2结果及讨论2.1玄武岩纤维耐碱性能，内

层，腐蚀开始进入下一个循环，见图

腐蚀特征与碱蚀24

h2.1.1形貌

：图1、2为玄武岩纤维、中碱玻璃纤维和耐碱玻

后

类似，纟

相比于玄武岩

径减小了约45%，见图1(f).，中碱玻璃

璃纤维在80

°C

,2

mol/L的NaOH溶液中碱蚀不同

时间#)后的微观形态•从图1可以

玄武岩

碱蚀：在碱蚀前,作用更加严重，碱蚀6

h后，纟

完全被腐蚀,滑，无

缺陷，纟

径约为凝胶层，见图1(b)；碱蚀12

h后，纟

见图2(a)；碱蚀72

h后，纤维发生断裂，见图2(b).13.

0

%m，见图1(a)；碱蚀6

h后，纤维表面局部形成

碱玻璃

碱

6h

后

纟長，仅有一

粒

白色物质生成，见图

2(c)；碱蚀12

h后，腐蚀特征与碱蚀12

h后的玄武

完全被腐蚀，并伴有相

沉淀层生成，见图1(c)；随着碱蚀时间的继续增加，纟

腐蚀层岩

基本相同，见图2(d).(a)

Oh

(b)6h

(c)

12h(d)24h

(e)

48 h

图1玄武岩纤维在碱蚀不同时间后的扫描电镜图像(f)

72

hFig.

1

SEM

images

of

basalt fibers

after

alkali

corrosion

for

different

time

periods(a)

C-GF,

6

h

(b)

C-GF,

72

h

(c)

AR-GF,

6

h

(d)

AR-GF,

12

h图2玻璃纤维在碱蚀不同时间后的扫描电镜图像Fig.2

SEMimagesofglassfibersafteralkalicorrosionfordiferenttimeperiods作为量化评价纤维耐碱性能的指标之一，直径

减小率5)取决于碱蚀前的纤维直径a。)和碱蚀：

定》，选取5根纤维，每根纤维测试3个部位，结果取

平均值.纟

径减小率

时间后

纱线试验

径(乩).为减小数据的离散性，在确乃=玄

武

岩

定纤维直径时，参照GB/T

7690.

5—2013.增强材料

"k"'d

00(1)计算得到.X100%

(1)第5

:玻璃

径

0、

碱

玻

璃

和

碱

玻

璃第1期王庆轩，等：玄武岩纤维耐碱性能及其网格布对混凝土的增强效应57NaOH溶液中碱蚀后的直径减小率见图3.碱玻璃纤维在碱蚀72

h后发生断裂，即直径减小为0.此外，在经过相同时间的碱蚀处理后，中碱玻璃纤

径减小率

大；

碱玻璃

小于玄武岩

7%，说明玄武岩

径减小率径减小率，且两者的差异小于碱性

碱玻璃

1相当•2.1.2元素分析基

NaOH溶液中碱蚀前后微观形貌

图3各纤维在NaOH溶液中碱蚀后的直径减小率Fig.

3

Diameter

reduction

ratio

for

fibers

after

alkali

corrosion

in

NaOH

solution，碱蚀后的典

结构包括

层NaOH溶液

腐蚀(fiber

core)、凝胶层(gel

layer)和沉淀层(deposition

layer)，如图4(a)所示.纟

过程是一个动态过程，核心层、凝胶层和沉淀层

：从图+可以看出：在NaOH溶液中碱蚀6

h后，

•经过不同的碱蚀时间玄武岩

均

、中碱玻璃

和耐碱玻璃

率

径0%、4%、具有相同的结构

下，纟

，碱蚀产物相同•但一个碱试样(图减小，直径减小率

初始阶段碱

元素组成无法反映

元素变化•本文选取典

0%，这意味

；随着碱蚀大;在碱蚀循

时间的增加，纟

径减小率

4(b)),采用EDS定点

层、凝胶够清晰地表征72

h时，耐碱玻璃

、玄武岩纤维和中碱玻璃层和沉淀层的元素组成，纟

纤维的直径减小率分别达到了

52%、54%

.100%

,

个碱蚀过程

元素组

.元素变化•表2列出了玄武岩说 碱蚀时间

加，纟

生严重腐、

碱玻璃

和

碱玻璃

碱

24h

后

蚀,腐蚀层

大范围

，直径

减小•其中，中

Crystalline

compoundDeposition

layerGel

layerFiber

core(a)

Schematic

illustration图4玄武岩

(b)

SEM

imageNaOH溶液中碱蚀24

h后的典型结构Fig.

4

Typical structure

of

basalt

fiber

after

alkali

corrosion

in

NaOH

solution

for

24

h表2各纤维在碱蚀24

h后的元素组成Table

2

Elemental

composition

of fibers

after

alkaii

corrosion

for

24

h

Fiber3/

%Ti0.50.60.6LayerFiber

coreSi30.

5Al6.75.

1Fe4.7Ca3.8MgNa2.0K1.5Zr000000O47.646.345.32.74.64.9BFGelDeposition27.

625.

335.

933.230.232.27.55.97.95.01.20.36.01.20.20.34.

32.311.2000000FibercoreC-GF1.82.40000.348.7GelDeposition1.97.37.64.38.58.30.20.20.80.70.847.447.31.80.40.30.312.62.26.03.6000FibercoreAR-GF10.510.611.345.143.842.9GelDeposition29.928.

00.40.39.56.958建筑材料学报第：4卷由表2可知：玄武岩纤维的主要构成元素为O、

和Ca,约占纤维总质量的93.

3%

；中碱玻

在凝胶层表面•因此，对于碱蚀后的玄武岩纤维，从

核心层到沉淀层，Si、Al和Na元素的含量减少，Fe、

Ca和Mg元素的含量增加.研究

璃

构成元素为O、Si、Na和Ca,约占纤维，纟

Fe、总质

95.6%

；耐碱玻璃

构成元素为O

、Si

、

Na

和

Zr,

占

总

质

96.3%Ca和Ti元素有

提高玄武岩

碱性能*10皿.玄武岩

来说，在碱蚀初期，在纤维表面碱

玻

璃

和

碱

玻

璃

$初始缺

，OH-

了

（硅氧：层到沉淀层，Si、Al和Na元素含量减少，Ca和

Mg元素

四面体骨架/铝氧四面体骨架），使Si,

Al元素溶出,

力口.

•

，耐碱玻璃

Zr同时碱金属氧化物（NazO'K：。）与水发生反应

元素约占纤维总质

10.

5%，且沉淀层的Zr

液中，引起Na、K元素

，另外，反应生成元素

相比

会

层有所增加，在碱蚀过程OH-加

了碱蚀反应；随着碱蚀反应的进行，纤

一层保护壳，能够有效维表面形成多孔凝胶层（Si-OH/Al-OH），碱土

金属氧化物（CaO、MgO）、铁氧化物（FeO,Fe2O3

）及

地抑制OH-向

络

层扩散*18+.另外，作

勺Zr—O-Si，:更，Zr与Si结合

水化反应生

聚集，形成沉淀层，

化物

层向凝胶层表面Fe、Ca和Mg元素含大，不易断裂.2.1.3红外光谱分析高*16+；

碱蚀反应的继续，Fe、Ca和Mg元图5为玄武岩

碱

后

、中碱玻璃纤维和耐碱玻璃外光谱.素继续向沉淀层

，沉淀层不断发展，并完全覆盖Wavenumber/cm'1(a) BFWavenumber/cm'1(b)

C-GF图5各纤维在碱蚀前后的红外光谱Wavenumber/cm-1(c)

AR-GFFig.

5

FTIR

spectra

of

fibers

before

and

after

alkali

corrosion从图5可以看出，相比于未腐蚀的纤维，腐蚀后

减弱，表明纤维结构中Si—O和Al—O键受到碱液OH-的碱

作用发生断裂；在500

cmk1以下位

的+种纤维在1

000、780

cmk1附近和500

cm^1以下

置

880

cmk1附近

有变缓趋势，吸收强度减弱，而在置特征峰吸收强度的减弱，说

金属氧化化物，消耗了金吸收强度

变得尖锐，吸收强度

•玄物

液

水发生反应，生

武岩纤维和耐碱玻璃

变化较小，而中碱玻璃纤属氧化物880

cmk1附近

验变化相了硅氧四面体的Si—O

了

Si-H2.1.4碱蚀机理OH-发生反应生成基

有研究*17心22+和光谱分析理论，各特征1的Si-O,A1-O结构单元

峰产生的可能原因如下:1

000

cmk1附近的吸收峰

汶寸I玄武岩

体溶解反应

NaOH

液

碱

过

程

以

基伸

动

*1719+；

880

cmk1附近的吸收

•碱液中的OH-会

硅氧Si—H结构单元

动引起*20+

；780

cmk1附近的吸取决

价和四

和铝

四

骨架，

Si-O

和

Al-O

收

Si—O、A1-O结构单元的弯曲振动引断裂，网络解体产生［—Si—O+-和［—Al—O+-群纟

起*17,2门；500

cmk1以下位置

so

和AlOs溶于溶液中⑻18,3，纤维表面形成腐

蚀层，并

二价

，是由碱金属（K、Na）或碱土金属（Ca、层

，有

径减小.Mg）的氧化物（M-O）振动引起，且包括Si-O-Si

基

玄武岩

NaOH

液

碱

后弯曲振动或其与M-O的耦合振动*22+.形貌

，得出碱蚀过程如图6所示.图5中1

000、780

cmk1附近特征峰吸收强度的图6

，在NaOH溶液中，玄武岩纤维的第1期王庆轩，等：玄武岩纤维耐碱性能及其网格布对混凝土的增强效应59Stage

1

Stage

2

Stage

3

Stage

4图6玄武岩

NOH溶液 碱蚀过程Fig.

6

Alkali

corrosion

process

of

basalt

fiber

in

NaOH

solution碱蚀过程包括4个阶段.第1阶段:

制备及加工过程中，纤维表面产生了一

小

缺陷(如

刮痕、裂缝、孔)「24+•纟

入NaOH溶液后,

缺

：最先受到碱蚀,小缺陷扩展变为大缺陷*5+

•第2阶段：随着碱蚀反应的进行，纤维表面形成

多孔凝胶层(图1(b)).纟

凝胶层

径

'(0.

5

%m)远大于水分子、OHk及金属离子的直径,

水

、OHk和金属离子能够自由穿过该凝胶层,

导致凝胶层发生膨胀,

大，加快了

腐「7,18].另外，纤维组

碱土金属氧化物、铁氧化物

水化反应生

化物，以颗粒

；式附 凝胶层

，

碱蚀程度

重(位大量聚集，呈 ：.第3阶段：反应界面不断向核心层发展，金属氧

化物通过扩散和水化反应继续向沉淀层聚集，片状

产物连

，形成完

沉淀层覆盖沉淀层厚度不断变大，且结构更加

■/第

4

段

：

碱

反

应 进行，

凝

胶

层孔的结构

反应界

大大减弱了凝胶层层

结性能；水

入导致凝胶层体膨胀，

层与凝胶层

作用变大;另外，随着沉淀层扩散物质和反应产物

，物质间物理挤压作用不断增大•在以

因素

同作用下，腐蚀层发生断裂、剥落，核心层进入 碱蚀循环•在整个碱蚀过程中，纟

径不断减小•2.1.5碱蚀模型Forster等*6+采用腐蚀层厚度与碱蚀时间的线

性模型表征了玄武岩纤维的碱蚀过程•

Khawam

「27[

了常用的反应过程动力学模型，并按照成生长模型、反应级模型、几何收缩模型和扩散模

进行了总结和数学推导•本文基

反应级模型、几何收缩模型和扩散模型*7+

,并结合纤

维圆

结构

，采用零级模型、收缩圆 模

型和二维扩散模型分析了玄武岩纤维在NaOH液

碱

过程

溶

/以上3个模型的关键是确定转换系数«，

其计算公式*7+如下•a———90

~mtm

0

—mz、：丿式中：m°为纤维的初始质量；9/为碱蚀：时间后纤

质量终质量，假

0・碱

后 度

，联立式(1)和(2),得到少与a的函

系，见式(3a=1

—

(1

—

52

(3)OHk

碱

液

扩

散

过

程

用

零

级

模进行

，

理

函

见

(4

%/反

应

过

程、碱溶液的初始浓度和OHk的扩散速率相

OH-碱

,

径减小的反应

过

程

用收

圆

模

进

行

，

理

函

见式(5).纟

碱

率取决于反应界面向核心层推

进

率，

反 应

过程

OHk

度

和有关.纟

碱蚀作用后,

腐蚀层，且腐蚀层厚度不断增大，这意味着OHk的扩散

路程增加，穿过腐蚀层

反应界

时间增加，碱率

•对该过程使用二维扩散模型进行见

应

过

程

取

决

碱

液

：,理函(6%

反OHk浓度和OHk在腐蚀层内的扩散速率.%(a)=a

(4)%(a)

=

1

—槡

1

—a

(5)%(a)

=

*1

—a)ln(1

—a)

la

(6)式中：％(a)

理函基于玄武岩

、中碱玻璃

和耐碱玻璃纤维在不同碱蚀时间(6、12、24、48、72

h)下的转换系

a,根据式(4)〜(6),计算得到3

采用以上模型表示的%

(,)值，并对碱蚀时间：(横坐标)和

G(,)(纵坐标)进行拟合，见图7.图7可见，对于玄武岩

、中碱玻璃纤维和耐碱玻璃

，采用零级模型和收缩圆

模

!示的%(,)值和碱蚀时间之间

系是一次函

:系，且两者具有很高的相关性(B2〉0・93)，表明3种

NaOH溶液

碱蚀过程均符合零级模型和收

圆

模

，

采 用

零

级

模

和

收

圆

模型来

•这意味着OH-的扩散过程和OH-的反应过程均会

碱蚀反应

率控制步骤，2个过程的反应速率相当•但采用二维扩散模

示%

(,)值和碱蚀时间之间

系不是线性关系，表二

扩散

模

不

用 碱

过

程因

碱蚀作用后，随着时间

加，纤60建筑材料学报第24卷0(a)BF1.0尹二0.010

6x

疋二0.9820

40

t/h(b)

C-GF60

800.80.6Zero

order

model二0.006

8x丿/疋二0.9於0.4_

Contractingcylinder

mod步/0.2〜•丄

diffusion

model40t/h(c)

AR-GF图7各纤维在NaOH溶液中的碱蚀模型80Fig.

7

Alkali

corrosion

model

of

fibers

in

NaOH

solution维表面的腐蚀层厚度因碱蚀产物“生成、聚集和剥

化时间越长，降低幅度越大•其中，未老化的BFTRC

落”的循环过程并非持续增加，OHk穿过腐蚀层的

扩散速率也会因

生变化.2.2玄武岩

网格布

板极限荷载为393.

2

N,老化3、14

d后，极限荷载分

别降低了

12%,36%.的增强效应Shah等图8（a）〜（c）分别为未老化处理、60

f老化3

d

和60

f老化14

d

*+

研究引入老化系数（人）和

8混凝土

应，

借鉴系数混凝土板的荷（EJ这2个评价指标：老化系载-挠度曲线•借鉴GB/T

15231—2008（（玻璃纤维增强水泥性

混凝土板在老化

化

时间后某一性能指标的值与老比值;增强系

混凝土板PC板、BFTRC能试验

/根据图8计

试件的弯曲性能指

老化

时间后某一性能指标的值与老化前素混标:抗弯初裂强度兀、抗弯强度兀和

吸收值?,

结果见表3.图8和表+可知：对于未老化的试件，PC板

凝土板的比值.根据表3计

板.C-GFTRC板和AR-GFTRC板抗弯初裂强度、弯强度和

4/4可知：在60

f老化条件下，PC板的抗弯

吸收值的老化系数和

系数，见在开裂后 ，具有

性

,苛载为187.0

N；掺入

提高了混凝土板的极限荷载，并改善了韧性；相比于PC板,

BFTRC板、C-GFTRC板和AR-GFTRC板的极限

初裂强度、抗弯强度基本无变化，上

吸收值也无变化趋势，表明60

f的老化条件

混凝土基体

荷载

提高了

110%、68%和92%，能量吸收值分改善了试件开裂后的应力重

基

、滑

提高了

63,39,51倍.这是因为掺入性

产生不

，这也说明了混凝土板老化后

学性变化

和

后，一

，另一方了大；另外，试件抗弯初裂强度的老化系性

面在加载过程

系数与1的相对差异均未超过10%，这是取决于混凝土基体.老化后试件

载均呈

趋势，且老

因为试件开裂 第1期王庆轩，等：玄武岩纤维耐碱性能及其网格布对混凝土的增强效应614N/PEOJ表3各试件的弯曲性能指标Table

3

Flexural

property

indices

of

specimensConditionSpecimenPCUnagedAR-GFTRCPCAged

at60

fN/PEOJfor

3

dAgedat60

f20o-00000002

4

6

Deflection/mm(a)

Unaged3008 1002

4

6

8

Deflection/mm(b)

Aged

at

60

汇

for

3

d1020111000

4

6

Deflection/mm(c)

Aged

at

60

T

for

14

d2

8图8纤维网格布增强混凝土板的荷载-挠度曲线Fig

8

Load-deflectioncurvesforfibertextilereinforcedconcreteslabs表4各试件抗弯初

、抗弯强度和能量吸收值的老化系数和增强系数(r/MPa7.

98.

6(m/MPa7.9D/J0.0442.*27Table

4

Aand

Ec

of

first-crack strength,

flexural

strength

andenergyab*orptionof*pecimen*c

BFTRCC-GFTRC16.5IndexAging

timedPCBFTRCC-GFTRCAR-GFTRC/AcEc*.7*.1Ac0.9*Ec1.071.05Ac0.900.900.730.59Ec0.990.991.22Ac1.041.040.*50.62Ec1.0*1.0*13.215.17.91.7402.2*2(cr3141.001.000.9*0.9*0.96BFTRCC-GFTRC7.9*.47.*0.05514.59.62.1111.094(m3141.001.000.9*0.9*0.**1.*50.641.360.991.641.1*AR-GFTRCPC8.

512.97.71.7270.0341.25*D3141.250.771.250.770.754*.000.4429.000.6324.900.7639.000.4624.007.78.

27.*0.3614.00BFTRCC-GFTRC10.77.*9.33)4d后，BFTRC板抗弯强度的增强系数分别为

1.85).36,能量吸收值

for

14

d0.621AR-GFTRC*.51.053系

加，纟

48.00、29.

00.

老化时间 混对于BFTRC板，老化3)4d后，抗弯强度的老

凝土抗弯强度和韧性的提高效果变差，但与素混凝

化系

0.

88.0.

64,能量吸收值的老化系数土试件相比，性

较大提升•

碱

有

改善，

韧性

了我们，在进行

分别为0.

75).

44.这是因为随着老化时间的增加,

混混凝土基体碱蚀作用下

并

，纟

腐蚀层,凝土构件设计时，

因

混凝土基系数，其值与设计使用有效截

围基

减小，承载力承载

，上

结性

•老化62建筑材料学报第24卷BFTRC板与AR-GFTRC板各指标的老化系

数相当，但BFTRC板的增强系数高于AR-GFTRC

板，另外，两者的老化系数和增强系数均显著大于

C-GFTRC板.表明玄武岩纤维网格布的耐碱性能

与耐碱玻璃纤维网格布相当，且均优于中碱玻璃纤

维网格布.玄武岩纤维网格布对混凝土力学性能的

提高效果最显著，耐碱玻璃纤维网格布次之，中碱玻

璃纤维网格布最差.3结论(1)

在经过相同条件的碱蚀处理后，3种纤维直

径减小率的大小关系符合：中碱玻璃纤维〉玄武岩

纤维〉耐碱玻璃纤维.其中，玄武岩纤维与耐碱玻璃

纤维的直径减小率差异小于7%.因此，玄武岩纤维

的耐碱性能与耐碱玻璃纤维相当，具有较好的耐碱

耐久性能，为其作为增强材料在混凝土中的推广应

用奠定了基础.(2)

在NaOH溶液中，碱蚀后的玄武岩纤维直径

减小，其典型结构包括核心层、凝胶层和沉淀层，碱蚀

过程可采用零级模型和收缩圆柱体模型来表征.(3)

玄武岩纤维网格布增强混凝土板抗弯强度

和能量吸收值的老化系数、增强系数均随老化时间

的增加而减小，但增强系数始终大于1,能量吸收值

的增强系数在老化14

d后仍达29.

00.(4)

在进行纤维网格布增强混凝土构件设计时，

需考虑因纤维网格布在混凝土基体中碱蚀引起的承

载力降低系数，其值与设计使用年限有关.参考文献：[1]

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