新疆理化所在玄武巖纖維耐堿腐蝕機理研究領域取得進展

  玄武巖纖維是一種性能優異的增強材料,將其引入到混凝土中可有效提高后者的力學性能。由于混凝土是堿性環境,會對纖維本身以及復合材料的耐久性產生影響。國內外多個科研團隊發現在堿性條件下,玄武巖纖維的力學性能會降低,但相應的機理以及堿腐蝕過程對纖維微觀結構影響并不是特別清晰。

  近期,中科院新疆理化所馬鵬程研究員團隊與香港中文大學(深圳)鄭慶彬博士團隊合作,探究了堿性介質對玄武巖纖維的影響規律??蒲腥藛T以商業化的纖維為研究對象,系統研究了堿溶液類型及濃度、溫度和時間等因素對纖維力學性能的影響,發現堿溶液類型對纖維的強度影響不同:在NaOH溶液中,浸泡時間越長,纖維的強度降低越明顯;而在KOH溶液中,堿溶液溫度對纖維強度的降低起關鍵作用,這是因為玄武巖纖維中較小的Na+與KOH溶液中較大的K+之間發生離子交換,這會在纖維表面產生的壓應力,從而會部分抵消外部施加的載荷。
  研究人員通過掃描電子顯微鏡對玄武巖纖維的微觀形貌進行了觀察,發現隨著堿腐蝕的加劇,纖維表面逐漸由光滑狀態轉變為粗糙結構,并出現沉積顆粒,隨后形成板狀結構的腐蝕層。通過紅外和拉曼光譜證實,NaOH/KOH溶液處理后,纖維表面的腐蝕層和沉積顆粒是含Fe、Mg的氫氧化物和含Ca硅酸鹽?;谏鲜霰碚鹘Y果,研究人員提出了玄武巖纖維在堿性環境下的腐蝕機理:在堿溶液中,纖維結構中的Si-O-Si(Al)鍵逐漸受到OH-侵蝕,Si-O/Al-O鍵發生溶解;隨著纖維網絡結構被破壞,作為纖維網絡修飾體的金屬離子(如Na+,Fex+,Mg2+)從纖維表面浸出。同時,浸出的Fex+和Mg2+離子可與OH-反應形成不溶性氫氧化物,沉積在纖維表面,最終形成腐蝕層。而KOH對纖維的腐蝕包括兩個競爭過程:由Na+/K+交換引起的纖維強度增強和OH-侵蝕引起的纖維強度降低。具體而言,在KOH溶液浸泡初期,隨著纖維表面的Na+被K+取代,K+引入產生的壓應力克服了纖維表面由于缺陷而引起的強度下降問題,造成纖維強度升高;隨著腐蝕程度的加劇,纖維的Si-O-Si骨架斷裂程度超過了K+誘導的纖維增強,纖維表面累積缺陷產生的應力集中增加,導致纖維強度顯著降低。在Ca(OH)2腐蝕后,玄武巖纖維表面形成的沉積物是Ca2+與環境中的CO2反應生成的CaCO3。
  上述研究成果不僅解釋了玄武巖纖維在堿性條件下的腐蝕機理,也為改善纖維的性能提供了理論依據:如纖維表面Na+和K+交換可以提高纖維的拉伸強度、浸潤劑中高Si-O的納米結構將減緩纖維在OH-侵蝕下的腐蝕。
  相關成果近期發表在《結構與建筑材料》(Construction and Building Materials)雜志上。該研究項目得到中科院“西部之光”交叉團隊項目-重點實驗室合作研究專項、新疆維吾爾自治區上海合作組織科技伙伴計劃及國際科技合作計劃等資助。

  論文信息: 

  Li M, Xing D, Zheng Q-B, Li H, Hao B, Ma P-C. Variation on the morphology and tensile strength of basalt fiber processed in alkali solutions. Construction and Building Materials, 2022, 335, 127512 (論文鏈接). 

玄武巖纖維在堿性介質中的表面形貌及腐蝕機理示意圖玄武巖纖維在堿性介質中的表面形貌及腐蝕機理示意圖
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