中科院等科學(xué)家合作在玄武巖纖維耐堿腐蝕機(jī)理研究領(lǐng)域取得進(jìn)展
2023-10-09 15:35:41
作者：腐蝕與防護(hù) 來源：腐蝕與防護(hù)
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玄武巖纖維是一種性能優(yōu)異的增強(qiáng)材料，將其引入到混凝土中可有效提高后者的力學(xué)性能。由于混凝土是堿性環(huán)境，會對纖維本身以及復(fù)合材料的耐久性產(chǎn)生影響。國內(nèi)外多個科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在堿性條件下，玄武巖纖維的力學(xué)性能會降低，但相應(yīng)的機(jī)理以及堿腐蝕過程對纖維微觀結(jié)構(gòu)的影響并不是十分清晰。
中國科學(xué)院科學(xué)家團(tuán)隊(duì)——新疆理化技術(shù)研究所研究員馬鵬程團(tuán)隊(duì)與香港中文大學(xué)（深圳）研究團(tuán)隊(duì)合作，探究了堿性介質(zhì)對玄武巖纖維的影響規(guī)律。
研究人員以商業(yè)化的纖維為研究對象，系統(tǒng)研究了堿溶液類型及濃度、溫度和時(shí)間等因素對纖維力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)堿溶液類型對纖維的強(qiáng)度影響不同：在NaOH溶液中，浸泡時(shí)間越長，纖維的強(qiáng)度降低越明顯；而在KOH溶液中，堿溶液溫度對纖維強(qiáng)度的降低起關(guān)鍵作用，這是因?yàn)樾鋷r纖維中較小的Na+與KOH溶液中較大的K+之間發(fā)生離子交換，這會在纖維表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而會部分抵消外部施加的載荷。
玄武巖纖維在堿性介質(zhì)中的表面形貌及腐蝕機(jī)理示意圖
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(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)隨著堿腐蝕的加劇，纖維表面逐漸由光滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇植诮Y(jié)構(gòu)，并出現(xiàn)沉積顆粒，隨后形成板狀結(jié)構(gòu)的腐蝕層。通過紅外和拉曼光譜證實(shí)，NaOH/KOH溶液處理后，纖維表面的腐蝕層和沉積顆粒是含F(xiàn)e、Mg的氫氧化物和含Ca的硅酸鹽。基于上述表征結(jié)果，研究人員提出了玄武巖纖維在堿性環(huán)境下的腐蝕機(jī)理：在堿溶液中，纖維結(jié)構(gòu)中的Si-O-Si(Al)鍵逐漸受到OH-侵蝕，Si-O/Al-O鍵發(fā)生溶解；隨著纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，作為纖維網(wǎng)絡(luò)修飾體的金屬離子（如Na+、Fex+、Mg2+）從纖維表面浸出。同時(shí)，浸出的Fex+和Mg2+離子可與OH-反應(yīng)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(qiáng)度增強(qiáng)和OH-侵蝕引起的纖維強(qiáng)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(chǎn)生的壓應(yīng)力克服了纖維表面由于缺陷而引起的強(qiáng)度下降問題，造成纖維強(qiáng)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(dǎo)的纖維增強(qiáng)，纖維表面累積缺陷產(chǎn)生的應(yīng)力集中增加，導(dǎo)致纖維強(qiáng)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(huán)境中的CO2反應(yīng)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(jī)理，也為改善纖維的性能提供了理論依據(jù)，如纖維表面Na+和K+交換可以提高纖維的拉伸強(qiáng)度、浸潤劑中高Si-O的納米結(jié)構(gòu)將減緩纖維在OH-侵蝕下的腐蝕。
相關(guān)成果發(fā)表在《結(jié)構(gòu)與建筑材料》（Construction and Building Materials）上。研究工作得到中科院“西部之光”交叉團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作研究專項(xiàng)、新疆維吾爾自治區(qū)上海合作組織科技伙伴計(jì)劃及國際科技合作計(jì)劃等的資助。
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