玄武巖纖維耐堿性能及其網(wǎng)格布對(duì)混凝土的增強(qiáng)效應(yīng)

王慶軒，丁一寧

(大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

纖維網(wǎng)格布是以纖維(如玄武巖纖維、玻璃纖維)為基材，通過退捻、織造、涂覆等一系列工序制成的二維定向連續(xù)纖維增強(qiáng)材料，被廣泛應(yīng)用于外掛板、三明治墻體、橋梁、承重薄殼結(jié)構(gòu)、沿海建筑以及梁板構(gòu)件的加固補(bǔ)強(qiáng)等[1-5].這些應(yīng)用要求其能夠在基體中保持較高的強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，尤其是耐堿性能[6].然而在混凝土基體的強(qiáng)堿環(huán)境下(pH值大于12.5)[7]，纖維網(wǎng)格布的初期耐堿性能主要受表面涂覆層影響，而纖維原絲的耐堿性能是網(wǎng)格布耐堿性能及力學(xué)性能的決定性因素[8].對(duì)于玄武巖纖維的耐堿性能，國內(nèi)外學(xué)者已開展了部分研究.黃凱健等[9]采用不同濃度、不同溫度的堿溶液研究了玄武巖纖維的耐堿性能，結(jié)果表明：隨著堿溶液濃度和溫度的提高,玄武巖纖維的質(zhì)量損失率增加，且溫度對(duì)玄武巖纖維堿蝕程度的影響更加顯著.Friedrich等[10]采用微觀形態(tài)、化學(xué)組成，殘余強(qiáng)度以及質(zhì)量損失率等指標(biāo)比較分析了玄武巖纖維和玻璃纖維的耐堿性能，結(jié)果表明：在經(jīng)過相同條件的堿蝕處理后，玄武巖纖維的表面損傷較小，且殘余強(qiáng)度較高，耐堿性能優(yōu)于玻璃纖維.Lipatov等[11]研究了ZrO2含量對(duì)玄武巖纖維耐堿性能的影響，結(jié)果表明：當(dāng)ZrO2含量為5.7%時(shí)，玄武巖纖維的耐堿性能最佳.此外，針對(duì)如何提高玄武巖纖維的耐堿性能，各國學(xué)者圍繞纖維的化學(xué)組成、表面改性等方面進(jìn)行了一些研究[12-14].然而，關(guān)于玄武巖纖維堿蝕機(jī)理的系統(tǒng)研究鮮有報(bào)道.

玄武巖纖維網(wǎng)格布應(yīng)用于混凝土應(yīng)滿足以下2個(gè)條件[15]：(1)自身具有良好的力學(xué)和耐堿性能；(2)對(duì)混凝土具有增強(qiáng)增韌效果.玄武巖纖維網(wǎng)格布在混凝土中能否保持其強(qiáng)度是保證其增強(qiáng)增韌效果的關(guān)鍵所在，且其在混凝土中的增強(qiáng)效應(yīng)因關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性而顯得尤為重要.

本文首先對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行了堿蝕試驗(yàn)，從堿蝕前后纖維的微觀形貌、元素組成、分子結(jié)構(gòu)、堿蝕機(jī)理及堿蝕模型5個(gè)方面對(duì)玄武巖纖維的耐堿性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并與中堿、耐堿玻璃纖維進(jìn)行了對(duì)比.在此基礎(chǔ)上，研究了素混凝土板、玄武巖纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)混凝土板和中堿、耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)混凝土板在加速老化試驗(yàn)前后的彎曲性能，進(jìn)而評(píng)價(jià)了玄武巖纖維網(wǎng)格布對(duì)混凝土的增強(qiáng)效應(yīng).

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

采用國產(chǎn)玄武巖纖維(BF)網(wǎng)格布、中堿玻璃纖維(C-GF)網(wǎng)格布(ZrO2含量(1)文中涉及的含量、組成等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).為0%)和耐堿玻璃纖維(AR-GF)網(wǎng)格布(ZrO2含量為14.5%).3種網(wǎng)格布的網(wǎng)孔尺寸均為5mm×5mm.玄武巖纖維單絲直徑d=13μm，彈性模量E=96.0GPa；中堿玻璃纖維d=13μm，E=80.5GPa；耐堿玻璃纖維d=16μm，E=80.5GPa.水泥采用P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料為石英砂，粒徑為0～2mm；減水劑采用聚羧酸系高效減水劑；水為自來水.混凝土水膠比mw/mb為0.35，其余配合比見表1.混凝土28d立方體抗壓強(qiáng)度為50.5MPa.

表1 混凝土配合比

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1堿蝕試驗(yàn)

為了研究纖維的堿蝕機(jī)理，本文分別對(duì)標(biāo)記后的玄武巖纖維、中堿玻璃纖維和耐堿玻璃纖維進(jìn)行了堿蝕試驗(yàn).堿液采用NaOH溶液，濃度為2mol/L，溫度設(shè)定為(80±3)℃.試驗(yàn)過程中，在達(dá)到規(guī)定的堿蝕時(shí)間(6、12、24、48、72h)后，取出試樣，參考JC 561.2—2006《增強(qiáng)用玻璃纖維網(wǎng)布 第2部分：聚合物基外墻外保溫用玻璃纖維網(wǎng)》對(duì)試樣進(jìn)行處理.采用QUANTA 450型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察纖維的微觀形貌，采用掃描電子顯微鏡自帶能譜儀(EDS)檢測纖維的元素組成，采用Nicolet 6700 Flex型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)分析纖維的分子結(jié)構(gòu).

1.2.2彎曲試驗(yàn)

成型的混凝土試件包括以下4類：素混凝土板(PC)、玄武巖纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)混凝土板(BFTRC)、中堿玻璃纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)混凝土板(C-GFTRC)和耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)混凝土板(AR-GFTRC).試件尺寸均為250mm×50mm×10mm，配網(wǎng)層數(shù)為1層，混凝土保護(hù)層厚度為2mm.試件在澆筑24h 后拆模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28d齡期.

將養(yǎng)護(hù)后的試件分為3組：1組不作任何處理，另外2組置于60℃的恒溫水箱中分別浸泡3、14d進(jìn)行加速老化處理.

對(duì)處理完成后的試件進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，加載點(diǎn)之間以及加載點(diǎn)和支座之間的距離均為70mm.試驗(yàn)采用20kN電液伺服試驗(yàn)機(jī)，加載過程采用位移控制，加載速率為0.2mm/min.

2 結(jié)果及討論

2.1 玄武巖纖維耐堿性能

2.1.1形貌分析

圖1、2為玄武巖纖維、中堿玻璃纖維和耐堿玻璃纖維在80℃，2mol/L的NaOH溶液中堿蝕不同時(shí)間(t)后的微觀形態(tài).從圖1可以看出：在堿蝕前，玄武巖纖維表面光滑，無明顯缺陷，纖維直徑約為13.0μm，見圖1(a)；堿蝕6h后，纖維表面局部形成多孔片狀的凝膠層，見圖1(b)；堿蝕12h后，纖維表面完全被腐蝕，并伴有相對(duì)致密的沉淀層生成，見圖1(c)；隨著堿蝕時(shí)間的繼續(xù)增加，纖維表面腐蝕層(凝膠層和沉淀層)的厚度不斷增大，在堿蝕24h時(shí)達(dá)到2.3μm，且腐蝕層出現(xiàn)大范圍剝落現(xiàn)象，見圖1(d)；堿蝕48h后，腐蝕層基本完全脫落，內(nèi)部核心層形成新的纖維表面，腐蝕開始進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，見圖1(e)；堿蝕72h后，纖維表面的腐蝕特征與堿蝕24h后的情況類似，纖維直徑減小了約45%，見圖1(f).

相比于玄武巖纖維，中堿玻璃纖維受到的堿蝕作用更加嚴(yán)重，堿蝕6h后，纖維表面完全被腐蝕，見圖2(a)；堿蝕72h后，纖維發(fā)生斷裂，見圖2(b).而耐堿玻璃纖維在堿蝕6h后，纖維表面未出現(xiàn)明顯損傷，僅有一些顆粒狀的白色物質(zhì)生成，見圖2(c)；堿蝕12h后，腐蝕特征與堿蝕12h后的玄武巖纖維基本相同，見圖2(d).

圖1 玄武巖纖維在堿蝕不同時(shí)間后的掃描電鏡圖像Fig.1 SEM images of basalt fibers after alkali corrosion for different time periods

圖2 玻璃纖維在堿蝕不同時(shí)間后的掃描電鏡圖像Fig.2 SEM images of glass fibers after alkali corrosion for different time periods

作為量化評(píng)價(jià)纖維耐堿性能的指標(biāo)之一，直徑減小率(η)取決于堿蝕前的纖維直徑(d0)和堿蝕t時(shí)間后的纖維直徑(dt).為減小數(shù)據(jù)的離散性，在確定纖維直徑時(shí)，參照GB/T 7690.5—2013《增強(qiáng)材料 紗線試驗(yàn)方法 第5部分：玻璃纖維纖維直徑的測定》，選取5根纖維，每根纖維測試3個(gè)部位，結(jié)果取算術(shù)平均值.纖維直徑減小率可由式(1)計(jì)算得到.

(1)

玄武巖纖維、中堿玻璃纖維和耐堿玻璃纖維在NaOH溶液中堿蝕后的直徑減小率見圖3.

圖3 各纖維在NaOH溶液中堿蝕后的直徑減小率Fig.3 Diameter reduction ratio for fibers after alkali corrosion in NaOH solution

從圖3可以看出：在NaOH溶液中堿蝕6h后，玄武巖纖維、中堿玻璃纖維和耐堿玻璃纖維的直徑均未出現(xiàn)顯著減小，直徑減小率分別為0%、4%、0%，這意味著在初始階段堿蝕速率較慢；隨著堿蝕時(shí)間的增加，纖維的直徑減小率出現(xiàn)明顯增大；在堿蝕72h時(shí)，耐堿玻璃纖維、玄武巖纖維和中堿玻璃纖維的直徑減小率分別達(dá)到了52%、54%、100%，這說明隨著堿蝕時(shí)間的增加，纖維表面發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，腐蝕層出現(xiàn)大范圍剝落，直徑明顯減小.其中，中堿玻璃纖維在堿蝕72h后發(fā)生斷裂，即直徑減小為0.此外，在經(jīng)過相同時(shí)間的堿蝕處理后，中堿玻璃纖維的直徑減小率最大；耐堿玻璃纖維的直徑減小率小于玄武巖纖維的直徑減小率，且兩者的差異小于7%，說明玄武巖纖維耐堿性能與耐堿玻璃纖維相當(dāng).

2.1.2元素分析

基于各纖維在NaOH溶液中堿蝕前后微觀形貌的分析可知，堿蝕后的典型纖維結(jié)構(gòu)包括核心層(fiber core)、凝膠層(gel layer)和沉淀層(deposition layer)，如圖4(a)所示.纖維在NaOH溶液中的腐蝕過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，核心層、凝膠層和沉淀層在纖維表面交替形成.經(jīng)過不同的堿蝕時(shí)間，纖維表面可能具有相同的結(jié)構(gòu)形式，堿蝕產(chǎn)物相同.但在這種情況下，纖維表面的元素組成無法反映纖維在一個(gè)堿蝕循環(huán)的元素變化.本文選取典型的纖維試樣(圖4(b))，采用EDS定點(diǎn)分析法分別分析核心層、凝膠層和沉淀層的元素組成，從而能夠清晰地表征纖維在整個(gè)堿蝕過程中的元素變化.表2列出了玄武巖纖維、中堿玻璃纖維和耐堿玻璃纖維在堿蝕24h后的元素組成.

圖4 玄武巖纖維在NaOH溶液中堿蝕24h后的典型結(jié)構(gòu)Fig.4 Typical structure of basalt fiber after alkali corrosion in NaOH solution for 24h

表2 各纖維在堿蝕24h后的元素組成

由表2可知：玄武巖纖維的主要構(gòu)成元素為O、Si、Al、Fe和Ca，約占纖維總質(zhì)量的93.3%；中堿玻璃纖維的主要構(gòu)成元素為O、Si、Na和Ca，約占纖維總質(zhì)量的95.6%；耐堿玻璃纖維的主要構(gòu)成元素為O、Si、Na和Zr，約占纖維總質(zhì)量的96.3%.

對(duì)于玄武巖纖維來說，在堿蝕初期，在纖維表面初始缺陷處，OH-破壞了纖維的網(wǎng)格形成體(硅氧四面體骨架/鋁氧四面體骨架)，使Si、Al元素溶出，同時(shí)堿金屬氧化物(Na2O、K2O)與水發(fā)生反應(yīng)溶于溶液中，引起Na、K元素含量降低，另外，反應(yīng)生成的OH-加劇了堿蝕反應(yīng)；隨著堿蝕反應(yīng)的進(jìn)行，纖維表面形成多孔凝膠層(Si—OH/Al—OH)，堿土金屬氧化物(CaO、MgO)、鐵氧化物(FeO、Fe2O3)及其水化反應(yīng)生成的氫氧化物由核心層向凝膠層表面聚集，形成沉淀層，使纖維表面Fe、Ca和Mg元素含量升高[16]；隨著堿蝕反應(yīng)的繼續(xù)，F(xiàn)e、Ca和Mg元素繼續(xù)向沉淀層遷移，沉淀層不斷發(fā)展，并完全覆蓋在凝膠層表面.因此，對(duì)于堿蝕后的玄武巖纖維，從核心層到沉淀層，Si、Al和Na元素的含量減少，F(xiàn)e、Ca和Mg元素的含量增加.研究表明，纖維中的Fe、Ca和Ti元素有利于提高玄武巖纖維的耐堿性能[10,17].

對(duì)于中堿玻璃纖維和耐堿玻璃纖維，從核心層到沉淀層，Si、Al和Na元素含量減少，Ca和Mg元素含量增加.其中，耐堿玻璃纖維中的Zr元素約占纖維總質(zhì)量的10.5%，且沉淀層的Zr元素含量相比于核心層有所增加，在堿蝕過程中，其會(huì)在纖維表面形成一層保護(hù)殼，能夠有效地抑制OH-向纖維核心層擴(kuò)散[18].另外，作為網(wǎng)絡(luò)形成體，Zr與Si結(jié)合形成的Zr—O—Si鍵能更大，不易斷裂.

2.1.3紅外光譜分析

圖5為玄武巖纖維、中堿玻璃纖維和耐堿玻璃纖維在堿蝕前后的紅外光譜.

圖5 各纖維在堿蝕前后的紅外光譜Fig.5 FTIR spectra of fibers before and after alkali corrosion

從圖5可以看出，相比于未腐蝕的纖維，腐蝕后的3種纖維在1000、780cm-1附近和500cm-1以下位置的特征峰有變緩趨勢，吸收強(qiáng)度減弱，而在880cm-1附近的特征峰變得尖銳，吸收強(qiáng)度增強(qiáng).玄武巖纖維和耐堿玻璃纖維變化較小，而中堿玻璃纖維的變化相對(duì)顯著.

基于已有研究[17,19-22]和光譜分析理論，各特征峰產(chǎn)生的可能原因如下：1000cm-1附近的吸收峰由非橋氧數(shù)為1的Si—O、Al—O結(jié)構(gòu)單元的非對(duì)稱伸縮振動(dòng)引起[17,19]；880cm-1附近的吸收峰由Si—H結(jié)構(gòu)單元的振動(dòng)引起[20]；780cm-1附近的吸收峰由Si—O、Al—O結(jié)構(gòu)單元的彎曲振動(dòng)引起[17,21]；500cm-1以下位置的特征峰取決于三價(jià)和二價(jià)陽離子，是由堿金屬(K、Na)或堿土金屬(Ca、Mg)的氧化物(M—O)振動(dòng)引起，且包括Si—O—Si的彎曲振動(dòng)或其與M—O的耦合振動(dòng)[22].

圖5中1000、780cm-1附近特征峰吸收強(qiáng)度的減弱，表明纖維結(jié)構(gòu)中Si—O和Al—O鍵受到堿液中OH-的堿蝕作用發(fā)生斷裂；在500cm-1以下位置特征峰吸收強(qiáng)度的減弱，說明纖維中的金屬氧化物與溶液中的水發(fā)生反應(yīng)，生成氫氧化物，消耗了金屬氧化物；880cm-1附近特征峰吸收強(qiáng)度的增強(qiáng)驗(yàn)證了硅氧四面體的Si—O鍵與OH-發(fā)生反應(yīng)生成了Si—H鍵.

2.1.4堿蝕機(jī)理

玄武巖纖維在NaOH溶液中的堿蝕過程以基體溶解反應(yīng)為主.堿液中的OH-會(huì)破壞纖維的硅氧四面體和鋁氧四面體骨架，使Si—O鍵和Al—O鍵斷裂，網(wǎng)絡(luò)解體產(chǎn)生[—Si—O]-和[—Al—O]-群，SiO2和Al2O3溶于溶液中[8,18,23]，纖維表面形成腐蝕層，并出現(xiàn)層狀剝落，有效直徑減小.

基于玄武巖纖維在NaOH溶液中堿蝕前后的形貌分析，得出堿蝕過程如圖6所示.

圖6 玄武巖纖維在NaOH溶液中的堿蝕過程Fig.6 Alkali corrosion process of basalt fiber in NaOH solution

由圖6可知，在NaOH溶液中，玄武巖纖維的堿蝕過程包括4個(gè)階段.

第1階段：在纖維制備及加工過程中，纖維表面產(chǎn)生了一些微小的表面缺陷(如表面刮痕、裂縫、孔洞)[24].在纖維浸入NaOH溶液后，這些表面缺陷處最先受到堿蝕，小缺陷擴(kuò)展變?yōu)榇笕毕輀25].

第2階段：隨著堿蝕反應(yīng)的進(jìn)行，纖維表面形成多孔凝膠層(圖1(b)).由于多孔凝膠層的孔徑尺寸(0.5μm)遠(yuǎn)大于水分子、OH-及金屬離子的直徑，水分子、OH-和金屬離子能夠自由穿過該凝膠層，導(dǎo)致凝膠層發(fā)生膨脹，體積增大，加快了纖維腐蝕[7,18].另外，纖維組成中的堿土金屬氧化物、鐵氧化物及其水化反應(yīng)生成的氫氧化物，以顆粒的形式附著于凝膠層表面，在纖維堿蝕程度較嚴(yán)重的部位大量聚集，呈片狀.

第3階段：反應(yīng)界面不斷向核心層發(fā)展，金屬氧化物通過擴(kuò)散和水化反應(yīng)繼續(xù)向沉淀層聚集，片狀產(chǎn)物連接成整體，形成完整的沉淀層覆蓋在纖維表面.沉淀層厚度不斷變大，且結(jié)構(gòu)更加致密.

第4階段：隨著堿蝕反應(yīng)的進(jìn)行，凝膠層疏松多孔的結(jié)構(gòu)特征及反應(yīng)界面的存在大大減弱了凝膠層與核心層的黏結(jié)性能；水分子的滲入導(dǎo)致凝膠層體積膨脹，使纖維核心層與凝膠層的剝離作用變大；另外，隨著沉淀層擴(kuò)散物質(zhì)和反應(yīng)產(chǎn)物的增多，物質(zhì)間的物理擠壓作用不斷增大.在以上各因素的共同作用下，腐蝕層發(fā)生斷裂、剝落，核心層進(jìn)入新的堿蝕循環(huán).在整個(gè)堿蝕過程中，纖維直徑不斷減小.

2.1.5堿蝕模型

F?rster等[26]采用腐蝕層厚度與堿蝕時(shí)間的線性模型表征了玄武巖纖維的堿蝕過程.Khawam等[27]歸納了常用的反應(yīng)過程動(dòng)力學(xué)模型，并按照成核與生長模型、反應(yīng)級(jí)模型、幾何收縮模型和擴(kuò)散模型進(jìn)行了總結(jié)和數(shù)學(xué)推導(dǎo).本文基于積分形式的反應(yīng)級(jí)模型、幾何收縮模型和擴(kuò)散模型[27]，并結(jié)合纖維圓柱體的結(jié)構(gòu)形態(tài)，采用零級(jí)模型、收縮圓柱體模型和二維擴(kuò)散模型分析了玄武巖纖維在NaOH溶液中的堿蝕過程.

分析以上3個(gè)模型的關(guān)鍵是確定轉(zhuǎn)換系數(shù)α，其計(jì)算公式[27]如下.

(2)

式中：m0為纖維的初始質(zhì)量；mt為堿蝕t時(shí)間后纖維的殘余質(zhì)量；m∞為纖維的最終質(zhì)量，假定為0.

在堿蝕前后的纖維密度恒定，聯(lián)立式(1)和(2)，得到η與α的函數(shù)關(guān)系，見式(3).

α=1-(1-η)2

(3)

對(duì)OH-在堿溶液中的擴(kuò)散過程使用零級(jí)模型進(jìn)行分析，其機(jī)理函數(shù)見式(4).反應(yīng)過程與纖維的表面積、堿溶液的初始濃度和OH-的擴(kuò)散速率相關(guān).對(duì)OH-堿蝕纖維表面，引起纖維直徑減小的反應(yīng)過程使用收縮圓柱體模型進(jìn)行分析，其機(jī)理函數(shù)見式(5).纖維的堿蝕速率取決于反應(yīng)界面向核心層的推進(jìn)速率，反應(yīng)過程與纖維表面OH-濃度和纖維表面積有關(guān).纖維在受到堿蝕作用后，表面形成腐蝕層，且腐蝕層厚度不斷增大，這意味著OH-的擴(kuò)散路程增加，穿過腐蝕層到達(dá)反應(yīng)界面的時(shí)間增加，堿蝕速率降低.對(duì)該過程使用二維擴(kuò)散模型進(jìn)行分析，其機(jī)理函數(shù)見式(6).反應(yīng)過程取決于堿溶液中的OH-濃度和OH-在腐蝕層內(nèi)的擴(kuò)散速率.

G(α)=α

(4)

(5)

G(α)=[(1-α)ln(1-α)]+α

(6)

式中：G(α)為積分形式的機(jī)理函數(shù).

基于玄武巖纖維、中堿玻璃纖維和耐堿玻璃纖維在不同堿蝕時(shí)間(6、12、24、48、72h)下的轉(zhuǎn)換系數(shù)α，根據(jù)式(4)～(6)，計(jì)算得到3種纖維采用以上模型表示的G(α)值，并對(duì)堿蝕時(shí)間t(橫坐標(biāo))和G(α)(縱坐標(biāo))進(jìn)行擬合，見圖7.

由圖7可見，對(duì)于玄武巖纖維、中堿玻璃纖維和耐堿玻璃纖維，采用零級(jí)模型和收縮圓柱體模型表示的G(α)值和堿蝕時(shí)間之間的關(guān)系是一次函數(shù)關(guān)系，且兩者具有很高的相關(guān)性(R2>0.93)，表明3種纖維在NaOH溶液中的堿蝕過程均符合零級(jí)模型和收縮圓柱體模型，可采用零級(jí)模型和收縮圓柱體模型來表征.這意味著OH-的擴(kuò)散過程和OH-的反應(yīng)過程均會(huì)影響纖維堿蝕反應(yīng)的速率控制步驟，2個(gè)過程的反應(yīng)速率相當(dāng).但采用二維擴(kuò)散模型表示的G(α)值和堿蝕時(shí)間之間的關(guān)系不是線性關(guān)系，表明二維擴(kuò)散模型不適用于分析纖維的堿蝕過程.這是因?yàn)槔w維在受到堿蝕作用后，隨著時(shí)間的增加，纖維表面的腐蝕層厚度因堿蝕產(chǎn)物“生成、聚集和剝落”的循環(huán)過程并非持續(xù)增加，OH-穿過腐蝕層的擴(kuò)散速率也會(huì)因此發(fā)生變化.

圖7 各纖維在NaOH溶液中的堿蝕模型Fig.7 Alkali corrosion model of fibers in NaOH solution

2.2 玄武巖纖維網(wǎng)格布對(duì)混凝土的增強(qiáng)效應(yīng)

圖8(a)～(c)分別為未老化處理、60℃老化3d和60℃老化14d的纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)混凝土板的荷載-撓度曲線.

借鑒GB/T 15231—2008《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法》，根據(jù)圖8計(jì)算各試件的彎曲性能指標(biāo)：抗彎初裂強(qiáng)度σcr、抗彎強(qiáng)度σm和能量吸收值D，結(jié)果見表3.

由圖8和表3可知：對(duì)于未老化的試件，PC板在開裂后即出現(xiàn)破壞，具有顯著的脆性特征，極限荷載為187.0N；摻入纖維網(wǎng)格布顯著提高了混凝土板的極限荷載，并改善了韌性；相比于PC板，BFTRC板、C-GFTRC板和AR-GFTRC板的極限荷載分別提高了110%、68%和92%，能量吸收值分別提高了63、39、51倍.這是因?yàn)閾饺肜w維網(wǎng)格布后，一方面改善了試件開裂后的應(yīng)力重分布，另一方面在加載過程中纖維束與基體脫黏、滑移消耗了大量能量.老化后試件的極限荷載均呈降低趨勢，且老化時(shí)間越長，降低幅度越大.其中，未老化的BFTRC板極限荷載為393.2N，老化3、14d后，極限荷載分別降低了12%、36%.

為表征纖維網(wǎng)格布對(duì)混凝土的增強(qiáng)效應(yīng)，借鑒Shah等[28]的研究引入老化系數(shù)(Ac)和增強(qiáng)系數(shù)(Ec)這2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：老化系數(shù)是纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)混凝土板在老化特定時(shí)間后某一性能指標(biāo)的值與老化前的比值；增強(qiáng)系數(shù)是纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)混凝土板在老化特定時(shí)間后某一性能指標(biāo)的值與老化前素混凝土板的比值.根據(jù)表3計(jì)算得到PC板、BFTRC板、C-GFTRC板和AR-GFTRC板抗彎初裂強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和能量吸收值的老化系數(shù)和增強(qiáng)系數(shù)，見表4.

由表4可知：在60℃老化條件下，PC板的抗彎初裂強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度基本無變化，且能量吸收值也無顯著變化趨勢，表明60℃的老化條件對(duì)混凝土基體性能未產(chǎn)生不利影響，這也說明了纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)混凝土板老化后力學(xué)性能的降低主要是由纖維網(wǎng)格布的變化引起的；另外，試件抗彎初裂強(qiáng)度的老化系數(shù)和增強(qiáng)系數(shù)與1的相對(duì)差異均未超過10%，這是因?yàn)樵嚰_裂前的性能主要取決于混凝土基體.

圖8 纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)混凝土板的荷載-撓度曲線Fig.8 Load-deflection curves for fiber textile reinforced concrete slabs

表3 各試件的彎曲性能指標(biāo)

對(duì)于BFTRC板，老化3、14d后，抗彎強(qiáng)度的老化系數(shù)分別為0.88、0.64，能量吸收值的老化系數(shù)分別為0.75、0.44.這是因?yàn)殡S著老化時(shí)間的增加，纖維束表面在混凝土基體堿蝕作用下形成腐蝕層，并出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，纖維束的有效截面積減小，承載力降低，且纖維束與周圍基體的黏結(jié)性能降低.老化3、14d后，BFTRC板抗彎強(qiáng)度的增強(qiáng)系數(shù)分別為1.85、1.36，能量吸收值的增強(qiáng)系數(shù)分別為48.00、29.00.表明隨著老化時(shí)間的增加，纖維網(wǎng)格布對(duì)混凝土抗彎強(qiáng)度和韌性的提高效果變差，但與素混凝土試件相比，性能仍有顯著改善，尤其是韌性得到了較大提升.這也啟發(fā)我們，在進(jìn)行纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮因纖維網(wǎng)格布在混凝土基體中堿蝕引起的承載力降低系數(shù)，其值與設(shè)計(jì)使用年限有關(guān).

表4 各試件抗彎初裂強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和能量吸收值的老化系數(shù)和增強(qiáng)系數(shù)

BFTRC板與AR-GFTRC板各指標(biāo)的老化系數(shù)相當(dāng)，但BFTRC板的增強(qiáng)系數(shù)高于AR-GFTRC板，另外，兩者的老化系數(shù)和增強(qiáng)系數(shù)均顯著大于C-GFTRC板.表明玄武巖纖維網(wǎng)格布的耐堿性能與耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布相當(dāng)，且均優(yōu)于中堿玻璃纖維網(wǎng)格布.玄武巖纖維網(wǎng)格布對(duì)混凝土力學(xué)性能的提高效果最顯著，耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布次之，中堿玻璃纖維網(wǎng)格布最差.

3 結(jié)論

(1)在經(jīng)過相同條件的堿蝕處理后，3種纖維直徑減小率的大小關(guān)系符合：中堿玻璃纖維>玄武巖纖維>耐堿玻璃纖維.其中，玄武巖纖維與耐堿玻璃纖維的直徑減小率差異小于7%.因此，玄武巖纖維的耐堿性能與耐堿玻璃纖維相當(dāng)，具有較好的耐堿耐久性能，為其作為增強(qiáng)材料在混凝土中的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).

(2)在NaOH溶液中，堿蝕后的玄武巖纖維直徑減小，其典型結(jié)構(gòu)包括核心層、凝膠層和沉淀層，堿蝕過程可采用零級(jí)模型和收縮圓柱體模型來表征.

(3)玄武巖纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)混凝土板抗彎強(qiáng)度和能量吸收值的老化系數(shù)、增強(qiáng)系數(shù)均隨老化時(shí)間的增加而減小，但增強(qiáng)系數(shù)始終大于1，能量吸收值的增強(qiáng)系數(shù)在老化14d后仍達(dá)29.00.

(4)在進(jìn)行纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮因纖維網(wǎng)格布在混凝土基體中堿蝕引起的承載力降低系數(shù)，其值與設(shè)計(jì)使用年限有關(guān).