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新疆理化所在玄武岩纤维耐碱腐蚀机理研究领域取得进展

  玄武岩纤维是一种性能优异的增强材料,将其引入到混凝土中可有效提高后者的力学性能。由于混凝土是碱性环境,会对纤维本身以及复合材料的耐久性产生影响。国内外多个科研团队发现在碱性条件下,玄武岩纤维的力学性能会降低,但相应的机理以及碱腐蚀过程对纤维微观结构影响并不是特别清晰。

  近期,中科院新疆理化所马鹏程研究员团队与香港中文大学(深圳)郑庆彬博士团队合作,探究了碱性介质对玄武岩纤维的影响规律。科研人员以商业化的纤维为研究对象,系统研究了碱溶液类型及浓度、温度和时间等因素对纤维力学性能的影响,发现碱溶液类型对纤维的强度影响不同:在NaOH溶液中,浸泡时间越长,纤维的强度降低越明显;而在KOH溶液中,碱溶液温度对纤维强度的降低起关键作用,这是因为玄武岩纤维中较小的Na+与KOH溶液中较大的K+之间发生离子交换,这会在纤维表面产生的压应力,从而会部分抵消外部施加的载荷。
  研究人员通过扫描电子显微镜对玄武岩纤维的微观形貌进行了观察,发现随着碱腐蚀的加剧,纤维表面逐渐由光滑状态转变为粗糙结构,并出现沉积颗粒,随后形成板状结构的腐蚀层。通过红外和拉曼光谱证实,NaOH/KOH溶液处理后,纤维表面的腐蚀层和沉积颗粒是含Fe、Mg的氢氧化物和含Ca硅酸盐。基于上述表征结果,研究人员提出了玄武岩纤维在碱性环境下的腐蚀机理:在碱溶液中,纤维结构中的Si-O-Si(Al)键逐渐受到OH-侵蚀,Si-O/Al-O键发生溶解;随着纤维网络结构被破坏,作为纤维网络修饰体的金属离子(如Na+,Fex+,Mg2+)从纤维表面浸出。同时,浸出的Fex+和Mg2+离子可与OH-反应形成不溶性氢氧化物,沉积在纤维表面,最终形成腐蚀层。而KOH对纤维的腐蚀包括两个竞争过程:由Na+/K+交换引起的纤维强度增强和OH-侵蚀引起的纤维强度降低。具体而言,在KOH溶液浸泡初期,随着纤维表面的Na+被K+取代,K+引入产生的压应力克服了纤维表面由于缺陷而引起的强度下降问题,造成纤维强度升高;随着腐蚀程度的加剧,纤维的Si-O-Si骨架断裂程度超过了K+诱导的纤维增强,纤维表面累积缺陷产生的应力集中增加,导致纤维强度显著降低。在Ca(OH)2腐蚀后,玄武岩纤维表面形成的沉积物是Ca2+与环境中的CO2反应生成的CaCO3。
  上述研究成果不仅解释了玄武岩纤维在碱性条件下的腐蚀机理,也为改善纤维的性能提供了理论依据:如纤维表面Na+和K+交换可以提高纤维的拉伸强度、浸润剂中高Si-O的纳米结构将减缓纤维在OH-侵蚀下的腐蚀。
  相关成果近期发表在《结构与建筑材料》(Construction and Building Materials)杂志上。该研究项目得到中科院“西部之光”交叉团队项目-重点实验室合作研究专项、新疆维吾尔自治区上海合作组织科技伙伴计划及国际科技合作计划等资助。

  论文信息: 

  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 . 

玄武岩纤维在碱性介质中的表面形貌及腐蚀机理示意图玄武岩纤维在碱性介质中的表面形貌及腐蚀机理示意图