玻璃纖維的堿腐蝕及其對混凝土結(jié)構(gòu)安全性影響的研究

張 凡 吳翠娥 宋明星 李 立

(武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，武漢 430083)

1 問題的提出

眾所周知，混凝土因其不可替代的優(yōu)點而被廣泛用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程，但斷裂韌性低、開裂敏感性大的缺點又是混凝土固有的弱點?；炷恋拈_裂是影響混凝土耐久性的關(guān)鍵因素。尤其早期開裂更是混凝土工程質(zhì)量的重要問題，其中混凝土澆筑初期的塑性開裂是路面、場坪、樓板和大體積的筏式基礎(chǔ)等平面混凝土構(gòu)件工程中普遍存在的問題。為了緩解混凝土的塑性開裂，并提高混凝土的斷裂韌性，常在混凝土中摻入工程纖維。常用的工程纖維有聚丙烯纖維、聚酯纖維、鋼纖維等［1-4］，但因其價格均較高，推廣應(yīng)用受到一定的制約。而玻璃纖維因其外觀與聚丙烯纖維、聚酯纖維極其相近，難以用肉眼準(zhǔn)確識別。混凝土中的水泥是堿性材料，很多人不了解玻璃纖維的耐堿性，因其價格相對較低，以致目前市場上用玻璃纖維冒充聚丙烯纖維、聚酯纖維用于混凝土抗裂改性的現(xiàn)象越來越多。

圖1 在不同pH 值溶液中玻璃腐蝕產(chǎn)物的溶出量變化

一般所說的玻璃纖維指的是以SiO2為主要成分的硅酸鹽玻璃球料或廢舊玻璃為原料經(jīng)高溫熔制、拉絲等工藝制造而成的普通玻璃纖維，其絕緣性好，機械強度高，但性脆，耐磨性較差。一般硅酸鹽玻璃不耐酸堿。堿對玻璃的腐蝕主要是OH-離子使Si-O 鍵斷裂，硅氧骨架網(wǎng)絡(luò)解體，SiO2溶于堿溶液中，生成堿-硅凝膠。由圖1 可見，玻璃腐蝕物的溶出量和溶液的pH 值有關(guān):溶出量大小表明腐蝕性的強弱。在酸性溶液中，從pH 值5 到1，溶出量隨pH 值的下降而增大，即酸性越強，腐蝕性越強，所以刻蝕玻璃使用強酸;從溶液的pH 值為9 到13，溶出量隨pH 值的增大呈指數(shù)函數(shù)趨勢增長，表明堿性越大，腐蝕性越強。水泥混凝土即使硬化后，孔溶液也總是存在的，其pH 值一般為12 左右。因此在硅酸鹽類水泥的混凝土中不能使用玻璃纖維。

因此，有必要進一步確認并重視當(dāng)前市場上使用玻璃纖維對混凝土結(jié)構(gòu)工程所造成的隱患，盡快杜絕這種假冒產(chǎn)品的繼續(xù)使用。

2 已有對玻璃纖維在硅酸鹽類水泥混凝土中腐蝕性的實驗研究和在工程中使用的教訓(xùn)

針對玻璃纖維在水泥水漿體中的腐蝕，已有不少學(xué)者進行過研究。唐乃巖，李秋平等認為［8］，雖然玻璃纖維與其它纖維相比，具有高強度，高彈性模量，不燃性及價格低廉等優(yōu)點，但是，其缺點之一是耐堿性差，易被水泥水化產(chǎn)物所產(chǎn)生的游離堿所腐蝕，引起混凝土強度下降。在水泥混凝土科學(xué)奠基人和開拓者吳中偉院士指導(dǎo)下，薛君玕，王贊，閻家駿等人通過研究［6］，得出的結(jié)果是:玻璃纖維在90℃水泥漿體中侵蝕12h，玻璃纖維的抗拉強度就降低了50%以上，24h 就完全失去抗壓強度;在常溫下侵蝕90d，抗拉強度降低50%以上，270d 時，玻璃纖維抗拉強度值已降低70%，而且有繼續(xù)下降的趨勢。許紅升，楊小平等的試驗［9］也得到同樣的結(jié)論，玻璃纖維在90℃水泥水泥漿體中，其抗拉強度會迅速下降，浸泡12h，抗拉強度下降50%，24h 后降為0。由此可以看出，硅酸鹽水泥漿體對玻璃纖維具有強烈的侵蝕作用。項影明，趙晶等研究表明，玻璃纖維混凝土后期抗壓強度急劇降低，會嚴重影響混凝土結(jié)構(gòu)的安全性。且玻璃纖維在混凝土攪拌過程中易成團，不易分散，受到堿蝕后形成分布不均的薄弱區(qū)，也會大大降低混凝土后期強度和密實性［6］。

1957年，南京一家建筑公司大膽采用玻璃纖維配筋制作混凝土樓板，短期效果甚好，然而由于硅酸鹽水泥水化后析出Ca(OH)2使孔溶液呈堿性，對玻璃纖維造成強烈的腐蝕，玻璃纖維筋很快失去對混凝土的增強作用，導(dǎo)致樓板坍塌。為了確保建筑物的安全，原建筑工程部于1961年通告停止使用“玻璃絲混凝土”［7］。20 世紀50年代，在吳中偉院士的指導(dǎo)下，薛君玕等對北京、南京等地區(qū)各工地試制的玻璃纖維混凝土構(gòu)件進行了長期性能的觀察和試驗，發(fā)現(xiàn)用硅酸鹽水泥作膠凝材料的玻璃纖維混凝土構(gòu)件在一年之后力學(xué)性能顯著劣化，抗沖擊性能很差［6］。

硅酸鹽玻璃的主要成份是SiO2，玻璃的微結(jié)構(gòu)是遠程無序網(wǎng)狀的非晶體。磨細的玻璃粉末可以具有一定的火山灰活性，這個事實也表明玻璃和堿可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。直徑只有微米數(shù)量級的玻璃纖維巨大的比表面積可提供其進行反應(yīng)。鑒于早年間已有實驗研究的結(jié)論，并有工程事故的先例，幾十年來并無公開在硅酸鹽水泥混凝土中使用玻璃纖維的情況，成功的玻璃纖維增強水泥所使用的是非堿性的硫鋁酸鹽水泥，。

20 世紀60年代中期，英國Majumder 發(fā)明了含鋯耐堿玻璃纖維，其耐堿性比普通玻璃纖維有較大提高，與硅酸鹽水泥匹配后的試件耐久性也有所改善，從而促使了GRC(玻璃纖維增強水泥)行業(yè)在全球的發(fā)展，但同時也提及，在GRC 構(gòu)件的使用過程中，其增強材料——耐堿玻璃纖維會受到水泥水化后產(chǎn)生的Ca(OH)的腐蝕，因此耐堿玻璃纖維在堿性環(huán)境中的耐久性將對GRC 構(gòu)件的強度和韌性產(chǎn)生至關(guān)重要的影響［13］。而鄧宗才，薛會青則認為［14］，耐堿玻璃纖維在混凝土中分散性良好，可顯著改善混凝土的抗彎沖擊性能。這可能是實驗方法的問題。我國玻璃纖維增強水泥制品已有幾十年的歷史，但是主要都用低堿性的硫鋁酸鹽水泥。在硅酸鹽水泥中的行為尚需進一步驗證。

近20年來，我國水泥和混凝土都發(fā)生了很大變化，一方面混凝土中礦物摻和料因高效減水劑的普及而普遍使用，對水泥水化生成成的Ca(OH)2會起稀釋作用，另一方面新型干法窯節(jié)能的同時也使水泥含堿量增大?，F(xiàn)在的水泥對玻璃纖維的腐蝕作用如何?也還需要有試驗數(shù)據(jù)的支持。

3 玻璃纖維在水泥漿體中的腐蝕

在混凝土的Ca(OH)2是硅酸鹽水泥主要水化產(chǎn)物之一。因Ca(OH)2的溶解度很低，在孔溶液中始終是飽和的，因此可用用飽和Ca(OH)2溶液模擬混凝土孔溶液環(huán)境進行試驗。將纖度為15D* (直徑17μm)的單絲玻璃纖維浸泡于60℃飽和氫氧化鈣溶液中，在不同浸泡齡期，隨機取4 根單絲玻璃纖維，置于掃描電子顯微鏡下觀察。圖2 所示分別為浸泡前、浸泡3d 和浸泡21d 后玻璃纖維的顯微鏡形貌。

圖2 在60℃飽和Ca(H)2 溶液中浸泡至不同齡期的玻璃纖維表面顯微形貌

試驗中采用60℃溶液，是為了加速腐蝕反應(yīng)。由圖2 可看出，在用氫氧化鈣溶液浸泡前(圖2A)，玻璃纖維表面表面光滑無瑕疵;在60℃的飽和氫氧化鈣溶液浸泡3d 后(圖2B)，4 根玻璃纖維中只有一根無明顯變化，其他三根則表面粗糙，并出現(xiàn)少量坑蝕現(xiàn)象;浸泡21d 后(圖2C)，4 根玻璃纖維表面均明顯凹凸不平，極其粗糙，并出現(xiàn)大量坑蝕現(xiàn)象，在表面還粘附一些溶出物。結(jié)果表明，浸泡齡期越長，玻璃纖維表面越粗糙，坑蝕越明顯，玻璃纖維受到的侵蝕程度也越深。

4 玻璃纖維對混凝土長齡期抗壓強度的影響

在相同配合比的混凝土內(nèi)分別摻入在一定摻量范圍內(nèi)變化的普通玻璃纖維和耐堿玻璃纖維，檢測其在不同養(yǎng)護條件下各齡期抗壓強度，并與不摻纖維的空白試件的抗壓強度進行對比。

4.1 試驗方法

4.1.1 原材料

玻璃纖維:實驗所選用的普通玻璃纖維及耐堿玻璃纖維由鹽城市愛麗維纖維制品有限公司提供，纖維單絲橫截面為圓形，廠家提供的材性見表1。

表1 纖維材性

水泥:華新水泥股份有限公司P.O 42.5 水泥;

礦渣粉:武漢綠色礦渣有限公司磨細礦渣粉S95;

粉煤灰:武漢青山電廠II 級粉煤灰;

砂:湖北巴河河砂，細度模數(shù)2.66;

石:湖北烏龍泉碎石，5mm～31.5mm;

減水劑:武漢源錦建材科技有限公司UJOIN -PC 型聚羧酸系高性能減水劑。

4.1.2 混凝土配合比

C45 混凝土配合比見表2。除纖維種類和纖維摻量變化以外，其它各參數(shù)均保持一致如表2 所示。

表2 混凝土拌和物配合比(kg/m3)

除對比用的不摻纖維空白混凝土外，普通玻璃纖維和耐堿玻璃纖維摻量(%)均分別均為0.6、0.8、1.0、1.5、2.0。

4.1.3 試件及試驗

按采用150mm ×150mm ×150mm 的試件，成型24h 后脫模，分別置于三種養(yǎng)護條件下養(yǎng)護:標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護、自然養(yǎng)護和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護60d 后再以60℃水浴加速養(yǎng)護。

按3.1.3 的配合比，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護試件和自然養(yǎng)護試件分別養(yǎng)護至齡期14d、28d、60d、90d、120d;標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護60d 后再以60℃水浴加速養(yǎng)護的試件分別養(yǎng)護至齡期4d、8d、12d、16d、20d、30d、45d、60d。在各制定齡期，檢測抗壓強度。

4.2 試驗結(jié)果與分析

4.2.1 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下抗壓強度比結(jié)果與分析

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下，普通玻璃纖維及耐堿玻璃纖維混凝土與對比樣抗壓強度比見圖3 和圖4。

圖3 普通玻璃纖維摻量不同的混凝土與空白混凝土不同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護抗壓強度比

由圖3 可見，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護齡期120d 內(nèi)，普通玻璃纖維在混凝土中摻量小于1.0kg/m3時，抗壓強度的波動在正常離散范圍;而當(dāng)摻量超過1.5kg/m3以后，混凝土抗壓強度均顯著低于不摻玻璃纖維的混凝土強度，在120 天以內(nèi)無隨養(yǎng)護齡期的增長而明顯加劇的趨勢。玻璃纖維摻量從1.0～1.5kg/m3時，混凝土抗壓強度有隨齡期的增長而先增長后下降的趨勢;當(dāng)玻璃纖維摻量達到2.0kg/m3時，混凝土抗壓強度比空白混凝土強度低約30 個百分點，并隨齡期無明顯變化。

因?qū)嶒灹坎蛔悖瑹o法解釋以上現(xiàn)象，但是可以肯定的是少量普通玻璃纖維對混凝土強度影響不大，但也無增強作用;摻量達到1kg/m3后，普通玻璃纖維摻量越大，對混凝土強度的損害越大。

圖4 表明，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護60d 齡期以前:耐堿玻璃纖維混凝土摻量不大于1.0kg/m3時，混凝土的抗壓強度均有提高，超過60d 后均降到低于對比樣強度;摻量超過1.0kg/m3時，混凝土抗壓強度則在各齡期均比空白混凝土的下降。盡管在數(shù)值上下降幅度稍小，似乎長齡期有增大的跡象。

圖4 耐堿玻璃纖維摻量不同的混凝土與空白混凝土不同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護抗壓強度比

對比圖3、圖4 可知，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護120d 齡期內(nèi)，耐堿玻璃纖維混凝土抗壓強度保持高于普通玻璃纖維混凝土的強度，說明耐堿玻璃纖維抵抗水泥漿體侵蝕的能力比普通玻璃纖維的高。但養(yǎng)護齡期大于60d 后，耐堿玻璃纖維混凝土抗壓強度也會降低，說明此時耐堿組分開始失去效力，耐堿能力開始降低，耐堿玻璃纖維逐步向普通玻璃纖維轉(zhuǎn)化。因此，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下，耐堿玻璃纖維抵抗堿蝕的能力是暫時的，后期仍會繼續(xù)腐蝕。

4.2.2 自然養(yǎng)護條件下抗壓強度結(jié)果與分析

在自然養(yǎng)護條件下，普通玻璃纖維及耐堿玻璃纖維混凝土與對比樣的抗壓強度比分別示于圖5、圖6。

圖5 普通玻璃纖維摻量不同的混凝土和空白混凝土自然養(yǎng)護的抗壓強度比

對比圖5、圖6 與圖3、圖4 可見，自然養(yǎng)護的兩種纖維混凝土與空白樣抗壓強度比的變化趨勢與在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下養(yǎng)護的變化趨勢一致，即對于普通玻璃纖維混凝土而言，纖維摻量超過1.0kg/m3時，不利于混凝土抗壓強度發(fā)展;對于耐堿玻璃纖維而言，自然養(yǎng)護的耐堿玻璃纖維抗堿能力最多能維持90d，即在自然養(yǎng)護條件下，耐堿玻璃纖維混凝土也是在90 天以前有一定的抗堿侵蝕能力，但隨齡期而下降。

對比圖5、圖6，同樣可得出與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件相類似的結(jié)論，即耐堿玻璃纖維在抵抗水泥漿體侵蝕能力高于普通玻璃纖維的，但耐堿玻璃纖維抵抗堿蝕的能力是暫時的，后期仍將繼續(xù)被水泥漿體所侵蝕。

4.2.3 60℃水浴加速養(yǎng)護條件下抗壓強度比結(jié)果與分析

60℃水浴養(yǎng)護的目的是為了加速混凝土內(nèi)水泥水化反應(yīng)速率，因此通過加速養(yǎng)護混凝土試件得到的抗壓強度結(jié)果可以用來表征標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護及自然養(yǎng)護條件下混凝土試件后期的性能變化。根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)論［15-16］可知，60℃水浴加速養(yǎng)護1d 的混凝土試件的抗壓強度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護1 個月的混凝土試件抗壓強度相當(dāng)。

圖6 耐堿玻璃纖維摻量不同的混凝土和空白混凝土自然養(yǎng)護的抗壓強度比

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護60d 后60℃水浴加速養(yǎng)護條件下，普通玻璃纖維及耐堿玻璃纖維混凝土抗壓強度比曲線圖分別為圖7、圖8。

由圖7 可見，對于普通玻璃纖維混凝土，標(biāo)養(yǎng)60天后繼續(xù)用60℃水浴養(yǎng)護4d 以后，在玻璃纖維各摻量下，各齡期強度均低于對比樣的強度，且摻量越大，混凝土抗壓強度比越低，摻量為2%的最低，為對比樣的70%;8d 以后強度比最低下降到對比樣的60%，直到60d，各摻量的強度隨齡期變化只波動于10 個百分點以內(nèi)。圖8 的耐堿玻璃纖維混凝土，60℃水浴加速水化養(yǎng)護4d～8d，各摻量玻璃纖維混凝土抗壓強度似也隨纖維摻量而增大而稍有下降，但只在對比樣的90%以內(nèi)有不同程度的損失，說明耐堿玻璃纖維的耐堿性在早期起到了一定的作用;12d 后下降幅度增大，最低的到對比樣的80%，此后，在耐堿玻璃纖維各摻量下，在各齡期，混凝土抗壓強度比均波動于10 百分點左右，但似與纖維摻量沒有明顯的關(guān)系。總的來看，標(biāo)養(yǎng)60 天后再入60℃

圖7 標(biāo)養(yǎng)60 天后再用60℃養(yǎng)護加速水化的普通玻璃纖維混凝土和空白混凝土抗壓強度比值

因此，普通玻璃纖維混凝土的長齡期抗壓強度隨纖維摻量的增加而降低，耐堿玻璃纖維混凝土雖然在短期內(nèi)具有抗堿蝕能力，優(yōu)于普通玻璃纖維混凝土，但是后期終會受到水泥水化產(chǎn)物的繼續(xù)腐蝕，仍會失去耐堿蝕能力。

綜上所述，無論是普通玻璃纖維還是市售耐堿玻璃纖維，用于混凝土中均會造成混凝土后期抗壓強度的降低，而且隨著纖維摻量的增加，混凝土抗壓強度降低幅度增大，故在混凝土工程中應(yīng)嚴禁使用玻璃制纖維材料。

5 玻璃纖維與有機合成纖維的簡易識別方法

圖8 標(biāo)養(yǎng)60 天后再用60℃養(yǎng)護加速水化的耐堿玻璃纖維混凝土和空白混凝土抗壓強度比值

實驗研究表明，玻璃纖維對混凝土有較大的負水浴加速8d 耐堿玻璃纖維表面耐堿蝕蝕作用基本消失。只是耐堿玻璃纖維比普通玻璃纖維腐蝕程度較低。面影響，即使耐堿玻璃纖維，也只在兩三個月內(nèi)有短期的耐堿作用。但是和聚丙烯纖維、聚酯纖維相比，有較大的價格優(yōu)勢，且很難用肉眼準(zhǔn)確識別，因此，市場上常有玻璃纖維冒充聚丙烯纖維、聚酯纖維的事件發(fā)生。誤用后會成為工程安全的隱患。對購買方和檢測方，如能簡易地加以識別，就可避免造成后患和經(jīng)濟上的損失，具有安全性的意義。根據(jù)紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［17］，通過燃燒法可以進行簡單識別，即根據(jù)纖維燃燒狀態(tài)不同判斷纖維種類。按燃燒狀態(tài)判別見表3 所示。

表3 用燃燒法識別纖維的燃燒狀態(tài)

6 結(jié)論

(1)混凝土堿性孔溶液對玻璃的腐蝕主要是OH-離子使Si -O 鍵斷裂，硅氧骨架網(wǎng)絡(luò)解體，SiO2溶于堿溶液中，生成堿-硅凝膠而溶出。我國現(xiàn)代水泥含堿量增高，使混凝土中孔溶液pH 值保持在12以上，玻璃纖維巨大的比表面積，這些都是玻璃纖維在混凝土中腐蝕的條件。

(2)耐堿玻璃纖維雖然在短期內(nèi)具有抗堿蝕能力，優(yōu)于普通玻璃纖維，但是后期終會受到水泥水化產(chǎn)物的繼續(xù)腐蝕，仍會喪失耐堿蝕能力，因此，無論是普通玻璃纖維還是耐堿玻璃纖維，用于混凝土中均會造成混凝土后期抗壓強度的降低，且隨著纖維摻量的增加，混凝土抗壓強度降低幅度增大，應(yīng)嚴禁在硅酸鹽水泥混凝土中摻入玻璃制纖維。

(3)對冒充或替代聚丙烯纖維或聚酯纖維的玻璃纖維，可用燃燒法來簡易識別，以杜絕工程質(zhì)量隱患。

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