GRC中玻璃纖維是如何被腐蝕的？
當水泥遇上玻璃--GRC04
GRC中玻璃纖維是如何被腐蝕的
廣州大學·砼藝工作室程從密
玻璃纖維增強水泥（GRC）從外觀上看與普通水泥製品相同，因而易給人一種錯覺，就是GRC的壽命與普通混凝土是相同的。事實並非如此，由於GRC中加了「筋」——玻璃纖維，在給GRC帶來優異力學性能的同時，也降低了GRC使用壽命。與鋼筋在混凝土中受到水泥保護而不被腐蝕不同，玻璃纖維在水泥石中不但得不到保護，而且會被水泥的水化產物腐蝕。長期使用後的GRC抗彎強度、抗拉強度、韌性等均會下降。
要想知道玻璃纖維在水泥中是怎麼被腐蝕的，就要先了解一下玻璃纖維的組成。廣義玻璃是由熔融物冷卻硬化而得的非晶態固體，包括單質玻璃、有機玻璃和無機玻璃。狹義的玻璃是指無機玻璃，組分以陽離子氧化物為主，如硅酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃等。玻璃纖維屬無機玻璃的一種形態，是將熔融玻璃藉助外力拉伸、吹制或離心甩成極細的纖維。玻璃纖維發明於20世紀30年代，隨著科學與技術的發展，玻璃纖維生產技術水平不斷提升，生產能力快速增長。目前，全球玻璃纖維年產量約700萬t，其中約60%源於中國。
玻璃纖維在水、酸、鹼等環境中都會被腐蝕，其化學穩定性與其組成和結構有關。研究表明，硅氧含量越多，網路結構越完整，玻璃的化學穩定性越高。當然，不同的玻璃纖維的耐腐蝕性能並不相同，下圖是從某寶上買的普通玻璃纖維與匯爾傑耐腐蝕纖維在相同的高溫濕熱環境中放置10h後的情況對比。不耐腐蝕的普通玻璃纖維纖維上雖然長出了美麗的花朵，但是，這些美麗的花朵卻意味著玻璃纖維被腐蝕了。而仍保持光溜溜的匯爾傑耐腐蝕纖維，才是生產高品質GRC所需的玻璃纖維。
濕熱處理後變得花一般的普通玻璃纖維【易腐蝕】
濕熱處理後仍皮光肉滑的匯爾傑玻璃纖維【耐腐蝕】
GRC中玻璃纖維腐蝕的原因是複雜且多因素的，其腐蝕機理也尚在不斷的完善中。目前普遍接受的侵蝕機理是玻璃纖維除了受Ca(OH)2的化學侵蝕外，還可能受到水泥水化產生的內應力和外部應力的物理侵蝕，二者相互作用造成了玻璃纖維腐蝕。
（一）化學腐蝕。
水泥對玻璃纖維的化學侵蝕是水泥水化後孔溶液中的OH-離子對玻璃纖維硅氧骨架(-Si-O-Si-)的侵蝕。水泥在水化時會產生大量的Ca(OH)2，其孔隙液呈鹼性，PH值一般大於10。Ca(OH)2與玻璃纖維中的S02骨架反應生成水化硅酸鈣而對玻璃纖維結構造成破壞。由於水泥會不斷分解出Ca(OH)2，因此水泥會不斷對玻璃纖維進行侵蝕直至反應物消耗完全。玻璃在被鹼侵蝕過程中，不會形成硅凝膠薄膜，而是使玻璃表面層全部脫落，所以普通玻璃纖維在水泥中根本起不到增強作用。
水泥對玻璃纖維的腐蝕
玻璃纖維的鹼侵蝕作用與玻璃纖維的表面積密切相關，如果把玻璃研磨成很細的粉末，在鹼性介質中所有玻璃包括耐鹼玻璃，都會有很高的侵蝕速度。應注意的是，耐鹼玻璃不是不受水泥的化學腐蝕，而是減少了化學侵蝕的速度。
（二）物理腐蝕
化學侵蝕機理不能很好地解釋玻璃纖維在低鹼度水泥中強度下降的原因。試驗證明水泥水化形成的高鹼度液相會對玻璃纖維進行侵蝕，但也有研究結果表明當使用高鋁水泥等低鹼度水泥或大量摻合料取代硅酸鹽水泥製成的GRC仍會發生長期強度下降的現象，這些基體水化生成的Ca(OH)2很少或不生成Ca(OH)2。
採用耐鹼的Cem-FIL玻璃纖維增強的水泥試樣，在英國的氣候條件下暴露5年後，斷裂模量和拉伸強度仍然有明顯下降，然而在電子顯微鏡中這些試樣只能看到少量的腐蝕。這說明了水泥基體對玻璃纖維除了化學腐蝕作用外還有物理作用。
GRC中玻璃纖維的物理腐蝕表現為靜態疲勞過程，微觀上是應力作用下的微裂紋的產生與擴展。物理腐蝕主要有內應力作用和外應力作用。
（1）內應力作用
內應力作用是指水泥水化過程中固相體積的變化和晶體生長對玻璃纖維的物理作用。具體有水泥石的膨脹作用、氫氧化鈣結晶作用等。Н.В.УрЪев提出了結晶壓力概念，他認為在玻璃纖維微裂縫和缺陷中，水泥水化物晶體生長時產生的結晶壓力是玻璃纖維強度下降的最重要原因之一。對固相體積來說，水泥水化之後比水化之前要大很多。例如從CaO變成Ca(OH)2固相體積增加了98%，C3S水化固相體積增加了111%。水泥基體的體積變化會對玻璃纖維產生垂直玻璃纖維表面的作用力。這些作用力或在玻璃纖維表面施加壓力，或是迫使玻璃纖維產生彎曲形變。如果玻璃纖維表面沒有缺陷，它是能夠承受很大的壓縮應力。但如果壓力作用於玻璃纖維的微裂紋處，勢必使裂紋擴展。
（2）外應力作用
Вирюковиич提出了應力侵蝕學說，他認為，應力侵蝕主要由於玻璃纖維表面存在缺陷，水、蒸汽和水泥水化物等均可在缺陷端部造成應力集中，使缺陷擴展，從而使玻璃纖維受到侵蝕。
外應力是指施加在GRC上的外加荷載以及由於熱脹冷縮、濕脹干縮所帶來的應力。外應力就算在GRC的強度極限範圍內，也會因為局部產生應力集中而出現玻璃纖維破壞。當外力超過GRC的強度極限則直接導致材料的破壞。
正是因為存在著腐蝕，所以自上世紀50年代開始嘗試使用GRC製品，到80年代投入到大規模應用，走過了近30年。直到抗鹼玻璃纖維CEM-FIL投入商業應用，GRC才正真地走向春天。
【不妥之處，敬請指正congmi2008@sina.com】
程從密
漢族，安徽安慶人，博士，副教授。廣州大學一個快樂、勤奮的70後泥水佬。自上個世紀90年代開始在同濟大學學習水泥，來到廣州後繼續在華南理工大學鑽研混凝土，直至拿到博士學位。
現任廣州大學工程材料研究所常務副所長，廣東省硅酸鹽學會副秘書長，碩士生導師，一級建造師。
主要研究纖維增強無機材料、現代土木工程材料、固廢資源化。樂趣就是帶領研究生鑽研企業遇到但又不願花精力去研究的土木工程材料組成、結構、性能與應用問題。
作為一個勤奮而不夠專心的教書匠，閑暇之餘，還鑽研建設工程法規與施工合同。利用空餘時間為企業施工合同糾紛提供建議，為建設、施工和監理企業的建造師、監理工程師等提供培訓服務。
主要承擔《建築材料》、《現代土木工程材料》、《建設工程法規》和《建設工程項目管理》等課程的教學工作。獲廣東省第五屆教學成果優秀獎二等獎，是廣州大學最受歡迎教師的常客。工作中享受著帶領學生在知識的海洋里暢遊的樂趣，然後將其一個個撈起來扔向社會。
電話：13650929939
Email: congmi2008@sina.com
建成教育
2018年廣州市專業技術人員職稱繼續教育可報名課程有：
1.纖維增強水泥與藝術混凝土
2.建築裝飾裝修新技術
3.房屋市政工程新法規
更多好文
TAG:建成教育 |