山西煤化所在玄武巖纖維耐堿性研究方面取得新進展

【導讀】

玄武巖纖維是由天然玄武巖熔融拉制而成的一種環保的無機非金屬纖維，具有優異的力學性能和物理化學性能，與其他增強纖維相比，玄武巖纖維與水泥有更好的相容性，制備出的玄武巖纖維增強混凝土可以大大改善混凝土低抗拉強度和低拉伸應變極限的缺點。但水泥水化過程中會呈現出強堿性，會對纖維造成腐蝕使其力學性能大大降低，從長遠來看，普通玄武巖纖維不適合在強堿環境中使用。因此，研究玄武巖纖維的長期耐堿性對其在水泥混凝土中的應用至關重要。目前玄武巖纖維中常用的耐堿添加劑是ZrO₂，但其制備難度較大。

【成果簡介】

近日，中國科學院山西煤炭化學研究所煤轉化國家重點實驗室白進研究員團隊通過添加TiO₂對玄武巖熔體結構和性質進行調控，成功制備出了耐堿性能優異的高性能玄武巖纖維。Ti⁴⁺有助于纖維網絡結構空隙中的Al³⁺進入網絡結構中，同時Ti⁴⁺以四配位[TiO₄]的形式進入網絡結構中，和[SiO₄]形成鈦硅酸鹽的混合骨架，增強了纖維的網絡結構，使拉伸強度提高20-60%。與此同時，腐蝕過程中生成的Ti(OH)₄凝膠與其他不溶物沉積于纖維表面形成腐蝕層，與Ti⁴⁺增強纖維聚合度共同作用，顯著提高了玄武巖纖維的耐堿性能，質量損失率最高可降低50%（1mol/L NaOH腐蝕3h）。該耐堿玄武巖纖維與含Zr的耐堿玄武巖纖維相比，生產制備難度小，能耗更低，有利于玄武巖纖維在混凝土中大規模運用，也為利用煤氣化灰渣等廢棄物制備耐堿玄武巖纖維提供基礎。上述成果近日以“Effect of TiO₂?on preparation condition, mechanical properties and alkali resistance of continuous basalt fibers”在Cement and Concrete Composites上發表，博士生豆浩雨為文章第一作者，白進研究員為通訊作者。

【數據概覽】

圖1. ①Ti⁴⁺以[TiO₄]進入纖維網絡結構；②腐蝕后纖維表面生成致密的保護膜

圖2. NaOH腐蝕0、6h、12h后的玄武巖纖維表面形貌。(a) 0%TiO₂; (b) 0.25%TiO₂; (c) 0.5%TiO₂; (d) 0.75%TiO₂; (e) 1%TiO₂.

圖3. 不同TiO₂添加量的玄武巖纖維腐蝕前后聚合度的變化

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2022.104861

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