山西煤化所在玄武岩纤维耐碱性研究方面取得新进展

【导读】

玄武岩纤维是由天然玄武岩熔融拉制而成的一种环保的无机非金属纤维，具有优异的力学性能和物理化学性能，与其他增强纤维相比，玄武岩纤维与水泥有更好的相容性，制备出的玄武岩纤维增强混凝土可以大大改善混凝土低抗拉强度和低拉伸应变极限的缺点。但水泥水化过程中会呈现出强碱性，会对纤维造成腐蚀使其力学性能大大降低，从长远来看，普通玄武岩纤维不适合在强碱环境中使用。因此，研究玄武岩纤维的长期耐碱性对其在水泥混凝土中的应用至关重要。目前玄武岩纤维中常用的耐碱添加剂是ZrO₂，但其制备难度较大。

【成果简介】

近日，中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室白进研究员团队通过添加TiO₂对玄武岩熔体结构和性质进行调控，成功制备出了耐碱性能优异的高性能玄武岩纤维。Ti⁴⁺有助于纤维网络结构空隙中的Al³⁺进入网络结构中，同时Ti⁴⁺以四配位[TiO₄]的形式进入网络结构中，和[SiO₄]形成钛硅酸盐的混合骨架，增强了纤维的网络结构，使拉伸强度提高20-60%。与此同时，腐蚀过程中生成的Ti(OH)₄凝胶与其他不溶物沉积于纤维表面形成腐蚀层，与Ti⁴⁺增强纤维聚合度共同作用，显著提高了玄武岩纤维的耐碱性能，质量损失率最高可降低50%（1mol/L NaOH腐蚀3h）。该耐碱玄武岩纤维与含Zr的耐碱玄武岩纤维相比，生产制备难度小，能耗更低，有利于玄武岩纤维在混凝土中大规模运用，也为利用煤气化灰渣等废弃物制备耐碱玄武岩纤维提供基础。上述成果近日以“Effect of TiO₂on preparation condition, mechanical properties and alkali resistance of continuous basalt fibers”在Cement and Concrete Composites上发表，博士生豆浩雨为文章第一作者，白进研究员为通讯作者。

【数据概览】

图1. ①Ti⁴⁺以[TiO₄]进入纤维网络结构；②腐蚀后纤维表面生成致密的保护膜

图2. NaOH腐蚀0、6h、12h后的玄武岩纤维表面形貌。(a) 0%TiO₂; (b) 0.25%TiO₂; (c) 0.5%TiO₂; (d) 0.75%TiO₂; (e) 1%TiO₂.

图3. 不同TiO₂添加量的玄武岩纤维腐蚀前后聚合度的变化

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2022.104861

本文由作者供稿