当水泥遇上玻璃--GRC04
GRC中玻璃纤维是如何被腐蚀的
广州大学·砼艺工作室 程从密
玻璃纤维增强水泥（GRC）从外观上看与普通水泥制品相同，因而易给人一种错觉，就是GRC的寿命与普通混凝土是相同的。事实并非如此，由于GRC中加了“筋”——玻璃纤维，在给GRC带来优异力学性能的同时，也降低了GRC使用寿命。与钢筋在混凝土中受到水泥保护而不被腐蚀不同，玻璃纤维在水泥石中不但得不到保护，而且会被水泥的水化产物腐蚀。长期使用后的GRC抗弯强度、抗拉强度、韧性等均会下降。
要想知道玻璃纤维在水泥中是怎么被腐蚀的，就要先了解一下玻璃纤维的组成。广义玻璃是由熔融物冷却硬化而得的非晶态固体，包括单质玻璃、有机玻璃和无机玻璃。狭义的玻璃是指无机玻璃，组分以阳离子氧化物为主，如硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等。玻璃纤维属无机玻璃的一种形态，是将熔融玻璃借助外力拉伸、吹制或离心甩成极细的纤维。玻璃纤维发明于20世纪30年代，随着科学与技术的发展，玻璃纤维生产技术水平不断提升，生产能力快速增长。目前，全球玻璃纤维年产量约700万t，其中约60%源于中国。
玻璃纤维在水、酸、碱等环境中都会被腐蚀，其化学稳定性与其组成和结构有关。研究表明，硅氧含量越多，网络结构越完整，玻璃的化学稳定性越高。当然，不同的玻璃纤维的耐腐蚀性能并不相同，下图是从某宝上买的普通玻璃纤维与汇尔杰耐腐蚀纤维在相同的高温湿热环境中放置10h后的情况对比。不耐腐蚀的普通玻璃纤维纤维上虽然长出了美丽的花朵，但是，这些美丽的花朵却意味着玻璃纤维被腐蚀了。而仍保持光溜溜的汇尔杰耐腐蚀纤维，才是生产高品质GRC所需的玻璃纤维。
湿热处理后变得花一般的普通玻璃纤维【易腐蚀】
湿热处理后仍皮光肉滑的汇尔杰玻璃纤维【耐腐蚀】
GRC中玻璃纤维腐蚀的原因是复杂且多因素的，其腐蚀机理也尚在不断的完善中。目前普遍接受的侵蚀机理是玻璃纤维除了受Ca(OH)2的化学侵蚀外，还可能受到水泥水化产生的内应力和外部应力的物理侵蚀，二者相互作用造成了玻璃纤维腐蚀。
（一）化学腐蚀。
水泥对玻璃纤维的化学侵蚀是水泥水化后孔溶液中的OH-离子对玻璃纤维硅氧骨架(-Si-O-Si-)的侵蚀。水泥在水化时会产生大量的Ca(OH)2，其孔隙液呈碱性，PH值一般大于10。Ca(OH)2与玻璃纤维中的S02骨架反应生成水化硅酸钙而对玻璃纤维结构造成破坏。由于水泥会不断分解出Ca(OH)2，因此水泥会不断对玻璃纤维进行侵蚀直至反应物消耗完全。玻璃在被碱侵蚀过程中，不会形成硅凝胶薄膜，而是使玻璃表面层全部脱落，所以普通玻璃纤维在水泥中根本起不到增强作用。
水泥对玻璃纤维的腐蚀
玻璃纤维的碱侵蚀作用与玻璃纤维的表面积密切相关，如果把玻璃研磨成很细的粉末，在碱性介质中所有玻璃包括耐碱玻璃，都会有很高的侵蚀速度。应注意的是，耐碱玻璃不是不受水泥的化学腐蚀，而是减少了化学侵蚀的速度。
（二）物理腐蚀
化学侵蚀机理不能很好地解释玻璃纤维在低碱度水泥中强度下降的原因。试验证明水泥水化形成的高碱度液相会对玻璃纤维进行侵蚀，但也有研究结果表明当使用高铝水泥等低碱度水泥或大量掺合料取代硅酸盐水泥制成的GRC仍会发生长期强度下降的现象，这些基体水化生成的Ca(OH)2很少或不生成Ca(OH)2。
采用耐碱的Cem-FIL玻璃纤维增强的水泥试样，在英国的气候条件下暴露5年后，断裂模量和拉伸强度仍然有明显下降，然而在电子显微镜中这些试样只能看到少量的腐蚀。这说明了水泥基体对玻璃纤维除了化学腐蚀作用外还有物理作用。
GRC中玻璃纤维的物理腐蚀表现为静态疲劳过程，微观上是应力作用下的微裂纹的产生与扩展。物理腐蚀主要有内应力作用和外应力作用。
（1）内应力作用
内应力作用是指水泥水化过程中固相体积的变化和晶体生长对玻璃纤维的物理作用。具体有水泥石的膨胀作用、氢氧化钙结晶作用等。Н.В.УрЪев提出了结晶压力概念，他认为在玻璃纤维微裂缝和缺陷中，水泥水化物晶体生长时产生的结晶压力是玻璃纤维强度下降的最重要原因之一。对固相体积来说，水泥水化之后比水化之前要大很多。例如从CaO变成Ca(OH)2固相体积增加了98%，C3S水化固相体积增加了111%。水泥基体的体积变化会对玻璃纤维产生垂直玻璃纤维表面的作用力。这些作用力或在玻璃纤维表面施加压力，或是迫使玻璃纤维产生弯曲形变。如果玻璃纤维表面没有缺陷，它是能够承受很大的压缩应力。但如果压力作用于玻璃纤维的微裂纹处，势必使裂纹扩展。
（2）外应力作用
Вирюковиич提出了应力侵蚀学说，他认为，应力侵蚀主要由于玻璃纤维表面存在缺陷，水、蒸汽和水泥水化物等均可在缺陷端部造成应力集中，使缺陷扩展，从而使玻璃纤维受到侵蚀。
外应力是指施加在GRC上的外加荷载以及由于热胀冷缩、湿胀干缩所带来的应力。外应力就算在GRC的强度极限范围内，也会因为局部产生应力集中而出现玻璃纤维破坏。当外力超过GRC的强度极限则直接导致材料的破坏。
正是因为存在着腐蚀，所以自上世纪50年代开始尝试使用GRC制品，到80年代投入到大规模应用，走过了近30年。直到抗碱玻璃纤维CEM-FIL投入商业应用，GRC才正真地走向春天。
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