磷酸鎂水泥復(fù)合材料的研究進(jìn)展*

肖炳斐，陳 玥，房 琦，丁 鑄

(深圳大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060)

0 引 言

磷酸鎂水泥(magnesium phosphate cement，MPC)是一種基于酸堿中和反應(yīng)的快凝快硬膠凝材料，又被稱為化學(xué)結(jié)合陶瓷材料。磷酸鎂水泥砂漿加入水拌和后，很快發(fā)生水化，隨著水化反應(yīng)的不斷進(jìn)行，砂漿逐漸失去流動(dòng)性和可塑性而凝結(jié)硬化，由于水化反應(yīng)的逐漸深入，硬化的水泥漿體不斷發(fā)展變化，結(jié)構(gòu)變得更加致密，最終形成具有一定力學(xué)強(qiáng)度的穩(wěn)定的水泥石結(jié)構(gòu)。磷酸鎂水泥的水化產(chǎn)物主要是鳥糞石相MgKPO4·6H2O或者M(jìn)gNH4PO4·6H2O,也會(huì)含有少量的MgNH4H2PO4·H2O和Mg3(PO4)2·4H2O等水化產(chǎn)物。其中鳥糞石相作為磷酸鎂水泥水化產(chǎn)物中含量最多且粘結(jié)性能最好的相，其結(jié)構(gòu)與性能的變化直接影響到磷酸鎂水泥砂漿強(qiáng)度及其他性能。相比較普通硅酸鹽水泥，MPC具有水化速度快、早期強(qiáng)度高、與舊混凝土的界面粘結(jié)性好、耐磨及抗凍性好，以及凝結(jié)硬化后呈中性偏弱堿性。MPC也有一些固有的缺點(diǎn)。作為一種化學(xué)結(jié)合陶瓷，MPC的膠結(jié)力為離子鍵和共價(jià)鍵，其鍵能大、強(qiáng)度高，在受沖擊荷載時(shí)，位錯(cuò)很難滑移，彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變比較小，所以MPC具有較高的脆性，限制了MPC的工程應(yīng)用。因此，利用纖維對(duì)MPC纖維復(fù)合材料、對(duì)MPC進(jìn)行改性，意義重大。

不同模量纖維對(duì)MPC的增韌效果具有較大差異，通常以MPC彈性模量為基準(zhǔn)，劃分為低彈性模量和高模量纖維。合成纖維、天然纖維等低彈性模量纖維，其變形能力強(qiáng)，可作為非結(jié)構(gòu)性補(bǔ)強(qiáng)材料，低模量纖維對(duì)MPC的斷裂模量、抗沖擊性能、耐磨性能、抗裂性能等均有較好的改善效果；高模量纖維，如鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維等，基體破壞時(shí)的能量消耗形式以拔出過程的摩擦消耗為主，纖維自身形變消耗為輔，這是一種比較理想的破壞模式，既可以增加MPC的延性，又能提高強(qiáng)度。MPC復(fù)合材料常用的纖維有無機(jī)纖維[1-2]、植物纖維[3-5]、合成聚合物纖維[6-10]。其機(jī)理在于，第一，當(dāng)MPC水泥基體受到外加荷載后，部分荷載可以傳遞到纖維上，從而減輕MPC基體的荷載，阻止微裂紋的擴(kuò)展；第二，當(dāng)MPC破壞時(shí)，通過纖維拔出和斷裂作用吸收一部分能量。為進(jìn)一步拓展MPC在實(shí)際工程中的應(yīng)用，不同種類的MPC纖維復(fù)合材料已經(jīng)成為重要的研究方向。

1 MPC植物纖維復(fù)合材料

為了降低能源和資源的消耗，同時(shí)改善水泥基材料的脆性問題，使用植物纖維材料或生物復(fù)合材料制備水泥基復(fù)合材料非常有吸引力，因?yàn)槠淇稍偕匦钥蓽p少能源和原材料的消耗使用，在建筑業(yè)中具有可持續(xù)發(fā)展的重要意義。國(guó)內(nèi)外研究探索了使用各種植物復(fù)合材料用于制備綠色混凝土的可能性，例如大麻[3]，草捆[4]，甘蔗和稻殼[5]等。其中最為引人關(guān)注的是大麻莖稈混凝土，由于大麻莖稈的低密度和高孔隙率，所制備的大麻莖稈混凝土具有十分優(yōu)異的保溫隔熱、調(diào)濕及透氣功能[6]，目前已在歐洲一些住宅中成功應(yīng)用。

然而，這些植物莖稈混凝土采用的膠凝材料基本是硅酸鹽水泥或石灰。硅酸鹽水泥和石灰凝結(jié)硬化后呈堿性，這種堿性性質(zhì)易于削弱大部分天然纖維，尤其是那些相互獨(dú)立被分開的纖維[7]。此外，天然的植物纖維，是由單個(gè)纖維細(xì)胞通過中間夾層膠結(jié)在一起的，這中間夾層主要為半纖維素和木素以及低聚糖等，它們?cè)谒嗔蠞{的堿性環(huán)境中會(huì)降解、浸提出單糖、低聚糖、木素等，會(huì)對(duì)水泥導(dǎo)致緩凝作用[8]。相比于硅酸鹽水泥，磷酸鎂水泥凝結(jié)硬化后呈中性偏弱堿性，有利于植物纖維長(zhǎng)期的耐久性[9]。為研究植物纖維復(fù)合材料、制備綠色混凝土提供了契機(jī)。因此，利用植物纖維與MPC復(fù)合制作的新型材料，符合環(huán)保、節(jié)能、綜合利用的產(chǎn)業(yè)政策，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，既利用了農(nóng)作物或建筑木材廢料，又達(dá)到了節(jié)約能源的目的。

1.1 MPC玉米秸稈復(fù)合材料

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的最大副產(chǎn)物，其中玉米秸稈占中國(guó)農(nóng)作物秸稈的較大比例。而相當(dāng)一部分的玉米秸稈(CS)則被低值利用，既對(duì)資源造成了浪費(fèi)，又污染了環(huán)境。陳兵等[10]以磷酸鎂水泥(MPC)、粉煤灰(FA)和玉米秸稈為主要原料，合成了一種新型的混凝土。該研究用不同含量(CS含量為5%～30%)和兩種規(guī)格的大玉米秸稈(LCS)和小玉米秸稈(SCS)，研制出玉米秸稈磷酸鎂混凝土(CS-MPC混凝土)，并研究了玉米秸稈MPC復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、毛細(xì)吸水率和吸水性能。研究表明，CS-MPC混凝土不僅在最初的24h內(nèi)達(dá)到其最大強(qiáng)度的56%至74%，而且還改善了其熱性能。摻量為15%和30%的小玉米秸稈(SCS)的28天混凝土抗壓強(qiáng)度分別為12.47 和2.60 MPa，摻量15%和30%的大玉米秸稈(LCS)的28天混凝土抗壓強(qiáng)度為9.69和1.75 MPa。LCS-MPC-30和SCS-MPC-30混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)λ值分別為0.0510和0.0986 W /(m·K)。相同摻量下的LCS-MPC與SCS-MPC相比，LCS-MPC混凝土的λ值均較低，這是由于大玉米秸稈相較于小玉米秸稈，密實(shí)度更低以及孔結(jié)構(gòu)較多所導(dǎo)致的。微觀結(jié)構(gòu)研究表明，玉米秸稈作為植物骨料與MPC之間具有較好的相互作用，在鳥糞石晶體上還觀察到一些未反應(yīng)的MgO顆粒，粉煤灰通過填充孔有效地提高了復(fù)合材料的致密性。CS-MPC混凝土的其它性能，例如吸附性能、聲學(xué)性能和耐久性也在進(jìn)一步研究之中。

1.2 MPC刨花板復(fù)合材料

建筑廢棄物的處理與發(fā)展中國(guó)家的經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)密切相關(guān)，基礎(chǔ)設(shè)施的城市化建設(shè)造成的大量木材浪費(fèi)給可持續(xù)發(fā)展帶來了負(fù)擔(dān)。例如，香港的建筑業(yè)和航運(yùn)業(yè)每天產(chǎn)生數(shù)百噸的木材廢料，造成大量資源浪費(fèi)，并占用了有限的填埋空間[11]。由于碳排放量的日益增加和有限的填埋空間的局限，填埋木材廢料日益被視為不可持續(xù)的管理方法。為解決這一問題，將建筑廢木料轉(zhuǎn)變成水泥粘合的刨花板已經(jīng)成為一種創(chuàng)新的解決方案[12]。

目前，普通硅酸鹽水泥制作的刨花板在壓力下保持一致的尺寸和適當(dāng)?shù)目紫堵剩枰粋€(gè)非常長(zhǎng)的成型時(shí)間，大約在24 h。盡管促凝劑的添加和CO2養(yǎng)護(hù)可以將凝結(jié)時(shí)間縮短至6～8 h，但由于生產(chǎn)速率較低，廢材回收利用的效率仍然存在局限性。在最近的研究中首次證明MPC可以用于快速成型的刨花板的生產(chǎn)[13]。與傳統(tǒng)的普通硅酸鹽水泥刨花板相比，MPC刨花板具有明顯的優(yōu)勢(shì)。第一，MPC刨花板比硅酸鹽水泥刨花板更環(huán)保，即溫室氣體排放減少5%；第二，由于具有快速凝結(jié)硬化快的特性，與硅酸鹽水泥刨花板相比，MPC刨花板的主要優(yōu)勢(shì)在于保持一致尺寸所需的壓縮時(shí)間更短(5～8 min)[14]。木材顆粒作為一種吸濕材料，有利于MPC的水化產(chǎn)物即鳥糞石相在木材孔隙度內(nèi)的形成，MPC水化產(chǎn)物的結(jié)晶態(tài)和無定形水化產(chǎn)物增強(qiáng)了其與木材顆粒的結(jié)合。MPC對(duì)木材廢棄物中的雜質(zhì)，如水溶性萃取物和化學(xué)防腐劑等也表現(xiàn)出很高的耐久性，這些雜質(zhì)常常干擾OPC的水化反應(yīng)[15]。同時(shí)MPC粘合劑中相對(duì)較低的pH值(5～8)也減輕了木材顆粒的降解與礦化[16]。MPC與木材廢棄物的協(xié)同作用產(chǎn)生了具有輕質(zhì)、隔熱、隔音的高強(qiáng)度刨花板。

盡管MPC具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于MPC在水中的穩(wěn)定性較弱，MPC刨花板在潮濕環(huán)境中的應(yīng)用可能會(huì)受到質(zhì)疑[17]。之前的研究表明，晶體和無定形磷酸鎂在水介質(zhì)中分解，導(dǎo)致長(zhǎng)期浸泡后殘余強(qiáng)度會(huì)有降低。此外，木材廢料具有較高的吸水能力，這可能會(huì)進(jìn)一步降低MPC刨花板在潮濕環(huán)境中的耐久性。雖然添加硅灰、水玻璃和憎水劑可以提高抗水性，但力學(xué)強(qiáng)度明顯下降[18]。因此，有必要探索提高M(jìn)PC刨花板耐水性的新途徑。

2 MPC聚合物及合成聚合物纖維復(fù)合材料

2.1 MPC聚合物乳液復(fù)合材料

聚合物乳液改性MPC時(shí)，基體會(huì)在裂紋擴(kuò)展過程中產(chǎn)生其他能量消耗機(jī)制，使外加荷載的一部分或大部分能量消耗掉而不集中于裂紋的擴(kuò)展上。采用聚合物乳液改性時(shí)，聚合物分子與MPC水化產(chǎn)物相互作用會(huì)改變MPC基體結(jié)構(gòu)，提高M(jìn)PC的抗折強(qiáng)度、變形能力以及粘結(jié)強(qiáng)度等[19]。目前，MPC增韌采用的聚合物乳液主要有聚丙烯酸脂乳液(PVE)、苯丙乳液(SAE)、醋酸乙烯-乙烯共聚乳液(EVA)，其中EVA乳液的增韌效果優(yōu)于PVE和SAE乳液(見表1，單位：N/m)。王潤(rùn)澤等[20]發(fā)現(xiàn)參加9%EVA乳液，MPC斷裂能可能提高50%以上，用于混凝土修補(bǔ)時(shí)與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度也可顯著提高，通過SEM觀察水化產(chǎn)物時(shí)發(fā)現(xiàn)EVA絮狀物與MPC水化產(chǎn)物交互形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，基體結(jié)構(gòu)更加致密。陳兵[21]等將可分散性乳膠粉參加到MPC中，發(fā)現(xiàn)其耐水性、抗折強(qiáng)度/抗壓強(qiáng)度比、凝結(jié)時(shí)間、抗干燥收縮能力以及粘結(jié)強(qiáng)度均有不同程度提高。

表1 聚合物乳液對(duì)MPC斷裂能的影響[20]Table 1 Influence of polymer emulsion on MPC fracture energy[20]

聚合物增韌MPC的作用效果主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：聚合物在MPC中形成類似于微纖維的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以阻止微裂紋的擴(kuò)展，提高基體抗折強(qiáng)度；同時(shí)，聚合物對(duì)集料表面有潤(rùn)濕作用，這種潤(rùn)濕作用可以使聚合物牢固地附著在聚合物表面，改善集料和基體之間的粘結(jié)能力，延緩了微裂紋的出現(xiàn)；此外，聚合物可以與MPC發(fā)生一定程度的化學(xué)反應(yīng)，增強(qiáng)基體與聚合物的粘結(jié)，從而提高M(jìn)PC的抗折強(qiáng)度。但是，聚合物包裹在MgO顆粒表面會(huì)延緩MPC的早期水化，降低早期強(qiáng)度，同時(shí)由于聚合物乳液粘性較高，摻加到MPC中時(shí)會(huì)提高漿體的黏度，降低流動(dòng)性能。

2.2 MPC聚合物纖維復(fù)合材料

為了探求聚合物纖維對(duì)MPC性能的影響，李悅等[22]制備了不同摻量的聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維復(fù)合MPC，測(cè)試了纖維增強(qiáng)MPC的流動(dòng)性、抗壓強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在一定條件范圍內(nèi)，隨著纖維的摻量增加，MPC漿體的流動(dòng)性逐漸降低，聚丙烯腈纖維對(duì)MPC漿體的流動(dòng)性影響要大于聚丙烯纖維對(duì)其流動(dòng)性的影響。在一定摻量范圍內(nèi)，摻加聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維對(duì)MPC試件的抗壓強(qiáng)度都沒有明顯影響，而抗折強(qiáng)度先增加后穩(wěn)定；摻加聚丙烯腈纖維對(duì)MPC試件的抗折強(qiáng)度影響更大；微觀分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于MPC試件，摻加聚丙烯纖維的分散性好于聚丙烯腈纖維，并且MPC中的化學(xué)反應(yīng)對(duì)纖維不產(chǎn)生損傷。聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維產(chǎn)品物理力學(xué)性能見表2。

表2 纖維物理力學(xué)性能[22]Table 2 Physical and mechanical of fiber[22]

聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維兩種纖維在不同的摻量下MPC漿體的流動(dòng)度測(cè)試結(jié)果表明：隨著纖維的摻量的增加，MPC漿體的流動(dòng)性逐漸降低。摻加聚丙烯的MPC漿體流動(dòng)性降低平緩；而摻加聚丙烯腈的MPC漿體，其流動(dòng)度降低幅度較大，當(dāng)摻量>0.33%時(shí)，流動(dòng)度急劇下降，聚丙烯腈摻量為0.99%比摻量為0.33%的流動(dòng)度降低44%。因此聚丙烯腈纖維對(duì)MPC漿體的流動(dòng)性影響要大于聚丙烯纖維對(duì)其流動(dòng)性的影響。

但是，在一定摻量范圍內(nèi)，摻加聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維對(duì)MPC試件的抗壓強(qiáng)度都沒有明顯影響，而抗折強(qiáng)度先增加后趨于穩(wěn)定。由摻加兩種纖維的MPC試件SEM測(cè)試結(jié)果表明，摻加聚丙烯腈纖維的試件，纖維有集束狀情況出現(xiàn)。摻加聚丙烯纖維試件中纖維絲都得到了很好的分散，較均勻分布于試件基體中。因此，對(duì)于MPC試件來說，聚丙烯纖維的分散性好于聚丙烯腈纖維。另外，由放大倍數(shù)較高的SEM圖可以看出，MPC試件中的纖維并沒有產(chǎn)生腐蝕的痕跡，因此，纖維在試件中能夠保持其應(yīng)有的物理性能，試件中的化學(xué)反應(yīng)不會(huì)對(duì)其造成損傷。

因?yàn)镻VA纖維與聚丙烯纖維有著相似的性能，在硅酸鹽水泥基纖維復(fù)合材料中常作為對(duì)比材料，而且，所制成的硅酸鹽PVA纖維復(fù)合材料具有獨(dú)特的應(yīng)變-硬化性能和超高韌性，顯著改變了傳統(tǒng)水泥基材料的脆性特征。孫晨等[23]為了探究PVA纖維對(duì)磷酸鎂水泥性能的影響，制備了不同摻量PVA纖維復(fù)合MPC，測(cè)試其抗壓、抗折強(qiáng)度、彎曲性能，并用X射線三維重構(gòu)顯微鏡(XCT)分析了微觀結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，PVA纖維的加入對(duì)MPC抗折性能有顯著的提高，但是對(duì)抗壓強(qiáng)度影響不大；PVA纖維的加入對(duì)于彎曲性能有較好的改善，延性顯著提高，顯示出明顯的彎曲硬化特點(diǎn)，可以有效改善磷酸鎂水泥的脆性破壞特征。

對(duì)三維重構(gòu)圖進(jìn)行進(jìn)一步濾波和分割處理，得到纖維在其中的分布特征，發(fā)現(xiàn)PVA纖維在MPC基體中具有很好的分散，各纖維亂向分散相互交叉，沒有出現(xiàn)集束現(xiàn)象。良好的亂向分散使纖維在試件開裂過程中起到了良好的“橋聯(lián)”作用，阻止了裂縫的發(fā)展。

3 MPC-無機(jī)纖維復(fù)合材料

3.1 MPC-鋼纖維復(fù)合材料

鋼纖維可顯著改善磷酸鎂水泥砂漿諸多性能，其原因在如下：摻入鋼纖維后，磷酸鎂水泥砂漿材料在受到荷載作用時(shí)，形成多點(diǎn)開裂，即基體開裂后由于亂向分布的鋼纖維承擔(dān)了因基體開裂而轉(zhuǎn)移的荷載，并借助與界面的粘結(jié)力將荷載傳遞至基體中，使裂縫形成于基體各處。此外，鋼纖維還能承受更大的荷載直至峰值荷載時(shí)產(chǎn)生裂縫的失穩(wěn)擴(kuò)展。由于鋼纖維的阻裂強(qiáng)韌化作用，顯著地提高了磷酸鎂水泥砂漿的強(qiáng)度、韌性及耐磨性能，并起到了限制收縮、減少體積變形的作用。

汪洪濤等試驗(yàn)表明[24]，鋼纖維摻量低于1%時(shí)，對(duì)磷酸鎂水泥砂漿的流動(dòng)性影響并不大；當(dāng)摻量大于1%時(shí)，隨著鋼纖維摻入量的增加，磷酸鎂水泥砂漿的流動(dòng)性會(huì)明顯降低；鋼纖維對(duì)磷酸鎂水泥砂漿強(qiáng)度尤其是早期強(qiáng)度有顯著增強(qiáng)效果，鋼纖維摻量在0.8%～1.5%之間時(shí)增強(qiáng)效果最佳；鋼纖維可明顯降低磷酸鎂水泥砂漿的收縮率，摻入一定量的鋼纖維可提高其耐磨性能。

3.2 MPC-碳纖維復(fù)合材料

3.2.1 碳纖維摻量對(duì)磷酸鎂水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

賈興文等[25]研究了碳纖維摻量對(duì)磷酸鎂水泥砂漿(MPCM)抗壓強(qiáng)度的影響。由于MPCM的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)主要在7 d臨期以前，此后MPCM抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較為緩慢，因此主要測(cè)試了碳纖維增量對(duì)MPCM的6 h、1 d和7 d抗壓強(qiáng)度的影響。

隨著碳纖維摻量的增加，試體各齡期的抗壓強(qiáng)度均比未參加碳纖維時(shí)有所增加，尤其是碳纖維摻量超過0.4%以后，MPCM的6 h和1 d抗壓強(qiáng)度顯著增長(zhǎng)。以6 mm碳纖維為例，當(dāng)碳纖維摻量為0.4%時(shí)，MPCM的6 h、1 d和7 d抗壓強(qiáng)度分別比未參加碳纖維時(shí)同齡期的MPCM試件增長(zhǎng)54.1%、42.9%、10.9%；當(dāng)碳纖維摻量為0.8%時(shí)，MPCM抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度分別為70.3%、69.6%、19.7%。碳纖維摻量為0.4%～0.8%時(shí)更有利于提高M(jìn)PCM的抗壓強(qiáng)度。然而，當(dāng)碳纖維摻量增加到1.0%時(shí)，參加10 和15 mm碳纖維的MPCM的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)。

除了摻量，碳纖維長(zhǎng)度也會(huì)對(duì)MPCM的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響。長(zhǎng)度6 mm的碳纖維更有利于提高M(jìn)PCM的抗壓強(qiáng)度，其次是長(zhǎng)度3 mm的碳纖維。摻加長(zhǎng)度10和15 mm的碳纖維時(shí)，隨著碳纖維摻量的增加，抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度明顯小于摻加6 mm碳纖維的MPCM，摻量較高時(shí)甚至還導(dǎo)致MPCM抗壓強(qiáng)度下降。這主要是由于隨著長(zhǎng)度增加，碳纖維在MPCM基體中分散性降低，碳纖維分布不均勻?qū)е翸PCM基體產(chǎn)生更多缺陷，使MPCM的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

3.2.2 碳纖維摻量對(duì)磷酸鎂水泥砂漿抗折強(qiáng)度的影響

MPC屬于具有明顯脆性的無機(jī)膠凝材料，MPCM的抗壓強(qiáng)度很高，參加碳纖維的主要目的是提高M(jìn)PCM的抗折強(qiáng)度和韌性。研究表明，當(dāng)碳纖維摻量為0.2%時(shí)，長(zhǎng)度15 mm碳纖維對(duì)MPCM抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)作用更為顯著；當(dāng)碳纖維摻量為0.4%時(shí)；碳纖維長(zhǎng)度對(duì)MPCM抗折強(qiáng)度的影響無顯著差異；當(dāng)碳纖維摻量達(dá)到0.6%時(shí)，長(zhǎng)度6和10 mm的碳纖維對(duì)MPCM的抗折強(qiáng)度增強(qiáng)效果最好。6 mm碳纖維摻量為0.6%，MPCM的6h、1d和7d抗折強(qiáng)度相比于未摻加碳纖維時(shí)分別增大了43.9%、14.6%和44.5%[24]。碳纖維摻量較少時(shí)，碳纖維的分散性相對(duì)較好，長(zhǎng)度較大的碳纖維更容易相互搭接形成網(wǎng)絡(luò)，在彎曲力作用下，長(zhǎng)纖維從MPCM基體中拔出時(shí)消耗的能量更大，因此碳纖維摻量較小時(shí)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)MPCM抗折強(qiáng)度的效果較好。隨著碳纖維摻量增加，15 mm碳纖維由于分散更為困難，對(duì)MPCM抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)效果減弱，且會(huì)導(dǎo)致MPCM流動(dòng)性顯著降低；采用3 mm碳纖維時(shí)，雖然短纖維分散較為容易，但是難以形成良好的搭接網(wǎng)絡(luò)，MPCM抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度相對(duì)較小。

3.2.3 碳纖維對(duì)MPC復(fù)合材料導(dǎo)電性能的影響

碳纖維水泥基復(fù)合材料(carbon fiber reinforced cement composites,CFRC)通常是以水泥、砂漿或混凝土為基體，短切碳纖維為導(dǎo)電填料，并加入分散劑等制備而成[26]。已有的文獻(xiàn)[27]一般認(rèn)為CFRC的導(dǎo)電性能與基體的種類無關(guān)系，而是在于提高碳纖維的摻量和分散性。因此很少有研究者基于不同膠凝材料的特性來對(duì)CFRC進(jìn)行改性，CFRC目前常用的基體材料多為硅酸鹽水泥混凝土。易峰等[28]以高摻量粉煤灰磷酸鎂水泥為基體，短切纖維為功能材料，制備出了磷酸鹽水泥碳纖維復(fù)合材料(phosphate cement carbon fiber composites,PCFC)。

硅酸鹽水泥基碳纖維復(fù)合材料CFRC的電導(dǎo)率隨碳纖維摻量變化的導(dǎo)電機(jī)理為：CFRC中存在離子導(dǎo)電、碳纖維搭接形成的電子導(dǎo)電和電子躍遷形成的隧道效應(yīng)導(dǎo)電3種基本方式?，F(xiàn)有的導(dǎo)電機(jī)理認(rèn)為CFRC內(nèi)的纖維到達(dá)一定量、形成有效搭接后，電導(dǎo)率就不再增長(zhǎng)，而PCFC隨著碳纖維的增加卻出現(xiàn)了二次增長(zhǎng)。這是因?yàn)閮烧叩幕wMPC和硅酸鹽水泥具有完全不同的性質(zhì)。首先，MPC粘稠性大，在拌合PCFC過程中，可帶動(dòng)碳纖維分散開來，使得碳纖維在MPC內(nèi)部就分散得均勻，而PC雖有一定粘稠性，但還需要依靠甲基纖維素(MC)等分散劑事先分散纖維，才能使得纖維達(dá)到相對(duì)均勻的分散狀態(tài)；其次纖維摻量一旦增加到一定數(shù)值，水灰比固定的情況下，CFRC的和易性將會(huì)迅速降低，也會(huì)導(dǎo)致纖維無法有效分散，因而其導(dǎo)電性能也就不會(huì)增加，甚至出現(xiàn)降低的情況。

易峰等[28]對(duì)不同碳纖維含量的PCFC和CFRC試樣進(jìn)行了SEM觀測(cè)，結(jié)果表明碳纖維摻量為1.4%的PCFC仍有較高的分散性。當(dāng)碳纖維摻量達(dá)到1.4%時(shí)，CFRC出現(xiàn)了纖維團(tuán)聚現(xiàn)象，即部分纖維無法散開來，從而大大約束了其力學(xué)性能和電學(xué)性能的持續(xù)增長(zhǎng)。

相比CFRC，PCFC制備過程簡(jiǎn)單，并且由于PCFC自身對(duì)碳纖維良好的分散效果，在同等碳纖維摻量的情況下，PCFC的力學(xué)增強(qiáng)效果和導(dǎo)電性能更優(yōu)越。碳纖維摻量超過1.4%的PCFC不僅導(dǎo)電性能優(yōu)越，且受齡期的影響較小，具有良好的導(dǎo)電穩(wěn)定性，因而有望開發(fā)出導(dǎo)電性能好且穩(wěn)定性好的水泥基導(dǎo)電復(fù)合材料。

3.3 MPC-玻璃纖維復(fù)合材料

玻璃纖維增強(qiáng)水泥(GRC)是一種玻璃纖維與水泥的復(fù)合材料。因其具有易于成型、良好的力學(xué)性能和防火性能的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于外掛板等許多場(chǎng)合。然而，玻璃纖維在堿性環(huán)境的耐久性一直是其主要局限。雖然耐堿性纖維已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但其耐久性問題依然沒有被完全解決[29]。因此，磷酸鎂水泥的弱堿性環(huán)境為玻璃纖維與水泥復(fù)合提供了可能性。

方圓等研究表明，玻璃纖維對(duì)磷酸鎂水泥的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度有一定貢獻(xiàn)，其中纖維的最佳體積摻量約為2.5%[30]。以養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d的試塊為例，當(dāng)玻璃纖維摻量為2.5%時(shí)，試塊的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，為96 MPa，當(dāng)玻璃纖維摻量升至3.5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度下降到87 MPa。試塊抗彎強(qiáng)度最大達(dá)到17.2 MPa，比不摻玻璃纖維的試塊高6.9 MPa。但超過最佳摻量后，抗壓和抗折強(qiáng)度都有所降低。另外，稍過量的玻璃纖維(摻量為3%)能夠暫時(shí)“包裹”未反應(yīng)基材，使其在濕潤(rùn)或浸水環(huán)境下得以繼續(xù)反應(yīng)，又一輪水化反應(yīng)產(chǎn)生的鳥糞石可以抵消或者減少遇水溶解的鳥糞石，從而抵消因浸水造成的強(qiáng)度損失，這有可能是一種改善磷酸鎂水泥耐水性的新方法。

4 未來前景

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)混凝土的強(qiáng)度、韌性和耐久性提出了更高的要求，高強(qiáng)混凝土(high strength concrete,HSC)[31]、纖維增強(qiáng)混凝土(fiber Reinforced concrete,FRC)、工程水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composite,ECC)[32]和活性粉末混凝土(reactive powder concrete,RPC)[33]等性能優(yōu)異的高性能混凝土相繼誕生。其中由法國(guó)Bouygues實(shí)驗(yàn)室提出的RPC因其超高的強(qiáng)度、斷裂韌性以及良好的密實(shí)性和耐久性而受到廣泛關(guān)注[34]。此后，以RPC配置技術(shù)為基礎(chǔ)的超高性能混凝土(ultra high performance concrete,UPHC)材料性能、結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及工程實(shí)踐等方面的研究，成為當(dāng)今水泥基材料的研究熱點(diǎn)之一[35]。在PVA纖維水泥基復(fù)合材料的研究中，絕大多數(shù)是以硅酸鹽水泥作為基體材料進(jìn)行PVA-ECC研究的，而以磷酸鎂水泥用作水泥基的PVA-ECC材料的研究卻極少，以MPC為基體的PVA-ECC是未來值得挑戰(zhàn)和發(fā)展的一個(gè)重要方向。

5 結(jié) 語

利用農(nóng)作物秸稈與建筑廢棄木材等制作新型MPC植物纖維復(fù)合材料，既利用了廢棄原料，又節(jié)省了大量的土地資源，符合國(guó)家環(huán)保、節(jié)能、綜合利用的產(chǎn)業(yè)政策，具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益。但是，由于全國(guó)各地的農(nóng)作物秸稈資源不同，不同的農(nóng)作物秸稈，其纖維形態(tài)、強(qiáng)度、耐侵蝕性勢(shì)必會(huì)有所差異，因此不同的秸稈纖維對(duì)于成型后材料的性能影響也不同，還需要做進(jìn)一步的系統(tǒng)研究。

聚合物在MPC中形成類似于微纖維的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以阻止微裂紋的擴(kuò)展，提高基體抗折強(qiáng)度；同時(shí)，聚合物對(duì)集料表面有潤(rùn)濕作用，這種潤(rùn)濕作用可以使聚合物牢固地附著在聚合物表面，改善集料和基體之間的粘結(jié)能力，延緩了微裂紋的出現(xiàn)。但是會(huì)導(dǎo)致MPC早期工作性能和強(qiáng)度的降低。相比聚合物乳液增韌改性，纖維改性MPC具有更優(yōu)良的性能特點(diǎn)，而且應(yīng)用前景更為廣泛。

鋼纖維對(duì)磷酸鎂水泥砂漿強(qiáng)度尤其是早期強(qiáng)度有顯著增強(qiáng)效果，鋼纖維可明顯降低磷酸鎂水泥砂漿的收縮率，摻入一定量的鋼纖維可提高其耐磨性能。碳纖維長(zhǎng)度對(duì)磷酸鎂水泥的抗壓和抗折強(qiáng)度的影響有所差異，3～6 mm的碳纖維有利于改善磷酸鎂水泥的抗壓強(qiáng)度，6～10 mm的碳纖維有利于改善磷酸鎂水泥的抗折強(qiáng)度。磷酸鎂水泥基碳纖維復(fù)合材料相比碳纖維硅酸鹽水泥基復(fù)合材料在同等碳纖維摻量的情況下力學(xué)增強(qiáng)效果更好、導(dǎo)電性更為優(yōu)越。

玻璃纖維對(duì)磷酸鎂水泥的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都有一定的貢獻(xiàn)，其中纖維的最佳體積摻量約為2.5%，但超過最佳摻量后，抗壓和抗折強(qiáng)度都有所降低。另外，加入稍過量的玻璃纖維可能是一種改善磷酸鎂水泥耐水性的新方法。

UHPC和ECC是混凝土未來低碳化的高端發(fā)展方向，以MPC為基體的PVA-ECC是未來值得挑戰(zhàn)和發(fā)展的一個(gè)重要方向。