纖維-建筑石膏基復(fù)合材料力學(xué)及耐水性能研究進(jìn)展

謝浪，羅雙，付汝賓，周銀笙，程想，孔德文，王玲玲

(貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

石膏基復(fù)合材料是在石膏中添加一定摻合料及外加劑制備的一種新型建筑材料，可增強(qiáng)石膏的物理及力學(xué)性能，且具有保溫隔熱性能好、能耗低等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，但此類材料的抗折強(qiáng)度和耐水性能仍較差[3-4]，限制了其在工程領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

纖維是一種天然或人工合成的細(xì)絲狀物質(zhì)，具有較好的斷裂韌性和拉伸強(qiáng)度，其種類繁多，按材性可分為無機(jī)纖維和有機(jī)纖維，而按其吸濕性可分為疏水性纖維和親水性纖維[5-6]。纖維當(dāng)前被廣泛應(yīng)用于改性諸多復(fù)合材料，以增強(qiáng)其各項(xiàng)性能[7-8]。國內(nèi)外學(xué)者常以建筑石膏為原料制備石膏基復(fù)合材料，摻加各種纖維，并對此進(jìn)行了大量的理論分析和試驗(yàn)研究，以探究纖維對其性能的影響。

本文基于現(xiàn)有研究成果，就纖維對建筑石膏基復(fù)合材料力學(xué)性能、耐水性能的影響進(jìn)行綜述和討論，并對今后開展的研究進(jìn)行展望，以期為纖維-石膏基復(fù)合材料的后續(xù)研發(fā)及應(yīng)用提供參考。

1 纖維對建筑石膏基復(fù)合材料力學(xué)性能影響

1.1 纖維對建筑石膏基復(fù)合材料力學(xué)性能影響機(jī)理

石膏基復(fù)合材料內(nèi)部存在諸多原始缺陷，其結(jié)構(gòu)疏松多孔，致使抗折強(qiáng)度低、脆性大而易斷裂破壞[9]。研究認(rèn)為，一定摻量和長度范圍內(nèi)的纖維摻入基體中，可形成具有約束作用的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了基體的連續(xù)性，其在復(fù)基體受力時(shí)可吸收較大的能量，改善基體內(nèi)部的應(yīng)力場。當(dāng)基體受彎時(shí)，纖維跨越原始裂縫成為傳遞荷載的橋梁，其與基體間的機(jī)械咬合力、界面黏結(jié)力和握裹力抵抗著內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而抑制裂紋擴(kuò)展和基體開裂。在出現(xiàn)開裂時(shí)，纖維能夠連接出現(xiàn)的微裂縫，一面從硬化體中拔出，一面抵抗外力，阻礙著裂縫發(fā)展和基體破壞，從而提高復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度。在基體受壓時(shí)，編織成網(wǎng)的纖維形成“環(huán)箍效應(yīng)”，可約束基體中部向四周擴(kuò)散，一定程度上可提高抗壓強(qiáng)度，但受壓方向交錯(cuò)疊加的纖維將使基體在受力時(shí)的彈性變形過程中產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，且內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力易在微裂縫頂部形成應(yīng)力集中，致使裂縫出現(xiàn)并擴(kuò)展，不利于抗壓強(qiáng)度的提高[10-12]。

當(dāng)纖維較短、摻量較少時(shí)，其在基體中的分布較分散，難以共同作用，反而成為內(nèi)部缺陷；而纖維過長、摻量過多時(shí)，則易結(jié)束成團(tuán)，難以分散均勻，致使內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均，形成較大缺陷(見圖1)。這皆不利于復(fù)合材料力學(xué)性能的提高[10-12]。

圖1 不同纖維摻量復(fù)合材料的SEM 照片[10]

1.2 纖維種類對建筑石膏基復(fù)合材料力學(xué)性能影響

在纖維-建筑石膏基復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)中，抗折、抗壓強(qiáng)度及韌性是研究最廣泛的，且不同纖維對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響情況不盡相同。

1.2.1 無機(jī)纖維對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

無機(jī)纖維是以無機(jī)物為原料制成的化學(xué)纖維，有著較高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度，但其性脆易斷、不耐磨[13]。

展琳琳[10]的研究發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維可提高建筑石膏基體的抗折強(qiáng)度，隨玻璃纖維摻量和長度的增加，抗折強(qiáng)度先提高后降低；抗壓強(qiáng)度則隨玻璃纖維摻量的增加而不斷降低，在長度適中時(shí)降幅最??；當(dāng)玻璃纖維摻量為1.5%、長為15 mm 時(shí)綜合強(qiáng)度最佳，纖維改性試件的強(qiáng)度較空白組有大幅提高。黃韡[11]的研究發(fā)現(xiàn)，隨著碳纖維摻量和長度的增加，建筑石膏基體的抗折強(qiáng)度先提高后降低，抗壓強(qiáng)度則不斷降低，在碳纖維摻量為1.5%、長為15 mm 時(shí)綜合性能相對最優(yōu)[11]。張鑫[12]的研究發(fā)現(xiàn)，不同長徑比的硅灰石纖維摻量增大時(shí)，建筑石膏復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度先提高后降低，抗壓強(qiáng)度不斷降低，在長徑比適中(15∶1)時(shí)綜合強(qiáng)度最佳，而纖維經(jīng)表面處理后，試樣的機(jī)械強(qiáng)度都可獲得較大提高。

玻璃纖維、碳纖維、硅灰石纖維等無機(jī)纖維可顯著提高復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度，但對抗壓強(qiáng)度通常不利。這是因?yàn)闊o機(jī)纖維的機(jī)械性能較好，能夠承受更大的拉拔力，在基體開裂時(shí)能繼續(xù)發(fā)揮橋接裂縫傳遞荷載作用，抑制基體開裂，從而顯著提高抗折強(qiáng)度，但大多數(shù)無機(jī)纖維的分散性較差[14]，難以在復(fù)合材料受壓時(shí)發(fā)揮作用，致使抗壓強(qiáng)度有所降低。

1.2.2 有機(jī)纖維對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

有機(jī)纖維的機(jī)械性能相對較低，但韌性較好[15]，常用的有機(jī)纖維主要是有機(jī)合成纖維和天然植物纖維等。

有機(jī)合成纖維種類繁多，將聚丙烯(PP)纖維[16]和聚乙烯醇(PVA)纖維[17]摻入建筑石膏中，基體的抗折強(qiáng)度隨纖維摻量和長度的增加而先提高后降低，抗壓強(qiáng)度隨摻量的增加不斷降低，但與長度的關(guān)系不明顯。當(dāng)12 mmPP 纖維和PVA 纖維摻量為1.2%時(shí)，基體應(yīng)變能較未摻纖維的空白組分別增大2.5 倍和7.0 倍，韌性指數(shù)分別增至2.92 和6.82[18]。石宗利和黎良元[19]的研究指出，隨8 mm 維尼綸纖維摻量的增加，礦渣-建筑石膏基復(fù)合材料的抗折及抗壓強(qiáng)度先提高后降低，但增幅較?。豢箾_擊韌性不斷增大；斷裂韌性則先增大后減小，且增幅較大，在維尼綸摻量為0.7%時(shí)斷裂韌性達(dá)到最高。Eve等[20]的研究發(fā)現(xiàn)，聚酰胺纖維使建筑石膏基體的抗折及抗壓強(qiáng)度降低，但斷裂韌性顯著提高。

植物纖維也常用作建筑石膏的增強(qiáng)材料，Hostalkova 等[21]的研究發(fā)現(xiàn)，摻入木纖維對基體的抗折及抗壓強(qiáng)度均不利，且與摻量呈負(fù)相關(guān)。Olivares 等[22]的研究發(fā)現(xiàn)，劍麻纖維對基體的抗折、抗壓強(qiáng)度略有增強(qiáng)作用，但其長度從20 mm 增至40 mm 時(shí)，基體的韌性可增大近3 倍，并隨劍麻纖維摻量的增加而增大；Iucolano[23]的研究發(fā)現(xiàn)，摻量為2%的蕉麻纖維可顯著增強(qiáng)基體的彎曲韌性，纖維經(jīng)處理后韌性可進(jìn)一步提高。

圖2 為文獻(xiàn)[16-19]中不同有機(jī)纖維在較優(yōu)長度下對建筑石膏基復(fù)合材料抗折及抗壓強(qiáng)度的影響情況。

圖2 有機(jī)纖維對復(fù)合材料抗折、抗壓強(qiáng)度的影響[16-19]

由圖2 可知，有機(jī)纖維對復(fù)合材料抗折及抗壓強(qiáng)度的作用并不規(guī)律，部分有機(jī)纖維對復(fù)合材料有增強(qiáng)作用，但效果不佳，部分有機(jī)纖維還對強(qiáng)度有不利影響。這是因?yàn)橛袡C(jī)纖維的彈性模量和抗拉強(qiáng)度相對較小，只能承擔(dān)有限的外荷載，且因其柔性纖維的特質(zhì)而易彎曲成團(tuán)，增加基體內(nèi)部薄弱環(huán)節(jié)，難以直接提高強(qiáng)度[24]。但有機(jī)纖維具有更好的斷裂韌性，在受力時(shí)能吸收較大能量，并在基體開裂時(shí)較好地發(fā)揮橋接作用，可大幅提高基體的初裂撓度，顯著增強(qiáng)其韌性。

綜上所述，纖維對石膏基復(fù)合材料的力學(xué)性能有著不同影響，其中無機(jī)纖維主要用于提高強(qiáng)度，有機(jī)纖維則對韌性有顯著增強(qiáng)作用。在對無機(jī)和有機(jī)纖維進(jìn)行表面處理后，皆對復(fù)合材料力學(xué)性能有大幅提高，是由于纖維經(jīng)處理后表面變得粗糙而與基體粘結(jié)更為緊密(見圖3)，在受力時(shí)不會(huì)被直接拔出，而是需克服很強(qiáng)的界面粘結(jié)力才會(huì)斷裂，且纖維與基體形成的可變形柔性界面層能夠松弛復(fù)合材料內(nèi)部的附加應(yīng)力，減弱局部的應(yīng)力集中，使得作用效果進(jìn)一步增強(qiáng)[25]。

圖3 纖維-建筑石膏基復(fù)合材料的斷面形貌[10]

表1 總結(jié)了不同文獻(xiàn)中常見無機(jī)及有機(jī)纖維對石膏基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響情況，并給出了文獻(xiàn)中部分纖維相對較優(yōu)的摻加工藝參數(shù)，結(jié)合纖維作用機(jī)理，可做如下分析：

(1)纖維的彈性模量和拉伸強(qiáng)度越大，對石膏基復(fù)合材料力學(xué)性能的增強(qiáng)作用越明顯。但也有例外，如粘結(jié)性能優(yōu)異的聚乙烯醇纖維[18]機(jī)械性能遠(yuǎn)低于碳纖維，但其增強(qiáng)效果甚至比表面光滑的碳纖維好，而粘結(jié)性能較差的聚酰胺纖維[26]盡管有較優(yōu)的機(jī)械性能，但摻入此纖維對復(fù)合體的強(qiáng)度有不利影響。此外，纖維經(jīng)表面處理后可與石膏基體結(jié)合更為緊密，強(qiáng)度及韌性都獲得較大提高。這些現(xiàn)象表明纖維增強(qiáng)石膏材料的力學(xué)性能主要是依靠其與基體間的界面粘結(jié)力[27-28]，兩者結(jié)合越緊密，強(qiáng)度提高越多[29]。因此，纖維的粘結(jié)性能對建筑石膏基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響大于纖維的機(jī)械性能。

(2)纖維石膏基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度及韌性隨纖維的摻量及長度的改變而變化顯著，抗壓強(qiáng)度則隨摻量變化的趨勢比較明顯，但與長度的關(guān)系并不明確，且在同一摻量下不同長度的纖維對于力學(xué)性能的增強(qiáng)或降低幅度差異較小，而纖維的直徑雖然也會(huì)對石膏基復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，但影響極小[20]。因此，對于某一種纖維而言，對石膏基復(fù)合材料力學(xué)性能的作用效果依次取決于纖維摻量、長度、直徑。

表1 不同纖維對建筑石膏基復(fù)合材料力學(xué)性能影響情況

2 纖維對建筑石膏基復(fù)合材料耐水性能影響

2.1 纖維對建筑石膏基復(fù)合材料耐水性能影響機(jī)理

石膏基復(fù)合材料內(nèi)部存在的大量微孔吸水以及石膏水化產(chǎn)物二水石膏在水中的溶解度大是導(dǎo)致其耐水性能差的主要原因[30]。當(dāng)摻入的纖維在基體中均勻分散，并與漿體黏結(jié)在一起時(shí)，能夠填充和阻斷內(nèi)部相互連通的孔隙，大大地降低水分移動(dòng)的自由度，且纖維的摻入可以實(shí)現(xiàn)單一的石膏晶體向晶體和膠體共生結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換[19]，形成填充復(fù)合材料孔隙和密實(shí)水分滲透通道的致密界面層，從而避免了二水石膏晶體直接和水接觸所發(fā)生的溶解[31]，使基體耐水性能得到改善。但纖維自身具有一定的吸水性，且因其內(nèi)部和表面的化學(xué)基團(tuán)不同使纖維對水分呈現(xiàn)出不同程度的吸附能力[10-12]，而纖維的粘結(jié)性能差別也使其與基體粘結(jié)形成的界面層致密程度不同，致使纖維對復(fù)合材料耐水性能的影響存在較大差異，甚至?xí)档推淠退訹18]。因而纖維對石膏基復(fù)合材料耐水性能的增強(qiáng)效果主要取決于纖維的粘結(jié)性能和吸水性能。

2.2 纖維種類對建筑石膏基復(fù)合材料耐水性能影響

纖維的親水性能反映了纖維對水的親和能力，按其回潮率大小可分為疏水性纖維和親水性纖維。有研究表明[32]，不同親水性能的纖維對混凝土的影響差異較大，而對于石膏基復(fù)合材料，纖維吸水性能的差異同樣對其耐水性能造成不同程度的影響。

2.2.1 疏水性纖維對復(fù)合材料耐水性能的影響

疏水性纖維是指回潮率小于4.5%，吸濕性較弱的纖維，多為合成纖維，具有較好的物理及機(jī)械性能[6]。常用于纖維-石膏基復(fù)合材料耐水性能研究中的疏水性纖維有聚丙烯纖維、碳纖維、維尼龍纖維等。

趙敏等[33]將不同長徑比、不同摻量的聚丙烯纖維摻入建筑石膏中，發(fā)現(xiàn)長徑比和摻量的增大都可提高其軟化系數(shù)，在長徑比為800、摻量為2.2 kg/m3時(shí)軟化系數(shù)可增大至0.52 左右，耐水性顯著增強(qiáng)。劉青[34]利用碳纖維與β 型半水石膏、礦物料及外加劑制備高強(qiáng)耐水石膏，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的軟化系數(shù)隨碳纖維的摻量增加而先增大后減小，摻入1%的12 mm 高機(jī)能碳纖維時(shí)軟化系數(shù)達(dá)到最大，為0.852；而在由β 型半水石膏、礦物料及外加劑制得的石膏基復(fù)合材料中摻入不同的維尼龍纖維時(shí)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的吸水率降至1.5%～2.0%，軟化系數(shù)提高到0.6 以上，在12 mm 高性能維尼龍纖維摻量為1%時(shí)軟化系數(shù)增至最大，為0.85，耐水性能大幅增強(qiáng)[35]。

疏水性纖維大多能提高復(fù)合材料的軟化系數(shù)，增強(qiáng)其耐水性能。這是因?yàn)槭杷岳w維具有親油性有機(jī)基團(tuán)，且分子結(jié)構(gòu)緊密，對于水分子的吸附能力較弱，其可分布于基體內(nèi)部孔洞，起到填充作用，使得孔隙相對減少，也減少了水的滲入，致使吸水率降低，軟化系數(shù)增大，從而增強(qiáng)復(fù)合材料的耐水性能。但因纖維的粘結(jié)性能不同，與石膏基體搭接面的致密程度不一，形成了部分吸水通道，對吸水率造成影響，致使耐水性能的增強(qiáng)效果存在差異。

2.2.2 親水性纖維對復(fù)合材料耐水性能的影響

親水性纖維的回潮率大于4.5%，其吸濕性較強(qiáng)，常用于纖維-石膏基復(fù)合材料耐水性能研究中的親水性纖維有玻璃纖維、硅灰石纖維、天然植物纖維、聚乙烯醇纖維等。

曹楊等[36]的研究發(fā)現(xiàn)，摻量為1.5%的15 mm 玻璃纖維使建筑石膏基體的吸水率增大近3%，抗折、抗壓軟化系數(shù)分別降至0.21、0.25，纖維經(jīng)改性后軟化系數(shù)得到大幅提高；而在摻入1.5%的長徑比為15∶1 的硅灰石纖維后，建筑石膏基體吸水率提高近2%，抗折、抗壓軟化系數(shù)皆減小，其耐水性減弱，對纖維經(jīng)表面處理后耐水性能顯著增強(qiáng)[12]；李國忠等[37]的研究則指出，長15 mm、摻量為5%的玉米秸稈纖維使建筑石膏基體的吸水率提高約6%，軟化系數(shù)略微降低，不利于石膏防水，在對纖維改性后，軟化系數(shù)可提高至0.85；此外，當(dāng)摻入聚乙烯醇纖維時(shí)，建筑石膏基體軟化系數(shù)可顯著增大，并隨其摻量的增加而先增大后減小，且在纖維長度為6～12 mm 時(shí)，纖維越長，軟化系數(shù)越大，在長度為12 mm、摻量為0.8%時(shí)軟化系數(shù)達(dá)到峰值，為0.64[38]。

親水性纖維大多降低復(fù)合材料的軟化系數(shù)，對耐水性常有不利影響。這是因?yàn)橛H水性纖維表面具有一定數(shù)量的極性基團(tuán)，且分子結(jié)構(gòu)較為疏松，對水分子有強(qiáng)烈的吸附性，致使水分子容易深入纖維表面的微小空隙中，宏觀表現(xiàn)為大量的水分浸入試件內(nèi)部。此外，親水性纖維具有較大的自由表面，與復(fù)合材料難以實(shí)現(xiàn)理想的結(jié)合，形成的弱結(jié)合界面成為水化產(chǎn)物快速溶解并游離至試件表面的通道，從而大大加速了水化產(chǎn)物的溶解剝離，使其耐水性能減弱[10，16]。但具有優(yōu)越粘結(jié)性能的親水性纖維如聚乙烯醇纖維，其吸附的游離水分子有利于石膏二水合物晶體沉淀于纖維表面，形成了致密的界面過渡區(qū)而有效防止外部水滲透，可顯著增強(qiáng)復(fù)合材料耐水性能[39]。而在對親水性纖維進(jìn)行表面處理后，纖維結(jié)構(gòu)得到改善，使其與基體粘結(jié)更為緊致，界面層防水效果增強(qiáng)，從而提高了材料的耐水性[36，40]。

綜上所述，疏水性纖維大多會(huì)增強(qiáng)復(fù)合材料耐水性能，親水性纖維則多會(huì)降低耐水性，但粘結(jié)性能優(yōu)異的親水性纖維也有增強(qiáng)作用。結(jié)合纖維對石膏基復(fù)合材料耐水性能的作用機(jī)理可知，影響纖維石膏基復(fù)合材料耐水性的因素中纖維粘結(jié)強(qiáng)度強(qiáng)于纖維吸水性能。

3 結(jié)論與展望

(1)纖維對建筑石膏基復(fù)合材料力學(xué)性能特別是抗壓性能的增強(qiáng)效果易受纖維自身分散性和石膏內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻情況的影響；無機(jī)纖維多用于提高基體的機(jī)械強(qiáng)度，有機(jī)纖維則對其韌性有明顯的增強(qiáng)作用；纖維對建筑石膏基復(fù)合材料力學(xué)性能的作用效果依次取決于其摻量、長度、直徑；大多數(shù)疏水性纖維能增強(qiáng)復(fù)合材料耐水性能，而親水性纖維則多會(huì)降低耐水性，但粘結(jié)性能優(yōu)異的親水性纖維也有增強(qiáng)作用；纖維的粘結(jié)性能對建筑石膏基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響大于纖維的機(jī)械性能，其對石膏基復(fù)合材料耐水性能的影響大于纖維的吸水性能；對纖維進(jìn)行表面處理，可以顯著增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)及耐水性能。

(2)雖然國內(nèi)外學(xué)者對纖維-建筑石膏基復(fù)合材料做了大量研究并獲得了顯著的成果，但其研究方向和方法還尚未完善。纖維粘結(jié)性能：纖維與石膏的界面粘結(jié)狀況是影響復(fù)合材料力學(xué)及耐水性能的主要因素，可進(jìn)一步提高纖維粘結(jié)性能以改善其增強(qiáng)作用；纖維分布：纖維分散情況對復(fù)合材料性能有較大影響，應(yīng)進(jìn)一步研究改善纖維自身分散性和纖維的摻入方式，以改善纖維的分布情況；纖維直徑：當(dāng)前研究主要關(guān)注摻量和長度2 個(gè)因素，極少考慮直徑的影響，可開展纖維直徑對石膏基復(fù)合材料性能影響方面的研究；纖維復(fù)摻：目前的研究主要是針對某一種纖維進(jìn)行，可以考慮開展不同纖維的復(fù)摻對于石膏基復(fù)合材料性能影響的研究。