纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的研究進(jìn)展

李東升 吳國(guó)立 馮思超

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450000）

0 引言

水泥基材料自問(wèn)世以來(lái)，因其較好的抗壓性能、較強(qiáng)的適用性、原材料來(lái)源廣泛、耐久耐高溫等優(yōu)點(diǎn)已成為世界上應(yīng)用最廣、用量最大的工程建筑材料［1-3］。但同時(shí)，其自身依舊存在許多不足，如自重大、抗拉強(qiáng)度低、抗裂性差、韌性差等。尤其是在地震作用下，水泥基材料的脆性的本質(zhì)也同樣制約著其廣泛應(yīng)用［4-5］。因此，為改善水泥基材料的脆性特征、增強(qiáng)增韌以及提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性與耐久性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從優(yōu)化配比、改良工藝和添加外加劑等方面進(jìn)行了一系列研究［6-7］，其中，以20世紀(jì)90年代美國(guó)密歇根大學(xué)的Victor C.Li教授首次提出的“Engineered cementitious composite（ECC）”概念［8］為代表的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料在增強(qiáng)增韌、提高耐久性等方面有著良好表現(xiàn)，在實(shí)際工程中有著良好的應(yīng)用前景。因此，本研究通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，指出纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料在未來(lái)的發(fā)展前景。

1 纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料種類(lèi)

纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料是指以水泥作為基體、細(xì)沙作為骨料，選擇性加入其他礦物摻合料或外加劑并摻以適量纖維拌和制成，是一種同時(shí)具備高強(qiáng)度和高韌性的建筑用復(fù)合材料。從纖維實(shí)際用途及理論研究與工程推廣的角度出發(fā)，當(dāng)前主流的纖維種類(lèi)見(jiàn)表1。

表1 水泥基用纖維種類(lèi)主要分類(lèi)

2 纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能

2.1 立方體抗壓強(qiáng)度

劉瓊等［9］將短切PAN基碳纖維摻入水泥基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)纖維的摻入能加速水化反應(yīng)的進(jìn)行，提高水泥基材料的致密性進(jìn)而影響材料的抗壓性。隨著纖維摻量的增加，基體7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，并于摻量為0.6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)達(dá)到最大值，相比對(duì)照組抗壓強(qiáng)度提升了19.28%和20.33%。

張正等［10］單摻12 mm的PVA纖維，在摻量從0%到2%的過(guò)程中，抗壓強(qiáng)度先增后減，并在摻量為1.6%時(shí)達(dá)到最大值，提升約11%；他認(rèn)為短切纖維對(duì)混凝土細(xì)微觀的填充作用是影響抗壓強(qiáng)度的主要原因，適當(dāng)?shù)膿搅靠梢宰尳Y(jié)構(gòu)更加致密，當(dāng)摻量過(guò)多時(shí)會(huì)造成結(jié)構(gòu)缺陷。

Paglia等［11］從微觀的角度出發(fā)，通過(guò)滲透試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在水泥基體中加入超高強(qiáng)鋼纖維后，結(jié)構(gòu)更加致密、孔隙率更低，從而提高基體的抗壓強(qiáng)度且極大地提高了水泥基材料的耐久性。

從以上學(xué)者的研究中可以發(fā)現(xiàn)，適量的纖維摻入可以使基體結(jié)構(gòu)更加致密、孔隙率更低，過(guò)量的纖維摻入易在基體中形成團(tuán)聚現(xiàn)象不易散開(kāi)，進(jìn)而影響基體的均勻性和密實(shí)度，這是基體抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量變化而變化的主要原因；但同時(shí)，像鋼纖維等一系列高強(qiáng)纖維，其利用自身高強(qiáng)性能便可以極大地提高基體的抗壓強(qiáng)度。

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

Fang等［12］研究發(fā)現(xiàn)摻入適量的植物纖維可以有效提高水泥基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和韌性。張勤等［13］選用耐堿玻璃纖維作為基體宏觀纖維、碳酸鈣晶須作為基體微觀纖維，發(fā)現(xiàn)單摻碳酸鈣晶須時(shí)，通常摻量越大抗拉強(qiáng)度越大，最高提升30%；單摻耐堿玻璃纖維時(shí)，當(dāng)摻量較高時(shí)（5%及以上），纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，水泥基材料的力學(xué)性能提高效果越佳，最大可提高80%。當(dāng)兩種纖維同時(shí)摻入時(shí)（摻量比例2.5∶2.5），劈拉強(qiáng)度介于兩種尺度纖維單一增強(qiáng)之間。郭琳等［14］采用長(zhǎng)度為3 mm、摻量為0.9%的聚丙烯纖維，發(fā)現(xiàn)添加了聚丙烯纖維的混凝土較普通混凝土，抗拉強(qiáng)度在7 d、14 d、28 d時(shí)分別提高10.8%、6.6%、4.9%。李福海等［15］選用長(zhǎng)度為20 mm的玄武巖纖維探究其對(duì)劈拉強(qiáng)度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻量為0.3%時(shí)，抗拉強(qiáng)度的提升效果明顯，但當(dāng)摻量繼續(xù)增加時(shí)，由于纖維不易分散且比表面積增大，膠凝材料便不能很好地包裹纖維，從而會(huì)導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度的降低，但其依舊要高于基準(zhǔn)組。

基于以上學(xué)者的研究可以發(fā)現(xiàn)，纖維對(duì)于水泥基體的抗拉強(qiáng)度有著明顯的提升作用，當(dāng)基體受荷時(shí)，纖維隨著變形能夠消耗掉一部分能量；當(dāng)達(dá)到開(kāi)裂荷載后，裂縫處的纖維能夠極大地消耗能量并限制著裂縫的急速擴(kuò)展，使試件還能繼續(xù)承擔(dān)荷載。但當(dāng)纖維摻量過(guò)多時(shí)，纖維在基體中不易分散易出現(xiàn)“團(tuán)結(jié)”現(xiàn)象，造成一定的結(jié)構(gòu)缺陷，從而導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度的降低，但其依舊高于基準(zhǔn)試件的抗拉強(qiáng)度，所以纖維摻量存在最優(yōu)值。

2.3 抗彎韌性

梁寧慧等［16］選用粗細(xì)不同的聚丙烯纖維，細(xì)聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3，粗聚丙烯纖維摻量為6.0 kg/m3，然后分別進(jìn)行在單摻和混摻下基體的抗彎韌性研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同摻量下，聚丙烯細(xì)纖維的直徑越小、長(zhǎng)度越短，其對(duì)混凝土初裂韌性改善越好。細(xì)纖維主要改善基體裂前抗彎韌性，粗纖維主要改善基體裂后抗彎韌性，且混摻比單摻效果更加顯著。

文韜等［17］采用表面粗糙化、Y子口截面的改性聚丙烯纖維，發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖維長(zhǎng)度為6 mm，摻量為3%時(shí)試件的抗折強(qiáng)度達(dá)到最大，由于其產(chǎn)生的有效橫向約束力，試件抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)組提高184%～254%。

鄧明科等［18］采用正交試驗(yàn)法探究了PVA纖維的摻入對(duì)試件抗彎性能的影響，發(fā)現(xiàn)纖維摻量對(duì)試件抗彎韌性的影響最大，其次是水灰比和砂膠比。當(dāng)纖維摻量為2%時(shí)，試件具有較高的抗彎強(qiáng)度和彎曲韌性。

徐世烺等［19］采用長(zhǎng)度為12 mm的PVA纖維，根據(jù)梁試件的荷載—撓度曲線來(lái)評(píng)價(jià)試件的彎曲性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超高韌性水泥基復(fù)合材料在彎曲荷載作用下其變形能力要遠(yuǎn)大于普通混凝土，其開(kāi)裂形式也與普通水泥基材料有著明顯不同。由于纖維對(duì)裂縫產(chǎn)生、發(fā)展的有效控制，使得試件的韌性有了極大的提高。

從以上學(xué)者的研究中可以發(fā)現(xiàn)，纖維的摻入可以極大地提高水泥基體的抗彎強(qiáng)度和彎曲韌性。由于纖維在水泥基體中形成的三維亂向體系以及與水泥基體間良好的黏結(jié)力，當(dāng)基體受到荷載作用時(shí)，纖維因變形而消耗能量；而基體一旦開(kāi)裂，纖維與基體間的黏結(jié)作用便會(huì)限制裂縫的迅速發(fā)展直至纖維被拔出或拉斷，這便致使基體延性和韌性得到極大提高。

2.4 彈性模量

李德春等［20］選用三種不同的纖維進(jìn)行正交試驗(yàn)，分析纖維種類(lèi)對(duì)基體彈性模量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)纖維通過(guò)改變結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布，可以對(duì)基體的彈模造成影響，其中摻入碳纖維的彈模最小，摻入聚丙烯纖維的彈模最大。聚丙烯纖維隨著摻量從0.1%到0.5%，混凝土彈模先增后減，并在0.3%時(shí)達(dá)到最大值。

賀東青等［21］選用三種不同纖維，固定摻量測(cè)量了不同纖維下試件的彈性模量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，18～20 mm、0.91 kg/m3摻量的聚丙烯纖維的摻入降低了彈模約1.02%；12 mm、2.65 kg/m3摻量的玄武巖纖維的摻入提高1.93%；45 mm、78 kg/m3摻量的鋼纖維的摻入提高9.2%。

3 結(jié)論與展望

從以上學(xué)者對(duì)纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的研究中可以發(fā)現(xiàn)，不同種類(lèi)的纖維以及不同長(zhǎng)度、不同摻量的同種纖維都會(huì)對(duì)水泥基體的力學(xué)性能造成不同的影響。一般情況下，例如以鋼纖維為代表的纖維自身有著較高強(qiáng)度和彈模，在摻入水泥基體中后便會(huì)有較好的增強(qiáng)增韌效果，在力學(xué)性能上主要體現(xiàn)為抗壓、抗拉、彈模以及體積變形上；在以聚丙烯纖維為代表的纖維自身強(qiáng)度不高且彈性模量較水泥基體小，在摻入水泥基體中后對(duì)抗壓強(qiáng)度會(huì)有一定的不利影響，在摻量合適的情況下對(duì)水泥基體的影響效果不大，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在對(duì)抗拉強(qiáng)度的提升以及對(duì)體積變形的限制。

總體來(lái)說(shuō)，纖維在水泥基體中有著很好的增韌以及限制裂隙發(fā)展的效果。其中以鄧明科為代表的一眾學(xué)者在該方向研制出了“可彎曲混凝土”，其具有高強(qiáng)度、高韌性、高抗裂的特點(diǎn)，用它加固的磚墻在抗沖擊和抗倒塌能力可以提高10倍以上，在危房加固以及建筑物抗震方面有著良好的表現(xiàn)，同時(shí)在路面橋面的修復(fù)上也有著良好的應(yīng)用前景。因此，纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料作為一種新型建筑材料，在實(shí)際工程建設(shè)中有著良好的應(yīng)用和發(fā)展前景。