纖維-建筑石膏基復合材料力學及耐水性能研究進展

謝浪，羅雙，付汝賓，周銀笙，程想，孔德文，王玲玲

(貴州大學 土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

石膏基復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，可增強石膏的物理及力學性能，且具有保溫隔熱性能好、能耗低等優點[1-2]，但此類材料的抗折強度和耐水性能仍較差[3-4]，限制了其在工程領域的大規模應用。

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

本文基于現有研究成果，就纖維對建筑石膏基復合材料力學性能、耐水性能的影響進行綜述和討論，并對今后開展的研究進行展望，以期為纖維-石膏基復合材料的后續研發及應用提供參考。

1 纖維對建筑石膏基復合材料力學性能影響

1.1 纖維對建筑石膏基復合材料力學性能影響機理

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

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

圖1 不同纖維摻量復合材料的SEM 照片[10]

1.2 纖維種類對建筑石膏基復合材料力學性能影響

在纖維-建筑石膏基復合材料的各項力學性能指標中，抗折、抗壓強度及韌性是研究最廣泛的，且不同纖維對復合材料力學性能的影響情況不盡相同。

1.2.1 無機纖維對復合材料力學性能的影響

無機纖維是以無機物為原料制成的化學纖維，有著較高的彈性模量和抗拉強度，但其性脆易斷、不耐磨[13]。

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

玻璃纖維、碳纖維、硅灰石纖維等無機纖維可顯著提高復合材料的抗折強度，但對抗壓強度通常不利。這是因為無機纖維的機械性能較好，能夠承受更大的拉拔力，在基體開裂時能繼續發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度，但大多數無機纖維的分散性較差[14]，難以在復合材料受壓時發揮作用，致使抗壓強度有所降低。

1.2.2 有機纖維對復合材料力學性能的影響

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

有機合成纖維種類繁多，將聚丙烯(PP)纖維[16]和聚乙烯醇(PVA)纖維[17]摻入建筑石膏中，基體的抗折強度隨纖維摻量和長度的增加而先提高后降低，抗壓強度隨摻量的增加不斷降低，但與長度的關系不明顯。當12 mmPP 纖維和PVA 纖維摻量為1.2%時，基體應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-建筑石膏基復合材料的抗折及抗壓強度先提高后降低，但增幅較??；抗沖擊韌性不斷增大；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%時斷裂韌性達到最高。Eve等[20]的研究發現，聚酰胺纖維使建筑石膏基體的抗折及抗壓強度降低，但斷裂韌性顯著提高。

植物纖維也常用作建筑石膏的增強材料，Hostalkova 等[21]的研究發現，摻入木纖維對基體的抗折及抗壓強度均不利，且與摻量呈負相關。Olivares 等[22]的研究發現，劍麻纖維對基體的抗折、抗壓強度略有增強作用，但其長度從20 mm 增至40 mm 時，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]的研究發現，摻量為2%的蕉麻纖維可顯著增強基體的彎曲韌性，纖維經處理后韌性可進一步提高。

圖2 為文獻[16-19]中不同有機纖維在較優長度下對建筑石膏基復合材料抗折及抗壓強度的影響情況。

圖2 有機纖維對復合材料抗折、抗壓強度的影響[16-19]

由圖2 可知，有機纖維對復合材料抗折及抗壓強度的作用并不規律，部分有機纖維對復合材料有增強作用，但效果不佳，部分有機纖維還對強度有不利影響。這是因為有機纖維的彈性模量和抗拉強度相對較小，只能承擔有限的外荷載，且因其柔性纖維的特質而易彎曲成團，增加基體內部薄弱環節，難以直接提高強度[24]。但有機纖維具有更好的斷裂韌性，在受力時能吸收較大能量，并在基體開裂時較好地發揮橋接作用，可大幅提高基體的初裂撓度，顯著增強其韌性。

綜上所述，纖維對石膏基復合材料的力學性能有著不同影響，其中無機纖維主要用于提高強度，有機纖維則對韌性有顯著增強作用。在對無機和有機纖維進行表面處理后，皆對復合材料力學性能有大幅提高，是由于纖維經處理后表面變得粗糙而與基體粘結更為緊密(見圖3)，在受力時不會被直接拔出，而是需克服很強的界面粘結力才會斷裂，且纖維與基體形成的可變形柔性界面層能夠松弛復合材料內部的附加應力，減弱局部的應力集中，使得作用效果進一步增強[25]。

圖3 纖維-建筑石膏基復合材料的斷面形貌[10]

表1 總結了不同文獻中常見無機及有機纖維對石膏基復合材料力學性能的影響情況，并給出了文獻中部分纖維相對較優的摻加工藝參數，結合纖維作用機理，可做如下分析：

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

(2)纖維石膏基復合材料的抗折強度及韌性隨纖維的摻量及長度的改變而變化顯著，抗壓強度則隨摻量變化的趨勢比較明顯，但與長度的關系并不明確，且在同一摻量下不同長度的纖維對于力學性能的增強或降低幅度差異較小，而纖維的直徑雖然也會對石膏基復合材料的力學性能產生影響，但影響極小[20]。因此，對于某一種纖維而言，對石膏基復合材料力學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合材料力學性能影響情況

2 纖維對建筑石膏基復合材料耐水性能影響

2.1 纖維對建筑石膏基復合材料耐水性能影響機理

石膏基復合材料內部存在的大量微孔吸水以及石膏水化產物二水石膏在水中的溶解度大是導致其耐水性能差的主要原因[30]。當摻入的纖維在基體中均勻分散，并與漿體黏結在一起時，能夠填充和阻斷內部相互連通的孔隙，大大地降低水分移動的自由度，且纖維的摻入可以實現單一的石膏晶體向晶體和膠體共生結構的轉換[19]，形成填充復合材料孔隙和密實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，且因其內部和表面的化學基團不同使纖維對水分呈現出不同程度的吸附能力[10-12]，而纖維的粘結性能差別也使其與基體粘結形成的界面層致密程度不同，致使纖維對復合材料耐水性能的影響存在較大差異，甚至會降低其耐水性[18]。因而纖維對石膏基復合材料耐水性能的增強效果主要取決于纖維的粘結性能和吸水性能。

2.2 纖維種類對建筑石膏基復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械性能[6]。常用于纖維-石膏基復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，發現長徑比和摻量的增大都可提高其軟化系數，在長徑比為800、摻量為2.2 kg/m3時軟化系數可增大至0.52 左右，耐水性顯著增強。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耐水石膏，發現復合材料的軟化系數隨碳纖維的摻量增加而先增大后減小，摻入1%的12 mm 高機能碳纖維時軟化系數達到最大，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合材料中摻入不同的維尼龍纖維時，發現復合材料的吸水率降至1.5%～2.0%，軟化系數提高到0.6 以上，在12 mm 高性能維尼龍纖維摻量為1%時軟化系數增至最大，為0.85，耐水性能大幅增強[35]。

疏水性纖維大多能提高復合材料的軟化系數，增強其耐水性能。這是因為疏水性纖維具有親油性有機基團，且分子結構緊密，對于水分子的吸附能力較弱，其可分布于基體內部孔洞，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，軟化系數增大，從而增強復合材料的耐水性能。但因纖維的粘結性能不同，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效果存在差異。

2.2.2 親水性纖維對復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，常用于纖維-石膏基復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]的研究發現，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、抗壓軟化系數分別降至0.21、0.25，纖維經改性后軟化系數得到大幅提高；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、抗壓軟化系數皆減小，其耐水性減弱，對纖維經表面處理后耐水性能顯著增強[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%，軟化系數略微降低，不利于石膏防水，在對纖維改性后，軟化系數可提高至0.85；此外，當摻入聚乙烯醇纖維時，建筑石膏基體軟化系數可顯著增大，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，纖維越長，軟化系數越大，在長度為12 mm、摻量為0.8%時軟化系數達到峰值，為0.64[38]。

親水性纖維大多降低復合材料的軟化系數，對耐水性常有不利影響。這是因為親水性纖維表面具有一定數量的極性基團，且分子結構較為疏松，對水分子有強烈的吸附性，致使水分子容易深入纖維表面的微小空隙中，宏觀表現為大量的水分浸入試件內部。此外，親水性纖維具有較大的自由表面，與復合材料難以實現理想的結合，形成的弱結合界面成為水化產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物的溶解剝離，使其耐水性能減弱[10，16]。但具有優越粘結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而有效防止外部水滲透，可顯著增強復合材料耐水性能[39]。而在對親水性纖維進行表面處理后，纖維結構得到改善，使其與基體粘結更為緊致，界面層防水效果增強，從而提高了材料的耐水性[36，40]。

綜上所述，疏水性纖維大多會增強復合材料耐水性能，親水性纖維則多會降低耐水性，但粘結性能優異的親水性纖維也有增強作用。結合纖維對石膏基復合材料耐水性能的作用機理可知，影響纖維石膏基復合材料耐水性的因素中纖維粘結強度強于纖維吸水性能。

3 結論與展望

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

(2)雖然國內外學者對纖維-建筑石膏基復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。纖維粘結性能：纖維與石膏的界面粘結狀況是影響復合材料力學及耐水性能的主要因素，可進一步提高纖維粘結性能以改善其增強作用；纖維分布：纖維分散情況對復合材料性能有較大影響，應進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：當前研究主要關注摻量和長度2 個因素，極少考慮直徑的影響，可開展纖維直徑對石膏基復合材料性能影響方面的研究；纖維復摻：目前的研究主要是針對某一種纖維進行，可以考慮開展不同纖維的復摻對于石膏基復合材料性能影響的研究。