纖維在水泥基材料分布狀態(tài)研究

周浩，張桂霞，王振

（1.山東建筑大學交通工程學院，山東 濟南 250101；2.山東公路技師學院，山東 濟南250103）

水泥基材料是我國基建的最基本材料，其強度和性能對我國基礎設施的質量和壽命有決定性作用。水泥基材料具有很強的抗壓強度，但其抗拉強度和變形能力很差，可能在長期力學荷載和環(huán)境荷載（失水、溫度變化）的作用下發(fā)生微觀裂縫，并進一步發(fā)展為宏觀裂縫，導致材料強度顯著下降，基礎設施結構破壞。在水泥基材料中添加纖維可有效減少基體材料的微裂縫，并提高水泥石和被穩(wěn)定集料之間的韌性和變形強度，從而改善其力學性能和變形能力，從而有效降低外界荷載的不利影響，保證其耐久性。在古代天然纖維（稻草或動物毛發(fā)等）加入到建筑材料中，如在黏土磚中摻加稻草等。現(xiàn)代纖維在水泥基材料中的應用開始于19世紀70年代，鋼纖維最早被用來提高建筑工程的結構強度，之后聚酰胺纖維和聚丙烯纖維，聚乙烯醇纖維等纖維先后被開發(fā)出來。并研究了化學分散法、機械分散方法等工藝。但在實踐中，加入纖維的水泥基材料性能變異性較大，一般情況下水泥基材料的強度和性能都有較大提高，但也存在強度無明顯變化甚至有一定程度降低的情況。其根本原因在于纖維分散的均勻性，對其使用效果有直接影響。纖維分散均勻性是保證纖維水泥基材料性能的基礎，為了評價纖維分散均勻性，進行了廣泛的研究。

常用的方法有水洗分析法、圖像分析、X 射線成像、電導率法等。其中水洗分析是將制備好的水泥穩(wěn)定材料抽取適量樣品，用水洗滌干凈后收集纖維；并分析測得的纖維的實驗值與理論值之間的偏差；鋼纖維與石料和水泥基材料密度有明顯差異，可以用X射線穿透鋼纖維水泥基材料試塊，得到鋼纖維分散狀態(tài)圖片；對于可導電的纖維，可以通過試塊電阻率變動系數(shù)來評價導材料中纖維的分散性。圖像分祈法是基于圖像處理的技術，對纖維分布狀態(tài)進行拍攝、增強、分割、識別、解釋，確定纖維分布狀態(tài)。其中，X 射線法只能用于評價金屬類纖維，電導率法只能用于評價可導電纖維，如碳纖維或金屬纖維，水洗分析法本身能獲得信息相對簡單，圖像分析法適用于大部分纖維，并能獲取豐富的信息。也有研究者把水洗法和圖像分析法聯(lián)合使用，可以更有效評價纖維的分散程度。

但這些方法中，水洗法檢測對象為纖維單體，無法獲取其在水泥基材料混合料中的實際狀態(tài)，CT 和電導率等方法可以有效獲取纖維在實際材料中的分布情況，但只對金屬纖維、碳纖維等特定材料有效；熒光顯微鏡可以對高聚物纖維在材料中的真實分布情況，但熒光顯微鏡只能檢測較小局部內的纖維分布情況，代表性不足。

為了有效評價纖維在水泥基材料混合料中的分布分散情況，需要能對較大體積水泥基材料內的纖維進行精確定量評價。本文以水泥穩(wěn)定碎石為例，制備纖維水泥穩(wěn)定碎石進行水洗，基于圖像分析法進行研究和評價。由于水泥穩(wěn)定碎石中粗集料占據(jù)的空間內纖維無法進入，纖維只能進入集料間空隙的空間；集料的分布狀態(tài)會影響纖維的分布狀態(tài)，試件整體中的纖維分布測試結果很大程度上是反映粗集料的分布情況，而并非纖維自身的分布情況。水穩(wěn)碎石的特點是粗集料構成骨架，細集料和水泥漿體填充空隙，纖維是分布于細集料漿體中；所以分析纖維在細集料的分布可以更有效表征纖維對水穩(wěn)碎石的影響。

1 實驗材料與試件制備

本次所用的水泥為礦渣硅酸鹽水泥PSA42.5 水泥，水泥劑量為25%，水泥劑量為纖維為聚丙烯纖維，纖維劑量為1‰。本實驗選取集料為石灰石細集料，其級配采用骨架密實級配細集料級配范圍中線作（4.75mm 通過率為100%），具體級配曲線如圖1所示。

圖1 水泥穩(wěn)定碎石細料級配

按照前文的配合比，制備1200g 細料-水泥-纖維，加水拌合制作成膠漿。參考集料取料四分法，一次取約300g 細料-水泥-纖維膠漿，通過水洗法沖洗水泥漿并同時保持纖維的分布狀態(tài)，并將其黏貼到黏貼般上，制作成如圖2試件，纖維的分布面積約850cm，纖維的具體形態(tài)如圖2，為細料-水泥-纖維膠漿攪拌45 秒后的纖維分布圖。

圖2 纖維分布圖

2 纖維提取與統(tǒng)計

2.1 基于圖像分析的纖維提取

為降低實驗操作誤差的影響，對纖維分布圖像的中心部分進行圖像截取和分析，分析范圍的寬度為纖維分布面寬度的一半，所截取的實際纖維分布試件如圖3（a）所示。對纖維分布原始圖像進行灰度化，然后轉為二值圖，如圖3（b）所示，然后行降噪，提取骨架。所提取的纖維骨架圖像即為纖維的實際分布。

圖3 纖維提取圖

2.2 纖維分布統(tǒng)計

將纖維分布圖像劃分為約10×20 個小方塊（每個小方塊約12mm×12mm），統(tǒng)計每個方塊上的纖維圖像總量，即為本方塊上的纖維長度比例；然后分析整個區(qū)域內纖維分布的密度頻率及其均勻性。

如圖4為纖維分布密度圖，方柱的高度為本方塊上纖維的數(shù)量比例，圖5位不同拌合程度（時間）條件下的纖維分布密度曲線。從圖4中可以看出不同區(qū)域內纖維分布差距明顯，需要用科學的方法量化纖維分布的不均勻程度。

圖4 纖維分布密度圖

圖5為不同拌合程度（時間）條件下，纖維分布密度圖。圖中橫坐標為每個12mm×12mm 方格區(qū)域內的纖維像素密度，即纖維的長度比例，右側為高纖維分布量的方格；縱坐標為像素密度分布頻率比，即不同方格纖維長度分布比例，從中可以看到：

圖5 不同拌和程度時的纖維分布密度

（1）隨著拌合時間的延長，纖維分布密度曲線在不同像素上的分布情況趨于均衡；

（2）當拌合時間為15s-30s 時，纖維長度分布曲線線性接近單調下降的直線，0 像素或低像素占很大比例，說明大部分區(qū)域內沒有纖維或很少纖維；而具有高密度的區(qū)域比例，一般在5%以下，說明大部分纖維集中在很小的區(qū)域內，纖維分布不均勻性嚴重；

（3）圖中紅框和藍框中像素密度比例對比顯示，當拌合時間達到150s 后，低纖維量的區(qū)域比例顯著降低，這表明大部分區(qū)域內都分布一定量的纖維，無纖維或少纖維的區(qū)域很少；纖維分布的均勻性得到顯著的改善。

3 纖維分布評價

本文通過基尼系數(shù)評價纖維分散均勻程度。基尼系數(shù)為經(jīng)濟學基本參數(shù)，用來評價不同地區(qū)/人群間貧富差距程度，即不同個體所包含的貨幣的不均勻程度；本項目用基尼系數(shù)評價不同方格上纖維數(shù)量的不均勻程度，其結果如圖6（a）所示，基于洛倫茲曲線進行計算。不同拌合程度下的纖維分布基尼系數(shù)如圖6（b）所示，從中可以看出，隨著拌合時間的延長，纖維分布基尼系數(shù)逐步下降，表明纖維的分布逐步趨于平均。根據(jù)經(jīng)濟學基尼系數(shù)閾值劃分和水穩(wěn)碎石纖維分布實驗經(jīng)驗，暫時建議把0.35 作為均分和非均勻的閾值。

圖6 纖維分布基尼系數(shù)

4 結論

本文在水泥穩(wěn)定碎石纖維圖像分析的基礎上，創(chuàng)新性提出通過細料-水泥-纖維膠漿中纖維分布狀態(tài)來評價水泥穩(wěn)定碎石中纖維分布狀態(tài)和通過基尼系數(shù)評價纖維分布均勻程度。

（1）提出了對細料-水泥-纖維膠漿材料進行水洗制備纖維分布試件，基于圖像分析和基尼系數(shù)評價纖維分散性。

（2）隨著拌合時間的延長，纖維分布趨于均衡。當拌合時間較短時，纖維膠漿大部分區(qū)域內沒有纖維或很少纖維，大部分纖維集中在很小的區(qū)域內，纖維分布不均勻性嚴重；拌合時間較長時，無纖維或少纖維的區(qū)域很少，纖維分布的均勻性得到顯著的改善。

（3）基尼系數(shù)可以有效評價纖維分散均勻程度，0.35 可以作為均分和非均勻的判斷閾值。