纖維增強水泥基復合材料力學性能的研究進展

李東升 吳國立 馮思超

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450000）

0 引言

水泥基材料自問世以來，因其較好的抗壓性能、較強的適用性、原材料來源廣泛、耐久耐高溫等優點已成為世界上應用最廣、用量最大的工程建筑材料［1-3］。但同時，其自身依舊存在許多不足，如自重大、抗拉強度低、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也同樣制約著其廣泛應用［4-5］。因此，為改善水泥基材料的脆性特征、增強增韌以及提高結構構件的安全性與耐久性，國內外學者從優化配比、改良工藝和添加外加劑等方面進行了一系列研究［6-7］，其中，以20世紀90年代美國密歇根大學的Victor C.Li教授首次提出的“Engineered cementitious composite（ECC）”概念［8］為代表的纖維增強水泥基復合材料在增強增韌、提高耐久性等方面有著良好表現，在實際工程中有著良好的應用前景。因此，本研究通過對國內外研究現狀進行綜述，指出纖維增強水泥基復合材料在未來的發展前景。

1 纖維增強水泥基復合材料種類

纖維增強水泥基復合材料是指以水泥作為基體、細沙作為骨料，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，是一種同時具備高強度和高韌性的建筑用復合材料。從纖維實際用途及理論研究與工程推廣的角度出發，當前主流的纖維種類見表1。

表1 水泥基用纖維種類主要分類

2 纖維增強水泥基復合材料力學性能

2.1 立方體抗壓強度

劉瓊等［9］將短切PAN基碳纖維摻入水泥基復合材料，發現纖維的摻入能加速水化反應的進行，提高水泥基材料的致密性進而影響材料的抗壓性。隨著纖維摻量的增加，基體7 d、28 d的抗壓強度均呈現先增后減的趨勢，并于摻量為0.6%（質量分數）時達到最大值，相比對照組抗壓強度提升了19.28%和20.33%。

張正等［10］單摻12 mm的PVA纖維，在摻量從0%到2%的過程中，抗壓強度先增后減，并在摻量為1.6%時達到最大值，提升約11%；他認為短切纖維對混凝土細微觀的填充作用是影響抗壓強度的主要原因，適當的摻量可以讓結構更加致密，當摻量過多時會造成結構缺陷。

Paglia等［11］從微觀的角度出發，通過滲透試驗發現，在水泥基體中加入超高強鋼纖維后，結構更加致密、孔隙率更低，從而提高基體的抗壓強度且極大地提高了水泥基材料的耐久性。

從以上學者的研究中可以發現，適量的纖維摻入可以使基體結構更加致密、孔隙率更低，過量的纖維摻入易在基體中形成團聚現象不易散開，進而影響基體的均勻性和密實度，這是基體抗壓強度隨纖維摻量變化而變化的主要原因；但同時，像鋼纖維等一系列高強纖維，其利用自身高強性能便可以極大地提高基體的抗壓強度。

2.2 劈裂抗拉強度

Fang等［12］研究發現摻入適量的植物纖維可以有效提高水泥基復合材料的抗拉強度、抗彎強度和韌性。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，發現單摻碳酸鈣晶須時，通常摻量越大抗拉強度越大，最高提升30%；單摻耐堿玻璃纖維時，當摻量較高時（5%及以上），纖維長度越長，水泥基材料的力學性能提高效果越佳，最大可提高80%。當兩種纖維同時摻入時（摻量比例2.5∶2.5），劈拉強度介于兩種尺度纖維單一增強之間。郭琳等［14］采用長度為3 mm、摻量為0.9%的聚丙烯纖維，發現添加了聚丙烯纖維的混凝土較普通混凝土，抗拉強度在7 d、14 d、28 d時分別提高10.8%、6.6%、4.9%。李福海等［15］選用長度為20 mm的玄武巖纖維探究其對劈拉強度的影響，結果發現，當摻量為0.3%時，抗拉強度的提升效果明顯，但當摻量繼續增加時，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，從而會導致抗拉強度的降低，但其依舊要高于基準組。

基于以上學者的研究可以發現，纖維對于水泥基體的抗拉強度有著明顯的提升作用，當基體受荷時，纖維隨著變形能夠消耗掉一部分能量；當達到開裂荷載后，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展，使試件還能繼續承擔荷載。但當纖維摻量過多時，纖維在基體中不易分散易出現“團結”現象，造成一定的結構缺陷，從而導致抗拉強度的降低，但其依舊高于基準試件的抗拉強度，所以纖維摻量存在最優值。

2.3 抗彎韌性

梁寧慧等［16］選用粗細不同的聚丙烯纖維，細聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3，粗聚丙烯纖維摻量為6.0 kg/m3，然后分別進行在單摻和混摻下基體的抗彎韌性研究。結果發現，在相同摻量下，聚丙烯細纖維的直徑越小、長度越短，其對混凝土初裂韌性改善越好。細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，發現當纖維長度為6 mm，摻量為3%時試件的抗折強度達到最大，由于其產生的有效橫向約束力，試件抗折強度較基準組提高184%～254%。

鄧明科等［18］采用正交試驗法探究了PVA纖維的摻入對試件抗彎性能的影響，發現纖維摻量對試件抗彎韌性的影響最大，其次是水灰比和砂膠比。當纖維摻量為2%時，試件具有較高的抗彎強度和彎曲韌性。

徐世烺等［19］采用長度為12 mm的PVA纖維，根據梁試件的荷載—撓度曲線來評價試件的彎曲性能，結果發現，超高韌性水泥基復合材料在彎曲荷載作用下其變形能力要遠大于普通混凝土，其開裂形式也與普通水泥基材料有著明顯不同。由于纖維對裂縫產生、發展的有效控制，使得試件的韌性有了極大的提高。

從以上學者的研究中可以發現，纖維的摻入可以極大地提高水泥基體的抗彎強度和彎曲韌性。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力，當基體受到荷載作用時，纖維因變形而消耗能量；而基體一旦開裂，纖維與基體間的黏結作用便會限制裂縫的迅速發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行正交試驗，分析纖維種類對基體彈性模量的影響，結果發現纖維通過改變結構內部的應力分布，可以對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%時達到最大值。

賀東青等［21］選用三種不同纖維，固定摻量測量了不同纖維下試件的彈性模量，結果發現，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 結論與展望

從以上學者對纖維增強水泥基復合材料力學性能的研究中可以發現，不同種類的纖維以及不同長度、不同摻量的同種纖維都會對水泥基體的力學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度和彈模，在摻入水泥基體中后便會有較好的增強增韌效果，在力學性能上主要體現為抗壓、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度不高且彈性模量較水泥基體小，在摻入水泥基體中后對抗壓強度會有一定的不利影響，在摻量合適的情況下對水泥基體的影響效果不大，其優勢主要體現在對抗拉強度的提升以及對體積變形的限制。

總體來說，纖維在水泥基體中有著很好的增韌以及限制裂隙發展的效果。其中以鄧明科為代表的一眾學者在該方向研制出了“可彎曲混凝土”，其具有高強度、高韌性、高抗裂的特點，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，同時在路面橋面的修復上也有著良好的應用前景。因此，纖維增強水泥基復合材料作為一種新型建筑材料，在實際工程建設中有著良好的應用和發展前景。