多尺度纖維復合增強水泥基材料的力學性能

張勤，鞏穌穌，趙永勝，吳耀青，周繼凱

(1. 河海大學 土木與交通學院，南京 210098；2. 江蘇大學 土木工程與力學學院，江蘇 鎮江 212013)

為改善水泥基材料(包括混凝土和砂漿等)抗拉強度低、韌性差以及易開裂等缺陷，在水泥基材料中摻入纖維以達到增強增韌目的是目前普遍認同的方法[1-3]。通過對不同纖維(如鋼纖維、聚丙烯纖維及耐堿玻璃纖維等)增強水泥基材料的受力性能、韌性及變形性能等的研究表明，摻入纖維可以有效提高水泥基材料的受力和變形性能，且提高效果在一定范圍內隨纖維摻量的增加趨于明顯[4-6]。研究還表明[7-8]，不同類型和尺度的纖維對水泥基材料受力和變形性能的增強效果不盡相同，而且單一纖維對于水泥基材料性能的提升通常側重于某特定方面，在綜合性能提升方面往往效果欠佳。因此，要綜合提升水泥基材料的受力和變形性能，需要采用不同尺度的混雜纖維對水泥基材料進行復合增強，以起到協同互補的工作效應。學者們自20世紀70年代開始就陸續開展混雜纖維對水泥基材料力學性能改善的相關研究，包括不同長度或直徑的同種纖維混雜、不同類型的兩種纖維混雜(如鋼-聚丙烯纖維混雜、鋼-玄武巖纖維混雜以及聚丙烯-耐堿玻璃纖維混雜等)以及不同類型的3種或多種纖維混雜對水泥基材料力學性能的影響[9-11]。這些研究表明，混雜纖維增強水泥基材料的各項力學性能及韌性均優于普通水泥基材料和單一纖維增強水泥基材料，不同纖維的增強作用在一定程度上可以疊加互補，可呈現良好的正混雜效應和復合增強效果。但之前的相關研究主要側重于探討宏觀尺度纖維(如厘米級纖維)混雜后的增強效果，對于不同尺度，尤其是微觀和宏觀纖維混雜對水泥基材料增強效果的研究不多；而水泥基材料本質上是由微觀、細觀及宏觀結構組成的多尺度結構，采用不同尺度的纖維在不同結構層次進行增強是提高水泥基材料綜合性能的最有效措施之一[12-16]。

綜上所述，采用多尺度纖維復合增強水泥基材料能有效改善其力學性能，但關于微觀纖維和宏觀纖維的組合方式及摻量比例等對增強效果影響仍有待深入研究。筆者從工程應用的可行性和經濟性角度考慮，以厘米級耐堿玻璃纖維作為宏觀纖維、微米級碳酸鈣晶須作為微觀纖維混雜組成多尺度纖維體系，考慮纖維長度、摻量及混雜比例等參數影響，研究多尺度纖維對高性能水泥基材料受力和抗裂性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設計

為明確不同尺度纖維對水泥基材料力學性能的影響，以耐堿玻璃纖維為宏觀纖維、碳酸鈣晶須為微觀纖維，考慮宏觀纖維長度和混雜類型影響，設計了8組試件，如表1所示。其中，PC為未摻纖維的普通水泥基材料對比組；CW為微觀纖維(即碳酸鈣晶須)增強水泥基材料組，晶須質量摻量分別為5%、10%和20%；GF6、GF12及GF18分別為6、12、18 mm長度的宏觀纖維(即耐堿玻璃纖維)增強水泥基材料組，且纖維質量摻量分別為2%、5%和8%；CW+GF組為微觀碳酸鈣晶須與宏觀耐堿玻璃纖維混摻增強高性能水泥基材料組，該組合中考慮了耐堿玻璃纖維長度以及兩種纖維摻量比例對混凝土增強效果的影響。需要說明的是，研究中兩種纖維復合增強水泥基材料中的纖維總摻量取為5%，主要基于課題組前期研究結果考慮了最佳纖維摻量及纖維增強水泥基材料工作性能等影響[17]。

表1 各組水泥基材料試件纖維摻量Table 1 Fiber content of each type of cement-based materials

1.2 材料特性

試驗的水泥基材料采用普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)、河砂、自來水及JM-PCA(Ⅰ)減水劑等原材料進行配比，具體為：水泥∶砂∶水∶減水劑=1∶1.36∶0.34∶0.016。微觀纖維采用峰竺NP-CW2型碳酸鈣晶須，相對密度為2.8 g/cm3，長度為20～30 μm，直徑為0.5～1.2 μm，其外觀及微觀形態如圖1所示。耐堿玻璃纖維采用亞泰達公司生產的6、12、18 mm短切纖維，相對密度為2.7 g/m3，抗拉強度為2 500～3 500 MPa，彈性模量為80.4 N/mm2，纖維絲直徑為15 μm，其外觀為白色束狀，微觀觀測下每一根纖維束都由大量纖維單絲復合而成，外觀及微觀形態如圖2所示。

圖1 碳酸鈣晶須

圖2 耐堿玻璃纖維

1.3 試件制作及試驗方法

試驗主要測試不同纖維增強高性能水泥基材料的抗壓、抗折及劈拉性能，各試件制作及試驗方法均參考《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70—2009)[18]及《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671—1999)[19]的要求進行，抗壓、劈拉試件尺寸為70.7 mm立方體，抗折試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體，試件成型24 h后拆模，放入水中常溫養護28 d后取出，每種工況各制作6個試件，在萬能材料試驗機上進行試驗。試驗中，水泥基材料的抗壓、抗折及劈拉強度計算式分別為

(1)

式中：fcu為水泥基材料立方體抗壓強度，MPa；ffu為水泥基材料抗折強度，MPa；ftu為水泥基材料劈拉強度，MPa；P為試件破壞荷載，N；A為試件受壓面積，mm2；L為試件凈距，即為100 mm；b為棱柱體正方形截面的邊長。

需要說明的是，試件制作過程中為防止纖維在混凝土中分散不均勻出現“聚團”現象，需對投料順序及攪拌過程進行嚴格控制，即首先將稱量好的砂和水泥倒入攪拌機中攪拌均勻，再邊攪拌邊均勻加入晶須持續攪拌1 min，然后將攪拌均勻的水和減水劑的混合溶液倒入攪拌機攪拌1～2 min；如加入宏觀耐堿玻璃纖維，則需在上述過程之后邊攪拌邊將短切耐堿玻纖均勻撒入攪拌機，再持續攪拌2～3 min。這一投料攪拌方式可使纖維在混凝土中比較均勻地分布，能很好地保證纖維混凝土的施工成型要求。

2 結果分析

2.1 單一纖維增強水泥基材料

表2給出了碳酸鈣晶須和耐堿玻璃纖維分別增強水泥基材料抗壓、抗折及劈拉強度28 d的實測平均值。從表2可以看出，微觀碳酸鈣晶須摻入對水泥基材料力學性能的增強作用明顯，其抗壓、抗折及劈拉強度最多可分別提高8.31%、37.63%及30%，且提高幅度與摻量相關，通常摻量越多強度越大，但摻量超過一定值后再增加反而起反作用，如當水泥基材料中碳酸鈣晶須摻量從10%增至20%后，其抗壓、抗折強度不僅未提高，反而呈現一定程度的降低。宏觀耐堿玻璃纖維的摻入同樣可提高水泥基材料的力學性能，當摻量在5%及以上時，提高較明顯，而且纖維長度越長，水泥基材料的力學性能提高效果越佳；宏觀耐堿玻璃纖維增強的水泥基材料試件的抗壓、抗折和劈拉強度最大可分別提高7.79%、61.29%及80.0%。

表2 單一纖維增強水泥基材料的28 d強度Table 2 Strengths of reinforced cement-based materials by single type fiber(28 d)

為進一步反映單一纖維增強水泥基材料的力學性能，圖3、圖4分別給出了碳酸鈣晶須、耐堿玻璃纖維增強水泥基材料的抗壓、抗折及劈拉強度隨纖維摻量的變化趨勢。可見，碳酸鈣晶須增強水泥基材料的劈拉強度隨晶須摻量的增加呈增長趨勢，但抗壓和抗折強度隨晶須摻量的增加呈先增后減的趨勢，且抗折強度的降幅比較大；而耐堿玻璃纖維增強水泥基材料的抗壓、劈拉強度隨纖維摻量的增加大致呈先增后減的趨勢，但抗折強度隨纖維摻量的增加呈增長趨勢。此外，碳酸鈣晶須的質量摻量在10%左右時對混凝土的增強作用最明顯，宏觀纖維摻量在5%左右時，水泥基材料的綜合力學性能提高幅度最大。同時，宏觀纖維的長度(長徑比)也是影響水泥基材料力學性能的重要因素，18 mm耐堿玻璃纖維的增強效果要優于12、6 mm纖維，特別是在混凝土的抗壓和劈拉性能提高方面尤為顯著。

圖3 碳酸鈣晶須增強水泥基材料強度實測值Fig.3 Experimental values of strength of cement-based materials reinforced by CaCO3

圖4 耐堿玻璃纖維增強水泥基材料強度實測值Fig.4 Experimental values of strength of cement-based materials reinforced by AR-glass

2.2 碳酸鈣晶須和耐堿玻璃纖維復合增強水泥基材料

為分析微觀和宏觀纖維復合增強高性能水泥基材料的力學性能，表3給出了碳酸鈣晶須和不同長度的耐堿玻璃纖維復合增強水泥基材料試件的抗壓、抗折及劈拉強度28 d實測平均值。由表3的試驗結果對比可看出，水泥基材料采用碳酸鈣晶須和耐堿玻璃纖維復合增強后，其抗壓強度比單一纖維增強時有明顯提高，提高幅度與兩種尺度纖維間混雜比例以及宏觀纖維長度相關，當兩種尺度纖維混雜比例相當(即摻量比例為2.5∶2.5)且宏觀纖維較長時效果最佳，最大提高幅度約在20%～30%之間；而其抗折、劈拉強度介于兩種尺度纖維單一增強時之間，比微觀纖維單一增強時大、比宏觀纖維單一增強時小，這與微觀纖維和宏觀纖維對水泥基材料的增強機理不同有關，在宏觀裂縫控制及抗拉性能提高方面，厘米級的耐堿玻璃纖維比微米級的碳酸鈣晶須更有優勢，因此，宏觀纖維摻量比例較大時，抗折及劈拉強度較大，反之較小，兩種強度指標在不同纖維混雜比例下的平均變化范圍約為0～40%，有較大的調整空間。因此，要使水泥基材料獲得綜合性能優越的增強效果，應根據需要調整不同尺度纖維的混雜比例以充分發揮復合增強效果。

表3 碳酸鈣晶須-耐堿玻璃纖維增強高性能水泥基材料28 d抗壓強度Table 3 Strengths of high performance cement-based materials reinforced by CaCO3 whisker and AR-glass fiber(28 d)

為進一步明確不同尺度纖維對水泥基材料力學性能的增強效果，圖5給出了不同摻量比例下兩種尺度纖維復合增強水泥基材料強度的變化趨勢。由圖5可看出，多纖維復合增強水泥基材料的抗壓強度隨碳酸鈣晶須摻量比例的增加(或耐堿玻璃纖維摻量比例的減少)大致呈先增后減的趨勢，在合適的摻量比例下呈現明顯的正相關效應(即波峰效應)，該效應在兩種纖維比例相當和宏觀纖維長度較大時尤為明顯；與此同時，多纖維復合增強水泥基材料的抗折、劈拉強度隨碳酸鈣晶須摻量比例的增加(或耐堿玻璃纖維摻量比例的減少)大致呈降低趨勢。這進一步表明，水泥基材料的綜合力學性能可通過調整不同尺度纖維的混雜比例予以控制。

圖5 晶須-耐堿玻璃纖維復合增強水泥基材料強度實測值Fig.5 Experimental values of strength of cement-based materials reinforced by whisker and AR-glass

3 增強機理

研究表明[10,12]，水泥基材料內部的微孔洞和微裂紋等結構缺陷可通過摻入適量纖維進行改善。纖維在水泥基材料中的增強作用主要有填充、阻裂和橋聯等，但不同纖維對基體性能增強的側重點不同。對于微米級的碳酸鈣晶須，其增強作用主要表現在對水泥基材料內部結構的密實和微裂紋抑制方面，因而摻量合適時能有效提高水泥基材料的抗壓強度，并能在一定程度上改善抗拉性能。圖6(a)、(b)分別給出了普通水泥基材料和碳酸鈣晶須增強水泥基材料的微觀形態掃描電鏡圖。可見，均勻分散的碳酸鈣晶須一方面可填充水泥基材料內部微孔隙以改善強度，另一方面可抑制微裂縫開展，使得水泥基材料的破壞面呈現明顯的凹凸不平狀，而未進行纖維增強的水泥基材料破壞面則相對平整，破壞時的脆性特征相對顯著。值得注意的是，盡管微觀尺度的碳酸鈣晶須較厘米級的短切纖維有更好的分散性，但摻量過多或攪拌不均勻，仍可能出現“團聚”現象，影響增強效果，如圖6(c)所示。對于厘米級的耐堿玻璃纖維，其增強作用更多地表現在對水泥基材料宏觀裂縫抑制和內部結構橋聯上，宏觀纖維通過與基體發生滑移、摩擦以及自身斷裂來消耗能量，從而阻止裂縫進一步開展，達到阻裂增韌的目的。圖6(d)給出的水泥基材料微觀結構觀測結果顯示，如果水泥基體的裂縫間存在耐堿玻璃纖維，則裂縫間的應力可以通過宏觀纖維有效傳遞，裂縫的擴展也能得到有效抑制。此外，宏觀纖維還能夠在基體內部孔隙和裂縫間起到橋聯作用，可有效保證水泥基材料內部結構的整體性和協同受力能力，通常纖維長度越大橋聯作用越明顯。圖6(e)給出的纖維增強水泥基材料的微觀形態可見，耐堿玻璃纖維可在基體的內部空隙間起橋聯作用。此外，宏觀纖維的阻裂和橋聯作用還與摻量有關，纖維摻量過大時，纖維會因“團聚”現象在基體內部形成空隙和缺陷，影響其增強效果，如圖6(f)所示。總的來說，采用不同尺度纖維復合增強水泥基材料可充分發揮各纖維的增強特點，達到在不同結構層次和受力階段對水泥基材料發揮增強作用的目的。需要說明的是，圖6所示的微觀形態中未同時顯示碳酸鈣晶須和耐堿玻璃纖維復合增強水泥基材料的掃描電鏡圖片，這主要是由于兩種纖維的尺度相差明顯，無法在相同放大倍數下同時觀察到各自的微觀形態。

圖6 不同尺度纖維增強水泥基材料的微觀結構形態Fig.6 Microscopic structural morphology of cement-based materials reinforced with different

4 結論

1)微觀碳酸鈣晶須和宏觀耐堿玻璃纖維均可改善水泥基材料的抗壓、抗折及劈拉性能，且改善程度與纖維摻量及長度相關。碳酸鈣晶須的質量摻量約10%時，水泥基材料的力學性能提高幅度最大，其中，抗折強度較未增強時可提高近40%；耐堿玻璃纖維5%摻量時，水泥基材料的綜合力學性能表現最優，且基體的力學性能提高程度隨纖維長度增加而增加，18 mm耐堿玻璃纖維增強水泥基材料的抗折強度較未增強時的提高幅度最多可達60%。

2)采用微觀碳酸鈣晶須和宏觀耐堿玻璃纖維復合增強高性能水泥基材料，可在不同結構層次上發揮兩種纖維的增強優勢。微、宏觀纖維復合增強混凝土的抗壓強度通常明顯高于采用單一纖維增強時；而抗折、劈拉強度一般介于采用兩種纖維單一增強之間，當復合纖維中宏觀纖維比例增大時，增強高性能水泥基材料的抗折、劈拉強度提高幅度增大，反之亦然。

3)不同尺度的纖維對水泥基材料的增強側重點不同。微觀碳酸鈣晶須的增強作用主要表現為對水泥基材料內部缺陷的改善以及微裂縫的抑制，而宏觀耐堿玻璃纖維的增強作用主要為對水泥基材料宏觀裂縫的抑制和內部結構的橋聯；多尺度纖維復合增強高性能水泥基材料的性能特征主要與纖維類型、摻量、混雜比例及長度等有關。