纖維對水泥基復合材料性能影響研究進展

陸振乾， 楊雅茹， 荀 勇

(1. 鹽城工學院 紡織服裝學院， 江蘇 鹽城 224051; 2. 嘉興學院 材料與紡織工程學院， 浙江 嘉興 314001; 3. 鹽城工學院 土木工程學院， 江蘇 鹽城 224051)

混凝土材料具有良好的力學性能和低廉的價格，是世界上應用最為廣泛的一種建筑材料,但混凝土是脆性材料，其拉伸性能差，伸長率極低，使用過程中在各種應力及外界環境的作用下會產生裂紋，且裂紋不斷擴展，造成鋼筋銹蝕，嚴重影響其強度和耐久性，因此，纖維增強混凝土材料(FRC)應運而生。

纖維增強混凝土材料是以非連續短纖維或連續長纖維為增強材料，以水泥凈漿、砂漿或混凝土為基體制成的水泥基復合材料[1-2]。加入纖維材料后可大大提高混凝土材料的抗拉強度、延展性，具有以下優點：纖維材料可阻止混凝土基體裂紋的擴展，并延緩新裂紋的出現，提高混凝土的抗裂紋性能和耐久性[3]；改善混凝土材料的脆性，起到增強增韌的作用；提高混凝土基體的能量吸收能力。

近年來，纖維增強混凝土及其新型水泥基復合材料的發展迅猛，在大型水利工程、土木建筑、道路隧道、橋梁、高架橋、地鐵等基礎設施工程中得到了廣泛運用。本文首先介紹了纖維增強混凝土材料的種類，并從纖維的特性出發，分析了用于增強增韌混凝土材料的纖維種類及其性能，綜述了纖維形態、體積分數和纖維排列方向等對混凝土性能的影響，以期為研究開發高性能纖維增強混凝土材料提供參考。

1 纖維增強混凝土的分類及增強機制

纖維增強混凝土材料根據性能特點可分為普通和高性能FRC二大類。根據其拉伸和彎曲力學性能特征，又可分為應變軟化、應變硬化以及撓度軟化、撓度硬化材料[4]。其中，普通FRC可提高混凝土的抗拉強度和韌性，但一般會出現應變軟化現象，是以較寬的裂紋來獲得高韌性，因此，各種類型的高性能纖維增強水泥基復合材料(HPFRCC)應運而生[5]，成為混凝土材料領域的國際前沿課題。該復合材料所用材料不盡相同，在名稱上有所差異，美國、歐洲和日本分別稱為工程水泥基復合材料(ECC)[6]、應變硬化水泥基復合材料(SHCC)[7]、高延性水泥基復合材料(DFRCC)[8]，我國將其稱為超高韌性水泥基復合材料(UHTCC)[9]。

ECC具有高延性、高韌性和應變硬化特征。在單軸拉伸下具有極好的拉伸應變能力，應變量達到3%～6%。純混凝土的拉伸應變僅為0.01%，ECC的拉伸應變是純混凝土的300～600倍。在進行拉伸時，當初始裂紋出現后，ECC材料開始進入塑性變形階段，表現出明顯的應變硬化特性；在開裂方式上，ECC表現出多縫開裂，隨著應變的增大，不斷有新的微裂紋產生和發展，但裂縫的寬度始終保持在100 μm以下[10]。

對于FRC的增強增韌機制，主要有2種解釋：纖維間距理論[11]和復合材料機制[12]。纖維間距理論認為纖維的增強效果與纖維間距有關:當微裂紋被包圍在纖維間距之間，纖維界面將產生與裂紋尖端擴展應力反向的應力場，從而降低裂紋尖端的應力集中程度，限制裂紋發展，達到增強效果。復合材料機制是根據混合原理，以纖維為增強體一維單向配制于混凝土基體中，當裂縫發展到纖維附近時，纖維起到阻裂、增強作用；當應力繼續增大時，裂縫繼續發展，寬度持續增大，纖維逐漸拔出或者拉斷，纖維增強混凝土被破壞。這2種機制為纖維增強混凝土的進一步研究奠定了理論基礎。

2 纖維的種類及性能

用于增強混凝土的纖維材料類型較多，按照來源和習慣分為天然纖維和化學纖維，其中化學纖維又分為再生纖維和合成纖維。按照組成分為有機和無機纖維二大類。目前常用的增強混凝土的纖維種類及性能總結如表1所示。

表1 常用于增強混凝土的纖維的性能

2.1 有機纖維

2.1.1 聚乙烯醇纖維

聚乙烯醇(PVA)纖維具有較好的力學性能和優良的耐堿性能，在水中易分散，與水泥的親和性好，粘結強度高，成為混凝土領域應用最為廣泛的纖維之一[13]。目前，以日本可樂麗公司生產的PVA纖維性能最為優異，該公司在原來的PVA纖維的基礎上，推出了高強韌性KURALONTMK-Ⅱ新型PVA纖維，其強度可達15 cN/dtex，斷裂伸長率為6%。采用PVA纖維增韌ECC時，當摻雜纖維體積分數為2%時，可使混凝土的極限拉伸應變顯著提高，高達6%，且出現應變硬化[14]。高強高彈PVA纖維成為高延性混凝土材料的首選材料。

2.1.2 聚丙烯纖維

聚丙烯(PP)纖維具有質輕價廉的優點，其耐化學性能好，可承受大部分酸堿腐蝕。缺點是PP為疏水性纖維，其與混凝土材料的粘結性能差，通常可通過化學改性和表面粗糙化處理來提高其粘結性能[15]。Yang等[16]采用微觀力學來設計PP-ECC，其在拉伸強度為2.0～2.5 MPa時，應變可達到4%。與PVA-ECC相比，PP-ECC的拉伸強度略低。在混凝土中摻入PP纖維可改善高強混凝土的耐高溫性能，這是因為PP在高溫下融化形成孔隙，可有效減少高強混凝土在高溫時爆裂[17]。近年來開始出現聚丙烯粗纖維的研究，如日本Hagihara公司生產的Barchip系列纖維和寧波大成新材料有限公司的DC系列增韌纖維。該纖維直徑大，具有波浪形扭曲結構，可明顯改善混凝土的韌性，提高混凝土材料的抗沖擊性。

2.1.3 聚乙烯纖維

聚乙烯(PE)纖維分為普通聚乙烯纖維和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維。PE纖維具有穩定性好、耐低溫和耐紫外光等優點，對大多數的化學品具有較好的抵抗性能，其缺點為與水泥基體的粘結性能差。YU等[18]采用PE制備高延性的PE-ECC，可使復合材料的拉伸強度達到20 MPa，應變達到8.7%。但PE纖維對混凝土的裂紋寬度控制上不如PVA纖維。以凍膠紡絲-超拉伸技術制備的UHMWPE纖維具有極高的比強度和比模量，加入UHMWPE纖維可顯著地提高水泥基復合材料的抗沖擊性能，但價格較高[19]。

2.1.4 芳香族聚酰胺纖維

芳香族聚酰胺(aramid)纖維又稱為芳綸纖維，分為對位芳綸(PPTA)和間位芳綸(MPIA)。其中，PPTA具有拉伸強度高和抗沖擊性能優異的特點，如杜邦公司生產的Kevlar纖維被廣泛應用于防護領域。對位芳綸的耐化學性能優異，但在日光下會老化，使其強度降低。Curosu等[20]研究發現，芳綸與水泥的粘結性能優于PE纖維，使混凝土具有更高的拉伸性能。

2.1.5 纖維素纖維

纖維素纖維是采用植物韌皮或種子為原料加工而成的纖維，其種類較多，根據來源不同其性能差異較大，主要有劍麻、苧麻、黃麻、椰殼纖維等。這些纖維具有來源廣、價廉、可再生、可降解等特點。Silva等[21]采用劍麻短纖維來增強混凝土，在短纖維體積分數為10%時，混凝土的拉伸強度達到了10.56 MPa，應變為1.15%。與化學纖維相比，天然纖維的強度較低，吸水率高，因此，在使用中應注意其吸水性能和天然降解造成的耐久性問題。

2.2 無機纖維

2.2.1 玻璃纖維

玻璃纖維的主要成分為SiO2和其他金屬氧化物，具有高強度、高模量和低延伸率的特點。普通玻璃纖維的耐堿性差，不適用于水泥基體的高堿環境，因此，研究人員開發了一種抗堿(AR)玻璃纖維，即在其組分中加入約15%的ZrO2，可顯著提高玻璃纖維的抗堿能力[22]。Barluenga等[23]采用低體積分數(<0.26%)的AR玻璃纖維增強混凝土發現，AR玻璃纖維可減少混凝土早期的收縮和裂縫產生。而采用高體積分數的玻璃纖維可提高混凝土的拉伸強度和延性。

2.2.2 碳纖維

碳纖維是一種碳元素占總質量90%以上的無機纖維，具有很高的比強度和比模量，化學性質穩定，對一般的有機溶劑、酸、堿都具有良好的耐腐蝕性。Wang等[24]采用體積分數為1%～3%的碳纖維增強混凝土發現，混凝土的拉伸強度隨著碳纖維體積分數的增加而增大。但碳纖維的拉伸應變較小，對復合材料的延性增加不大。近年來，新型納米碳材料如碳納米管、石墨烯也開始應用于水泥基復合材料，碳材料具有良好的導電性能和吸波特性，可作為傳感原件和電磁屏蔽材料[25]，將其加入水泥中可開發出具有自診斷和監控功能的多功能水泥基復合材料。

2.2.3 玄武巖纖維

玄武巖纖維由天然的玄武巖石料熔融拉絲制成，是一種環保綠色材料，具有優異的耐高溫和耐腐蝕性能，其硬度高，抗磨損性能好，強度高于玻璃纖維。Kabay[26]研究發現，采用低體積分數的玄武巖纖維增強混凝土可提高混凝土的彎曲強度、斷裂性能和抗磨損性能；但可使混凝土壓縮性能降低明顯，在1%的摻雜量下，壓縮性能降低26.4%。

2.2.4 陶瓷纖維

陶瓷纖維包括氧化鋁(Al2O3)、硅酸鋁(Al2SiO5)、碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)纖維等，具有優異的耐高溫性能，可在900 ℃高溫下使用。纖維的組分不同，其力學性能也有一定差異。Bernal等[27]研究表明，采用陶瓷纖維可顯著提高復合材料的高溫性能，可減緩復合材料在高溫中的形變。但陶瓷纖維為脆性纖維，不耐折不耐磨，且價格較高。

2.2.5 鋼纖維

鋼纖維為采用切斷細鋼絲法、冷軋帶鋼剪切、鋼錠銑削或鋼水快速冷凝法制成長徑比為30～100的金屬纖維。與普通纖維相比，鋼纖維的直徑較粗，抗堿性能好，纖維價格低。根據制備方法不同，其性能差異較大。Bernal等[28]采用1.5%的鋼纖維來增強堿礦渣混凝土，使其拉伸強度和彎曲強度分別增加了24%和38%，而壓縮強度隨著纖維含量增加而降低。鋼纖維可提高混凝土的抗拉強度并出現多縫開裂行為，同時采用異型截面的鋼纖維可提高其與混凝土的粘結性能。

3 纖維性能對混凝土復合材料的影響

纖維增強混凝土的性能包括基本力學性能(拉伸、壓縮、彎曲、剪切、沖擊等)和耐久性(抗滲透、抗疲勞、抗凍融循環、耐腐蝕等)，纖維的類型、形態、摻雜含量、排列方向和表面性能等因素均會影響混凝土的性能。

3.1 纖維類型的影響

不同纖維的性能差異較大，對混凝土的作用有所不同。如高強高模纖維可顯著提高混凝土的拉伸強度，但對延性增加不大；低模量的柔性纖維可增加FRC延性，阻止裂紋的擴展。加入單一纖維可在某一方面有限地提高混凝土的性能，因此，為獲得高性能水泥基復合材料，可采用混雜纖維。

混雜纖維增強混凝土是將2種或2種以上纖維復合摻入混凝土中，既能發揮各自纖維優點，又能體現纖維之間協同效應的新型復合材料[29]。不同尺度的雜化纖維增強混凝土在拉伸下的破壞形式如圖1所示。在混凝土中加入不同粗細的2種纖維，在拉伸加載的第1階段，較細的纖維通過橋接作用對混凝土微裂紋的產生和擴展起到抑制作用。拉伸加載的第2階段，長的粗纖維對宏觀裂紋起到橋接作用，抑制宏觀裂紋的擴展。這種協同作用既提高了復合材料的強度，又增加了復合材料的斷裂韌性[30]。

圖1 不同尺度的雜化纖維增強混凝土在拉伸下破壞形式

纖維的混雜方式可按纖維的本構關系、尺寸及功能進行混雜,可分為以下3種：相同種類不同尺度和幾何特征的纖維混合；尺度相近的不同種類纖維混合；不同尺度與不同種類的纖維混合。按纖維種類可分為：鋼-鋼纖維混雜、鋼-化學纖維混雜、化學-化學纖維混雜、化學-天然纖維混雜混凝土。Park等[31]采用4種粗的鋼纖維(直徑為0.3～0.77 mm)和1種直徑小的鋼纖維進行混雜增強混凝土，結果表明：粗纖維的性能決定著復合材料拉伸曲線的形狀，細纖維影響應變硬化和多縫開裂性能。Libre等[32]對鋼纖維與PP纖維混雜增強輕型混凝土復合材料的研究發現，復合材料的壓縮和彎曲性能改善明顯，0.2%和0.4%的PP纖維對以上性能影響不大，但PP纖維增加了混凝土的韌性和能量吸收性能。Yun等[33]研究了PVA、UHMWPE混雜纖維增強SHCC的力學和抗凍耐久性能，結果表明PVA纖維含量增加對SHCC壓縮性能和耐久性的提升優于PE纖維。

3.2 纖維形態的影響

纖維的形態特征包括：纖維的直徑、長度、長徑比、截面形狀等。纖維根據長度可分為短纖和長絲2種，化學纖維一般為長絲，經切割制備短切纖維。長絲有單絲(單纖維)和復絲(束纖維)2種，其形貌如圖2所示。其中，單絲是由1根較粗的纖維構成，直徑一般大于100 μm。復絲是由1束細長的平行纖維組成，纖維的根數有幾百至幾千根，直徑較小，一般為7～27 μm。鋼纖維的制備工藝與其他纖維不同，其直徑一般為0.3～1.2 mm，長度為15～60 mm。

圖2 增強混凝土纖維的類型及形狀特征

纖維的長度與直徑會影響FRC的力學性能及混凝土的可操作性能。在相同摻量下，直徑越小、長度越短的纖維對混凝土的裂前抗彎韌性改善效果越好；長度越大，纖維的分散越困難，易成球造成分散不勻,采用較長纖維增強時，混凝土在斷裂時可形成較寬的裂縫[34]。可用長徑比來表征纖維的幾何特征，Dinh等[35]研究表明，當纖維長徑比從55增加到80時，剪切強度可提高32%。

同時，纖維的形狀和截面也會影響其與混凝土的粘結性能。以鋼纖維為例，有直線型、波浪型、狗骨頭型、鉤端型和波紋形狀的纖維，截面形狀有圓形、三角形等，如圖2(d)所示。Wille等[36]研究表明，當鋼纖維摻入體積分數為1.5%時，波紋形鋼纖維FRC的拉伸強度和應變分別是平直型FRC的1.6和3.0倍。Park等[31]研究了雜化鋼纖維增強FRC的拉伸性能，結果表明采用扭轉型鋼纖維增強FRC的拉伸性能最好。

3.3 纖維體積分數的影響

纖維體積分數會直接影響FRC的力學性能。根據纖維體積分數的大小可以分為3類：低體積分數(<1%)、中體積分數(1%～2%)和高體積分數(>2%)。Song等[37]研究了0.5、1.0、1.5和2.0%體積分數的鋼纖維增強混凝土的力學性能發現，纖維體積分數為1.5%時，混凝土的壓縮強度最大，比純混凝土提高了15.3%。Tanyildizi等[38]研究表明，當加入0.5%、1%和2%體積分數的碳纖維時，混凝土復合材料的彎曲強度分別增加了13%、32%和7%。Kayali等[39]在水泥基體中加入0.285%、0.56%和1%體積分數的PP纖維時，復合材料的劈裂抗拉強度分別增加了59%、94%和71%。由以上研究可以看出，纖維的體積分數并不是越多越好，應根據每種纖維的性能特點和表面粘結性能等因素進行特定設計，選取最優的纖維加入量。

3.4 纖維排列方向的影響

纖維排列方向對復合材料力學性能有重要影響，當纖維的方向與受力方向一致(與裂縫的方向垂直)時，其增強增韌的效果最好。纖維的排列方向可通過纖維的排列方向系數來表示[40]：

式中：N為截面上纖維的根數；φi為第i根纖維方向與給定方向的夾角，(°)。ηφ值在0到1之間，數值越大，排列方向越一致，即平行于給定方向；反之，數值越大越垂直于給定方向。

纖維的排列方向可通過圖像分析、電子計算機斷層(CT)掃描等方式進行測量。Hambach等[41]采用針頭注射的方式來控制纖維的排列方向，將3 mm的碳纖維沿著混凝土的受力方向進行排列，使得復合材料的彎曲強度提高到100 MPa，并出現明顯的擾度硬化行為。Pansuk等[40]研究發現，混凝土中纖維的排列傾向平行于流動方向時，流動方向上的纖維排列方向系數大。纖維混凝土在流動方向上的拉伸強度高于其垂直方向，這是因為纖維平行排列時，與裂縫的擴展方向垂直，可有效地阻止裂紋擴展。Barnett等[42]研究表明，當從中間部位泵入纖維混凝土時，制備的薄板的彎曲強度高于其他的泵入方式。

3.5 纖維表面粘結性能的影響

纖維與水泥基體間的界面性能對復合材料的性能具有重要影響，當纖維-基體界面結合強度過低時，纖維傳遞和承擔應力的能力被大大降低；當界面結合強度過高時，纖維易被拉斷，致使最大裂縫開口寬度較小。而纖維的表面粘結性能直接決定了其界面結合強度，因此，纖維的表面性能是影響復合材料性能的又一重要因素。

Li[43]對纖維、基體和纖維-基體界面間的協同效應進行了系統的研究，建立了應變硬化多裂縫穩態開裂模型，提出了強度和能量準則，并提出了將宏觀拉伸力學性能與單根纖維拔出微觀力學性能連接起來的橋聯法則。根據以上準則，眾多學者采用離子體處理、臭氧處理、上漿、納米粒子處理和覆蓋油膜等多種方式來進行纖維表面處理。Li等[44]采用等離子體處理來改變PE纖維的表面性能，增加纖維和基體的粘結力。Liu等[45]將納米SiO2與水性環氧樹脂和聚氨酯乳液配成復合上漿液，來提高碳纖維和玻璃纖維的浸潤性能，改善與基體的粘結性能。近年來，Peled團隊[46]開發的新型擠壓工藝將納米SiO2和水泥漿浸潤到纖維束中，從而提高了纖維與水泥基體的粘結性能和復合材料板的拉伸強度。

4 結束語

高性能纖維增強水泥基復合材料具有廣闊的應用前景，其中，纖維的性質、形態、體積分數、排列方向及粘結性能均會對復合材料的性能產生影響，應該根據特定的要求進行復合材料的設計。綜合近年來纖維增強混凝土的研究，在未來的研究應從以下幾個方面進行。

1)目前研究主要關注纖維增強混凝土的宏觀力學性能，在纖維基本性能對混凝土增強、抗裂作用的微觀機制和基礎理論方面的研究還不夠完善，缺乏從微觀到宏觀的多尺度裂縫形成與擴展機制、多性能層次損傷及斷裂機制的研究。

2)纖維增強混凝土材料的需求量巨大，高性能的纖維原料大多采用國外產品，國內纖維生產企業應加快研制工作，開發出適應混凝土材料的特種纖維材料，滿足日益增長的市場需求。

3)未來纖維增強混凝土材料的研究將更加注重復合材料的功能化，制備出具有多重功能的纖維混凝土復合材料。如采用導電等功能性納米纖維制備具有感知性能的機敏材料和具備結構健康監測功能的材料等。