纖維與水泥砂漿界面黏結性能研究

張獻民，陳雪芳，李長輝，霍海峰,陳 宇

(1.中國民航大學機場工程研究基地，天津 300300;2.中國民航大學交通科學與工程學院，天津 300300)

0 引 言

纖維增強混凝土作為一種多相復合材料，在細觀層次上，可以被認為是一種由粗骨料、纖維水泥砂漿以及骨料與砂漿之間的界面過渡區組成的復合材料[1],對于復合材料結構來說，黏結性能是復合材料結構相互作用的基本保證，黏結性能會影響裂縫的發展、裂縫的寬度和間距，最終影響復合結構的性能[2]。大量研究表明，纖維與水泥砂漿基體界面黏結應力的增強能夠減小裂縫寬度和裂縫間距，從而提高混凝土抗化學侵蝕和滲透能力，直接影響纖維對混凝土的增強效果[3-4]。

鋼纖維是土木工程中應用最廣泛的纖維，各研究人員已經深入研究了鋼纖維在膠結基體中的拉拔行為，包括鋼纖維的幾何形狀、纖維取向、纖維的嵌入長度和基體強度。杜俊杰[5]認為纖維-基體界面黏結性能主要由物理化學結合性能和機械性能兩部分決定。Tai等[6]通過試驗研究了纖維埋置傾角和纖維形態對超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)基體中高強鋼纖維性能的影響，試驗結果表明，平直光滑纖維的荷載和能量耗散能力一般隨著加載速率和傾角的增大而增大，鉤狀和扭曲的纖維顯示出不太一致的趨勢，它們的峰值荷載和能量耗散能力出現在0°(與負載對齊)到30°之間，平直光滑纖維對加載速率表現出最敏感的響應，并且獲得高達2.32的荷載能力動態增加因子(dynamic increment factor,DIF)，鉤形纖維的擴散系數一般較小，尤其是在較大傾角時,扭曲纖維的擴散系數低于1.00。趙楠等[7]通過開展不同齡期的鋼纖維增強水泥基復合材料單根纖維拉拔試驗及數值模擬研究，分析了齡期對鋼纖維增強水泥砂漿界面黏結性能的影響。Esmaei等[8]采用實驗和非線性有限元模型來模擬鋼纖維直徑、纖維形狀、纖維末端偏差角等不同參數對拔滑特性的影響。Naaman等[9]對鋼纖維從水泥基混凝土中整個拔出過程的黏結-應力-滑移關系進行了建模，該模型首次用于導出纖維混凝土黏結的典型應力-滑移曲線，被認為是纖維-混凝土界面的本構特性。除了鋼纖維之外，劉建忠等[10]研究了聚丙烯纖維埋入長度、纖維埋入角度與水泥砂漿的水灰質量比、齡期對界面黏結強度的影響。Gokoz等[11]研究了加載速率對砂漿中聚丙烯纖維拔出行為的影響,發現隨著加載速率的增加，聚丙烯纖維的能量吸收能力顯著增加，并在加載速度高于100 cm/s時高于鋼纖維。馬一平等[12]采用拔出法研究了聚丙烯纖維單絲與水泥基材的界面剪切脫黏強度及其影響因素。王艷等[13]采用聲發射技術，對聚丙烯纖維拔出試驗的全過程進行監測，相關研究為聲發射試驗研究提供了有效的系統參數設置值。

由上述文獻可知，目前比較常用的測量纖維與基體間黏結性能的試驗方法主要有以下幾種[14-15]：纖維拉拔試驗、壓頭頂出試驗、單根纖維碎斷試驗、微黏測試試驗及纖維埋置模型試驗。相比較而言，單根纖維拔出試驗實施較為困難，但單根纖維拔出試驗中纖維與基體間的受力條件與纖維混凝土開裂過程中纖維與基體間的受力條件近似[16]，可以直觀地反映纖維與混凝土或水泥砂漿的黏結行為[17]。因此，本文從工程常用的三類纖維材料(金屬纖維、無機纖維、有機纖維)中選出四種纖維，考慮纖維種類、砂漿水膠比、纖維直徑及纖維埋置長度等因素對界面黏結強度的影響，采用“8字”型試件對單根纖維與基體間黏結的力學行為進行系統地研究并得到了有益的結論，研究結果可為機場工程中纖維混凝土道面板的建設提供重要的工程依據。

1 實 驗

1.1 原材料

1.1.1 膠凝材料

本次試驗采用的膠凝材料是冀東水泥廠生產的水泥強度等級為42.5的復合硅酸鹽水泥和靈壽縣德通礦產品加工廠生產的硅灰和一級粉煤灰。水泥各項物理指標參數見表1，其中SO3含量為2.8%(質量分數)，密度為3.1 g/cm3,細度為3.6%；粉煤灰的篩余量為5.2%，密度為2.27 g/cm3；硅灰的比表面積為20 000 m2/kg；SiO2含量達到了95.3%(質量分數)。

表1 水泥基本技術參數Table 1 Basic technical parameters of cement

1.1.2 集料

本次試驗主要研究水泥砂漿與纖維之間的黏結性能，因此集料主要選用細集料河砂，由天津鑫如建材廠家提供，實測其含水量為4.4%(質量分數)，其細度模數為2.46，屬于中砂，含泥量小于1%(質量分數)，表觀密度為2.67 g/cm3。

1.1.3 纖維

本次試驗使用的纖維分別為天津恒灃栩金屬新材料股份有限公司生產的鋼(steel，ST)纖維[18]、寧波時科新材料科技有限公司生產的聚丙烯(coarse polypropylene，CPP)粗纖維、四川點石玄武纖維科技有限公司生產的浸膠玄武巖纖維(basalt fiber，BF)以及日本可樂麗株式會社生產的直徑0.6mm的聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)纖維和上海申湘混凝土纖維有限公司生產的直徑0.2 mm的PVA纖維。四種纖維的各項性能及樣品圖見表2及圖1，其中L為纖維自身的長度，Lf為纖維在砂漿基體中的埋置長度。

表2 各類型纖維規格和性能Table 2 Specifications and performances of various types of fibers

圖1 各纖維樣品圖Fig.1 Images of fiber samples

1.1.4 外加劑

為了提高砂漿的和易性和減少用水量以提高砂漿強度，在制備砂漿過程中使用了廣西紅墻廠家生產的聚羧酸高效減水劑，其減水率為25%，用量占水泥質量的0.5%。

1.2 試件設計

根據《砌筑砂漿配合比設計規程》(JGJ/T 98—2010)規范進行砂漿配合比設計，表3是砂漿配合比，采用三聯模，使用膠砂強度測定方法測定各水膠比下砂漿的抗壓及抗折強度，測試結果如表4所示。

表3 砂漿各強度質量配合比Table 3 Mixing ratio of different strength grade of mortar

表4 砂漿抗壓及抗折強度Table 4 Compressive and flexural strength of mortar

砂漿成型過程主要采用實驗室水泥膠砂攪拌機，首先按比例加入水、水泥、粉煤灰及硅灰低速攪拌60 s，然后按照比例加入河砂，先低速攪拌60 s再高速攪拌60 s，然后加入減水劑高速攪拌60 s，最終完成注模成型。在砂漿拌制過程中摻入一定量的粉煤灰能提高拌合物的流動性，硅灰可對砂漿起到密實增強的作用，同時改善砂漿的堿性環境，試驗采用的聚羧酸高效減水劑，可在給定工作性和強度的條件下，減少水和水泥用量，從而節約水泥，減少干縮、徐變和水泥水化引起的熱應力[19]。

參照《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13—2009)試驗規范，本試驗設計了“8字”型試件進行纖維拉拔試驗。試件形狀如圖2所示，試模采用白色亞克力板拼接而成，中部使用10 mm的擋板隔開(擋板中間開有小孔)，首先將試模的1/2灌入一定強度的水泥砂漿，插搗密實后平整表面，將單根纖維穿過中間擋板中心孔預埋在試件中部，然后澆筑另外1/2的試模，插搗密實，每組成型4個試件，1 d后拆模，將其置于標準養護條件下養護至28 d。

圖2 纖維拉拔試件圖Fig.2 Fiber drawing specimen diagram

1.3 試驗方案與過程

1.3.1 試驗方案

通過混合正交試驗進行不同因素組合，可減少試驗次數，并且對各方案試驗結果進行方差分析和結果的顯著性檢驗，選出基體強度和纖維規格的較優方案，選擇混合正交因素表L8(41×23)，如表5所示，其中Lf為纖維在砂漿基體中的埋置長度，正交方案如表6所示。

表5 混合正交因素表L8(41×23)Table 5 Mixed orthogonal factor table L8 (41×23)

表6 正交試驗方案設計Table 6 Orthogonal test scheme design

1.3.2 試驗過程

采用拉拔試驗機進行拉拔測試，以0.3 mm/min的速度加載，試驗裝置如圖3所示?？梢缘玫胶奢d-滑移曲線，其拔出荷載-位移曲線下的面積越大，說明拉拔功越大，對界面黏結強度越有利。

圖3 拉拔裝置Fig.3 Drawing device

2 單根粗纖維拔出黏結強度的計算

目前國內外還沒有標準的方法來計算纖維與水泥基體之間的黏結強度，對于單根粗纖維拔出試驗的有關理論主要是應力降理論、剪滯理論和Stang 理論[20]。陳亞迪[21]將纖維的拔出荷載-滑移曲線分為兩個階段，如圖4所示：第一階段是從初始點到峰值荷載點，可稱為脫黏階段，這一階段主要依靠纖維與砂漿基體間界面化學黏結力；第二階段是從最大拔出荷載點到最終點，可稱為摩擦階段，表示纖維從完全脫黏到最終被完全拔出，這期間主要是纖維與砂漿基體之間的摩擦阻力。根據相關學者[22]的研究,單根粗纖維拔出試驗中界面黏結強度可以分為平均黏結強度τsa和等效黏結強度τse，定義平均黏結強度為基于最大拉拔荷載和埋置長度計算得到，等效黏結強度基于拉拔過程中耗散能量所做的功W求得。

圖4 典型單根纖維荷載-滑移曲線Fig.4 Typical single fiber load-slip curve

平均黏結強度及等效黏結強度的計算公式如下：

(1)

(2)

式中：P為纖維黏結拔出試驗的拔出荷載,N；d為纖維等效直徑,mm；Lf為纖維埋置長度，mm。

3 結果與討論

3.1 試件破壞結果

通過對試驗現象的觀察發現，拔出試件的破壞形態可以分為2種，即纖維被完全拔出和纖維被拉斷，分別如圖5(a)、(b)所示。試驗結果表明，直徑較小(0.2 mm)的單根纖維容易從“8字”型試件一半自重的作用下就拔出，這是由于纖維直徑較小，水泥砂漿基體中存在孔隙，所以較小的拉力就足以使纖維從基體中拔出，同時0.2 mm鋼纖維的泊松收縮極大地影響了其黏結性能，這是由于砂漿的彈性模量僅比鋼纖維的彈性模量小5倍或6倍，可以大大降低穿過纖維-基體界面的應力傳遞，并相應降低拉拔力[23]，這給單根纖維的拉拔試驗造成了困難。除此以外，在拉拔過程中，纖維在砂漿基體中的傾斜角度對界面黏結強度造成了極大的影響，這種差異是由于基體的破壞，減少了嵌入長度，并允許纖維旋轉產生額外的位移而不發生滑移[23]，因此有必要對纖維傾斜角度對界面黏結強度的影響規律做進一步的研究。浸膠玄武巖纖維由于其本身的極限延伸率較小，并且耐堿性不足，在本次試驗中纖維被拉斷，纖維被拉斷主要是因為纖維的抗拉強度不足且小于界面黏結力，因此其不適于用來增強增韌水泥基復合材料。

圖5 纖維拉拔試驗結果Fig.5 Fiber pull-out test results

試驗機記錄了纖維從水泥砂漿基體拉拔試驗過程中的荷載和位移，可得到拉拔過程的最大拔出荷載及其荷載-滑移圖，可通過公式(1)計算纖維與水泥砂漿之間的界面平均黏結強度，可根據荷載-滑移圖計算纖維被拔出時的拉拔功，通過公式(2)計算界面等效黏結強度。

3.2 平均黏結強度

對平均黏結強度的試驗結果進行混合正交分析，所得到的結果如表7所示。

表7 正交試驗結果Table 7 Results of orthogonal test

由表7可得出，正交試驗4和正交試驗6獲得了較好的平均黏結強度，對于直徑為0.6 mm的這兩種纖維，埋置長度為20 mm的CPP纖維對水膠比為0.51砂漿基體的平均黏結強度為7.71 MPa，埋置長度為10 mm的PVA纖維對水膠比為0.41砂漿基體的平均黏結強度為6.94 MPa，前者比后者提高了11.1%。而對于直徑為0.2 mm的這兩種纖維,埋置長度為10 mm的CPP纖維對水膠比為0.41砂漿基體的平均黏結強度為4.35 MPa，埋置長度為20 mm的PVA纖維對水膠比為0.51砂漿基體的平均黏結強度為4.85 MPa，前者比后者降低了11.5%，體現了纖維直徑和纖維類別對拉拔試驗的重要影響。另外，各因素對平均黏結強度影響的重要程度由高到低依次為纖維類別>纖維直徑>基體強度>纖維埋置長度。

從各因素趨勢圖(見圖6)可以明顯看出：纖維種類對平均黏結強度的影響的順序為有機纖維>無機纖維>金屬纖維；直徑0.6 mm的纖維比直徑0.2 mm的纖維更有利于界面的平均黏結強度；纖維在砂漿基體中埋置的長度從10 mm增長至20 mm時，平均黏結強度略微下降，降低了1.65%，說明纖維在砂漿中的埋置長度在10～20 mm之間時可獲得較好的黏結應力；當砂漿基體水膠比從0.51降低到0.41的過程中，界面平均黏結強度降低了14.1%，說明并不是基體強度越大界面黏結越牢固。從以上分析中可以得出：最優方案應取各因素最大K值所對應的水平，即為A2B2D1C2或A3B2D1C1，即纖維種類選擇CPP纖維，纖維直徑選擇0.6 mm，基體水膠比選擇0.51，埋置長度為20 mm，或者纖維種類選擇PVA，纖維直徑選擇0.6 mm，基體水膠比選擇0.41，埋置長度為10 mm。為了進一步驗證各因素對試驗結果影響的重要程度，對試驗結果進行方差分析，利用F值評價各因素的影響程度。Sig值表示顯著性水平，當該值小于0.05時則認為該因素對計算結果影響顯著，反之則認為影響不顯著[24]，方差分析的結果如表8所示。

圖6 平均黏結強度趨勢圖Fig.6 Trend chart of average bond strength

表8 混合水平正交試驗方差分析表Table 8 Analysis of variance of mixed level orthogonal test

根據方差分析表的結果(表8)可知，纖維種類，纖維直徑、纖維埋置長度和基體水膠比所對應的Sig值均大于0.05，因此可認為因素A、B、C、D對計算結果(平均黏結強度)均無顯著影響，由F值的大小可以看出：A因素(纖維種類)對應的F值最大，故在無給定顯著性水平下，A因素(即纖維種類)對界面平均黏結強度的影響較顯著，這是由于本次試驗所選用的纖維材料性能差異較大，試驗結果離散性很大，從而表現出纖維種類對界面平均黏結強度的強烈影響。

3.3 等效黏結強度

試驗的荷載-滑移圖如圖7所示，從圖中可以得到，每組正交試驗三個試樣的荷載-滑移曲線均呈現先上升后下降的兩個階段，在加載初期，曲線呈線性增長關系，纖維與砂漿基體沒有相對滑移，位移變化較小，為纖維自身的彈性變形，隨著荷載的增加，纖維在基體內部開始脫黏，纖維向上滑動使位移增加，拉拔力與滑移呈非線性關系[25]，且滑移曲線出現波動，這可能是由于纖維的阻滯作用和砂漿基體的摩擦使得拉拔過程變得曲折。

圖7 正交試驗荷載-滑移圖Fig.7 Orthogonal test load-slip diagram

本文采用三試樣的平均曲線作為每組正交試驗的荷載-滑移曲線并進行積分求得拉拔功。定義拉拔功為荷載-滑移曲線與橫軸所圍成面積，根據公式(2)計算等效黏結強度，結果整理如圖8所示?？梢钥吹礁髡辉囼灲M對應的拉拔功和等效黏結強度差異很大，但很明顯正交試驗4和正交試驗6對應的等效黏結強度較大，即直徑0.6 mm、埋置長度20 mm的CPP纖維對水膠比為0.51的砂漿基體等效黏結強度為13.25 MPa，直徑0.6 mm、埋置長度10 mm的PVA纖維對水膠比為0.41的砂漿基體的等效黏結強度為12.19 MPa,前者比后者提高了8.7%。同時，合成CPP纖維相較于相同規格的鋼纖維，等效黏結強度提高了5.4倍。對等效黏結強度的計算結果進行混合正交試驗的直觀分析和方差分析，結果如表9和表10所示。

圖8 拉拔功與等效黏結強度結果Fig.8 Results of pull work and equivalent bond strength

表9 混合正交試驗設計直觀分析Table 9 Visual analysis of mixed orthogonal experiment design

表10 混合水平正交試驗方差分析Table 10 Variance analysis of mixed level orthogonal test

從以上正交分析數據中可以得出，CPP纖維對砂漿基體的等效黏結強度相比PVA纖維提高了7.4%；從圖9各因素趨勢圖中可得出直徑0.6 mm的纖維對砂漿基體的等效黏結強度遠高于直徑0.2 mm的纖維，提高幅度為2.5倍，這體現了纖維直徑對等效黏結強度的影響較為強烈；同時隨著纖維埋置長度和砂漿基體強度的增大，等效黏結強度均略微降低，趨勢與平均黏結強度一致。通過綜合分析可以得到，對于等效黏結強度，各影響因素的優先次序為纖維種類、纖維直徑、基體強度和纖維埋置長度，較優的試驗方案是A2B2D1C2，即正交4方案，選取CPP纖維，直徑選擇0.6 mm,砂漿基體水膠比為0.51，埋置長度為20 mm,但通過正交試驗的方差分析，發現各因素在給定顯著性水平下對等效黏結強度的影響均不顯著，在不給定顯著性水平條件下，B因素(即纖維直徑)對界面等效黏結強度影響較其他因素顯著，這是由于纖維直徑對本次試驗有重要影響，0.2 mm的纖維在試驗過程中容易從很小的拉拔力作用下就從基體中拔出，且由于砂漿基體本身有空隙，當纖維直徑較小時，正好嵌入基體的孔隙中，導致了較小的黏結應力，故纖維直徑對等效黏結強度影響比較顯著。

圖9 等效黏結強度趨勢圖Fig.9 Trend chart of equivalent bond strength

4 結 論

本文通過單根纖維拔出試驗，采用混合正交試驗設計方法，系統研究了不同類型的纖維在不同纖維埋置長度(10 mm、20 mm)、不同直徑(0.2 mm、0.6 mm)條件下從不同水泥砂漿水膠比(0.51、0.41)基體中的拔出過程，主要得到的結論如下：

(1)正交試驗4(CPP纖維，直徑0.6 mm,砂漿基體水膠比為0.51，埋置長度為20 mm)和正交試驗6(PVA纖維，直徑0.6 mm,砂漿基體水膠比為0.41,埋置長度為10 mm)所得到的界面黏結強度試驗結果遠高于其他正交試驗組，并且這兩組試驗結果均表明，等效黏結強度大于平均黏結強度。

(2)在混合正交試驗中，研究的四種因素對界面黏結強度的影響有先后，優先次序為纖維種類、纖維直徑、砂漿基體強度、纖維埋置長度。通過各因素的極差和方差綜合分析，可得到本次試驗纖維與砂漿基體的最佳組合為：聚丙烯粗纖維，直徑0.6 mm，砂漿基體水膠比為0.51，埋置長度為20 mm。

(3)纖維種類對界面平均黏結強度影響F值為1.39，較其他因素顯著；纖維直徑對界面等效黏結強度影響F值為2.56，較其他因素顯著，這同時也驗證了纖維種類和纖維直徑對界面黏結強度的影響較其他兩種因素更為強烈。

(4)本次試驗所選取的四種纖維中，相較于鋼纖維，其余三種纖維對砂漿基體的界面黏結強度均大于鋼纖維，這說明了其余三種纖維在土木工程中應用的遠大前景，尤其是在公路和機場道面工程中(鋼纖維混凝土易扎胎)。