纖維對水泥基復合材料性能影響研究進展*

趙方華，車新俊

(1 鐵正檢測科技有限公司,山東 濟南 250200；2 山東魯中公路建設有限公司,山東 淄博 255000)

傳統(tǒng)的水泥基復合材料指砂漿和混凝土結構,混凝土材料兼具極高的經濟效應和優(yōu)良的建材性能：高的抗壓強度、耐火性和耐水性極佳、物理化學性質穩(wěn)定、耐腐蝕,因而被大量應用[1]。但混凝土作為典型的脆性材料,也具有較為明顯的缺陷,如伸長率極低,幾乎沒有拉伸性能,抗拉強度、抗彎強度和斷裂韌性較低,抗彎性差的性質使得混凝土在服役環(huán)境下在各種應力和環(huán)境的交互影響下產生大量的微裂紋,且會迅速擴展,嚴重影響其在特殊服役場景下的應用[2]。同時,功能性智能自感應、高強度等新型功能混凝土成為目前研究的新方向和熱門。為了提高混凝土材料的強度和耐久性,研究人員將天然或化學合成的高分子纖維材料作為增強相,將其和水泥砂漿、混凝土等材料復合,稱之纖維增強混凝土材料（Fiber reinforced concrete materials,FRC）[3]。其中,纖維復合的種類以短纖維和長纖維為主,短纖維一般是非連續(xù)結構,而長纖維連續(xù)結構居多。纖維材料的復合大幅度提升混凝土材料的延展性,韌性,抗拉強度等,使得原本易產生裂紋的混凝土對裂紋萌發(fā)和擴展有了較大的抵抗能力,更加穩(wěn)定地服役。同時,韌性的提高使得混凝土材料具備一定的抗沖擊能力[4]。

最近幾年,纖維增強水泥基復合材料在各種領域都有大量應用,纖維增強復合材料具有的穩(wěn)定性、抗沖擊、抗裂紋等優(yōu)點,使得其在基礎設施工程中如水利工程、跨江跨海大橋、地鐵高架,道路和隧道等應用極其廣泛。本文簡單介紹了常見的增強纖維類型,以及纖維對增強水泥相的影響方式,希望為纖維增強水泥復合材料的開發(fā)和研究提供思路。

1 常見的增強纖維的種類和性能

一般常見增強纖維有很多分類方式,常見纖維種類和性能見表1[5]。

表1 常見的增強纖維的性能Table 1 Properties of common reinforcing fiber

1.1 有機纖維

①聚乙烯醇(PVA )纖維作為代表性的有機高分子合成纖維,在具有優(yōu)良的耐酸堿性的同時,也具有一定的強度,力學性能優(yōu)異,Coralie公司[6]生產的新型聚乙烯醇纖維的強度可達到1365MPa,伸長率達到6%。聚乙烯醇擁有醇類有機物的特征,與水可互溶,因而在水泥砂漿中可以很好地分散,增強粘結度,是應用最廣泛的有機纖維之一。②聚乙烯和聚丙烯纖維的成本較為低廉,耐酸堿,化學性質穩(wěn)定,但由于缺少羥基官能團,呈現(xiàn)出疏水的特征,不能很好地在水泥基材料中分散,導致纖維和水泥的粘結性不盡人意。為解決纖維和材料的粘結性問題,一般通過對纖維進行表面改性或增大兩者的表觀接觸面積,使得纖維更好地在混凝土中溶解分散。聚乙烯纖維按照工藝類型分為兩種,普通纖維和以凍膠紡絲―超拉伸技術制備的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維[7],UHMWPE纖維的比強度和比模量要遠超出普通PE纖維,經過UHMWPE纖維增強的混凝土材料具有更好的抗沖擊性能,但UHMWPE纖維的制造成本較高,故而受到較大的應用限制。③芳香族聚酰胺纖維,按照酰胺基在苯環(huán)中的位置分為對位芳綸(PPTA)和間位芳綸(MPIA),統(tǒng)稱為芳綸纖維。由于酰胺基團的存在,芳綸纖維對水泥材料的粘結性要優(yōu)于聚乙烯、聚丙烯纖維,同時仍然具有有機纖維的穩(wěn)定、耐酸堿的特點。對位芳綸纖維的力學性能和韌性較高,具有很好的緩沖作用,但也有明顯的缺點：長時間的曝曬會加速老化,造成各方面性能的大幅度下降[8]。④纖維素纖維作為天然有機纖維的代表,顧名思義,原料是取自常見的植物種子或表皮等纖維素含量高的部位加工制造而成,種類繁多,性能也相差較大,可針對不同的目標選擇不同的纖維來源,常見的纖維原料有麻類如苧麻、劍麻等和椰殼,成本較低,且易于分解,對環(huán)境友好。但強度較低,且纖維素作為吸水率較高的材料,在空氣潮濕的環(huán)境中很容易因為吸水而失效,同時,纖維素纖維的穩(wěn)定性沒有化學合成高分子有機纖維好,服役時間較短[9]。

1.2 無機纖維

①玻璃纖維的來源是玻璃,即SiO2為主的金屬氧化物,玻璃纖維的力學性能傳接了金屬氧化物的特點：強度高、模量高,脆性,幾乎沒有伸長率,由于二氧化硅極易與堿反應,故而玻璃纖維并不適用于水泥混凝土等堿性較強的環(huán)境中,為了消除二氧化硅和堿液的反應,研究人員通過加入適量的ZrO2,阻礙堿液和二氧化硅的直接接觸,提高了玻璃纖維的使用領域,而加入ZrO2的玻璃纖維又叫抗堿(AR)玻璃纖維,提高了水泥基材料的強韌性[10]。②碳纖維(CFs)作為應用最為廣泛的無機纖維,具備許多優(yōu)勢,密度低、強度高,耐腐蝕,性質穩(wěn)定,且具有電磁等領域的特殊優(yōu)勢,作為水泥基復合材料的增強相時,通常會有金屬和樹脂等其他材料的參與,制備功能性復合材料,而碳纖維增強混凝土(CFRC)是將碳纖維作為增強相分散在水泥基體中,碳纖維在水泥或混凝土中,會抵消材料本身的內應力,以此來起到阻礙微裂紋的萌芽以及裂紋之間的橋連和擴展,提高強韌性。同時,由于碳纖維在電、磁等方面的出色性質,碳纖維增強混凝土可作為特殊的功能性水泥基材料如自監(jiān)控、傳感器、屏蔽材料等[11]。③玄武巖纖維的主要組成成分是鐵、鎂、鈣和硅的氧化物,經過高溫熔融拉絲冷卻后制成的短纖維,是環(huán)境友好型的綠色材料,由于成為多為金屬和硅的氧化物,耐高溫耐腐蝕、硬度和強度較高,但不耐酸堿。④陶瓷纖維分為很多種,不同的纖維類型的力學性能有所差距,但都有耐高溫的優(yōu)點,常規(guī)服役環(huán)境可以達到850℃以上,可以顯著提高水泥基材料的高溫穩(wěn)定性,減少高溫環(huán)境下的形變失效,但陶瓷纖維并不耐磨,且伸長率過低,制造成本也比其他無機纖維高,應用并不廣泛。

2 纖維性能對混凝土復合材料的影響

纖維對水泥基材料的增強有許多因素,如纖維類型、形態(tài)、體積分數(shù)、排列方式等,都對混凝土復合材料有著較大的影響。

2.1 纖維形態(tài)的影響

不同類型的纖維對混凝土復合材料的影響無疑是最大的,但通常可以在復合材料的制備之間優(yōu)選出適合作為增強相的纖維類型,如高溫服役環(huán)境下優(yōu)先使用玻璃纖維、玄武巖纖維或陶瓷纖維等,而對于道路、橋梁等耐磨、需求一定韌性的情境下優(yōu)先選擇化學合成高分子有機纖維等,那么除去纖維類型的影響之外,纖維的形態(tài)無疑是影響水泥基復合材料力學性能最為重要的因素之一。

談及纖維的形態(tài)特征,不外乎三點：長度、直徑和截面形狀。按照纖維的長度可以將增強纖維分為長纖維和短纖維,長纖維和短纖維對水泥基復合材料的影響在兩個方面：分散性和抗裂紋。不管是何種類型的纖維,纖維和混凝土的熱膨脹系數(shù)相差較大,這就意味著纖維和復合水泥基材料的接觸面越大,越容易出現(xiàn)纖維和材料界面的分離,產生微裂紋,尤其發(fā)生在當纖維和基體材料的粘合度不夠的復合材料中,較為典型的例子就是聚乙烯纖維增強復合混凝土材料[12],故而,增強相中纖維以短纖維出現(xiàn)較多。但長纖維對已經產生裂紋的復合材料具有橋連的作用不可忽視。由于無機纖維脆性較大,所以常常是以短纖維的形式存在,但有機纖維的韌性和強度較高,制備出的纖維多為長纖維,所以在制備復合混凝土材料時,會對原本長纖維的有機纖維做切割處理。短纖維除了可以減少微裂紋的萌發(fā)之外,更對裂紋的擴展有一定的抑制效應。這種抗裂紋生長是通過纖維對混凝土材料的固定效應實現(xiàn)的,如圖1所示。而相同的添加體積下,短纖維對強韌性的增強比例更大,根據(jù)研究人員的研究結果,這可能是長纖維在混凝土中分散程度不夠,纖維之間的團聚造成的[13]。

圖1 水泥基復合材料中纖維對裂紋擴展的抑制效應Fig. 1 Inhibition effect of fibers on crack growth in cement-based composites

同時,纖維并不是僅僅作為單絲來增強的,單絲纖維一般直徑較大,通常在50μm以上,而復絲纖維束的直徑較小,常在10μm左右,是由大量的細小纖維組成[14]。那么纖維的直徑又對復合混凝土有什么樣的影響呢？簡單來說,直徑對復合混凝土的影響主要體現(xiàn)在粘合度和強度上,對于粘合度不佳的纖維材料,直徑越大越容易出現(xiàn)分散性不夠,造成微裂紋的萌發(fā),但相較細纖維而言,直徑越大的纖維對復合材料強度的提升十分可觀。

纖維的截面形狀對混凝土的粘結性也有較大的影響,對于常規(guī)的有機和無機纖維而言,常常只以圓形、多邊形或波紋形的截面形狀出現(xiàn),但是對于鋼纖維來講,由于鋼纖維的直徑較大,且強韌性都很高,使得鋼纖維的截面形狀有許多的操作空間,如啞鈴形、構形等,但截面形狀的變化本質上都是增大和水泥混凝土的接觸面積以達到更好的粘合度[15]。

2.2 纖維體積分數(shù)的影響

纖維增強復合混凝土材料中,添加纖維的體積分數(shù)是一個十分需要注意的點,并不是纖維添加越多,復合混凝土的力學性能更好,在添加纖維的體積分數(shù)變化中,存在一個增強效應的極值,一般將添加的纖維體積分數(shù)歸類為三檔：低體積分數(shù)(＜1%)、中體積分數(shù)(1%～2%)和高體積分數(shù)(＞2%)。許多研究人員對不同類型的纖維添加體積對水泥基復合材料的增強效應進行了研究,結果發(fā)現(xiàn),對于鋼纖維來說,1.5%體積分數(shù)下的鋼纖維對復合混凝土材料的力學性能提升最大[16]；而碳纖維的體積分數(shù)為1.0%時復合混凝土的彎曲強度最大[17]；對于聚丙烯纖維來說,0.56%體積分數(shù)表現(xiàn)出最好的抗拉強度[18]。因此,對于不同類型的纖維,都有添加量的最佳值,需要大量實驗的探索來確定最佳的配比。

3 結語

隨著水泥基復合材料的發(fā)展,其應用勢必更廣,更好性能的復合材料一定是往后研究的熱點,那么纖維增強水泥基復合材料的發(fā)展和應用就有著無比廣闊的前景。然而,現(xiàn)在纖維作為增強相仍有許多問題未解決。如何研發(fā)出穩(wěn)定、高效且成本低廉、對環(huán)境友好的增強纖維,纖維增強后混凝土裂紋萌發(fā)和擴展應該怎么防治,纖維抗裂效應的微觀解釋等,仍是亟待解決的問題。同時,隨著功能性材料的崛起,水泥基復合材料不能僅把目光放在承擔基礎功能上,更要走出一條功能化的道路。