纖維在水泥基材料分布狀態(tài)研究

周浩，張桂霞，王振

（1.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東公路技師學(xué)院，山東 濟(jì)南250103）

水泥基材料是我國基建的最基本材料，其強(qiáng)度和性能對我國基礎(chǔ)設(shè)施的質(zhì)量和壽命有決定性作用。水泥基材料具有很強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度，但其抗拉強(qiáng)度和變形能力很差，可能在長期力學(xué)荷載和環(huán)境荷載（失水、溫度變化）的作用下發(fā)生微觀裂縫，并進(jìn)一步發(fā)展為宏觀裂縫，導(dǎo)致材料強(qiáng)度顯著下降，基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)破壞。在水泥基材料中添加纖維可有效減少基體材料的微裂縫，并提高水泥石和被穩(wěn)定集料之間的韌性和變形強(qiáng)度，從而改善其力學(xué)性能和變形能力，從而有效降低外界荷載的不利影響，保證其耐久性。在古代天然纖維（稻草或動物毛發(fā)等）加入到建筑材料中，如在黏土磚中摻加稻草等。現(xiàn)代纖維在水泥基材料中的應(yīng)用開始于19世紀(jì)70年代，鋼纖維最早被用來提高建筑工程的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，之后聚酰胺纖維和聚丙烯纖維，聚乙烯醇纖維等纖維先后被開發(fā)出來。并研究了化學(xué)分散法、機(jī)械分散方法等工藝。但在實(shí)踐中，加入纖維的水泥基材料性能變異性較大，一般情況下水泥基材料的強(qiáng)度和性能都有較大提高，但也存在強(qiáng)度無明顯變化甚至有一定程度降低的情況。其根本原因在于纖維分散的均勻性，對其使用效果有直接影響。纖維分散均勻性是保證纖維水泥基材料性能的基礎(chǔ)，為了評價(jià)纖維分散均勻性，進(jìn)行了廣泛的研究。

常用的方法有水洗分析法、圖像分析、X 射線成像、電導(dǎo)率法等。其中水洗分析是將制備好的水泥穩(wěn)定材料抽取適量樣品，用水洗滌干凈后收集纖維；并分析測得的纖維的實(shí)驗(yàn)值與理論值之間的偏差；鋼纖維與石料和水泥基材料密度有明顯差異，可以用X射線穿透鋼纖維水泥基材料試塊，得到鋼纖維分散狀態(tài)圖片；對于可導(dǎo)電的纖維，可以通過試塊電阻率變動系數(shù)來評價(jià)導(dǎo)材料中纖維的分散性。圖像分祈法是基于圖像處理的技術(shù)，對纖維分布狀態(tài)進(jìn)行拍攝、增強(qiáng)、分割、識別、解釋，確定纖維分布狀態(tài)。其中，X 射線法只能用于評價(jià)金屬類纖維，電導(dǎo)率法只能用于評價(jià)可導(dǎo)電纖維，如碳纖維或金屬纖維，水洗分析法本身能獲得信息相對簡單，圖像分析法適用于大部分纖維，并能獲取豐富的信息。也有研究者把水洗法和圖像分析法聯(lián)合使用，可以更有效評價(jià)纖維的分散程度。

但這些方法中，水洗法檢測對象為纖維單體，無法獲取其在水泥基材料混合料中的實(shí)際狀態(tài)，CT 和電導(dǎo)率等方法可以有效獲取纖維在實(shí)際材料中的分布情況，但只對金屬纖維、碳纖維等特定材料有效；熒光顯微鏡可以對高聚物纖維在材料中的真實(shí)分布情況，但熒光顯微鏡只能檢測較小局部內(nèi)的纖維分布情況，代表性不足。

為了有效評價(jià)纖維在水泥基材料混合料中的分布分散情況，需要能對較大體積水泥基材料內(nèi)的纖維進(jìn)行精確定量評價(jià)。本文以水泥穩(wěn)定碎石為例，制備纖維水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行水洗，基于圖像分析法進(jìn)行研究和評價(jià)。由于水泥穩(wěn)定碎石中粗集料占據(jù)的空間內(nèi)纖維無法進(jìn)入，纖維只能進(jìn)入集料間空隙的空間；集料的分布狀態(tài)會影響纖維的分布狀態(tài)，試件整體中的纖維分布測試結(jié)果很大程度上是反映粗集料的分布情況，而并非纖維自身的分布情況。水穩(wěn)碎石的特點(diǎn)是粗集料構(gòu)成骨架，細(xì)集料和水泥漿體填充空隙，纖維是分布于細(xì)集料漿體中；所以分析纖維在細(xì)集料的分布可以更有效表征纖維對水穩(wěn)碎石的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與試件制備

本次所用的水泥為礦渣硅酸鹽水泥PSA42.5 水泥，水泥劑量為25%，水泥劑量為纖維為聚丙烯纖維，纖維劑量為1‰。本實(shí)驗(yàn)選取集料為石灰石細(xì)集料，其級配采用骨架密實(shí)級配細(xì)集料級配范圍中線作（4.75mm 通過率為100%），具體級配曲線如圖1所示。

圖1 水泥穩(wěn)定碎石細(xì)料級配

按照前文的配合比，制備1200g 細(xì)料-水泥-纖維，加水拌合制作成膠漿。參考集料取料四分法，一次取約300g 細(xì)料-水泥-纖維膠漿，通過水洗法沖洗水泥漿并同時保持纖維的分布狀態(tài)，并將其黏貼到黏貼般上，制作成如圖2試件，纖維的分布面積約850cm，纖維的具體形態(tài)如圖2，為細(xì)料-水泥-纖維膠漿攪拌45 秒后的纖維分布圖。

圖2 纖維分布圖

2 纖維提取與統(tǒng)計(jì)

2.1 基于圖像分析的纖維提取

為降低實(shí)驗(yàn)操作誤差的影響，對纖維分布圖像的中心部分進(jìn)行圖像截取和分析，分析范圍的寬度為纖維分布面寬度的一半，所截取的實(shí)際纖維分布試件如圖3（a）所示。對纖維分布原始圖像進(jìn)行灰度化，然后轉(zhuǎn)為二值圖，如圖3（b）所示，然后行降噪，提取骨架。所提取的纖維骨架圖像即為纖維的實(shí)際分布。

圖3 纖維提取圖

2.2 纖維分布統(tǒng)計(jì)

將纖維分布圖像劃分為約10×20 個小方塊（每個小方塊約12mm×12mm），統(tǒng)計(jì)每個方塊上的纖維圖像總量，即為本方塊上的纖維長度比例；然后分析整個區(qū)域內(nèi)纖維分布的密度頻率及其均勻性。

如圖4為纖維分布密度圖，方柱的高度為本方塊上纖維的數(shù)量比例，圖5位不同拌合程度（時間）條件下的纖維分布密度曲線。從圖4中可以看出不同區(qū)域內(nèi)纖維分布差距明顯，需要用科學(xué)的方法量化纖維分布的不均勻程度。

圖4 纖維分布密度圖

圖5為不同拌合程度（時間）條件下，纖維分布密度圖。圖中橫坐標(biāo)為每個12mm×12mm 方格區(qū)域內(nèi)的纖維像素密度，即纖維的長度比例，右側(cè)為高纖維分布量的方格；縱坐標(biāo)為像素密度分布頻率比，即不同方格纖維長度分布比例，從中可以看到：

圖5 不同拌和程度時的纖維分布密度

（1）隨著拌合時間的延長，纖維分布密度曲線在不同像素上的分布情況趨于均衡；

（2）當(dāng)拌合時間為15s-30s 時，纖維長度分布曲線線性接近單調(diào)下降的直線，0 像素或低像素占很大比例，說明大部分區(qū)域內(nèi)沒有纖維或很少纖維；而具有高密度的區(qū)域比例，一般在5%以下，說明大部分纖維集中在很小的區(qū)域內(nèi)，纖維分布不均勻性嚴(yán)重；

（3）圖中紅框和藍(lán)框中像素密度比例對比顯示，當(dāng)拌合時間達(dá)到150s 后，低纖維量的區(qū)域比例顯著降低，這表明大部分區(qū)域內(nèi)都分布一定量的纖維，無纖維或少纖維的區(qū)域很少；纖維分布的均勻性得到顯著的改善。

3 纖維分布評價(jià)

本文通過基尼系數(shù)評價(jià)纖維分散均勻程度。基尼系數(shù)為經(jīng)濟(jì)學(xué)基本參數(shù)，用來評價(jià)不同地區(qū)/人群間貧富差距程度，即不同個體所包含的貨幣的不均勻程度；本項(xiàng)目用基尼系數(shù)評價(jià)不同方格上纖維數(shù)量的不均勻程度，其結(jié)果如圖6（a）所示，基于洛倫茲曲線進(jìn)行計(jì)算。不同拌合程度下的纖維分布基尼系數(shù)如圖6（b）所示，從中可以看出，隨著拌合時間的延長，纖維分布基尼系數(shù)逐步下降，表明纖維的分布逐步趨于平均。根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)基尼系數(shù)閾值劃分和水穩(wěn)碎石纖維分布實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，暫時建議把0.35 作為均分和非均勻的閾值。

圖6 纖維分布基尼系數(shù)

4 結(jié)論

本文在水泥穩(wěn)定碎石纖維圖像分析的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性提出通過細(xì)料-水泥-纖維膠漿中纖維分布狀態(tài)來評價(jià)水泥穩(wěn)定碎石中纖維分布狀態(tài)和通過基尼系數(shù)評價(jià)纖維分布均勻程度。

（1）提出了對細(xì)料-水泥-纖維膠漿材料進(jìn)行水洗制備纖維分布試件，基于圖像分析和基尼系數(shù)評價(jià)纖維分散性。

（2）隨著拌合時間的延長，纖維分布趨于均衡。當(dāng)拌合時間較短時，纖維膠漿大部分區(qū)域內(nèi)沒有纖維或很少纖維，大部分纖維集中在很小的區(qū)域內(nèi)，纖維分布不均勻性嚴(yán)重；拌合時間較長時，無纖維或少纖維的區(qū)域很少，纖維分布的均勻性得到顯著的改善。

（3）基尼系數(shù)可以有效評價(jià)纖維分散均勻程度，0.35 可以作為均分和非均勻的判斷閾值。