纖維網水泥板纖維材料選擇探析

桑思宇，孟凡林 （吉林建筑大學 土木工程學院，吉林 長春 130118）

1 引言

為規避鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土建筑物的影響，國內外學者利用纖維優異的力學性能創新出纖維（短切纖維）混凝土，纖維編織網增強混凝土，部分學者也提出將纖維與純水泥漿混合加工成薄板，將其應用于裝配式疊合板免拆模板。本文對纖維增強復合水泥基材料介紹，分析纖維與基體粘結機理，復合材料力學性能、耐久性能等，為業內學者研究纖維網水泥板提供參考。

2 纖維增強復合水泥基材料

2.1 纖維材料與基體界面粘結機理及粘結性能影響因素

纖維材料與水泥基體之間的粘結力由纖維與基體界面間的摩阻力、機械咬合力和膠結力組成。纖維從基體中拔出，需經歷三個階段：第一階段，加載前，試件內部隨機分布一些微小裂縫與空洞；第二階段，加載時試件內部裂縫不斷擴張，有些與空洞貫通，形成裂縫發展區并向試件內部不斷延伸，靠近荷載的部分最先失去粘結力，此時，僅剩摩阻力發揮作用；第三階段，隨著加載的繼續，裂縫繼續向內部延伸，脫粘現象加劇，當錨固段纖維脫粘后，脫粘區域遍布于整個粘結面，最終纖維被拔出。

影響纖維與水泥基粘結性能的因素眾多，如纖維束埋置深度、纖維截面形狀、水泥強度與自密實性、纖維是否經過環氧樹脂類材料浸漬等。田穩苓等[1]對纖維編織網增強水泥基復合材料進行拉拔試驗，結果表明，試件極限拉拔力隨纖維束埋置深度增加而增大。提高水泥強度和自密實性有利于提高纖維與水泥基體粘結性能，改善水泥基體自密實性對二者粘結性能的影響更加明顯。廖憲廷等[2]研究了PP纖維水泥復合材料的界面行為，結果表明，纖維埋置深度超過臨界纖維拉出長度時，纖維被拉斷，且臨界纖維拔出長度因纖維截面形狀、纖維是否經過改性處理的不同而改變。

2.2 短切纖維增強水泥基復合材料力學性能

郝華中等[3]研究了耐堿玻璃纖維對水泥漿的性能與對水泥石力學性能的影響，試驗結果表明，加入玻璃纖維的水泥漿流變曲線，其屈服值、塑性粘稠度隨著纖維量的增加而升高。水泥漿稠化時間與纖維摻入量成反比，水泥漿的失水量隨著纖維量的增加先降低后升高。在一定范圍內，水泥石的抗壓強度、抗折強度等，均因玻璃纖維的增加而提高。劉軍等[4]通過玻璃纖維對磷酸鉀鎂水泥進行增韌，試驗結果表明，實驗前對玻璃纖維進行硅烷偶聯劑預處理，能提高玻璃纖維磷酸鎂水泥抗折強度和抗壓強度。在纖維摻量小于1.2%時，試件的抗折強度、抗壓強度與纖維產量成正比，否則，將會導致磷酸鉀鎂水泥抗折強度、抗壓強度下降，且玻璃纖維長度過長，也會降低磷酸鉀鎂的增韌效果。廉杰等[5]對不同玄武巖長徑比與摻量進行試驗研究，試驗結果表明，短切玄武巖纖維的摻入使試件的破壞狀態由脆性轉為延性，同時試件的抗壓強度、劈拉強度與彎拉強度均有大幅提高，長徑比對試件力學性能的影響弱于纖維體積摻量的影響。朱春琪等[6]對比分析了玄武巖纖維在普通硅酸鹽水泥與貝利特硫鋁酸鹽水泥中的增強效果，熊銳等[7]研究了玄武巖纖維在水泥基材料中的增強效果，均證明玄武巖纖維的增韌效果良好。

2.3 纖維網增強水泥基復合材料力學性能

纖維網水泥板力學性能的影響因素有纖維網配網率、纖維網尺寸、纖維網與基體的界面性能、纖維網的緯（經）線擺放方向等。

馬文彬[8]對纖維增強水泥板的受力性能進行研究，結果表明，纖維網網眼越大，其粘結力越小，同時，纖維網格布的種類影響復合板的抗彎性能，且玄武巖纖維水泥板的抗彎性能比玻璃纖維水泥板的抗彎性能提高了1 倍。復合板受到沖擊時，纖維能夠吸收足夠的破壞能量。朱春琪等[9]在不同水泥里摻入玄武巖纖維網，進行不同齡期下玄武巖纖維網水泥板彎曲試驗，結果表明，玄武巖纖維網的摻入均提高了水泥材料的抗彎強度，對試件具有很好的增韌效果，BTR-H 板具有更優異的長期力學性能。孫曉林[10]對纖維網水泥板進行了諸多試驗，結果表明，纖維網格布的加入對結構板性能的提升十分明顯，與普通水泥板相比，試件的破壞形式發生變化，破壞時更具有完整性。盧娟等[11]人對玻璃纖維增強水泥板進行四點彎曲試驗，結果表明，纖維水泥板破壞時出現“裂而不斷”的現象。荷載-位移曲線的峰值隨纖維摻量的增多而不斷增大。Zhu[12]等對玄武巖格柵ECC試件進行靜力軸拉試驗，結果表明，纖維層數的增加可有效提高試件的極限抗拉強度。Nahun[13]等控制纖維束與橫截面積的比值、纖維增強束的數目制作薄板試件進行拉伸試驗，結果表明，最佳界面比值為0.0057，此時試件破壞時，拉伸強度最大，能吸收更多能量。Rabed[14]等在FRCM 中外摻短切纖維，結果表明，試件在拉伸試驗中初裂應力是未摻短切纖維試件的1.5-2.0 倍，這是因為短切纖維填充了纖維網與基體間空隙同時產生交聯作用，抗拉強度也得到提高。

2.4 耐久性能

影響復合材料耐久性能的主要因素為物理侵蝕和化學侵蝕，目前改善措施主要有：①從纖維入手，改善纖維耐堿性能；②從水泥基體入手，降低基體堿度和減少Ca(OH)2產生。

楊夢初等[15]對含鋯玻璃纖維耐堿機理研究，結果表明，R13（ZrO2/TiO2=2.4）抗堿玻璃纖維表面形成鋯-鈦保護膜，有效抑制氫氧根離子向纖維內部擴散。陳奇等[16]在玻璃纖維表面涂覆一層BaO-TiO2-SiO2耐堿膜，分別進行不同溶液侵蝕，并測試其抗折強度，結果表明，BaO-TiO2-SiO2耐堿膜在提高纖維耐久性、延長復合材料壽命的同時，也改變了玻璃纖維與水泥基體間的界面性質。李曉等[17]在水泥中加入羧基丁苯膠乳，試件養護成型后進行Cl-滲透試驗，結果表明，羧基丁苯膠乳的加入有效降低氯離子滲透性，提高材料抗滲性，但是，由于纖維與水泥基體界面粘結不緊密，外界侵蝕性介質很容易進入試件內部，所以僅僅提高纖維摻量會提高材料的滲透性，降低其耐久性。

另一方面，通過在水泥基體中加入摻和料，可以提高復合材料的耐久性能，國內學者經過研究發現用粉煤灰替代60%的水泥，同時摻入耐堿纖維，在加速老化試驗中，復合材料耐久性能得到較好改善。

3 纖維材料的選擇

纖維按制作材料分為：有機纖維、無機纖維、植物纖維、金屬纖維。其廣泛應用于各領域，在建筑領域內，可根據工程需要將纖維加工成短切纖維、纖維筋、纖維網格布、纖維布等。上表為常用纖維性能指標。

由表中數據可看出，玄武巖纖維、玻璃纖維、碳纖維拉伸強度較高，能提高水泥基承載力，但是，由于玄武巖纖維、玻璃纖維彈性模量較低，會增大結構撓度，降低建筑物的安全性，此問題可通過為纖維網施加預應力得到改善。大多數纖維密度遠遠小于鋼筋密度，減少了結構自重，使建造大跨度，輕建筑成為可能。

另一方面，玄武巖纖維在生產過程中對環境污染很小，生產時產生的廢棄物可不經處理直接投入生態環境中。從經濟方面比較，碳纖維價格昂貴，不利于大體量使用，玄武巖纖維價格適中，且部分性能與碳纖維相當，玻璃纖維價格較低，已在建筑領域中得到廣泛應用。從力學性能方面分析，魯子煜、醉寒、丁一寧等人研究表明了碳纖維、玄武巖纖維及復合材料具有優異的力學性能。玻璃纖維、玄武巖纖維等具有很好的耐腐蝕性能，能應用于惡劣環境中，然而鋼纖維等金屬纖維耐腐蝕性能差，需采取防腐手段對其保護。目前，市場以玄武巖纖維、碳纖維、鋼纖維、玻璃纖維為主，其他纖維未得到廣泛普及，且質量不一，纖維制品單一。綜合以上對比分析，將玻璃纖維、玄武巖纖維作為纖維網水泥板增強材料。

4 纖維網水泥板

通過上文對纖維增強復合水泥基材料分析，纖維的加入改變了水泥基力學性能，提高其耐久性，具有很大的研究價值。筆者在此啟發下提出纖維網水泥板的研究。

纖維網水泥板（如圖）以耐堿玻璃纖維網、玄武巖纖維網為增強材料，水泥凈漿為基體。玄武巖纖維網、耐堿玻璃纖維網分別摻于基體上下表面，水泥板上表面制有等間距布置的抗剪鍵，并以此水泥板用作裝配式疊合板中的免拆模板。

纖維主要性能指標表

纖維網水泥板具有很好的經濟效益，材料費用較低，遠遠低于市場免拆模板價格。同時，耐堿玻璃纖維、玄武巖纖維具有很好的耐火、耐腐蝕性能，用作免拆模板省去了保護層厚度，減少材料費。

纖維網水泥板圖

5 結論與展望

綜合各學者研究成果，分析總結得：

①纖維材料性能可靠，能與水泥基復合成性能優異的新材料；

②纖維埋置深度、基體自密實性、纖維表面是否涂覆環氧樹脂等都是影響纖維與基體粘結性能的關鍵因素；

③纖維改善水泥基力學性能顯著，同時也能提高材料耐久性能；

④將耐堿玻璃纖維網、玄武巖纖維網應用于纖維網水泥板具有很好的經濟效益和發展潛力。

目前，盡管對纖維增強復合材料的研究取得了一定的進展，但仍然存在一些問題阻礙其進一步發展：①規范不健全，市場很難形成統一標準；②沒有統一的纖維復合材料理論計算公式，學者們多是套用鋼筋混凝土計算公式，計算結果誤差較大；③纖維與基體粘結問題需進一步研究解決，避免纖維從基體中滑移拔出。