纖維參數對水泥基復合材料力學性能影響研究綜述

劉煜輝　鄭文珂　趙玉凱

摘 要：【目的】旨在為纖維增強水泥基復合材料的理論研究和工程應用提供參考和啟示。【方法】綜述纖維增強水泥基復合材料的分類、力學性能及其影響因素，重點介紹不同纖維參數對水泥基復合材料性能的作用效果。【結果】研究表明，纖維增強水泥基復合材料是一種由纖維和灌漿料組成的新型復合材料，具有高強度、高韌性、低密度、耐腐蝕等優點。【結論】纖維參數是影響水泥基復合材料力學性能的重要因素，需要根據不同工程需求選擇合適的纖維參數。

關鍵詞：水泥基復合材料；纖維參數；力學性能；影響機理

中圖分類號：TU528? ? ?文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1003-5168（2024）05-0067-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.05.014

Review on the Influence of Fiber Parameters on the Mechanical

Properties of Cement-Based Composites

LIU Yuhui ZHENG Wenke ZHAO Yukai

（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450000， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to provide reference and inspiration for the theoretical research and engineering application of fiber reinforced cementitious composites. [Methods] This paper aims to review the types， properties and influencing factors of fiber reinforced cementitious composites， and to analyze the role of fiber parameters. [Findings] Research shows fiber reinforced cementitious composites are new types of composite material composed of fibers and grout， which have high strength， high toughness， low density and corrosion resistance. [Conclusions] Fiber parameters are the key factors determining the properties of cementitious composites， and need to select appropriate fiber parameters according to engineering requirements.

Keywords： cementitious composites; fiber parameters; mechanical properties; influencing mechanism

0 引言

水泥基材料是建筑工程中最常用的材料之一，是一種由水泥、骨料、水和其他摻合料組成的人造復合材料，具有成本低、施工方便、適應性強等優點。然而，水泥基材料也存在一些缺點，如低抗拉強度、低韌性、易開裂等，這些缺點會影響水泥基材料的耐久性和安全性［1］。隨著建筑物使用年限的延長以及使用要求的提高，普通水泥基材料在實際應用中的缺陷也逐漸顯現出來，為了改進水泥基材料的性能，彌補其不足，一種有效的方法是在水泥基材料中摻入不同類型和形態的纖維［2］，從而形成纖維增強水泥基復合材料以提升性能。

因此，本研究通過對國內外研究現狀進行綜述，總結了不同纖維參數對水泥基復合材料力學性能的影響規律和機理。

1 不同纖維對水泥基復合材料的影響

不同種類的纖維具有不同的物理和化學性質，這些性質會影響纖維與水泥基復合材料之間的相容性和黏結性能，進而影響纖維增強水泥基復合材料的力學性能。目前，主要將纖維分成天然纖維與化學纖維兩大類，其中常用的纖維有鋼纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維［3］、玻璃纖維［4］、碳纖維、植物纖維［5-7］等，不同種類纖維由于其自身結構和性能的不同，有不同的優缺點，具體見表1。

2 纖維對水泥基復合材料力學性能的影響

纖維增強水泥基復合材料的力學性能主要包括抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度、抗沖擊強度、韌性等，纖維對其影響主要取決于含量、分布、形狀、長度等因素。

2.1 纖維含量

纖維的體積分數決定了纖維在水泥基復合材料中的含量和分布密度，從而影響纖維與基體之間的應力傳遞效率和裂縫橋接能力。纖維含量越高，纖維在水泥基材料中的分布越密集，纖維對水泥基材料的增強和吸能作用越明顯，從而提高了水泥基復合材料的抗拉強度、韌性、抗裂能力、抗沖擊能力、抗疲勞能力和耐久性。

周曉媛等［8］發現聚乙烯醇纖維體積分數從0至2.0%水泥基材料極限拉應變逐步提升，拉伸應力提高了54%～77%，抗折效果提升效果顯著。孫亞頗［9］發現隨著納米碳纖維摻量的增加，水泥基復合材料的抗壓強度和抗折強度先增后減，質量損失率和碳化深度先降后升，當摻量為質量分數0.8%時，抗壓強度和抗折強度最高，凍融質量損失量最小。劉瓊等［10］發現隨著短切PAN基碳纖維摻量的增加，水泥基復合材料抗壓強度和抗折強度均呈現先增后降的趨勢，而質量損失率和碳化深度則呈現先降后升的趨勢，綜合分析發現最佳摻量為質量分數0.6%。

從以上學者的研究中可以發現，一般來說纖維體積分數越大，水泥基復合材料的力學性能越高，但纖維含量過高會對水泥基復合材料的力學性能產生不利影響。一方面，纖維含量過高會導致纖維相互纏繞或堆積，影響纖維的均勻分布和水泥基材料的工作性能，以及纖維與水泥基材料之間的應力匹配程度和界面黏結強度；另一方面，纖維含量過高會占用水泥基復合材料中的有效空間，降低基體密實度和強度，造成纖維成團現象，同時增加混合難度和成本。

2.2 纖維分布

纖維分布是指纖維在水泥基復合材料中的空間位置和方向，其影響水泥基復合材料的各向異性、均勻性、應力狀態和裂縫形態等特征，進而影響水泥基復合材料的力學性能。目前，常用的纖維分布方式有隨機分布、定向分布、層狀分布、網狀分布等。不同分布方式的優缺點見表2。

Soltan等［11］發現3D打印纖維水泥基體比澆筑具有更高的拉伸性能，包括初始開裂強度、極限拉伸強度和極限拉伸應變，這是因為3D打印方法能夠使纖維在拉伸方向上有序排列。但是3D打印導致其力學性能有明顯的各向異性，可能會降低纖維垂直方向的性能。Ding等［12］從微宏兩個層面分析了水泥基體抗彎力學性能與纖維分布的關系，該試驗沿X軸澆筑試塊，并分別沿相對于X軸0°、45°和90°方向切割試樣，得到不同纖維取向的纖維水泥基復合材料，結果顯示，纖維取向與受力方向越一致，水泥基體應變硬化越明顯。

從以上學者的研究中可以發現，一般來說，纖維的排列方向越接近受力方向，水泥基復合材料的力學性能越好，但纖維的排列方向過于集中會對水泥基復合材料的力學性能產生不利影響，主要表現在以下三方面：一是降低材料的均勻性和各向異性，使不同方向上的力學性能差異較大；二是降低纖維與基體之間的黏結強度和應力傳遞效率，使接觸面積減小；三是降低纖維的橋接裂縫能力和抑制裂縫擴展能力，使裂縫面上的纖維分布不均勻。

2.3 纖維形狀

纖維形狀是影響水泥基復合材料力學性能的一個重要因素，不同形狀的纖維具有不同的拉拔阻力、分散性和剛度等特性，從而導致水泥基復合材料的力學性能表現出不同的特點，影響纖維與水泥基復合材料之間的應力傳遞效率和裂縫攔截能力。

Zahra等［13］利用不同界面的聚丙烯纖維增強水泥基復合材料，并表征了纖維的橫截面形狀和平均表面積，通過拉拔試驗評估了截面為中空、三角形和圓形三種纖維的黏結性能，結果表明，纖維截面形狀影響纖維與基體的黏結性能和試件的彎曲韌性，其中側界面最大的中空纖維具有最高的拉出載荷。Pakravan等［14］采用圓形、三角形和三葉形聚丙烯纖維部分替代聚乙烯醇纖維，研究了含兩種纖維的水泥基體的彎曲性能，包括首裂強度、峰值強度和韌性，發現非圓形聚丙烯纖維有利于提高水泥基體的延展性，圓形聚丙烯纖維對韌性和峰值強度的影響更大，結果表明，使用非圓形聚丙烯纖維是降低其成本和增加變形性的有效方法。李長輝等［15］采用壓痕型、波浪型、光圓型三種纖維表面性狀的粗聚丙烯纖維，進行了單根纖維拔出試驗和SEM觀察，結果表明，壓痕型纖維在水泥砂漿中的利用率最高，界面黏結性能最好。

從以上學者的研究中可以發現，一般來說，彎曲形、波浪形和錨固形等非圓形纖維比圓形纖維具有更好的黏結性能和抗拉性能，但也會增加混合難度和施工難度。

2.4 纖維長度

纖維的長度決定了纖維在基體中分布的均勻程度和橋接裂縫能力，從而影響了水泥基復合材料的均勻性和韌性。

柴林杰等［16］采用5 mm和10 mm兩種長度的礦渣纖維進行水泥砂漿改性，在相同摻量條件下，長纖維對水泥砂漿強度的提升幅度約為短纖維的1.3～1.5倍。Khan等［17］發現長度為3 mm和20 mm的玄武巖纖維的抗壓強度低于普通水泥砂漿試樣，而6 mm和12 mm的玄武巖纖維強度有所提高。方維炯等［18］采用6 mm和12 mm長度的聚丙烯纖維，發現抗壓強度和抗拉強度隨著纖維長度的增加而增大，且當纖維長度為 12 mm 時，其脆性減弱的效果最好。

從以上學者的研究中可以發現，纖維長度是影響水泥基復合材料性能的重要因素。過短的纖維不能有效橋接裂縫，增加纖維長度，不僅可以增加纖維與水泥基體之間的黏結強度和接觸面積，提高材料的抗拉強度和抗彎強度，還可以增強纖維在水泥基體中的拉拔效應和對裂縫的橋接作用，提高材料的韌性、延性、抗裂性和抗沖擊性。但是如果纖維長度過長，會影響纖維在水泥基體中的均勻分布，從而降低材料的均勻性和穩定性。

3 結論與展望

本研究綜述了近年來國內外關于纖維參數對水泥基復合材料力學性能影響的研究進展，主要涉及纖維類型、纖維形狀、纖維尺寸、纖維含量、纖維分布等方面。通過分析可以發現，不同參數的纖維都有其優缺點和適用范圍。因此，應該根據不同類型的纖維和不同要求的水泥基復合材料進行合理選擇和優化，以達到最佳的力學性能以取得最優的經濟效益。

目前，關于纖維參數對水泥基復合材料力學性能影響的研究還存在一些不足［19］，例如目前大多數研究都是對單一或少數幾個因素進行分析和評價，忽略了纖維參數之間以及與其他因素之間的相互作用，也沒有采用多目標優化等方法進行全面的優化設計。希望在未來的研究中采用多目標優化等方法進行全面的優化設計，以達到最佳的力學性能，以期獲得耐久性能和最佳經濟效益等。

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