張勤，鞏穌穌，趙永勝，吳耀青，周繼凱

(1. 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，南京 210098；2. 江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

為改善水泥基材料(包括混凝土和砂漿等)抗拉強(qiáng)度低、韌性差以及易開裂等缺陷，在水泥基材料中摻入纖維以達(dá)到增強(qiáng)增韌目的是目前普遍認(rèn)同的方法[1-3]。通過對(duì)不同纖維(如鋼纖維、聚丙烯纖維及耐堿玻璃纖維等)增強(qiáng)水泥基材料的受力性能、韌性及變形性能等的研究表明，摻入纖維可以有效提高水泥基材料的受力和變形性能，且提高效果在一定范圍內(nèi)隨纖維摻量的增加趨于明顯[4-6]。研究還表明[7-8]，不同類型和尺度的纖維對(duì)水泥基材料受力和變形性能的增強(qiáng)效果不盡相同，而且單一纖維對(duì)于水泥基材料性能的提升通常側(cè)重于某特定方面，在綜合性能提升方面往往效果欠佳。因此，要綜合提升水泥基材料的受力和變形性能，需要采用不同尺度的混雜纖維對(duì)水泥基材料進(jìn)行復(fù)合增強(qiáng)，以起到協(xié)同互補(bǔ)的工作效應(yīng)。學(xué)者們自20世紀(jì)70年代開始就陸續(xù)開展混雜纖維對(duì)水泥基材料力學(xué)性能改善的相關(guān)研究，包括不同長(zhǎng)度或直徑的同種纖維混雜、不同類型的兩種纖維混雜(如鋼-聚丙烯纖維混雜、鋼-玄武巖纖維混雜以及聚丙烯-耐堿玻璃纖維混雜等)以及不同類型的3種或多種纖維混雜對(duì)水泥基材料力學(xué)性能的影響[9-11]。這些研究表明，混雜纖維增強(qiáng)水泥基材料的各項(xiàng)力學(xué)性能及韌性均優(yōu)于普通水泥基材料和單一纖維增強(qiáng)水泥基材料，不同纖維的增強(qiáng)作用在一定程度上可以疊加互補(bǔ)，可呈現(xiàn)良好的正混雜效應(yīng)和復(fù)合增強(qiáng)效果。但之前的相關(guān)研究主要側(cè)重于探討宏觀尺度纖維(如厘米級(jí)纖維)混雜后的增強(qiáng)效果，對(duì)于不同尺度，尤其是微觀和宏觀纖維混雜對(duì)水泥基材料增強(qiáng)效果的研究不多；而水泥基材料本質(zhì)上是由微觀、細(xì)觀及宏觀結(jié)構(gòu)組成的多尺度結(jié)構(gòu)，采用不同尺度的纖維在不同結(jié)構(gòu)層次進(jìn)行增強(qiáng)是提高水泥基材料綜合性能的最有效措施之一[12-16]。

綜上所述，采用多尺度纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基材料能有效改善其力學(xué)性能，但關(guān)于微觀纖維和宏觀纖維的組合方式及摻量比例等對(duì)增強(qiáng)效果影響仍有待深入研究。筆者從工程應(yīng)用的可行性和經(jīng)濟(jì)性角度考慮，以厘米級(jí)耐堿玻璃纖維作為宏觀纖維、微米級(jí)碳酸鈣晶須作為微觀纖維混雜組成多尺度纖維體系，考慮纖維長(zhǎng)度、摻量及混雜比例等參數(shù)影響，研究多尺度纖維對(duì)高性能水泥基材料受力和抗裂性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

為明確不同尺度纖維對(duì)水泥基材料力學(xué)性能的影響，以耐堿玻璃纖維為宏觀纖維、碳酸鈣晶須為微觀纖維，考慮宏觀纖維長(zhǎng)度和混雜類型影響，設(shè)計(jì)了8組試件，如表1所示。其中，PC為未摻纖維的普通水泥基材料對(duì)比組；CW為微觀纖維(即碳酸鈣晶須)增強(qiáng)水泥基材料組，晶須質(zhì)量摻量分別為5%、10%和20%；GF6、GF12及GF18分別為6、12、18 mm長(zhǎng)度的宏觀纖維(即耐堿玻璃纖維)增強(qiáng)水泥基材料組，且纖維質(zhì)量摻量分別為2%、5%和8%；CW+GF組為微觀碳酸鈣晶須與宏觀耐堿玻璃纖維混摻增強(qiáng)高性能水泥基材料組，該組合中考慮了耐堿玻璃纖維長(zhǎng)度以及兩種纖維摻量比例對(duì)混凝土增強(qiáng)效果的影響。需要說明的是，研究中兩種纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基材料中的纖維總摻量取為5%，主要基于課題組前期研究結(jié)果考慮了最佳纖維摻量及纖維增強(qiáng)水泥基材料工作性能等影響[17]。

表1 各組水泥基材料試件纖維摻量Table 1 Fiber content of each type of cement-based materials

1.2 材料特性

試驗(yàn)的水泥基材料采用普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)、河砂、自來水及JM-PCA(Ⅰ)減水劑等原材料進(jìn)行配比，具體為：水泥∶砂∶水∶減水劑=1∶1.36∶0.34∶0.016。微觀纖維采用峰竺NP-CW2型碳酸鈣晶須，相對(duì)密度為2.8 g/cm3，長(zhǎng)度為20～30 μm，直徑為0.5～1.2 μm，其外觀及微觀形態(tài)如圖1所示。耐堿玻璃纖維采用亞泰達(dá)公司生產(chǎn)的6、12、18 mm短切纖維，相對(duì)密度為2.7 g/m3，抗拉強(qiáng)度為2 500～3 500 MPa，彈性模量為80.4 N/mm2，纖維絲直徑為15 μm，其外觀為白色束狀，微觀觀測(cè)下每一根纖維束都由大量纖維單絲復(fù)合而成，外觀及微觀形態(tài)如圖2所示。

圖1 碳酸鈣晶須

圖2 耐堿玻璃纖維

1.3 試件制作及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)主要測(cè)試不同纖維增強(qiáng)高性能水泥基材料的抗壓、抗折及劈拉性能，各試件制作及試驗(yàn)方法均參考《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)[18]及《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB/T 17671—1999)[19]的要求進(jìn)行，抗壓、劈拉試件尺寸為70.7 mm立方體，抗折試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體，試件成型24 h后拆模，放入水中常溫養(yǎng)護(hù)28 d后取出，每種工況各制作6個(gè)試件，在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中，水泥基材料的抗壓、抗折及劈拉強(qiáng)度計(jì)算式分別為

(1)

式中：fcu為水泥基材料立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；ffu為水泥基材料抗折強(qiáng)度，MPa；ftu為水泥基材料劈拉強(qiáng)度，MPa；P為試件破壞荷載，N；A為試件受壓面積，mm2；L為試件凈距，即為100 mm；b為棱柱體正方形截面的邊長(zhǎng)。

需要說明的是，試件制作過程中為防止纖維在混凝土中分散不均勻出現(xiàn)“聚團(tuán)”現(xiàn)象，需對(duì)投料順序及攪拌過程進(jìn)行嚴(yán)格控制，即首先將稱量好的砂和水泥倒入攪拌機(jī)中攪拌均勻，再邊攪拌邊均勻加入晶須持續(xù)攪拌1 min，然后將攪拌均勻的水和減水劑的混合溶液倒入攪拌機(jī)攪拌1～2 min；如加入宏觀耐堿玻璃纖維，則需在上述過程之后邊攪拌邊將短切耐堿玻纖均勻撒入攪拌機(jī)，再持續(xù)攪拌2～3 min。這一投料攪拌方式可使纖維在混凝土中比較均勻地分布，能很好地保證纖維混凝土的施工成型要求。

2 結(jié)果分析

2.1 單一纖維增強(qiáng)水泥基材料

表2給出了碳酸鈣晶須和耐堿玻璃纖維分別增強(qiáng)水泥基材料抗壓、抗折及劈拉強(qiáng)度28 d的實(shí)測(cè)平均值。從表2可以看出，微觀碳酸鈣晶須摻入對(duì)水泥基材料力學(xué)性能的增強(qiáng)作用明顯，其抗壓、抗折及劈拉強(qiáng)度最多可分別提高8.31%、37.63%及30%，且提高幅度與摻量相關(guān)，通常摻量越多強(qiáng)度越大，但摻量超過一定值后再增加反而起反作用，如當(dāng)水泥基材料中碳酸鈣晶須摻量從10%增至20%后，其抗壓、抗折強(qiáng)度不僅未提高，反而呈現(xiàn)一定程度的降低。宏觀耐堿玻璃纖維的摻入同樣可提高水泥基材料的力學(xué)性能，當(dāng)摻量在5%及以上時(shí)，提高較明顯，而且纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，水泥基材料的力學(xué)性能提高效果越佳；宏觀耐堿玻璃纖維增強(qiáng)的水泥基材料試件的抗壓、抗折和劈拉強(qiáng)度最大可分別提高7.79%、61.29%及80.0%。

表2 單一纖維增強(qiáng)水泥基材料的28 d強(qiáng)度Table 2 Strengths of reinforced cement-based materials by single type fiber(28 d)

為進(jìn)一步反映單一纖維增強(qiáng)水泥基材料的力學(xué)性能，圖3、圖4分別給出了碳酸鈣晶須、耐堿玻璃纖維增強(qiáng)水泥基材料的抗壓、抗折及劈拉強(qiáng)度隨纖維摻量的變化趨勢(shì)?？梢?，碳酸鈣晶須增強(qiáng)水泥基材料的劈拉強(qiáng)度隨晶須摻量的增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但抗壓和抗折強(qiáng)度隨晶須摻量的增加呈先增后減的趨勢(shì)，且抗折強(qiáng)度的降幅比較大；而耐堿玻璃纖維增強(qiáng)水泥基材料的抗壓、劈拉強(qiáng)度隨纖維摻量的增加大致呈先增后減的趨勢(shì)，但抗折強(qiáng)度隨纖維摻量的增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。此外，碳酸鈣晶須的質(zhì)量摻量在10%左右時(shí)對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用最明顯，宏觀纖維摻量在5%左右時(shí)，水泥基材料的綜合力學(xué)性能提高幅度最大。同時(shí)，宏觀纖維的長(zhǎng)度(長(zhǎng)徑比)也是影響水泥基材料力學(xué)性能的重要因素，18 mm耐堿玻璃纖維的增強(qiáng)效果要優(yōu)于12、6 mm纖維，特別是在混凝土的抗壓和劈拉性能提高方面尤為顯著。

圖3 碳酸鈣晶須增強(qiáng)水泥基材料強(qiáng)度實(shí)測(cè)值Fig.3 Experimental values of strength of cement-based materials reinforced by CaCO3

圖4 耐堿玻璃纖維增強(qiáng)水泥基材料強(qiáng)度實(shí)測(cè)值Fig.4 Experimental values of strength of cement-based materials reinforced by AR-glass

2.2 碳酸鈣晶須和耐堿玻璃纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基材料

為分析微觀和宏觀纖維復(fù)合增強(qiáng)高性能水泥基材料的力學(xué)性能，表3給出了碳酸鈣晶須和不同長(zhǎng)度的耐堿玻璃纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基材料試件的抗壓、抗折及劈拉強(qiáng)度28 d實(shí)測(cè)平均值。由表3的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可看出，水泥基材料采用碳酸鈣晶須和耐堿玻璃纖維復(fù)合增強(qiáng)后，其抗壓強(qiáng)度比單一纖維增強(qiáng)時(shí)有明顯提高，提高幅度與兩種尺度纖維間混雜比例以及宏觀纖維長(zhǎng)度相關(guān)，當(dāng)兩種尺度纖維混雜比例相當(dāng)(即摻量比例為2.5∶2.5)且宏觀纖維較長(zhǎng)時(shí)效果最佳，最大提高幅度約在20%～30%之間；而其抗折、劈拉強(qiáng)度介于兩種尺度纖維單一增強(qiáng)時(shí)之間，比微觀纖維單一增強(qiáng)時(shí)大、比宏觀纖維單一增強(qiáng)時(shí)小，這與微觀纖維和宏觀纖維對(duì)水泥基材料的增強(qiáng)機(jī)理不同有關(guān)，在宏觀裂縫控制及抗拉性能提高方面，厘米級(jí)的耐堿玻璃纖維比微米級(jí)的碳酸鈣晶須更有優(yōu)勢(shì)，因此，宏觀纖維摻量比例較大時(shí)，抗折及劈拉強(qiáng)度較大，反之較小，兩種強(qiáng)度指標(biāo)在不同纖維混雜比例下的平均變化范圍約為0～40%，有較大的調(diào)整空間。因此，要使水泥基材料獲得綜合性能優(yōu)越的增強(qiáng)效果，應(yīng)根據(jù)需要調(diào)整不同尺度纖維的混雜比例以充分發(fā)揮復(fù)合增強(qiáng)效果。

表3 碳酸鈣晶須-耐堿玻璃纖維增強(qiáng)高性能水泥基材料28 d抗壓強(qiáng)度Table 3 Strengths of high performance cement-based materials reinforced by CaCO3 whisker and AR-glass fiber(28 d)

為進(jìn)一步明確不同尺度纖維對(duì)水泥基材料力學(xué)性能的增強(qiáng)效果，圖5給出了不同摻量比例下兩種尺度纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基材料強(qiáng)度的變化趨勢(shì)。由圖5可看出，多纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基材料的抗壓強(qiáng)度隨碳酸鈣晶須摻量比例的增加(或耐堿玻璃纖維摻量比例的減少)大致呈先增后減的趨勢(shì)，在合適的摻量比例下呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)效應(yīng)(即波峰效應(yīng))，該效應(yīng)在兩種纖維比例相當(dāng)和宏觀纖維長(zhǎng)度較大時(shí)尤為明顯；與此同時(shí)，多纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基材料的抗折、劈拉強(qiáng)度隨碳酸鈣晶須摻量比例的增加(或耐堿玻璃纖維摻量比例的減少)大致呈降低趨勢(shì)。這進(jìn)一步表明，水泥基材料的綜合力學(xué)性能可通過調(diào)整不同尺度纖維的混雜比例予以控制。

圖5 晶須-耐堿玻璃纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基材料強(qiáng)度實(shí)測(cè)值Fig.5 Experimental values of strength of cement-based materials reinforced by whisker and AR-glass

3 增強(qiáng)機(jī)理

研究表明[10,12]，水泥基材料內(nèi)部的微孔洞和微裂紋等結(jié)構(gòu)缺陷可通過摻入適量纖維進(jìn)行改善。纖維在水泥基材料中的增強(qiáng)作用主要有填充、阻裂和橋聯(lián)等，但不同纖維對(duì)基體性能增強(qiáng)的側(cè)重點(diǎn)不同。對(duì)于微米級(jí)的碳酸鈣晶須，其增強(qiáng)作用主要表現(xiàn)在對(duì)水泥基材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)和微裂紋抑制方面，因而摻量合適時(shí)能有效提高水泥基材料的抗壓強(qiáng)度，并能在一定程度上改善抗拉性能。圖6(a)、(b)分別給出了普通水泥基材料和碳酸鈣晶須增強(qiáng)水泥基材料的微觀形態(tài)掃描電鏡圖?？梢姡鶆蚍稚⒌奶妓徕}晶須一方面可填充水泥基材料內(nèi)部微孔隙以改善強(qiáng)度，另一方面可抑制微裂縫開展，使得水泥基材料的破壞面呈現(xiàn)明顯的凹凸不平狀，而未進(jìn)行纖維增強(qiáng)的水泥基材料破壞面則相對(duì)平整，破壞時(shí)的脆性特征相對(duì)顯著。值得注意的是，盡管微觀尺度的碳酸鈣晶須較厘米級(jí)的短切纖維有更好的分散性，但摻量過多或攪拌不均勻，仍可能出現(xiàn)“團(tuán)聚”現(xiàn)象，影響增強(qiáng)效果，如圖6(c)所示。對(duì)于厘米級(jí)的耐堿玻璃纖維，其增強(qiáng)作用更多地表現(xiàn)在對(duì)水泥基材料宏觀裂縫抑制和內(nèi)部結(jié)構(gòu)橋聯(lián)上，宏觀纖維通過與基體發(fā)生滑移、摩擦以及自身斷裂來消耗能量，從而阻止裂縫進(jìn)一步開展，達(dá)到阻裂增韌的目的。圖6(d)給出的水泥基材料微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)結(jié)果顯示，如果水泥基體的裂縫間存在耐堿玻璃纖維，則裂縫間的應(yīng)力可以通過宏觀纖維有效傳遞，裂縫的擴(kuò)展也能得到有效抑制。此外，宏觀纖維還能夠在基體內(nèi)部孔隙和裂縫間起到橋聯(lián)作用，可有效保證水泥基材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的整體性和協(xié)同受力能力，通常纖維長(zhǎng)度越大橋聯(lián)作用越明顯。圖6(e)給出的纖維增強(qiáng)水泥基材料的微觀形態(tài)可見，耐堿玻璃纖維可在基體的內(nèi)部空隙間起橋聯(lián)作用。此外，宏觀纖維的阻裂和橋聯(lián)作用還與摻量有關(guān)，纖維摻量過大時(shí)，纖維會(huì)因“團(tuán)聚”現(xiàn)象在基體內(nèi)部形成空隙和缺陷，影響其增強(qiáng)效果，如圖6(f)所示?？偟膩碚f，采用不同尺度纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基材料可充分發(fā)揮各纖維的增強(qiáng)特點(diǎn)，達(dá)到在不同結(jié)構(gòu)層次和受力階段對(duì)水泥基材料發(fā)揮增強(qiáng)作用的目的。需要說明的是，圖6所示的微觀形態(tài)中未同時(shí)顯示碳酸鈣晶須和耐堿玻璃纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基材料的掃描電鏡圖片，這主要是由于兩種纖維的尺度相差明顯，無法在相同放大倍數(shù)下同時(shí)觀察到各自的微觀形態(tài)。

圖6 不同尺度纖維增強(qiáng)水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)Fig.6 Microscopic structural morphology of cement-based materials reinforced with different

4 結(jié)論

1)微觀碳酸鈣晶須和宏觀耐堿玻璃纖維均可改善水泥基材料的抗壓、抗折及劈拉性能，且改善程度與纖維摻量及長(zhǎng)度相關(guān)。碳酸鈣晶須的質(zhì)量摻量約10%時(shí)，水泥基材料的力學(xué)性能提高幅度最大，其中，抗折強(qiáng)度較未增強(qiáng)時(shí)可提高近40%；耐堿玻璃纖維5%摻量時(shí)，水泥基材料的綜合力學(xué)性能表現(xiàn)最優(yōu)，且基體的力學(xué)性能提高程度隨纖維長(zhǎng)度增加而增加，18 mm耐堿玻璃纖維增強(qiáng)水泥基材料的抗折強(qiáng)度較未增強(qiáng)時(shí)的提高幅度最多可達(dá)60%。

2)采用微觀碳酸鈣晶須和宏觀耐堿玻璃纖維復(fù)合增強(qiáng)高性能水泥基材料，可在不同結(jié)構(gòu)層次上發(fā)揮兩種纖維的增強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。微、宏觀纖維復(fù)合增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度通常明顯高于采用單一纖維增強(qiáng)時(shí)；而抗折、劈拉強(qiáng)度一般介于采用兩種纖維單一增強(qiáng)之間，當(dāng)復(fù)合纖維中宏觀纖維比例增大時(shí)，增強(qiáng)高性能水泥基材料的抗折、劈拉強(qiáng)度提高幅度增大，反之亦然。

3)不同尺度的纖維對(duì)水泥基材料的增強(qiáng)側(cè)重點(diǎn)不同。微觀碳酸鈣晶須的增強(qiáng)作用主要表現(xiàn)為對(duì)水泥基材料內(nèi)部缺陷的改善以及微裂縫的抑制，而宏觀耐堿玻璃纖維的增強(qiáng)作用主要為對(duì)水泥基材料宏觀裂縫的抑制和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的橋聯(lián)；多尺度纖維復(fù)合增強(qiáng)高性能水泥基材料的性能特征主要與纖維類型、摻量、混雜比例及長(zhǎng)度等有關(guān)。