趙方華，車(chē)新俊

(1 鐵正檢測(cè)科技有限公司,山東 濟(jì)南 250200；2 山東魯中公路建設(shè)有限公司,山東 淄博 255000)

傳統(tǒng)的水泥基復(fù)合材料指砂漿和混凝土結(jié)構(gòu),混凝土材料兼具極高的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和優(yōu)良的建材性能：高的抗壓強(qiáng)度、耐火性和耐水性極佳、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕,因而被大量應(yīng)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(zhǎng)率極低,幾乎沒(méi)有拉伸性能,抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性較低,抗彎性差的性質(zhì)使得混凝土在服役環(huán)境下在各種應(yīng)力和環(huán)境的交互影響下產(chǎn)生大量的微裂紋,且會(huì)迅速擴(kuò)展,嚴(yán)重影響其在特殊服役場(chǎng)景下的應(yīng)用[2]。同時(shí),功能性智能自感應(yīng)、高強(qiáng)度等新型功能混凝土成為目前研究的新方向和熱門(mén)。為了提高混凝土材料的強(qiáng)度和耐久性,研究人員將天然或化學(xué)合成的高分子纖維材料作為增強(qiáng)相,將其和水泥砂漿、混凝土等材料復(fù)合,稱之纖維增強(qiáng)混凝土材料（Fiber reinforced concrete materials,FRC）[3]。其中,纖維復(fù)合的種類(lèi)以短纖維和長(zhǎng)纖維為主,短纖維一般是非連續(xù)結(jié)構(gòu),而長(zhǎng)纖維連續(xù)結(jié)構(gòu)居多。纖維材料的復(fù)合大幅度提升混凝土材料的延展性,韌性,抗拉強(qiáng)度等,使得原本易產(chǎn)生裂紋的混凝土對(duì)裂紋萌發(fā)和擴(kuò)展有了較大的抵抗能力,更加穩(wěn)定地服役。同時(shí),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(qiáng)水泥基復(fù)合材料在各種領(lǐng)域都有大量應(yīng)用,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有的穩(wěn)定性、抗沖擊、抗裂紋等優(yōu)點(diǎn),使得其在基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)用極其廣泛。本文簡(jiǎn)單介紹了常見(jiàn)的增強(qiáng)纖維類(lèi)型,以及纖維對(duì)增強(qiáng)水泥相的影響方式,希望為纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)和研究提供思路。

1 常見(jiàn)的增強(qiáng)纖維的種類(lèi)和性能

一般常見(jiàn)增強(qiáng)纖維有很多分類(lèi)方式,常見(jiàn)纖維種類(lèi)和性能見(jiàn)表1[5]。

表1 常見(jiàn)的增強(qiáng)纖維的性能Table 1 Properties of common reinforcing fiber

1.1 有機(jī)纖維

①聚乙烯醇(PVA )纖維作為代表性的有機(jī)高分子合成纖維,在具有優(yōu)良的耐酸堿性的同時(shí),也具有一定的強(qiáng)度,力學(xué)性能優(yōu)異,Coralie公司[6]生產(chǎn)的新型聚乙烯醇纖維的強(qiáng)度可達(dá)到1365MPa,伸長(zhǎng)率達(dá)到6%。聚乙烯醇擁有醇類(lèi)有機(jī)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(qiáng)粘結(jié)度,是應(yīng)用最廣泛的有機(jī)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(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,但由于缺少羥基官能團(tuán),呈現(xiàn)出疏水的特征,不能很好地在水泥基材料中分散,導(dǎo)致纖維和水泥的粘結(jié)性不盡人意。為解決纖維和材料的粘結(jié)性問(wèn)題,一般通過(guò)對(duì)纖維進(jìn)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(lèi)型分為兩種,普通纖維和以凍膠紡絲―超拉伸技術(shù)制備的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維[7],UHMWPE纖維的比強(qiáng)度和比模量要遠(yuǎn)超出普通PE纖維,經(jīng)過(guò)UHMWPE纖維增強(qiáng)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(yīng)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(duì)位芳綸(PPTA)和間位芳綸(MPIA),統(tǒng)稱為芳綸纖維。由于酰胺基團(tuán)的存在,芳綸纖維對(duì)水泥材料的粘結(jié)性要優(yōu)于聚乙烯、聚丙烯纖維,同時(shí)仍然具有有機(jī)纖維的穩(wěn)定、耐酸堿的特點(diǎn)。對(duì)位芳綸纖維的力學(xué)性能和韌性較高,具有很好的緩沖作用,但也有明顯的缺點(diǎn)：長(zhǎng)時(shí)間的曝曬會(huì)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(jī)纖維的代表,顧名思義,原料是取自常見(jiàn)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(lèi)繁多,性能也相差較大,可針對(duì)不同的目標(biāo)選擇不同的纖維來(lái)源,常見(jiàn)的纖維原料有麻類(lèi)如苧麻、劍麻等和椰殼,成本較低,且易于分解,對(duì)環(huán)境友好。但強(qiáng)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?yàn)槲?同時(shí),纖維素纖維的穩(wěn)定性沒(méi)有化學(xué)合成高分子有機(jī)纖維好,服役時(shí)間較短[9]。

1.2 無(wú)機(jī)纖維

①玻璃纖維的來(lái)源是玻璃,即SiO2為主的金屬氧化物,玻璃纖維的力學(xué)性能傳接了金屬氧化物的特點(diǎn)：強(qiáng)度高、模量高,脆性,幾乎沒(méi)有伸長(zhǎng)率,由于二氧化硅極易與堿反應(yīng),故而玻璃纖維并不適用于水泥混凝土等堿性較強(qiáng)的環(huán)境中,為了消除二氧化硅和堿液的反應(yīng),研究人員通過(guò)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(lǐng)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(qiáng)韌性[10]。②碳纖維(CFs)作為應(yīng)用最為廣泛的無(wú)機(jī)纖維,具備許多優(yōu)勢(shì),密度低、強(qiáng)度高,耐腐蝕,性質(zhì)穩(wěn)定,且具有電磁等領(lǐng)域的特殊優(yōu)勢(shì),作為水泥基復(fù)合材料的增強(qiáng)相時(shí),通常會(huì)有金屬和樹(shù)脂等其他材料的參與,制備功能性復(fù)合材料,而碳纖維增強(qiáng)混凝土(CFRC)是將碳纖維作為增強(qiáng)相分散在水泥基體中,碳纖維在水泥或混凝土中,會(huì)抵消材料本身的內(nèi)應(yīng)力,以此來(lái)起到阻礙微裂紋的萌芽以及裂紋之間的橋連和擴(kuò)展,提高強(qiáng)韌性。同時(shí),由于碳纖維在電、磁等方面的出色性質(zhì),碳纖維增強(qiáng)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(jīng)過(guò)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(qiáng)度較高,但不耐酸堿。④陶瓷纖維分為很多種,不同的纖維類(lèi)型的力學(xué)性能有所差距,但都有耐高溫的優(yōu)點(diǎn),常規(guī)服役環(huán)境可以達(dá)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(zhǎng)率過(guò)低,制造成本也比其他無(wú)機(jī)纖維高,應(yīng)用并不廣泛。

2 纖維性能對(duì)混凝土復(fù)合材料的影響

纖維對(duì)水泥基材料的增強(qiáng)有許多因素,如纖維類(lèi)型、形態(tài)、體積分?jǐn)?shù)、排列方式等,都對(duì)混凝土復(fù)合材料有著較大的影響。

2.1 纖維形態(tài)的影響

不同類(lèi)型的纖維對(duì)混凝土復(fù)合材料的影響無(wú)疑是最大的,但通?？梢栽趶?fù)合材料的制備之間優(yōu)選出適合作為增強(qiáng)相的纖維類(lèi)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(duì)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(xué)合成高分子有機(jī)纖維等,那么除去纖維類(lèi)型的影響之外,纖維的形態(tài)無(wú)疑是影響水泥基復(fù)合材料力學(xué)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(diǎn)：長(zhǎng)度、直徑和截面形狀。按照纖維的長(zhǎng)度可以將增強(qiáng)纖維分為長(zhǎng)纖維和短纖維,長(zhǎng)纖維和短纖維對(duì)水泥基復(fù)合材料的影響在兩個(gè)方面：分散性和抗裂紋。不管是何種類(lèi)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(fù)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(chǎn)生微裂紋,尤其發(fā)生在當(dāng)纖維和基體材料的粘合度不夠的復(fù)合材料中,較為典型的例子就是聚乙烯纖維增強(qiáng)復(fù)合混凝土材料[12],故而,增強(qiáng)相中纖維以短纖維出現(xiàn)較多。但長(zhǎng)纖維對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生裂紋的復(fù)合材料具有橋連的作用不可忽視。由于無(wú)機(jī)纖維脆性較大,所以常常是以短纖維的形式存在,但有機(jī)纖維的韌性和強(qiáng)度較高,制備出的纖維多為長(zhǎng)纖維,所以在制備復(fù)合混凝土材料時(shí),會(huì)對(duì)原本長(zhǎng)纖維的有機(jī)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(duì)裂紋的擴(kuò)展有一定的抑制效應(yīng)。這種抗裂紋生長(zhǎng)是通過(guò)纖維對(duì)混凝土材料的固定效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的,如圖1所示。而相同的添加體積下,短纖維對(duì)強(qiáng)韌性的增強(qiáng)比例更大,根據(jù)研究人員的研究結(jié)果,這可能是長(zhǎng)纖維在混凝土中分散程度不夠,纖維之間的團(tuán)聚造成的[13]。

圖1 水泥基復(fù)合材料中纖維對(duì)裂紋擴(kuò)展的抑制效應(yīng)Fig. 1 Inhibition effect of fibers on crack growth in cement-based composites

同時(shí),纖維并不是僅僅作為單絲來(lái)增強(qiáng)的,單絲纖維一般直徑較大,通常在50μm以上,而復(fù)絲纖維束的直徑較小,常在10μm左右,是由大量的細(xì)小纖維組成[14]。那么纖維的直徑又對(duì)復(fù)合混凝土有什么樣的影響呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),直徑對(duì)復(fù)合混凝土的影響主要體現(xiàn)在粘合度和強(qiáng)度上,對(duì)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(xì)纖維而言,直徑越大的纖維對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度的提升十分可觀。

纖維的截面形狀對(duì)混凝土的粘結(jié)性也有較大的影響,對(duì)于常規(guī)的有機(jī)和無(wú)機(jī)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(duì)于鋼纖維來(lái)講,由于鋼纖維的直徑較大,且強(qiáng)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(gòu)形等,但截面形狀的變化本質(zhì)上都是增大和水泥混凝土的接觸面積以達(dá)到更好的粘合度[15]。

2.2 纖維體積分?jǐn)?shù)的影響

纖維增強(qiáng)復(fù)合混凝土材料中,添加纖維的體積分?jǐn)?shù)是一個(gè)十分需要注意的點(diǎn),并不是纖維添加越多,復(fù)合混凝土的力學(xué)性能更好,在添加纖維的體積分?jǐn)?shù)變化中,存在一個(gè)增強(qiáng)效應(yīng)的極值,一般將添加的纖維體積分?jǐn)?shù)歸類(lèi)為三檔：低體積分?jǐn)?shù)(＜1%)、中體積分?jǐn)?shù)(1%～2%)和高體積分?jǐn)?shù)(＞2%)。許多研究人員對(duì)不同類(lèi)型的纖維添加體積對(duì)水泥基復(fù)合材料的增強(qiáng)效應(yīng)進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),對(duì)于鋼纖維來(lái)說(shuō),1.5%體積分?jǐn)?shù)下的鋼纖維對(duì)復(fù)合混凝土材料的力學(xué)性能提升最大[16]；而碳纖維的體積分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)復(fù)合混凝土的彎曲強(qiáng)度最大[17]；對(duì)于聚丙烯纖維來(lái)說(shuō),0.56%體積分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出最好的抗拉強(qiáng)度[18]。因此,對(duì)于不同類(lèi)型的纖維,都有添加量的最佳值,需要大量實(shí)驗(yàn)的探索來(lái)確定最佳的配比。

3 結(jié)語(yǔ)

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