玻璃纤维珠链增强水泥砂浆力学性能研究

吴昊宇，侯云芬，李地红

（北京建筑大学，北京 100044）

0 引言

近些年，随着混凝土技术的发展，各项性能优异的高性能混凝土得到广泛应用。但混凝土结构的开裂问题日趋严重和增多，严重影响到混凝土的耐久性，成为困扰着广大工程技术人员的难题[1]。

玻璃纤维具有优异的力学性能，其抗拉强度达到1000MPa以上，且物美价廉，是一种很好的复合材料增强体，将其掺入混凝土中，可以很好控制混凝土裂缝的产生和发展[2]。玻璃纤维混凝土具有良好的环境适应性、耐腐蚀性和耐冻融性[3]。已有国内外的研究与工程实际取得了预期的效果[4-5]。但是在拌制混凝土时，由于玻璃纤维在混凝土中分散不开[1]，而且玻璃纤维与水泥之间易产生滑移[2]。因此在其掺量过多时，导致混凝土中缺陷增加，混凝土难以密实，影响玻璃纤维混凝土的综合性能[6]。

文献[7]指出，纤维的体积率必须大于临界纤维体积率时，玻璃纤维才能起到对混凝土的力学增强效果。但又存在“最大允许纤维体积率”，纤维体积率超过允许纤维体积率时，则因纤维难于均布在水泥基材中导致纤维成团，或因大量纤维滑移导致纤维无法充分发挥力学性能。因此小掺量的短切玻璃纤维掺入水泥中，砂浆力学性能提升不明显；大掺量的短切玻璃纤维掺入水泥中，砂浆力学性能反而降低。这与复合材料原理相悖。因此发挥纤维力学性能，提高增强效果，必须开发出新型的纤维增强技术。

1 玻璃纤维珠链掺加方式与其必要性

玻璃纤维无法在水泥基材料中发挥理想的力学作用，主要体现在玻璃纤维加入水泥基体中，力学性能提升不明显；纤维掺量有限；高掺量纤维在高荷载作用下，界面缺陷越发明显。这些主要是由于玻璃纤维无法均匀分布与界面约束弱造成的。现阶段工程施工中，通过分层铺入的方法已经有效控制了纤维在水泥中的均匀分布。但是对于玻璃纤维与水泥的界面问题，一直没有有效的解决方法。

1.1 玻璃纤维与水泥的界面层

玻璃纤维与水泥基材间存在界面层主要是由于在玻璃纤维增强水泥基复合材料成型过程中，不可避免地使玻璃纤维与水泥砂浆之间产生水膜层。水泥水化产生的CH晶体极易在此水膜中大量积聚。因此界面层具有高水灰比、高孔隙率、网络结构较疏松以及有弱谷存在的缺陷。不仅如此，玻璃纤维表面光滑，水泥基体难以约束玻璃纤维的滑移。

通过超景深显微镜对初凝结束的短切玻璃纤维增强砂浆放大200倍（见图1）进行观察发现，少量玻璃纤维表面确实附着一定量的水泥，但大部分纤维表面仍然光滑，并没有水泥附着。因此，短切玻璃纤维掺加方式存在不可避免的弊病。

图1 初凝结束的短切玻璃纤维增强砂浆超景深成像照片

1.2 玻璃纤维两端的应力集中

针对玻璃纤维与水泥基体的界面问题，从力学角度分析，能得到更加准确的认识。杨景峰等[8]研究发现，复合材料受到外力作用时基体将产生复杂的应变，基体应变通过界面对纤维施加影响，载荷通过界面的剪切应变传递到纤维上。此时，纤维端部的界面剪切应力最大，剪应力从纤维的端部向中部逐渐衰减，纤维的端部存在高度的应力集中，从而影响了复合材料的整体性能；Kelly和Tyson[9]通过单纤维拔出试验测试纤维与水泥基体之间的界面粘结强度，发现纤维末端应力集中，界面剪应力增大，导致纤维提前脱粘、开裂。崔新宇等[10]也进行了相关的试验研究，发现纤维两端的剪应力集中是造成纤维滑移的主要原因。

1.3 玻璃纤维珠链

为了克服短纤维直接掺入方式的缺点，基于复合原理，本文探索新型的纤维砂浆增强方式，从玻璃纤维的掺加方式、纤维形态等方面入手制作玻璃纤维珠链，以此避免工程中遇到的玻璃纤维混凝土工作性能差的问题，改善力学性能提升不明显的问题。制作方法如图2所示，在大直径的圆形塑料桶上包裹上真空布，然后将玻璃纤维缠在塑料桶上。之后将环氧树脂每隔一段距离滴在玻璃纤维上。当环氧树脂固化后，将玻璃纤维取下来，剪取适宜长度进行使用。

图2 玻璃纤维珠链的制备方法

采用玻璃纤维珠链的掺加方式制备水泥砂浆，即将玻璃纤维珠链一维定向连续分布，在砂浆装模的时候，采用水泥砂浆、玻璃纤维珠链交替添加的方式进行浇筑。如图3、图4所示。

图3 玻璃纤维珠链俯视

图4 玻璃纤维珠链砂浆示意

玻璃纤维珠链中的玻璃纤维一维定向连续分布，通过研究发现[11]，这种纤维取向与形式具有更高的效率系数（见表1）。

表1 纤维取向及其效率系数

采用玻璃纤维珠链掺加方式，玻璃纤维珠链在砂浆成型时多层添加，保证了纤维在砂浆中的均匀分布，减少了砂浆中的有害孔隙率与界面薄弱区。使玻璃纤维大量掺加成为可能。

最重要的是，通过珠粒与水泥基体之间的相互嵌固，阻止了由于界面约束差和剪应力集中造成的纤维滑移，依靠结构约束保证了纤维与水泥在受力时的变形协调。更好地发挥出玻璃纤维优良的力学性能。

通过超景深显微镜观察水泥砂浆中的玻璃纤维与玻璃纤维珠粒（见图5）可以看出，玻璃纤维与砂浆之间存在明显的界面薄弱区，纤维易发生滑移。而珠粒与砂浆形成了相互嵌固，防止玻璃纤维发生滑移。

图5 水泥砂浆中的玻璃纤维与玻璃纤维珠粒

因此，本文通过试验，采用玻璃纤维珠链的形式在砂浆中掺加玻璃纤维，对比现阶段施工生产中短切玻璃纤维的掺加方式，研究其流动性与力学性能。以期解决玻璃纤维混凝土现阶段遇到的问题，为玻璃纤维珠链混凝土的推广使用提供可参考的试验结果。

2 试验

2.1 原材料

水泥：金隅P·O42.5水泥，主要化学成分和矿物组成如表2所示；标准砂。

表2 水泥的主要化学成分和矿物组成 %

玻璃纤维：由于硅酸盐水泥在水化时会产生大量的Ca（OH）2，使砂浆呈较强的碱性，为了避免玻璃纤维因为碱侵蚀而导致脆化，降低作用效果，目前普遍采用抗碱玻璃纤维作为水泥基复合材料的增强材料[11]。本试验采用泰山玻纤有限公司生产的Cem-FIL 5325高耐碱玻璃纤维，基主要性能指标如表3所示。

表3 高耐碱玻璃纤维的主要性能指标

2.2 试验方案

本试验旨在对比短切玻璃纤维掺加方式与玻璃纤维珠链掺加方式对砂浆性能的影响。砂浆搅拌完成后，测试砂浆的流动度，成型40 mm×40 mm×160 mm的试件，标准养护7 d和28 d龄期，测试砂浆的抗折强度和抗压强度。

2.2.1 玻璃纤维的掺加方式

本研究选用2种掺加方式：第1种是常用掺加方式，将短切玻璃纤维直接掺入到水泥砂浆中，按GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》规定的方法进行搅拌；第2种采用如图4所示的玻璃纤维珠链掺加方式。

2.2.2 砂浆配比设计

纤维掺量一般用体积率来表示，其中纤维掺量超过临界体积率后，才可提高纤维增强材料的抗拉强度[12]。纤维临界体积率按式（1）计算：

式中：σc——砂浆的抗折强度，MPa；

σf——纤维的抗折强度，MPa；

Ef——纤维的弹性模量，MPa；

ε′c——砂浆的极限延伸率。

根据砂浆与玻璃纤维性能，水泥砂浆抗拉强度设计值约为1.3 MPa，采用的玻璃纤维抗折强度为1800 MPa，水泥胶砂的极限延伸率为0.5%，玻璃纤维的弹性模量为72 GPa。可得出本试验玻璃纤维一维定向连续分布的临界体积率为0.1%，在短纤维三维乱向分布时，纤维的效率系数为0.17～0.20，可以得出纤维的临界体积率为0.5%。为了比较纤维掺量在纤维临界体积掺量附近取值，试验配合比如表4所示。

表4 玻璃纤维增强水泥砂浆试验配合比

3 试验结果与分析

3.1 玻璃纤维掺量对砂浆流动度的影响

掺入不同掺量短切玻璃纤维后，砂浆的流动度变化如表5所示，砂浆的状态如图6所示。

表5 玻璃纤维掺量对砂浆流动度的影响

图6 不同短纤维掺量时砂浆的流动度状态

从表5、图6可以看出，随着短玻璃纤维掺量的增加，砂浆的流动度明显降低；当短纤维掺量为0.6%时（即A3组），砂浆已经呈现分散状态；掺量达到0.8%时（即A4组），砂浆已完全丧失流动度且表面开裂，砂浆无法成型，因此不能测试其强度。

3.2 力学性能与分析

各组试件的7、28 d抗折和抗压强度测试结果如表6所示。

表6 各组试件的力学性能

3.2.1 短切玻璃纤维对砂浆力学性能的影响分析

短切玻璃纤维增强砂浆组中的玻璃纤维掺量在低于纤维临界体积率时，砂浆工作性能相对良好，但对力学性能提升不明显。在高于纤维临界体积率时，砂浆工作性能很差。由表6可见：

（1）在短纤维掺量低于临界体积掺量时，即A1、A2组，随着纤维掺量的增加，砂浆28 d抗折强度逐渐提高，基本上处于5.0～5.5MPa，但对比于JZ组，28 d抗折强度最大下降5%左右；随着纤维掺量的增加，砂浆的28 d抗压强度逐渐提高，基本上处于30 MPa左右，相比于JZ组，28 d抗压强度增减比例维持在5%以内。这是由于纤维掺量未超过临界体积掺量，无法充分发挥纤维的力学性能。因此可以得出，短纤维在较低掺量时对砂浆力学性能影响不大。

（2）在短纤维掺量超过临界体积掺量时，即A3组，砂浆的强度较JZ组均有所提高，28 d抗折、抗压强度比JZ组分别提高了6%、4%。这是由于玻璃纤维的掺量超过了临界体积掺量，可以对砂浆起到增强作用，但砂浆力学性能提升不明显，主要是因为玻璃纤维掺入使砂浆流动性降低，纤维三维乱向分布，导致砂浆中缺陷增加，从而影响了玻璃纤维的增强效果。同时由于界面约束不够与剪应力集中的原因，界面存在薄弱区，造成砂浆受力时纤维滑移，不能充分发挥其优异力学性能。

3.2.2 玻璃纤维珠链对砂浆力学性能的影响分析

玻璃纤维珠链增强砂浆组中的玻璃纤维掺量均超过纤维临界体积率。由表6可见：

（1）随着玻璃纤维掺量的增加，砂浆的强度明显提高，B3组砂浆28 d抗折、抗压强度分别达到16.62、45.4 MPa，相比于JZ组分别提高了201.63%、51.84%。这是由于玻璃纤维掺量超过临界体积掺量且玻璃纤维具有高拉伸性能，同时玻璃纤维与水泥之间的约束由界面约束改变成结构约束，使玻璃纤维与水泥基体变形协调，纤维的滑移得到有效限制，因此玻璃纤维珠链对砂浆的抗折性能与抗压性能均提升明显。

（2）随龄期的延长，玻璃纤维珠链增强砂浆的抗折、抗压强度稳定提高。以B1组为例，7 d抗折强度为8.05 MPa，28 d抗折强度为9.35 MPa，28 d抗折强度比7 d抗折强度提高了16%；7d抗压强度为30.2 MPa，28 d抗压强度为34.0 MPa，28 d抗压强度比7 d抗压强度提高了13%。可以得知，玻璃纤维珠链增强砂浆不仅早期有很高的抗折、抗压强度，后期强度依然持续提高，后期强度可以得到保障。

3.2.3 2种掺入方式的比较

掺加短切纤维的A3组对砂浆的强度提升作用并不明显，28 d强度相对于JZ组提升基本维持在5%左右；但采用玻璃纤维珠链的B1组28 d抗折、抗压强度相对于JZ组分别提高了69.69%、13.71%；相同纤维掺量下，采用玻璃纤维珠链增强的B1组28 d抗折、抗压强度相对于A3组分别提高了60.65%、9.32%。

这是由于玻璃纤维珠链是在砂浆装模时添加进砂浆中，不会影响砂浆搅拌时的流动性；同时分层添加保证了纤维在砂浆中的均匀分布，减少了砂浆中的有害孔隙。最重要的是，玻璃纤维珠链与水泥之间形成相互嵌固，使玻璃纤维与砂浆在受力时纤维不会发生滑移，与砂浆基体共同受力。并且玻璃纤维定向连续分布，充分发挥了纤维的高拉伸性能。这些措施解决了短切纤维掺加方式遇到的纤维分布不均与纤维滑移等问题。因此玻璃纤维珠链增强砂浆具有更优异的工作性能与力学性能。

4 结论

（1）采用玻璃纤维珠链增强方式，利用珠链与砂浆之间的相互嵌固，用结构约束取代了以往的界面约束，从根本上解决了纤维与水泥基体之间界面性能差与应力集中的问题，阻止了纤维的滑移，大大提高了砂浆的力学性能。采用玻璃纤维珠链浇筑的砂浆试件，力学性能显著提高，28 d抗折强度从5.51 MPa提高到16.62 MPa，28 d抗压强度从 29.9 MPa提高到45.4 MPa；并且随着龄期的延长，抗折、抗压强度均得到稳步提高，后期强度可以得到保障。

（2）采用浇筑时添加纤维的浇筑方式，不影响砂浆的流动度，避免了预拌时纤维砂浆工作性能差的问题，解决了纤维掺量的问题。

（3）采用长纤维增强方式，充分发挥纤维的力学特性，并且根据构件的几何形态、使用特性等要素，来控制纤维排布方向和数量，实现性能的可设计性，提高砂浆的力学性能。

（4）目前试件中玻璃纤维的体积掺量已经达到1%，工作性能、力学性能良好，并且具有很大的开发潜力和上升空间。

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