纤维-水泥基材料的界面黏结性能

陈公增，马绪荣

(泰安市公路局，山东 泰安 271000)

0 引 言

水泥基材料作为一种用途广泛的建筑材料，其种类繁多，用量巨大。但普通水泥基材料(如水泥砂浆、水泥混凝土等)普遍具有自重大、韧性差、干缩易开裂、抗拉强度低等缺点[1-2]，难以满足实际工程对耐久性和施工效率的要求。

相关研究表明，在混凝土基体中掺入高弹性模量纤维后，混凝土的抗拉、抗弯、抗剪、抗裂、耐磨等力学性能均得到明显改善[3-5]，并且显著提高了混凝土抗疲劳性能及耐久性[6]。然而，纤维与水泥基体属于不同物质，二者复合时会形成界面，界面黏结性能的优劣则会对纤维水泥复合材料的性能产生重要影响。界面黏结性能越好，两相的界面结合区越紧密，内部缺陷就越少，纤维混凝土的性能越优异。

目前，纤维与混凝土基体的界面黏结性能已成为国内外一些学者的重要研究方向[7-11]。本文基于一些学者的理论成果，阐述了几种常用纤维混凝土复合材料界面黏结性能的研究进展，以期为纤维-水泥基体界面黏结性能的进一步研究提供借鉴。

1 纤维增强混凝土及其界面

1.1 钢纤维混凝土

与天然纤维或化学纤维相比，钢纤维的抗折、抗拉强度较高，且具有较好的韧性及延伸率[12]，十分适用于高性能纤维混凝土的制备。而且钢纤维混凝土具有优异的力学性能及耐久性，目前已被广泛应用于土木工程建设[13]。

钢纤维混凝土是由2种材料复合而成，属非均质复合材料，其宏观性能在很大程度上是由内部两相间的界面力学特性决定的。

1.1.1 界面区结构及性能

在钢纤维混凝土中，钢纤维表面与混凝土基材本体(集料)间存在一个空间结构区，即界面层。该界面层的微观结构如图1所示。

图1 钢纤维-水泥基材料界面微观结构

由图1可看出，界面层主要含有C-S-H凝胶及Ca(OH)2晶体，按区域分为临近纤维的Ca(OH)2高集区及临近基材本体的多孔区。研究者对界面层的结构及性能进行了大量的研究分析，发现界面区厚度不均匀，除含有C-S-H凝胶以及Ca(OH)2晶体外，还存在钙矾石(Aft)晶体[14-16]，且内部存在较多微裂纹和孔隙，整体结构疏松。

王海超等对钢纤维水泥砂浆展开研究，并得出相似结论，即钢纤维混凝土界面过渡区的弹性模量高于水泥基体，测量出界面过渡区宽度为20～40 μm[17]。进一步研究显示，界面过渡区的微观力学性能是钢纤维水泥砂浆宏观力学性能的重要影响因素。

1.1.2 钢纤维-水泥基材料界面

图2为界面过渡区的扫描电镜图。其中图2(a)中的A、B区域分别距钢纤维表面10 μm和20 μm，图2(b)、(c)分别为A、B区域的形貌。

图2 钢纤维-水泥基试样界面过渡区的形貌

由图2(a)可见，钢纤维与水泥基存在明显界面，表明两者相容性差。图2(b)显示出A区域存在被团絮状C-S-H凝胶包裹着的针棒状AFt，未观察到六方块状的Ca(OH)2及未水化的水泥颗粒，整体结构较为致密。这可归因于钢纤维表面的铁离子能促使C-S-H凝胶的生成[18]，填充于纤维表面纹理，增强了水泥水化产物与纤维的结合从而提高该区域结构的致密性。图2(c)则显示出B区域存在较大孔洞，且大量的Ca(OH)2晶体富集。这是由于钢与水的结合性较好，在其表面会先形成一层水膜，致使钢纤维表面的水灰比偏大，离子的饱和度远低于水泥基体。研究发现，界面过渡区的性状和结构与该水膜层的厚度关系密切，而水膜层的厚度主要由水灰比大小决定，水灰比越大水膜层越厚。与集料表面距离越近的区域，离子浓度越低，致使C-S-H凝胶生成量减少，同时Ca(OH)2和AFt自由生长并在集料表面定向排列，阻止了C-S-H凝胶与集料接触，导致硬化后该区域结构疏松。

1.2 碳纤维混凝土

在混凝土中均匀加入碳纤维可制得碳纤维混凝土。碳纤维的强度高、模量高，具有良好的耐腐蚀、耐高温性能，还能导热、导电，是一种理想的功能型建筑材料增强纤维。研究发现在碳纤维混凝土具有更高的抗拉、抗折强度，且碳纤维的加入显著改善了混凝土的拉压比。

然而，碳纤维表面光滑，表面能低且具有的活性官能团少，因此与水泥基体间的黏结性能差。

1.2.1 碳纤维表面改性

为了改变碳纤维光滑的表面形貌，提高碳纤维与水泥水化产物间的黏结力，可通氧化处理对碳纤维表面进行改性。

(1)浓硝酸氧化处理。取一定质量的浓硝酸和碳纤维，其中碳纤维质量为浓硝酸质量的20%。将两者混合均匀后置于超声波清洗器中，真空抽滤除去硝酸，然后用蒸馏水冲洗至其pH值为7。最后将处理好的碳纤维置于60 ℃烘箱中烘干备用。

(2)高温氧化处理。将碳纤维置于400 ℃的高温炉中保温30 min。待炉内温度降至室温后取出，用无水乙醇冲洗干净，最后将处理好的碳纤维置于60 ℃的烘箱中烘干备用。

图3为碳纤维表面改性前后的扫描电镜图。由图3(a)可看出，未经处理的碳纤维表面颜色较浅，说明其沟槽纹理较浅，表面光滑；由图3(b)可看出，经浓硝酸氧化处理后，碳纤维表面呈不规则形状，说明碳纤维表面变得粗糙，比表面积增大；由图3(c)可看出，经高温氧化处理后，碳纤维边缘呈不规则形状，说明碳纤维表面变得粗糙，沟槽纹理变深。

图3 处理前后碳纤维的形貌

1.2.2 碳纤维-水泥基材料界面

图4为碳纤维-水泥基界面的扫描电镜图。其中图4(a)为未改性碳纤维与水泥基体结合处的界面形貌，图4(b)、(c)分别为浓硝酸氧化处理、高温氧化处理后的碳纤维与水泥基体的界面结合形貌。由图4可以看出，未经处理的碳纤维与水泥基体存在明显界面，且结合处存在裂缝，说明两者之间黏结性不佳；浓硝酸氧化处理后的碳纤维与水泥基材料紧密结合，表面还附着大量的水泥水化产物，说明两者的黏结性能较好；高温氧化处理后的碳纤维表面也存在一些水化产物，与水泥基材料结合处结构较为致密，说明碳纤维经高温氧化后可改善其与水泥基体的黏结性能。

图4 碳纤维-水泥基材料界面结合形貌

1.3 聚丙烯纤维

聚丙烯纤维是以聚丙烯为原料生产的，其化学、物理性质稳定。虽然聚丙烯纤维的刚度低，且传递荷载的能力差，但它能吸收冲击能量以起到缓冲作用，减小材料内部应力集中现象，因此可作为加筋材料用于纤维混凝土的制备。研究表明，聚丙烯纤维可改善混凝土韧性，有效抑制混凝土因收缩或干缩而形成的裂缝，还能改善混凝土的抗渗性能及耐冲击、耐磨性能。由于聚丙烯纤维具有优异的抗老化性，故而能在混凝土中长期发挥功效。

尽管聚丙烯纤维混凝土性能优异，但聚丙烯纤维为非极性材料，且表面疏水，导致其与水泥基材料间的界面黏结性能不佳，减弱了聚丙烯混凝土的抗塑性收缩开裂性能。因此，必须对聚丙烯纤维的表面进行改性处理。

1.3.1 聚丙烯纤维表面改性

采用聚丙烯纤维化学接枝聚丙烯酸可对聚丙烯纤维表面进行改性。为提高纤维接枝率，先用引发剂处理聚丙烯纤维，使其表面产生接枝点；然后除去引发剂再加入丙烯酸进行接枝反应；再将反应产物冷却、水洗、丙酮浸洗以去除残余单体和均聚物，后置于60 ℃烘箱内烘干至恒重。

聚丙烯纤维改性前、后的扫描电镜照片如图5所示。由图5可以看出，改性前聚丙烯纤维表面光滑，轮廓清晰；而改性后聚丙烯纤维由于表面接枝了聚丙烯酸，粗糙度显著增大。

1.3.2 聚丙烯纤维-水泥基材料界面

图6为聚丙烯纤维-水泥基界面的扫描电镜图。图6(a)为改性前聚丙稀维水泥基界面的微观形貌，可以看出，试件断裂处的聚丙烯纤维表面光滑，仅附着了少量的水泥水化产物，且纤维与水泥基体的界面结合处存在明显缝隙，结合处不紧密。这是由于聚丙烯纤维表面疏水且粗糙度低，因而与水泥基材料间的化学键合力及机械啮合力弱，导致两者界面结合力差。试件受力时，纤维易从水泥基体中拔出，不利于聚丙烯纤维加筋作用的发挥。图6(b)为改性后聚丙烯纤维与水泥基界面的微观形貌，可以看出，聚丙烯纤维表面完全被水泥水化产物覆盖，纤维与水泥基体结合紧密。这是因为聚丙烯纤维表面引入了极性亲水基团(-COOH)，纤维表面亲水性提升，有效加强了其与水泥基体的化学键合力。此外，由于改性后的聚丙烯纤维表面粗糙度加大，增强了其与水泥基体间的机械啮合力，从而进一步提高了改性聚丙烯纤维与水泥基体的界面结合强度。

图6 聚丙烯纤维增强水泥砂浆试样的断面微观形貌

2 结 语

(1)对于纤维增强型混凝土，为了更大程度地发挥纤维材料的价值，常常需要对其表面进行改性，使纤维与水泥基体有更好的界面黏结性。纤维-水泥基体界面区黏结性能及结合状态的评估，主要是通过拉拔试验获得界面区的试件碎片，然后用扫描电镜观察界面区的微观形貌进行分析。值得注意的是，对纤维混凝土性能的评价应综合考虑界面区的结合状态以及纤维混凝土的其他性能。

(2)应用广泛的钢纤维增强水泥基复合材料的各项性能指标均较好，但用扫描电镜仍能观察到界面区存在明显缺陷，因此后期应继续对其进行研究，力求进一步改善界面过渡区结构，提升钢纤维-水泥基复合材料的性能。

(3)碳纤维和聚丙烯纤维均为较为理想的增强纤维建筑材料，但受其表面特性的限制，并不适合直接用于制备纤维增强水泥基复合材料。采取合适的措施对纤维表面进行改性，可使其与水泥基材料结合紧密，提高两者界面间的黏结性能。