多尺度纤维复合增强水泥基材料的力学性能

张勤，巩稣稣，赵永胜，吴耀青，周继凯

(1. 河海大学 土木与交通学院，南京 210098；2. 江苏大学 土木工程与力学学院，江苏 镇江 212013)

为改善水泥基材料(包括混凝土和砂浆等)抗拉强度低、韧性差以及易开裂等缺陷，在水泥基材料中掺入纤维以达到增强增韧目的是目前普遍认同的方法[1-3]。通过对不同纤维(如钢纤维、聚丙烯纤维及耐碱玻璃纤维等)增强水泥基材料的受力性能、韧性及变形性能等的研究表明，掺入纤维可以有效提高水泥基材料的受力和变形性能，且提高效果在一定范围内随纤维掺量的增加趋于明显[4-6]。研究还表明[7-8]，不同类型和尺度的纤维对水泥基材料受力和变形性能的增强效果不尽相同，而且单一纤维对于水泥基材料性能的提升通常侧重于某特定方面，在综合性能提升方面往往效果欠佳。因此，要综合提升水泥基材料的受力和变形性能，需要采用不同尺度的混杂纤维对水泥基材料进行复合增强，以起到协同互补的工作效应。学者们自20世纪70年代开始就陆续开展混杂纤维对水泥基材料力学性能改善的相关研究，包括不同长度或直径的同种纤维混杂、不同类型的两种纤维混杂(如钢-聚丙烯纤维混杂、钢-玄武岩纤维混杂以及聚丙烯-耐碱玻璃纤维混杂等)以及不同类型的3种或多种纤维混杂对水泥基材料力学性能的影响[9-11]。这些研究表明，混杂纤维增强水泥基材料的各项力学性能及韧性均优于普通水泥基材料和单一纤维增强水泥基材料，不同纤维的增强作用在一定程度上可以叠加互补，可呈现良好的正混杂效应和复合增强效果。但之前的相关研究主要侧重于探讨宏观尺度纤维(如厘米级纤维)混杂后的增强效果，对于不同尺度，尤其是微观和宏观纤维混杂对水泥基材料增强效果的研究不多；而水泥基材料本质上是由微观、细观及宏观结构组成的多尺度结构，采用不同尺度的纤维在不同结构层次进行增强是提高水泥基材料综合性能的最有效措施之一[12-16]。

综上所述，采用多尺度纤维复合增强水泥基材料能有效改善其力学性能，但关于微观纤维和宏观纤维的组合方式及掺量比例等对增强效果影响仍有待深入研究。笔者从工程应用的可行性和经济性角度考虑，以厘米级耐碱玻璃纤维作为宏观纤维、微米级碳酸钙晶须作为微观纤维混杂组成多尺度纤维体系，考虑纤维长度、掺量及混杂比例等参数影响，研究多尺度纤维对高性能水泥基材料受力和抗裂性能的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

为明确不同尺度纤维对水泥基材料力学性能的影响，以耐碱玻璃纤维为宏观纤维、碳酸钙晶须为微观纤维，考虑宏观纤维长度和混杂类型影响，设计了8组试件，如表1所示。其中，PC为未掺纤维的普通水泥基材料对比组；CW为微观纤维(即碳酸钙晶须)增强水泥基材料组，晶须质量掺量分别为5%、10%和20%；GF6、GF12及GF18分别为6、12、18 mm长度的宏观纤维(即耐碱玻璃纤维)增强水泥基材料组，且纤维质量掺量分别为2%、5%和8%；CW+GF组为微观碳酸钙晶须与宏观耐碱玻璃纤维混掺增强高性能水泥基材料组，该组合中考虑了耐碱玻璃纤维长度以及两种纤维掺量比例对混凝土增强效果的影响。需要说明的是，研究中两种纤维复合增强水泥基材料中的纤维总掺量取为5%，主要基于课题组前期研究结果考虑了最佳纤维掺量及纤维增强水泥基材料工作性能等影响[17]。

表1 各组水泥基材料试件纤维掺量Table 1 Fiber content of each type of cement-based materials

1.2 材料特性

试验的水泥基材料采用普通硅酸盐水泥(P·O 42.5)、河砂、自来水及JM-PCA(Ⅰ)减水剂等原材料进行配比，具体为：水泥∶砂∶水∶减水剂=1∶1.36∶0.34∶0.016。微观纤维采用峰竺NP-CW2型碳酸钙晶须，相对密度为2.8 g/cm3，长度为20～30 μm，直径为0.5～1.2 μm，其外观及微观形态如图1所示。耐碱玻璃纤维采用亚泰达公司生产的6、12、18 mm短切纤维，相对密度为2.7 g/m3，抗拉强度为2 500～3 500 MPa，弹性模量为80.4 N/mm2，纤维丝直径为15 μm，其外观为白色束状，微观观测下每一根纤维束都由大量纤维单丝复合而成，外观及微观形态如图2所示。

图1 碳酸钙晶须

图2 耐碱玻璃纤维

1.3 试件制作及试验方法

试验主要测试不同纤维增强高性能水泥基材料的抗压、抗折及劈拉性能，各试件制作及试验方法均参考《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)[18]及《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T 17671—1999)[19]的要求进行，抗压、劈拉试件尺寸为70.7 mm立方体，抗折试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体，试件成型24 h后拆模，放入水中常温养护28 d后取出，每种工况各制作6个试件，在万能材料试验机上进行试验。试验中，水泥基材料的抗压、抗折及劈拉强度计算式分别为

(1)

式中：fcu为水泥基材料立方体抗压强度，MPa；ffu为水泥基材料抗折强度，MPa；ftu为水泥基材料劈拉强度，MPa；P为试件破坏荷载，N；A为试件受压面积，mm2；L为试件净距，即为100 mm；b为棱柱体正方形截面的边长。

需要说明的是，试件制作过程中为防止纤维在混凝土中分散不均匀出现“聚团”现象，需对投料顺序及搅拌过程进行严格控制，即首先将称量好的砂和水泥倒入搅拌机中搅拌均匀，再边搅拌边均匀加入晶须持续搅拌1 min，然后将搅拌均匀的水和减水剂的混合溶液倒入搅拌机搅拌1～2 min；如加入宏观耐碱玻璃纤维，则需在上述过程之后边搅拌边将短切耐碱玻纤均匀撒入搅拌机，再持续搅拌2～3 min。这一投料搅拌方式可使纤维在混凝土中比较均匀地分布，能很好地保证纤维混凝土的施工成型要求。

2 结果分析

2.1 单一纤维增强水泥基材料

表2给出了碳酸钙晶须和耐碱玻璃纤维分别增强水泥基材料抗压、抗折及劈拉强度28 d的实测平均值。从表2可以看出，微观碳酸钙晶须掺入对水泥基材料力学性能的增强作用明显，其抗压、抗折及劈拉强度最多可分别提高8.31%、37.63%及30%，且提高幅度与掺量相关，通常掺量越多强度越大，但掺量超过一定值后再增加反而起反作用，如当水泥基材料中碳酸钙晶须掺量从10%增至20%后，其抗压、抗折强度不仅未提高，反而呈现一定程度的降低。宏观耐碱玻璃纤维的掺入同样可提高水泥基材料的力学性能，当掺量在5%及以上时，提高较明显，而且纤维长度越长，水泥基材料的力学性能提高效果越佳；宏观耐碱玻璃纤维增强的水泥基材料试件的抗压、抗折和劈拉强度最大可分别提高7.79%、61.29%及80.0%。

表2 单一纤维增强水泥基材料的28 d强度Table 2 Strengths of reinforced cement-based materials by single type fiber(28 d)

为进一步反映单一纤维增强水泥基材料的力学性能，图3、图4分别给出了碳酸钙晶须、耐碱玻璃纤维增强水泥基材料的抗压、抗折及劈拉强度随纤维掺量的变化趋势。可见，碳酸钙晶须增强水泥基材料的劈拉强度随晶须掺量的增加呈增长趋势，但抗压和抗折强度随晶须掺量的增加呈先增后减的趋势，且抗折强度的降幅比较大；而耐碱玻璃纤维增强水泥基材料的抗压、劈拉强度随纤维掺量的增加大致呈先增后减的趋势，但抗折强度随纤维掺量的增加呈增长趋势。此外，碳酸钙晶须的质量掺量在10%左右时对混凝土的增强作用最明显，宏观纤维掺量在5%左右时，水泥基材料的综合力学性能提高幅度最大。同时，宏观纤维的长度(长径比)也是影响水泥基材料力学性能的重要因素，18 mm耐碱玻璃纤维的增强效果要优于12、6 mm纤维，特别是在混凝土的抗压和劈拉性能提高方面尤为显著。

图3 碳酸钙晶须增强水泥基材料强度实测值Fig.3 Experimental values of strength of cement-based materials reinforced by CaCO3

图4 耐碱玻璃纤维增强水泥基材料强度实测值Fig.4 Experimental values of strength of cement-based materials reinforced by AR-glass

2.2 碳酸钙晶须和耐碱玻璃纤维复合增强水泥基材料

为分析微观和宏观纤维复合增强高性能水泥基材料的力学性能，表3给出了碳酸钙晶须和不同长度的耐碱玻璃纤维复合增强水泥基材料试件的抗压、抗折及劈拉强度28 d实测平均值。由表3的试验结果对比可看出，水泥基材料采用碳酸钙晶须和耐碱玻璃纤维复合增强后，其抗压强度比单一纤维增强时有明显提高，提高幅度与两种尺度纤维间混杂比例以及宏观纤维长度相关，当两种尺度纤维混杂比例相当(即掺量比例为2.5∶2.5)且宏观纤维较长时效果最佳，最大提高幅度约在20%～30%之间；而其抗折、劈拉强度介于两种尺度纤维单一增强时之间，比微观纤维单一增强时大、比宏观纤维单一增强时小，这与微观纤维和宏观纤维对水泥基材料的增强机理不同有关，在宏观裂缝控制及抗拉性能提高方面，厘米级的耐碱玻璃纤维比微米级的碳酸钙晶须更有优势，因此，宏观纤维掺量比例较大时，抗折及劈拉强度较大，反之较小，两种强度指标在不同纤维混杂比例下的平均变化范围约为0～40%，有较大的调整空间。因此，要使水泥基材料获得综合性能优越的增强效果，应根据需要调整不同尺度纤维的混杂比例以充分发挥复合增强效果。

表3 碳酸钙晶须-耐碱玻璃纤维增强高性能水泥基材料28 d抗压强度Table 3 Strengths of high performance cement-based materials reinforced by CaCO3 whisker and AR-glass fiber(28 d)

为进一步明确不同尺度纤维对水泥基材料力学性能的增强效果，图5给出了不同掺量比例下两种尺度纤维复合增强水泥基材料强度的变化趋势。由图5可看出，多纤维复合增强水泥基材料的抗压强度随碳酸钙晶须掺量比例的增加(或耐碱玻璃纤维掺量比例的减少)大致呈先增后减的趋势，在合适的掺量比例下呈现明显的正相关效应(即波峰效应)，该效应在两种纤维比例相当和宏观纤维长度较大时尤为明显；与此同时，多纤维复合增强水泥基材料的抗折、劈拉强度随碳酸钙晶须掺量比例的增加(或耐碱玻璃纤维掺量比例的减少)大致呈降低趋势。这进一步表明，水泥基材料的综合力学性能可通过调整不同尺度纤维的混杂比例予以控制。

图5 晶须-耐碱玻璃纤维复合增强水泥基材料强度实测值Fig.5 Experimental values of strength of cement-based materials reinforced by whisker and AR-glass

3 增强机理

研究表明[10,12]，水泥基材料内部的微孔洞和微裂纹等结构缺陷可通过掺入适量纤维进行改善。纤维在水泥基材料中的增强作用主要有填充、阻裂和桥联等，但不同纤维对基体性能增强的侧重点不同。对于微米级的碳酸钙晶须，其增强作用主要表现在对水泥基材料内部结构的密实和微裂纹抑制方面，因而掺量合适时能有效提高水泥基材料的抗压强度，并能在一定程度上改善抗拉性能。图6(a)、(b)分别给出了普通水泥基材料和碳酸钙晶须增强水泥基材料的微观形态扫描电镜图。可见，均匀分散的碳酸钙晶须一方面可填充水泥基材料内部微孔隙以改善强度，另一方面可抑制微裂缝开展，使得水泥基材料的破坏面呈现明显的凹凸不平状，而未进行纤维增强的水泥基材料破坏面则相对平整，破坏时的脆性特征相对显著。值得注意的是，尽管微观尺度的碳酸钙晶须较厘米级的短切纤维有更好的分散性，但掺量过多或搅拌不均匀，仍可能出现“团聚”现象，影响增强效果，如图6(c)所示。对于厘米级的耐碱玻璃纤维，其增强作用更多地表现在对水泥基材料宏观裂缝抑制和内部结构桥联上，宏观纤维通过与基体发生滑移、摩擦以及自身断裂来消耗能量，从而阻止裂缝进一步开展，达到阻裂增韧的目的。图6(d)给出的水泥基材料微观结构观测结果显示，如果水泥基体的裂缝间存在耐碱玻璃纤维，则裂缝间的应力可以通过宏观纤维有效传递，裂缝的扩展也能得到有效抑制。此外，宏观纤维还能够在基体内部孔隙和裂缝间起到桥联作用，可有效保证水泥基材料内部结构的整体性和协同受力能力，通常纤维长度越大桥联作用越明显。图6(e)给出的纤维增强水泥基材料的微观形态可见，耐碱玻璃纤维可在基体的内部空隙间起桥联作用。此外，宏观纤维的阻裂和桥联作用还与掺量有关，纤维掺量过大时，纤维会因“团聚”现象在基体内部形成空隙和缺陷，影响其增强效果，如图6(f)所示。总的来说，采用不同尺度纤维复合增强水泥基材料可充分发挥各纤维的增强特点，达到在不同结构层次和受力阶段对水泥基材料发挥增强作用的目的。需要说明的是，图6所示的微观形态中未同时显示碳酸钙晶须和耐碱玻璃纤维复合增强水泥基材料的扫描电镜图片，这主要是由于两种纤维的尺度相差明显，无法在相同放大倍数下同时观察到各自的微观形态。

图6 不同尺度纤维增强水泥基材料的微观结构形态Fig.6 Microscopic structural morphology of cement-based materials reinforced with different

4 结论

1)微观碳酸钙晶须和宏观耐碱玻璃纤维均可改善水泥基材料的抗压、抗折及劈拉性能，且改善程度与纤维掺量及长度相关。碳酸钙晶须的质量掺量约10%时，水泥基材料的力学性能提高幅度最大，其中，抗折强度较未增强时可提高近40%；耐碱玻璃纤维5%掺量时，水泥基材料的综合力学性能表现最优，且基体的力学性能提高程度随纤维长度增加而增加，18 mm耐碱玻璃纤维增强水泥基材料的抗折强度较未增强时的提高幅度最多可达60%。

2)采用微观碳酸钙晶须和宏观耐碱玻璃纤维复合增强高性能水泥基材料，可在不同结构层次上发挥两种纤维的增强优势。微、宏观纤维复合增强混凝土的抗压强度通常明显高于采用单一纤维增强时；而抗折、劈拉强度一般介于采用两种纤维单一增强之间，当复合纤维中宏观纤维比例增大时，增强高性能水泥基材料的抗折、劈拉强度提高幅度增大，反之亦然。

3)不同尺度的纤维对水泥基材料的增强侧重点不同。微观碳酸钙晶须的增强作用主要表现为对水泥基材料内部缺陷的改善以及微裂缝的抑制，而宏观耐碱玻璃纤维的增强作用主要为对水泥基材料宏观裂缝的抑制和内部结构的桥联；多尺度纤维复合增强高性能水泥基材料的性能特征主要与纤维类型、掺量、混杂比例及长度等有关。