纤维-建筑石膏基复合材料力学及耐水性能研究进展

谢浪，罗双，付汝宾，周银笙，程想，孔德文，王玲玲

(贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025)

石膏基复合材料是在石膏中添加一定掺合料及外加剂制备的一种新型建筑材料，可增强石膏的物理及力学性能，且具有保温隔热性能好、能耗低等优点[1-2]，但此类材料的抗折强度和耐水性能仍较差[3-4]，限制了其在工程领域的大规模应用。

纤维是一种天然或人工合成的细丝状物质，具有较好的断裂韧性和拉伸强度，其种类繁多，按材性可分为无机纤维和有机纤维，而按其吸湿性可分为疏水性纤维和亲水性纤维[5-6]。纤维当前被广泛应用于改性诸多复合材料，以增强其各项性能[7-8]。国内外学者常以建筑石膏为原料制备石膏基复合材料，掺加各种纤维，并对此进行了大量的理论分析和试验研究，以探究纤维对其性能的影响。

本文基于现有研究成果，就纤维对建筑石膏基复合材料力学性能、耐水性能的影响进行综述和讨论，并对今后开展的研究进行展望，以期为纤维-石膏基复合材料的后续研发及应用提供参考。

1 纤维对建筑石膏基复合材料力学性能影响

1.1 纤维对建筑石膏基复合材料力学性能影响机理

石膏基复合材料内部存在诸多原始缺陷，其结构疏松多孔，致使抗折强度低、脆性大而易断裂破坏[9]。研究认为，一定掺量和长度范围内的纤维掺入基体中，可形成具有约束作用的网状结构，提高了基体的连续性，其在复基体受力时可吸收较大的能量，改善基体内部的应力场。当基体受弯时，纤维跨越原始裂缝成为传递荷载的桥梁，其与基体间的机械咬合力、界面黏结力和握裹力抵抗着内部产生的拉应力，从而抑制裂纹扩展和基体开裂。在出现开裂时，纤维能够连接出现的微裂缝，一面从硬化体中拔出，一面抵抗外力，阻碍着裂缝发展和基体破坏，从而提高复合材料的抗折强度。在基体受压时，编织成网的纤维形成“环箍效应”，可约束基体中部向四周扩散，一定程度上可提高抗压强度，但受压方向交错叠加的纤维将使基体在受力时的弹性变形过程中产生较大的附加应力，且内部产生的拉应力易在微裂缝顶部形成应力集中，致使裂缝出现并扩展，不利于抗压强度的提高[10-12]。

当纤维较短、掺量较少时，其在基体中的分布较分散，难以共同作用，反而成为内部缺陷；而纤维过长、掺量过多时，则易结束成团，难以分散均匀，致使内部结构不均，形成较大缺陷(见图1)。这皆不利于复合材料力学性能的提高[10-12]。

图1 不同纤维掺量复合材料的SEM 照片[10]

1.2 纤维种类对建筑石膏基复合材料力学性能影响

在纤维-建筑石膏基复合材料的各项力学性能指标中，抗折、抗压强度及韧性是研究最广泛的，且不同纤维对复合材料力学性能的影响情况不尽相同。

1.2.1 无机纤维对复合材料力学性能的影响

无机纤维是以无机物为原料制成的化学纤维，有着较高的弹性模量和抗拉强度，但其性脆易断、不耐磨[13]。

展琳琳[10]的研究发现，玻璃纤维可提高建筑石膏基体的抗折强度，随玻璃纤维掺量和长度的增加，抗折强度先提高后降低；抗压强度则随玻璃纤维掺量的增加而不断降低，在长度适中时降幅最小；当玻璃纤维掺量为1.5%、长为15 mm 时综合强度最佳，纤维改性试件的强度较空白组有大幅提高。黄韡[11]的研究发现，随着碳纤维掺量和长度的增加，建筑石膏基体的抗折强度先提高后降低，抗压强度则不断降低，在碳纤维掺量为1.5%、长为15 mm 时综合性能相对最优[11]。张鑫[12]的研究发现，不同长径比的硅灰石纤维掺量增大时，建筑石膏复合材料的抗折强度先提高后降低，抗压强度不断降低，在长径比适中(15∶1)时综合强度最佳，而纤维经表面处理后，试样的机械强度都可获得较大提高。

玻璃纤维、碳纤维、硅灰石纤维等无机纤维可显著提高复合材料的抗折强度，但对抗压强度通常不利。这是因为无机纤维的机械性能较好，能够承受更大的拉拔力，在基体开裂时能继续发挥桥接裂缝传递荷载作用，抑制基体开裂，从而显著提高抗折强度，但大多数无机纤维的分散性较差[14]，难以在复合材料受压时发挥作用，致使抗压强度有所降低。

1.2.2 有机纤维对复合材料力学性能的影响

有机纤维的机械性能相对较低，但韧性较好[15]，常用的有机纤维主要是有机合成纤维和天然植物纤维等。

有机合成纤维种类繁多，将聚丙烯(PP)纤维[16]和聚乙烯醇(PVA)纤维[17]掺入建筑石膏中，基体的抗折强度随纤维掺量和长度的增加而先提高后降低，抗压强度随掺量的增加不断降低，但与长度的关系不明显。当12 mmPP 纤维和PVA 纤维掺量为1.2%时，基体应变能较未掺纤维的空白组分别增大2.5 倍和7.0 倍，韧性指数分别增至2.92 和6.82[18]。石宗利和黎良元[19]的研究指出，随8 mm 维尼纶纤维掺量的增加，矿渣-建筑石膏基复合材料的抗折及抗压强度先提高后降低，但增幅较小；抗冲击韧性不断增大；断裂韧性则先增大后减小，且增幅较大，在维尼纶掺量为0.7%时断裂韧性达到最高。Eve等[20]的研究发现，聚酰胺纤维使建筑石膏基体的抗折及抗压强度降低，但断裂韧性显著提高。

植物纤维也常用作建筑石膏的增强材料，Hostalkova 等[21]的研究发现，掺入木纤维对基体的抗折及抗压强度均不利，且与掺量呈负相关。Olivares 等[22]的研究发现，剑麻纤维对基体的抗折、抗压强度略有增强作用，但其长度从20 mm 增至40 mm 时，基体的韧性可增大近3 倍，并随剑麻纤维掺量的增加而增大；Iucolano[23]的研究发现，掺量为2%的蕉麻纤维可显著增强基体的弯曲韧性，纤维经处理后韧性可进一步提高。

图2 为文献[16-19]中不同有机纤维在较优长度下对建筑石膏基复合材料抗折及抗压强度的影响情况。

图2 有机纤维对复合材料抗折、抗压强度的影响[16-19]

由图2 可知，有机纤维对复合材料抗折及抗压强度的作用并不规律，部分有机纤维对复合材料有增强作用，但效果不佳，部分有机纤维还对强度有不利影响。这是因为有机纤维的弹性模量和抗拉强度相对较小，只能承担有限的外荷载，且因其柔性纤维的特质而易弯曲成团，增加基体内部薄弱环节，难以直接提高强度[24]。但有机纤维具有更好的断裂韧性，在受力时能吸收较大能量，并在基体开裂时较好地发挥桥接作用，可大幅提高基体的初裂挠度，显著增强其韧性。

综上所述，纤维对石膏基复合材料的力学性能有着不同影响，其中无机纤维主要用于提高强度，有机纤维则对韧性有显著增强作用。在对无机和有机纤维进行表面处理后，皆对复合材料力学性能有大幅提高，是由于纤维经处理后表面变得粗糙而与基体粘结更为紧密(见图3)，在受力时不会被直接拔出，而是需克服很强的界面粘结力才会断裂，且纤维与基体形成的可变形柔性界面层能够松弛复合材料内部的附加应力，减弱局部的应力集中，使得作用效果进一步增强[25]。

图3 纤维-建筑石膏基复合材料的断面形貌[10]

表1 总结了不同文献中常见无机及有机纤维对石膏基复合材料力学性能的影响情况，并给出了文献中部分纤维相对较优的掺加工艺参数，结合纤维作用机理，可做如下分析：

(1)纤维的弹性模量和拉伸强度越大，对石膏基复合材料力学性能的增强作用越明显。但也有例外，如粘结性能优异的聚乙烯醇纤维[18]机械性能远低于碳纤维，但其增强效果甚至比表面光滑的碳纤维好，而粘结性能较差的聚酰胺纤维[26]尽管有较优的机械性能，但掺入此纤维对复合体的强度有不利影响。此外，纤维经表面处理后可与石膏基体结合更为紧密，强度及韧性都获得较大提高。这些现象表明纤维增强石膏材料的力学性能主要是依靠其与基体间的界面粘结力[27-28]，两者结合越紧密，强度提高越多[29]。因此，纤维的粘结性能对建筑石膏基复合材料力学性能的影响大于纤维的机械性能。

(2)纤维石膏基复合材料的抗折强度及韧性随纤维的掺量及长度的改变而变化显著，抗压强度则随掺量变化的趋势比较明显，但与长度的关系并不明确，且在同一掺量下不同长度的纤维对于力学性能的增强或降低幅度差异较小，而纤维的直径虽然也会对石膏基复合材料的力学性能产生影响，但影响极小[20]。因此，对于某一种纤维而言，对石膏基复合材料力学性能的作用效果依次取决于纤维掺量、长度、直径。

表1 不同纤维对建筑石膏基复合材料力学性能影响情况

2 纤维对建筑石膏基复合材料耐水性能影响

2.1 纤维对建筑石膏基复合材料耐水性能影响机理

石膏基复合材料内部存在的大量微孔吸水以及石膏水化产物二水石膏在水中的溶解度大是导致其耐水性能差的主要原因[30]。当掺入的纤维在基体中均匀分散，并与浆体黏结在一起时，能够填充和阻断内部相互连通的孔隙，大大地降低水分移动的自由度，且纤维的掺入可以实现单一的石膏晶体向晶体和胶体共生结构的转换[19]，形成填充复合材料孔隙和密实水分渗透通道的致密界面层，从而避免了二水石膏晶体直接和水接触所发生的溶解[31]，使基体耐水性能得到改善。但纤维自身具有一定的吸水性，且因其内部和表面的化学基团不同使纤维对水分呈现出不同程度的吸附能力[10-12]，而纤维的粘结性能差别也使其与基体粘结形成的界面层致密程度不同，致使纤维对复合材料耐水性能的影响存在较大差异，甚至会降低其耐水性[18]。因而纤维对石膏基复合材料耐水性能的增强效果主要取决于纤维的粘结性能和吸水性能。

2.2 纤维种类对建筑石膏基复合材料耐水性能影响

纤维的亲水性能反映了纤维对水的亲和能力，按其回潮率大小可分为疏水性纤维和亲水性纤维。有研究表明[32]，不同亲水性能的纤维对混凝土的影响差异较大，而对于石膏基复合材料，纤维吸水性能的差异同样对其耐水性能造成不同程度的影响。

2.2.1 疏水性纤维对复合材料耐水性能的影响

疏水性纤维是指回潮率小于4.5%，吸湿性较弱的纤维，多为合成纤维，具有较好的物理及机械性能[6]。常用于纤维-石膏基复合材料耐水性能研究中的疏水性纤维有聚丙烯纤维、碳纤维、维尼龙纤维等。

赵敏等[33]将不同长径比、不同掺量的聚丙烯纤维掺入建筑石膏中，发现长径比和掺量的增大都可提高其软化系数，在长径比为800、掺量为2.2 kg/m3时软化系数可增大至0.52 左右，耐水性显著增强。刘青[34]利用碳纤维与β 型半水石膏、矿物料及外加剂制备高强耐水石膏，发现复合材料的软化系数随碳纤维的掺量增加而先增大后减小，掺入1%的12 mm 高机能碳纤维时软化系数达到最大，为0.852；而在由β 型半水石膏、矿物料及外加剂制得的石膏基复合材料中掺入不同的维尼龙纤维时，发现复合材料的吸水率降至1.5%～2.0%，软化系数提高到0.6 以上，在12 mm 高性能维尼龙纤维掺量为1%时软化系数增至最大，为0.85，耐水性能大幅增强[35]。

疏水性纤维大多能提高复合材料的软化系数，增强其耐水性能。这是因为疏水性纤维具有亲油性有机基团，且分子结构紧密，对于水分子的吸附能力较弱，其可分布于基体内部孔洞，起到填充作用，使得孔隙相对减少，也减少了水的渗入，致使吸水率降低，软化系数增大，从而增强复合材料的耐水性能。但因纤维的粘结性能不同，与石膏基体搭接面的致密程度不一，形成了部分吸水通道，对吸水率造成影响，致使耐水性能的增强效果存在差异。

2.2.2 亲水性纤维对复合材料耐水性能的影响

亲水性纤维的回潮率大于4.5%，其吸湿性较强，常用于纤维-石膏基复合材料耐水性能研究中的亲水性纤维有玻璃纤维、硅灰石纤维、天然植物纤维、聚乙烯醇纤维等。

曹杨等[36]的研究发现，掺量为1.5%的15 mm 玻璃纤维使建筑石膏基体的吸水率增大近3%，抗折、抗压软化系数分别降至0.21、0.25，纤维经改性后软化系数得到大幅提高；而在掺入1.5%的长径比为15∶1 的硅灰石纤维后，建筑石膏基体吸水率提高近2%，抗折、抗压软化系数皆减小，其耐水性减弱，对纤维经表面处理后耐水性能显著增强[12]；李国忠等[37]的研究则指出，长15 mm、掺量为5%的玉米秸秆纤维使建筑石膏基体的吸水率提高约6%，软化系数略微降低，不利于石膏防水，在对纤维改性后，软化系数可提高至0.85；此外，当掺入聚乙烯醇纤维时，建筑石膏基体软化系数可显著增大，并随其掺量的增加而先增大后减小，且在纤维长度为6～12 mm 时，纤维越长，软化系数越大，在长度为12 mm、掺量为0.8%时软化系数达到峰值，为0.64[38]。

亲水性纤维大多降低复合材料的软化系数，对耐水性常有不利影响。这是因为亲水性纤维表面具有一定数量的极性基团，且分子结构较为疏松，对水分子有强烈的吸附性，致使水分子容易深入纤维表面的微小空隙中，宏观表现为大量的水分浸入试件内部。此外，亲水性纤维具有较大的自由表面，与复合材料难以实现理想的结合，形成的弱结合界面成为水化产物快速溶解并游离至试件表面的通道，从而大大加速了水化产物的溶解剥离，使其耐水性能减弱[10，16]。但具有优越粘结性能的亲水性纤维如聚乙烯醇纤维，其吸附的游离水分子有利于石膏二水合物晶体沉淀于纤维表面，形成了致密的界面过渡区而有效防止外部水渗透，可显著增强复合材料耐水性能[39]。而在对亲水性纤维进行表面处理后，纤维结构得到改善，使其与基体粘结更为紧致，界面层防水效果增强，从而提高了材料的耐水性[36，40]。

综上所述，疏水性纤维大多会增强复合材料耐水性能，亲水性纤维则多会降低耐水性，但粘结性能优异的亲水性纤维也有增强作用。结合纤维对石膏基复合材料耐水性能的作用机理可知，影响纤维石膏基复合材料耐水性的因素中纤维粘结强度强于纤维吸水性能。

3 结论与展望

(1)纤维对建筑石膏基复合材料力学性能特别是抗压性能的增强效果易受纤维自身分散性和石膏内部结构均匀情况的影响；无机纤维多用于提高基体的机械强度，有机纤维则对其韧性有明显的增强作用；纤维对建筑石膏基复合材料力学性能的作用效果依次取决于其掺量、长度、直径；大多数疏水性纤维能增强复合材料耐水性能，而亲水性纤维则多会降低耐水性，但粘结性能优异的亲水性纤维也有增强作用；纤维的粘结性能对建筑石膏基复合材料力学性能的影响大于纤维的机械性能，其对石膏基复合材料耐水性能的影响大于纤维的吸水性能；对纤维进行表面处理，可以显著增强复合材料力学及耐水性能。

(2)虽然国内外学者对纤维-建筑石膏基复合材料做了大量研究并获得了显著的成果，但其研究方向和方法还尚未完善。纤维粘结性能：纤维与石膏的界面粘结状况是影响复合材料力学及耐水性能的主要因素，可进一步提高纤维粘结性能以改善其增强作用；纤维分布：纤维分散情况对复合材料性能有较大影响，应进一步研究改善纤维自身分散性和纤维的掺入方式，以改善纤维的分布情况；纤维直径：当前研究主要关注掺量和长度2 个因素，极少考虑直径的影响，可开展纤维直径对石膏基复合材料性能影响方面的研究；纤维复掺：目前的研究主要是针对某一种纤维进行，可以考虑开展不同纤维的复掺对于石膏基复合材料性能影响的研究。