纤维与水泥砂浆界面黏结性能研究

张献民，陈雪芳，李长辉，霍海峰,陈 宇

(1.中国民航大学机场工程研究基地，天津 300300;2.中国民航大学交通科学与工程学院，天津 300300)

0 引 言

纤维增强混凝土作为一种多相复合材料，在细观层次上，可以被认为是一种由粗骨料、纤维水泥砂浆以及骨料与砂浆之间的界面过渡区组成的复合材料[1],对于复合材料结构来说，黏结性能是复合材料结构相互作用的基本保证，黏结性能会影响裂缝的发展、裂缝的宽度和间距，最终影响复合结构的性能[2]。大量研究表明，纤维与水泥砂浆基体界面黏结应力的增强能够减小裂缝宽度和裂缝间距，从而提高混凝土抗化学侵蚀和渗透能力，直接影响纤维对混凝土的增强效果[3-4]。

钢纤维是土木工程中应用最广泛的纤维，各研究人员已经深入研究了钢纤维在胶结基体中的拉拔行为，包括钢纤维的几何形状、纤维取向、纤维的嵌入长度和基体强度。杜俊杰[5]认为纤维-基体界面黏结性能主要由物理化学结合性能和机械性能两部分决定。Tai等[6]通过试验研究了纤维埋置倾角和纤维形态对超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)基体中高强钢纤维性能的影响，试验结果表明，平直光滑纤维的荷载和能量耗散能力一般随着加载速率和倾角的增大而增大，钩状和扭曲的纤维显示出不太一致的趋势，它们的峰值荷载和能量耗散能力出现在0°(与负载对齐)到30°之间，平直光滑纤维对加载速率表现出最敏感的响应，并且获得高达2.32的荷载能力动态增加因子(dynamic increment factor,DIF)，钩形纤维的扩散系数一般较小，尤其是在较大倾角时,扭曲纤维的扩散系数低于1.00。赵楠等[7]通过开展不同龄期的钢纤维增强水泥基复合材料单根纤维拉拔试验及数值模拟研究，分析了龄期对钢纤维增强水泥砂浆界面黏结性能的影响。Esmaei等[8]采用实验和非线性有限元模型来模拟钢纤维直径、纤维形状、纤维末端偏差角等不同参数对拔滑特性的影响。Naaman等[9]对钢纤维从水泥基混凝土中整个拔出过程的黏结-应力-滑移关系进行了建模，该模型首次用于导出纤维混凝土黏结的典型应力-滑移曲线，被认为是纤维-混凝土界面的本构特性。除了钢纤维之外，刘建忠等[10]研究了聚丙烯纤维埋入长度、纤维埋入角度与水泥砂浆的水灰质量比、龄期对界面黏结强度的影响。Gokoz等[11]研究了加载速率对砂浆中聚丙烯纤维拔出行为的影响,发现随着加载速率的增加，聚丙烯纤维的能量吸收能力显著增加，并在加载速度高于100 cm/s时高于钢纤维。马一平等[12]采用拔出法研究了聚丙烯纤维单丝与水泥基材的界面剪切脱黏强度及其影响因素。王艳等[13]采用声发射技术，对聚丙烯纤维拔出试验的全过程进行监测，相关研究为声发射试验研究提供了有效的系统参数设置值。

由上述文献可知，目前比较常用的测量纤维与基体间黏结性能的试验方法主要有以下几种[14-15]：纤维拉拔试验、压头顶出试验、单根纤维碎断试验、微黏测试试验及纤维埋置模型试验。相比较而言，单根纤维拔出试验实施较为困难，但单根纤维拔出试验中纤维与基体间的受力条件与纤维混凝土开裂过程中纤维与基体间的受力条件近似[16]，可以直观地反映纤维与混凝土或水泥砂浆的黏结行为[17]。因此，本文从工程常用的三类纤维材料(金属纤维、无机纤维、有机纤维)中选出四种纤维，考虑纤维种类、砂浆水胶比、纤维直径及纤维埋置长度等因素对界面黏结强度的影响，采用“8字”型试件对单根纤维与基体间黏结的力学行为进行系统地研究并得到了有益的结论，研究结果可为机场工程中纤维混凝土道面板的建设提供重要的工程依据。

1 实 验

1.1 原材料

1.1.1 胶凝材料

本次试验采用的胶凝材料是冀东水泥厂生产的水泥强度等级为42.5的复合硅酸盐水泥和灵寿县德通矿产品加工厂生产的硅灰和一级粉煤灰。水泥各项物理指标参数见表1，其中SO3含量为2.8%(质量分数)，密度为3.1 g/cm3,细度为3.6%；粉煤灰的筛余量为5.2%，密度为2.27 g/cm3；硅灰的比表面积为20 000 m2/kg；SiO2含量达到了95.3%(质量分数)。

表1 水泥基本技术参数Table 1 Basic technical parameters of cement

1.1.2 集料

本次试验主要研究水泥砂浆与纤维之间的黏结性能，因此集料主要选用细集料河砂，由天津鑫如建材厂家提供，实测其含水量为4.4%(质量分数)，其细度模数为2.46，属于中砂，含泥量小于1%(质量分数)，表观密度为2.67 g/cm3。

1.1.3 纤维

本次试验使用的纤维分别为天津恒沣栩金属新材料股份有限公司生产的钢(steel，ST)纤维[18]、宁波时科新材料科技有限公司生产的聚丙烯(coarse polypropylene，CPP)粗纤维、四川点石玄武纤维科技有限公司生产的浸胶玄武岩纤维(basalt fiber，BF)以及日本可乐丽株式会社生产的直径0.6mm的聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)纤维和上海申湘混凝土纤维有限公司生产的直径0.2 mm的PVA纤维。四种纤维的各项性能及样品图见表2及图1，其中L为纤维自身的长度，Lf为纤维在砂浆基体中的埋置长度。

表2 各类型纤维规格和性能Table 2 Specifications and performances of various types of fibers

图1 各纤维样品图Fig.1 Images of fiber samples

1.1.4 外加剂

为了提高砂浆的和易性和减少用水量以提高砂浆强度，在制备砂浆过程中使用了广西红墙厂家生产的聚羧酸高效减水剂，其减水率为25%，用量占水泥质量的0.5%。

1.2 试件设计

根据《砌筑砂浆配合比设计规程》(JGJ/T 98—2010)规范进行砂浆配合比设计，表3是砂浆配合比，采用三联模，使用胶砂强度测定方法测定各水胶比下砂浆的抗压及抗折强度，测试结果如表4所示。

表3 砂浆各强度质量配合比Table 3 Mixing ratio of different strength grade of mortar

表4 砂浆抗压及抗折强度Table 4 Compressive and flexural strength of mortar

砂浆成型过程主要采用实验室水泥胶砂搅拌机，首先按比例加入水、水泥、粉煤灰及硅灰低速搅拌60 s，然后按照比例加入河砂，先低速搅拌60 s再高速搅拌60 s，然后加入减水剂高速搅拌60 s，最终完成注模成型。在砂浆拌制过程中掺入一定量的粉煤灰能提高拌合物的流动性，硅灰可对砂浆起到密实增强的作用，同时改善砂浆的碱性环境，试验采用的聚羧酸高效减水剂，可在给定工作性和强度的条件下，减少水和水泥用量，从而节约水泥，减少干缩、徐变和水泥水化引起的热应力[19]。

参照《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13—2009)试验规范，本试验设计了“8字”型试件进行纤维拉拔试验。试件形状如图2所示，试模采用白色亚克力板拼接而成，中部使用10 mm的挡板隔开(挡板中间开有小孔)，首先将试模的1/2灌入一定强度的水泥砂浆，插捣密实后平整表面，将单根纤维穿过中间挡板中心孔预埋在试件中部，然后浇筑另外1/2的试模，插捣密实，每组成型4个试件，1 d后拆模，将其置于标准养护条件下养护至28 d。

图2 纤维拉拔试件图Fig.2 Fiber drawing specimen diagram

1.3 试验方案与过程

1.3.1 试验方案

通过混合正交试验进行不同因素组合，可减少试验次数，并且对各方案试验结果进行方差分析和结果的显著性检验，选出基体强度和纤维规格的较优方案，选择混合正交因素表L8(41×23)，如表5所示，其中Lf为纤维在砂浆基体中的埋置长度，正交方案如表6所示。

表5 混合正交因素表L8(41×23)Table 5 Mixed orthogonal factor table L8 (41×23)

表6 正交试验方案设计Table 6 Orthogonal test scheme design

1.3.2 试验过程

采用拉拔试验机进行拉拔测试，以0.3 mm/min的速度加载，试验装置如图3所示。可以得到荷载-滑移曲线，其拔出荷载-位移曲线下的面积越大，说明拉拔功越大，对界面黏结强度越有利。

图3 拉拔装置Fig.3 Drawing device

2 单根粗纤维拔出黏结强度的计算

目前国内外还没有标准的方法来计算纤维与水泥基体之间的黏结强度，对于单根粗纤维拔出试验的有关理论主要是应力降理论、剪滞理论和Stang 理论[20]。陈亚迪[21]将纤维的拔出荷载-滑移曲线分为两个阶段，如图4所示：第一阶段是从初始点到峰值荷载点，可称为脱黏阶段，这一阶段主要依靠纤维与砂浆基体间界面化学黏结力；第二阶段是从最大拔出荷载点到最终点，可称为摩擦阶段，表示纤维从完全脱黏到最终被完全拔出，这期间主要是纤维与砂浆基体之间的摩擦阻力。根据相关学者[22]的研究,单根粗纤维拔出试验中界面黏结强度可以分为平均黏结强度τsa和等效黏结强度τse，定义平均黏结强度为基于最大拉拔荷载和埋置长度计算得到，等效黏结强度基于拉拔过程中耗散能量所做的功W求得。

图4 典型单根纤维荷载-滑移曲线Fig.4 Typical single fiber load-slip curve

平均黏结强度及等效黏结强度的计算公式如下：

(1)

(2)

式中：P为纤维黏结拔出试验的拔出荷载,N；d为纤维等效直径,mm；Lf为纤维埋置长度，mm。

3 结果与讨论

3.1 试件破坏结果

通过对试验现象的观察发现，拔出试件的破坏形态可以分为2种，即纤维被完全拔出和纤维被拉断，分别如图5(a)、(b)所示。试验结果表明，直径较小(0.2 mm)的单根纤维容易从“8字”型试件一半自重的作用下就拔出，这是由于纤维直径较小，水泥砂浆基体中存在孔隙，所以较小的拉力就足以使纤维从基体中拔出，同时0.2 mm钢纤维的泊松收缩极大地影响了其黏结性能，这是由于砂浆的弹性模量仅比钢纤维的弹性模量小5倍或6倍，可以大大降低穿过纤维-基体界面的应力传递，并相应降低拉拔力[23]，这给单根纤维的拉拔试验造成了困难。除此以外，在拉拔过程中，纤维在砂浆基体中的倾斜角度对界面黏结强度造成了极大的影响，这种差异是由于基体的破坏，减少了嵌入长度，并允许纤维旋转产生额外的位移而不发生滑移[23]，因此有必要对纤维倾斜角度对界面黏结强度的影响规律做进一步的研究。浸胶玄武岩纤维由于其本身的极限延伸率较小，并且耐碱性不足，在本次试验中纤维被拉断，纤维被拉断主要是因为纤维的抗拉强度不足且小于界面黏结力，因此其不适于用来增强增韧水泥基复合材料。

图5 纤维拉拔试验结果Fig.5 Fiber pull-out test results

试验机记录了纤维从水泥砂浆基体拉拔试验过程中的荷载和位移，可得到拉拔过程的最大拔出荷载及其荷载-滑移图，可通过公式(1)计算纤维与水泥砂浆之间的界面平均黏结强度，可根据荷载-滑移图计算纤维被拔出时的拉拔功，通过公式(2)计算界面等效黏结强度。

3.2 平均黏结强度

对平均黏结强度的试验结果进行混合正交分析，所得到的结果如表7所示。

表7 正交试验结果Table 7 Results of orthogonal test

由表7可得出，正交试验4和正交试验6获得了较好的平均黏结强度，对于直径为0.6 mm的这两种纤维，埋置长度为20 mm的CPP纤维对水胶比为0.51砂浆基体的平均黏结强度为7.71 MPa，埋置长度为10 mm的PVA纤维对水胶比为0.41砂浆基体的平均黏结强度为6.94 MPa，前者比后者提高了11.1%。而对于直径为0.2 mm的这两种纤维,埋置长度为10 mm的CPP纤维对水胶比为0.41砂浆基体的平均黏结强度为4.35 MPa，埋置长度为20 mm的PVA纤维对水胶比为0.51砂浆基体的平均黏结强度为4.85 MPa，前者比后者降低了11.5%，体现了纤维直径和纤维类别对拉拔试验的重要影响。另外，各因素对平均黏结强度影响的重要程度由高到低依次为纤维类别>纤维直径>基体强度>纤维埋置长度。

从各因素趋势图(见图6)可以明显看出：纤维种类对平均黏结强度的影响的顺序为有机纤维>无机纤维>金属纤维；直径0.6 mm的纤维比直径0.2 mm的纤维更有利于界面的平均黏结强度；纤维在砂浆基体中埋置的长度从10 mm增长至20 mm时，平均黏结强度略微下降，降低了1.65%，说明纤维在砂浆中的埋置长度在10～20 mm之间时可获得较好的黏结应力；当砂浆基体水胶比从0.51降低到0.41的过程中，界面平均黏结强度降低了14.1%，说明并不是基体强度越大界面黏结越牢固。从以上分析中可以得出：最优方案应取各因素最大K值所对应的水平，即为A2B2D1C2或A3B2D1C1，即纤维种类选择CPP纤维，纤维直径选择0.6 mm，基体水胶比选择0.51，埋置长度为20 mm，或者纤维种类选择PVA，纤维直径选择0.6 mm，基体水胶比选择0.41，埋置长度为10 mm。为了进一步验证各因素对试验结果影响的重要程度，对试验结果进行方差分析，利用F值评价各因素的影响程度。Sig值表示显著性水平，当该值小于0.05时则认为该因素对计算结果影响显著，反之则认为影响不显著[24]，方差分析的结果如表8所示。

图6 平均黏结强度趋势图Fig.6 Trend chart of average bond strength

表8 混合水平正交试验方差分析表Table 8 Analysis of variance of mixed level orthogonal test

根据方差分析表的结果(表8)可知，纤维种类，纤维直径、纤维埋置长度和基体水胶比所对应的Sig值均大于0.05，因此可认为因素A、B、C、D对计算结果(平均黏结强度)均无显著影响，由F值的大小可以看出：A因素(纤维种类)对应的F值最大，故在无给定显著性水平下，A因素(即纤维种类)对界面平均黏结强度的影响较显著，这是由于本次试验所选用的纤维材料性能差异较大，试验结果离散性很大，从而表现出纤维种类对界面平均黏结强度的强烈影响。

3.3 等效黏结强度

试验的荷载-滑移图如图7所示，从图中可以得到，每组正交试验三个试样的荷载-滑移曲线均呈现先上升后下降的两个阶段，在加载初期，曲线呈线性增长关系，纤维与砂浆基体没有相对滑移，位移变化较小，为纤维自身的弹性变形，随着荷载的增加，纤维在基体内部开始脱黏，纤维向上滑动使位移增加，拉拔力与滑移呈非线性关系[25]，且滑移曲线出现波动，这可能是由于纤维的阻滞作用和砂浆基体的摩擦使得拉拔过程变得曲折。

图7 正交试验荷载-滑移图Fig.7 Orthogonal test load-slip diagram

本文采用三试样的平均曲线作为每组正交试验的荷载-滑移曲线并进行积分求得拉拔功。定义拉拔功为荷载-滑移曲线与横轴所围成面积，根据公式(2)计算等效黏结强度，结果整理如图8所示。可以看到各正交试验组对应的拉拔功和等效黏结强度差异很大，但很明显正交试验4和正交试验6对应的等效黏结强度较大，即直径0.6 mm、埋置长度20 mm的CPP纤维对水胶比为0.51的砂浆基体等效黏结强度为13.25 MPa，直径0.6 mm、埋置长度10 mm的PVA纤维对水胶比为0.41的砂浆基体的等效黏结强度为12.19 MPa,前者比后者提高了8.7%。同时，合成CPP纤维相较于相同规格的钢纤维，等效黏结强度提高了5.4倍。对等效黏结强度的计算结果进行混合正交试验的直观分析和方差分析，结果如表9和表10所示。

图8 拉拔功与等效黏结强度结果Fig.8 Results of pull work and equivalent bond strength

表9 混合正交试验设计直观分析Table 9 Visual analysis of mixed orthogonal experiment design

表10 混合水平正交试验方差分析Table 10 Variance analysis of mixed level orthogonal test

从以上正交分析数据中可以得出，CPP纤维对砂浆基体的等效黏结强度相比PVA纤维提高了7.4%；从图9各因素趋势图中可得出直径0.6 mm的纤维对砂浆基体的等效黏结强度远高于直径0.2 mm的纤维，提高幅度为2.5倍，这体现了纤维直径对等效黏结强度的影响较为强烈；同时随着纤维埋置长度和砂浆基体强度的增大，等效黏结强度均略微降低，趋势与平均黏结强度一致。通过综合分析可以得到，对于等效黏结强度，各影响因素的优先次序为纤维种类、纤维直径、基体强度和纤维埋置长度，较优的试验方案是A2B2D1C2，即正交4方案，选取CPP纤维，直径选择0.6 mm,砂浆基体水胶比为0.51，埋置长度为20 mm,但通过正交试验的方差分析，发现各因素在给定显著性水平下对等效黏结强度的影响均不显著，在不给定显著性水平条件下，B因素(即纤维直径)对界面等效黏结强度影响较其他因素显著，这是由于纤维直径对本次试验有重要影响，0.2 mm的纤维在试验过程中容易从很小的拉拔力作用下就从基体中拔出，且由于砂浆基体本身有空隙，当纤维直径较小时，正好嵌入基体的孔隙中，导致了较小的黏结应力，故纤维直径对等效黏结强度影响比较显著。

图9 等效黏结强度趋势图Fig.9 Trend chart of equivalent bond strength

4 结 论

本文通过单根纤维拔出试验，采用混合正交试验设计方法，系统研究了不同类型的纤维在不同纤维埋置长度(10 mm、20 mm)、不同直径(0.2 mm、0.6 mm)条件下从不同水泥砂浆水胶比(0.51、0.41)基体中的拔出过程，主要得到的结论如下：

(1)正交试验4(CPP纤维，直径0.6 mm,砂浆基体水胶比为0.51，埋置长度为20 mm)和正交试验6(PVA纤维，直径0.6 mm,砂浆基体水胶比为0.41,埋置长度为10 mm)所得到的界面黏结强度试验结果远高于其他正交试验组，并且这两组试验结果均表明，等效黏结强度大于平均黏结强度。

(2)在混合正交试验中，研究的四种因素对界面黏结强度的影响有先后，优先次序为纤维种类、纤维直径、砂浆基体强度、纤维埋置长度。通过各因素的极差和方差综合分析，可得到本次试验纤维与砂浆基体的最佳组合为：聚丙烯粗纤维，直径0.6 mm，砂浆基体水胶比为0.51，埋置长度为20 mm。

(3)纤维种类对界面平均黏结强度影响F值为1.39，较其他因素显著；纤维直径对界面等效黏结强度影响F值为2.56，较其他因素显著，这同时也验证了纤维种类和纤维直径对界面黏结强度的影响较其他两种因素更为强烈。

(4)本次试验所选取的四种纤维中，相较于钢纤维，其余三种纤维对砂浆基体的界面黏结强度均大于钢纤维，这说明了其余三种纤维在土木工程中应用的远大前景，尤其是在公路和机场道面工程中(钢纤维混凝土易扎胎)。