纤维－基体早龄期界面性能的影响因素

阳知乾，李长风，刘建忠

(江苏省建筑科学研究院有限公司高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏南京210008)

塑性收缩开裂是混凝土结构中常见的问题，三维随机分散的合成纤维，可有效控制水泥基复合材料(Fiber Reinforced Cementitious Composites，FRCC)的塑性收缩开裂，这些纤维产生横跨裂缝的桥接力，并阻止裂缝的发展［1］.而纤维抗裂效果的充分发挥，在很大程度上与纤维－基体的界面性能密切相关.

纤维剥离和滑动等界面黏结性能对水泥基复合材料的承载和变形能力有显著的影响.因此，研究纤维与基体之间的界面黏结性能，有利于获得综合性能更好的纤维增强水泥基复合材料.许多研究人员研究和模拟界面黏结性能对抗裂［2］及耐久性［3］的影响.单纤维拉出试验是界面黏结性能最常用的评价方法，已有单丝拔出试验的研究基本集中在使用高强度纤维、非微细合成纤维及硬化基体中［4－6］.对微细合成纤维而言，还存在难以固定、拔出载荷非常小而难以测定、纤维被拉断而不能获得相应的载荷－位移全曲线等问题，相关报道甚少.

笔者利用自行改造的设备，评估微细合成纤维从塑性状态的水泥基体中的单丝拔出行为，重点考察龄期、埋入深度、基体特征、纤维种类及是否改性之间的差异对界面性能的影响规律，相应的研究结果可以更好地了解合成纤维在早龄期水泥基复合材料中的界面性能及抗裂作用机理.

1 试验

1.1 试验原材料与配合比

P·Ⅱ 52.5普通硅酸盐水泥，江南小野田有限公司生产;PCA－IV聚羧酸系高性能减水剂，江苏博特新材料有限公司生产，固含量30%;普通及改性聚丙烯与聚乙烯醇纤维，江苏博特新材料有限公司生产，其基本性能参数见表1，单丝拔出试验用浆配合比见表2.

表1 纤维的基本性能

表2 配合比

1.2 测试与表征

在自行改造的测试装置［7］上开展单丝纤维拔出试验，用以评价纤维与基体的界面黏结性能.该测试装置如图1所示，采用计算机程序控制传动系统，带动合成纤维从水泥基体中拔出;通过测试传感器实时感应纤维拔出端的力，获得完整的合成纤维拔出荷载－位移曲线，整个过程由计算机操作完成，保证了测试结果的有效性和准确性.将材料按相应比例混合搅拌后，测定容重，然后在固定好纤维的塑料模具中装入相应重量的浆体，振动使之密实，从加水起开始计算龄期，然后置于温度为20℃ ±2℃，湿度为65%±5%的试验条件下，到相应的龄期时进行测试，单丝拔出速度为0.5 mm/min，纤维埋入长度(Embedment Length，EL)为3～9 mm，为保证纤维从塑性基体中拔出而不被拉断，每组试样数为6个，测试的6个结果数据中，去掉偏差最大的2个结果，然后通过origin软件将剩下的4条曲线进行平均，以获得最终的曲线.载荷峰值可以从拔出载荷－位移曲线中获得，界面黏结强度的计算参考文献［8］.

图1 单根纤维拔出测试装置

扫描电镜(SEM)附带X射线能谱仪(EDS)功能，JSM－5900，用来确认二氧化硅的存在、表征纤维的表面形貌.

2 结果与讨论

2.1 龄期的影响

图2给出了龄期对纤维－水泥基体界面的影响，从图2可以看出，不论是聚丙烯(Polypropylene，PP)纤维还是聚乙烯醇(Polyvingl Alcohol，PVA)纤维，随着龄期的增加，纤维与基体之间的界面黏结强度逐渐增加.存在差异的是，PP纤维在5～9 h的早龄期阶段，界面黏结强度增加相对平稳、缓慢;在龄期为7 h以前，PVA纤维与基体的黏结强度与PP纤维相差无几;当龄期达到8 h以上，PVA纤维和基体界面黏结强度迅速增加，远大于相应龄期的PP纤维.出现前述情况，其主要原因可能是随着龄期的增加，PVA纤维表面的亲水性羟基能更好地改善界面性能.

图2 龄期对纤维－水泥基体界面性能的影响

2.2 基体特征的影响

研究基体性能(水胶比分别为 0.30，0.25，0.20)对纤维(PVA－1)与水泥基体界面黏结性能的影响，测试结果如图3所示.从图3可以看出，随着水胶比的降低，不仅表现为界面黏结强度的提高，纤维的拔出荷载－位移曲线也存在着很大的差异，主要表现为2方面:①物理摩擦力的增加.一般情况下，纤维在很小的位移下就完成了化学脱黏，之后主要靠物理摩擦力起作用.水胶比为0.30的条件下，纤维的拔出荷载较快达到峰值后一直保持平稳变化的特征.而随着水胶比的降低，拔出荷载随拔出位移的增加而增加的趋势愈加明显，这主要归功于物理摩擦力的增加.②拔出位移的降低.水胶比为0.30时拔出位移最大，由于水胶比降低，纤维－基体界面处的水分减少，不利于水化产物的形成及物理摩擦力的保持，导致拔出位移降低.

图3 水胶比对PVA纤维与基体界面黏结性能的影响

2.3 埋入深度的影响

埋入深度对早龄期界面性能也有影响.图4—5给出了纤维(PVA－1)埋入深度(3，6，9 mm)对拔出荷载－位移及黏结强度的影响.纤维拔出荷载－位移曲线存在如下特征:①相同之处是随着埋入深度的增加，物理摩擦力逐渐增加，在纤维拔断之前到达峰值，然后力全部卸载，这主要归功于相同的水胶比.②不同之处是拔出位移与埋入深度的比例.随着纤维埋深的增加，虽然拔出位移略有增加，但幅度有限，拔出位移与埋入深度的比值逐渐减小，这说明埋入深度增加，并没有带来明显的正效应.而拔出力也较为相近，因此，随着埋入深度的增加，纤维－基体的界面黏结强度降低.

图4 纤维埋入深度对PVA纤维拔出荷载－位移曲线的影响

图5 纤维埋入深度对PVA纤维－基体界面黏结强度的影响

2.4 纤维截面形状

考察了2种纤维(PP－1，PP－3)的截面形状对纤维与水泥基体界面黏结性能的影响.图6为水泥基材料成型后，纤维与基体界面黏结强度发展规律.

图6 纤维截面形状对基体界面黏结强度的影响

与截面形状为圆形的PP纤维相比，截面形状为三角形的PP纤维与水泥基体的界面黏结性能略有优势.这可能主要归功于2方面:①三角形截面的纤维具有更大的比表面积;②通过抗弯刚度的计算，三角形截面的纤维刚度要大于等效直径的圆形截面纤维.

2.5 纤维种类及改性

通过对常规纤维进行了化学沉积改性，并采用扫描电镜对其表面进行表征，其改性后纤维表面微观形貌如图7所示.从图中可以看出，纤维表面附着大量纳米级别的二氧化硅.二氧化硅具有水化活性，具备改善纤维与基体界面性能的潜在作用.为了确定纤维表面的颗粒为二氧化硅，选择了图7中的微区进行了X射线能谱 (EDS)测试，结果如图8所示.从图8可见，非颗粒区域只显示出碳元素图8(a);而纤维表面的颗粒中含有较高浓度的氧元素与硅元素图8(b)，这从侧面确定了纳米二氧化硅在改性纤维表面上的存在.

图7 改性纤维的表面微观形貌

图8 纤维表面微区EDS能谱图

采用扫描电镜表征了纳米二氧化硅在纤维表面的分布形态，具体如图9所示.从图中可以看出，未改性的PP纤维(PP－1)的表面相对光滑，而化学沉积改性的PP－2纤维表面可以看到较多的粒径为数百纳米尺寸的不均匀二氧化硅颗粒.纳米二氧化硅在PVA－2的表面几乎无空隙地非单层密实沉积，其原因可能是纳米二氧化硅含有羟基，从而更容易沉积到极性亲水的PVA纤维表面.

未改性及改性纤维的拔出荷载－位移曲线如图10所示.从图10可以看出，改性纤维的载荷峰值均大于未改性纤维的性能.PP纤维不论是否改性，其拔出－载荷峰值均在位移较小时出现，且以相对较快的速度下降.与PP纤维不同的是，PVA纤维的拔出行为特征存在显著差异.当龄期为9 h时，未改性PVA纤维的拔出载荷在脱黏后迅速下降，而改性PVA纤维的拔出载荷在达到第一个峰值后，后续能再次出现多个峰值，其原因可能是脱黏时形成首个峰值，由于化学键与滑移摩擦导致更多的峰值出现.由此可见，化学沉积方法能有效地增加纤维－基体的界面黏结强度，且对PVA纤维的作用更为明显.

图9 未改性及改性纤维的表面形貌

图10 未改性及改性纤维的拔出荷载－位移曲线

3 结语

在自行改造的设备上，获得了微细合成纤维与水泥基体的单丝拔出载荷－位移曲线，并计算了相应的界面黏结强度，获知了多种因素对界面性能的影响规律.

1)随着龄期的增加，各种纤维与基体之间界面黏结强度逐渐增加，且当龄期达到8 h以上，聚乙烯醇纤维的界面黏结强度迅速增加，远大于相应龄期的聚丙烯纤维.

2)降低基体的水胶比，使基体的密实程度增加，从而提高了界面黏结强度.

3)随着埋入深度的增加，物理摩擦力逐渐增加，拔出位移略有增加，但拔出位移与埋入深度的比值逐渐减小.因此，随着埋入深度的增加，界面黏结强度降低.

4)三角形截面纤维具有更大的比表面积与硬挺性，表现出更高的界面黏结强度.

5)改性纤维的载荷峰值均大于未改性样品的性能，化学沉积方法能有效地提高纤维－基体的界面黏结强度，且对PVA纤维的作用更为有效.

［1］ Kanda T，Li V C .Interface property and apparent strength of high-strength hydrophilic fiber in cement matrix［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，1998，10(1):5 －13.

［2］ Mobasher B，Li C Y.Effect of interfacial properties on the crack propagation in cementitious composites［J］.Advanced Cement Based Materials，1996，4(3 －4):93 －105.

［3］ Bentur A.Role of interfaces in controlling the durability of fiber-reinforced cements［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2000，12(1):2 －7.

［4］ Sehaj Singh，Arun Shukla，Richard Brown.Pullout behavior of polypropylene fibers from cementitious matrix［J］.Cement and Concrete Research，2004，34(10):1919 －1925.

［5］Abulebdeh T，Hamoush S，Heard W.Effect of matrix strength on pullout behavior of steel fiber reinforced veryhigh strength concrete composites［J］.Construction and Building Materials，2011，25(1):39 －46.

［6］ Baran E，Akis T，Yesilmen S.Pull-out behavior of prestressing strands in steel fiber reinforced concrete［J］.Construction and Building Materials，2012，28(1):362 －371.

［7］刘加平，李长风，刘建忠，等.合成纤维与水泥基材料塑性阶段界面粘结性能测试装置［P］.中国专利，201110404137.X.2012 －06 －27.

［8］ Chan Yin Wen，Chu Shu Hsien.Effect of silica fume on steel fiber bond characteristics in reactive powder concrete［J］.Cement and Concrete Research，2004，34(7):1167－1172.