PET纤维格栅/钢纤维增强水泥基复合材料混杂效应研究

袁旺 邓安仲 解亚

摘      要：将连续PET纤维格栅与短切钢纤维混掺制备混杂纤维增强水泥基复合材料，其抗压强度高达  147.7 MPa、抗折强度高达52.6 MPa。研究各纤维掺量对混凝土抗压性能及抗折性能影响，表征基体材料与纤维界面微观结构，并分析PET纤维格栅及钢纤维混杂效应。结果表明：钢纤维与PET纤维格栅对水泥基复合材料抗折性能都有增强作用，但钢纤维在抗折性能上发挥了主要作用，导致抗折性能混杂效应并不明显;对于抗压性能，PET纤维格栅对其强度增长有弊，但钢纤维的增强效应弥补了PET纤维格栅的负作用。

关  键  词：PET纤维格栅;抗压性能;抗折性能;混杂效应

中图分类号：TU 528       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）10-2097-05

Abstract： Hybrid fiber reinforced cement-based composite was prepared by mixing continuous PET fiber grille with short steel fiber. The compressive strength and flexural strength of the composite were 147.7 MPa and 52.6 MPa， respectively. The influence of fiber content on compressive and flexural properties of concrete was studied. The microstructure of interface between matrix material and fiber was characterized. The hybrid effect of PET fiber grille and steel fiber was analyzed. The results showed that both steel fiber and PET fiber grille could enhance the flexural properties of cement-based composites， but steel fiber played a major role in the flexural performance， resulting in the mixed effect of flexural properties was not obvious; for compressive properties， PET fiber grille had disadvantages in strength growth， but the reinforcement effect of steel fiber made up for the negative effect of PET fiber grille.

Key words： PET fiber grille; Compressive properties; Flexural properties; Hybrid effect

在水泥基复合材料中掺加纤维是用以增强和增韧的有效方法，混掺纤维是一个重要途径[1-3]。PET纤维格栅（以下简称格栅）是由高强度涤纶纤维经过经编定向织造网格成型，作为一种连续纤维织物，由纬向纤维与径向纤维正交编制而成，可代替部分钢筋[4]改善短切纤维增强方向性差、难分散[5]的问题。国外研究纤维织物增强混凝土较早，先后成立多个研究机构[6]，对纤维织物增强混凝土中的混凝土基

体[7-9]、纤维织物[10-11]以及两者界面[12-13]的研究都有较为丰富的研究成果。国内姚立宁[4]率先对纤维织物水泥基复合材料进行研究，并探讨了织物对水泥基复合材料的增强可能;俞巧珍[14]研究了织物层铺方式对水泥基复合材料力学性能的影响;李赫等[15]探讨了织物对水泥基复合材料薄板裂缝扩展行为的限制机理;荀勇[16]等提出采用织物混凝土薄板加固钢筋混凝土梁;徐世烺[17]等研究纤维织物增强钢筋混凝土梁的弯曲性能;荀勇[18]等还研究了纤维织物网以及鋼板网联合增强混凝土板抗弯性能;黄政宇[19]等研究了对织物增强UHPFRC薄板受弯破坏、界限破坏和受压破坏3种破坏形式下极限弯矩的预测公式，并讨论了薄板受弯破坏中织物受拉折减系;潘永灿[20]介绍了一种预应力纤维织物薄板制作方法;周芬[21]等发现对碳纤维织物施加预应力，能使织物增强水泥基复合材料薄板的抗开裂性能提高。

国内对纤维织物增强水泥基复合材料研究起步较晚，且多集中于织物增强混凝土薄板性能测试，对混杂纤维织物与短切纤维对水泥基复合材料性能影响研究少。本文研究了混掺格栅与钢纤维（掺量均为体积掺量）对水泥基复合材料力学性能的影响，并对纤维混杂效应以及微观结构进行分析，以求对PET纤维格栅/钢纤维增强水泥基复合材料深入研究提供参考。

1  试验

1.1  原材料及配合比

水泥基复合材料基体配合比见表1，采用拉法基52.5级普通硅酸盐水泥;标准砂，粒径为  0.1～0.6 mm;微硅灰，其SiO2>90%，烧失量≤6;一级粉煤灰，细度≤9，烧失量≤4%;聚羧酸减水剂，减水率为40%，碱质量分数≤0.02;微丝钢纤维，长度8 mm，直径0.115 mm，长径比70，抗拉强度≥3 000 MPa; PET纤维格栅，经纬向抗拉强度均为100 MPa，孔径为5 mm，格栅宽度1.5 mm，厚度0.5 mm。

1.2  试件制备

参照GBT 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》，水泥基复合材料与格栅均匀地铺于模具，试件大小为40 mm×40 mm×60 mm。本试验为消除实验中不可控因素的干扰，保证实验结果的相互独立，采用随机数表的方法决定试验的先后顺序。

1.3  试验方法

参照GBT 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》，采用无锡新路达仪器设备有限公司制造TYEH-2 000型微机控制恒加载压力试验机，进行3点弯曲抗折强度试验，接着对折断后的试件进行抗压强度试验。

2  结果与分析

2.1  试验结果

如图1、图2所示，加入格栅后水泥基复合材料的抗折强度有较为明显的提高，而抗压强度却逐渐下降。原因在于，格栅相对于水泥基复合材料基体，抗拉强度较高，与水泥基复合材料黏结性能良好，对水泥基复合材料抗折强度有增强作用，但在受压时，水泥基复合材料基体成为主要的受力结构，而格栅的加入影响基体密实性，并且对其受力行为产生副作用，所以表现出抗压强度的减小。如图3、图4所示，钢纤维的加入对其抗折强度、抗压强度都有明显的增强作用，除铺设5层格栅时，钢纤维掺量为1.5 %比钢纤维掺量为1%的抗压强度有所下降，原因可能在于试件在制备时，钢纤维与格栅之间易相互交错、缠绕起团导致水泥基复合材料不密实。

2.2  混杂效应分析

2.2.1  混杂效应评估

为了研究、量化钢纤维与格栅的混杂效应，本文定义β增强系数[22]：

β=F/F_j    。               （1）

式中：F—PET纤维格栅/钢纤维增强水泥基复合材料强度，MPa ;

Fj—基体强度，MPa 。

钢纤维与格栅混合增强时，其增强效应考虑2种纤维单独作用于水泥基复合材料基体的增强系数的乘积，本试验采用比值法来评价钢纤维与格栅在水泥基复合材料基体中的混杂效应，其混杂系数由  γ表示，γ≥1 时，为正混杂效应，γ≤1 时，为负混杂效应。

γ=β_a/（β_g·β_s ）   。              （2）

式中：βa—混杂纤维增强系数，即同时掺加钢纤维与格栅时的增强系数;

βg—PET纤维格栅增强系数;

βs表—钢纤维增强系数。

2.2.2  混掺PET纤维格栅与钢纤维对抗折强度的影响

按照（1）、（2）式对抗折试验结果进行计算，得到以下混杂系数，如表2所示。

2种纤维混掺发现：在钢纤维掺量不低于1.5% 时，都为表现为正混杂效应;在钢纤维掺量为1%、格栅层数大于3层时，表现出轻微的负混杂效应，但是其混杂系数基本都在1.00±5% 以内，说明2种纤维对于水泥基复合材料基体的增强效果基本是独立存在的，并未表现出协同作用，原因在于相对于水泥基复合材料基体，抗拉强度高达100 MPa 的格栅虽然强度较高，但是远远低于钢纤维的抗拉强度。所以在单独铺设格栅时，水泥基复合材料的抗折强度能有效提高，单独增加钢纤维掺量时，水泥基复合材料的抗折强度也能明显提高。但是当格栅与钢纤维共同抵抗水泥基复合材料抗弯折时，发挥作用较大的则为高强度、高模量的钢纤维，格栅的作用则相对较小。并且由于格栅与钢纤维之间易互相交错、起团，影响水泥基复合材料基体的密实性，从而在钢纤维较低掺量时不表现为混杂效应。总的来说，本试验数据范围内表明，水泥基复合材料抗折强度随着钢纤维掺量或者格栅层数的增加而增加，钢纤维掺量较大时，增强效应较为明显。

2.2.3  混掺PET纤维格栅与钢纤维对抗压强度的影响

按照（1）、（2）式对抗压试验结果进行计算，得到以下混杂系数，如表3。

由2.1可知，钢纤维对于水泥基复合材料的抗压强度有增强作用，格栅对于水泥基复合材料的抗压强度有负面影响，但是混掺2种纤维发现，钢纤维掺量在1 %以上、格栅层数在7层以下时，变现为正混杂效应;钢纤维掺量为1 %或格栅层数为7时，表现为负混杂效应，且抗压强度混杂系数都在1.00±10 %以内，说明钢纤维与格栅对于水泥基复合材料的抗压强度存在明显的补偿作用，在钢纤维掺量较小、格栅层数较多时，钢纤维的补偿增强效果不明显，钢纤维的增强作用小于格栅对水泥基复合材料抗壓作用削弱的影响，但在钢纤维掺量较多，格栅层数较小时，能明显对水泥基复合材料的受压抵抗能力进行改善，表现为正混杂效应。综上所述，钢纤维的加入能够改善格栅对于复合纤维水泥基复合材料抗压性能，在本实验范围内，钢纤维掺量越多时，改善作用越明显。

2.3  微观结构

微观形貌是对宏观响应提供解释的一种途   径[23-24]，通过对水泥基复合材料断面利用HITACHI S-3 700N型扫描电镜分别观察钢纤维、格栅与水泥基复合材料基体的黏结情况，具体微观情况如图5至图8所示。

在500以及1 000倍的放大环境下观察格栅与水泥基复合材料基体界面以及钢纤维与水泥基复合材料基体界面的微观结构，发现水泥基复合材料基体有大量的C-S-H产生，少量层状结构的CA（OH）2，基本没有针状AFt，整体成型较为密实，孔隙结构较少。格栅虽然与水泥基复合材料整体脱离，但是表面仍附着有大量的水泥基复合材料基体;反观钢纤维界面，钢纤维表面光滑，并无任何基体材料附着，并明显可见钢纤维与水泥基复合材料界面有微小缝隙。以上表明PET纤维格栅相对于钢纤维，与水泥基复合材料基体的黏结更为牢固。但相比于高强度以及高模量的钢纤维，格栅抗拉强度较低，对于水泥基复合材料的抗折强度有增强作用，但是增长幅度不明显。但对于水泥基复合材料抗压强度的负作用，能够通过钢纤维的加入而改善。因此，混掺钢纤维以及PET纤维格栅能够互补缺点，以增强水泥基复合材料的力学能力。

3  结束语

在水泥基复合材料中混掺纤维可在其受力的各个阶段和不同的结构层次产生增强作用，通过试验得出结论：

1） 掺入钢纤维对水泥基复合材料的抗折强度与抗压强度都有明显的提高，掺入PET纤维格栅对于水泥基复合材料的抗折强度有利，但对其抗压强度有弊。

2）钢纤维与PET纤维格栅混掺时，抗折强度混杂增强效应不明显，但抗压强度混杂效应表现出明显的补偿作用，所以钢纤维与格栅混掺是增强水泥基复合材料性能的良好途径。PET纤维格栅与钢纤维的混杂纤维的作用机理、协同效应是一个复杂的理论，且格栅对于水泥基复合材料的抗压受力影响作用机理复杂，还需要进行进一步的研究。

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