二维纤维增强材料对水泥基复合材料韧性的影响综述

洪 辉（上海市建筑建材业市场管理总站，上海 200032）

国家统计局数据显示，2000 ～ 2019 年，中国建筑业房屋施工面积累计达 1 506.2 亿m2。近年来，由于自然老化、设计及意外破坏等原因，建筑物常会出现裂缝、空鼓、脱落等损伤，影响其正常使用。另外，部分既有建筑围护系统服役期已经达到设计使用年限的 60% ～ 80%，面临空鼓、脱落等耐久性失效的安全风险隐患。对出现质量问题的建筑进行合理修复是防范化解重大风险、消除城市安全隐患的有效途径。

水泥基材料具有高强、易施工、稳定性好等显著优势，使其在建筑加固、修复领域得到了良好应用，但水泥基材料也存在着抗拉强度低、粘接强度低、变形能力差、易开裂、韧性差等问题。为弥补以上不足，行业内常采用纤维材料对其进行增强、增韧。纤维类材料有短切纤维及二维甚至三维纤维增强材料。其中，短切纤维增强水泥基复合材料的抗拉及抗弯性能主要取决于二维平面内有效纤维数，若要发挥其优越性能，其中的短切纤维须均匀分布于水泥基材料中，但是短切纤维的三维乱向分布至今仍无较好的解决方法。因此，二维纤维增强水泥基复合材料应运而生。二维纤维增强材料是由纤维织物编成网或布而形成的，主要有网格布、格栅、土工布、毡、钢丝网等。相比短切纤维，二维纤维材料在基体中的分布均匀，在经、纬两个方向均可提升复合材料的物理力学性能。三维纤维增强材料目前偶见报道，由于其高厚度等原因应用受到限制。

为了解目前行业内二维纤维增强材料的应用现状，本文综述了几种典型二维纤维增强材料对水泥基复合材料的韧性影响及作用机理的研究，以供建筑及道路旧改和修复等行业从业人员参考。

1 常见二维纤维增强材料对水泥基复合材料韧性的影响

常见的二维纤维增强材料有网格布、格栅、土工布、毡和钢丝网等形式。各种形式的制作工艺、材料及性能的不同对水泥基复合材料的韧性影响也存在差异。

1.1 网格布

纤维网格布是以纤维为基材，通过退捻、织造、表面涂覆等一系列工序制成，具有高强、高模量、密度小及经纬向抗拉强度高等优点。二维纤维网格布作为水泥基材料的增韧材料已有大量研究。

李清海等[1]对表面密度为 170 g/m2、网格中心距为5 mm × 5 mm 的玻璃纤维网格布进行研究，结果表明，玻璃纤维网格布可大幅提高水泥基材料的强度和韧性，尤其是在塑性阶段表现明显。具体表现在抗弯破坏强度比纯水泥砂浆提高 92%，韧度指数 TI 相比于纯水泥砂浆的 1.0 提高至 34.3。刘志成[2]对表面密度为 164 g/m2、网格中心距为5 mm × 5 mm 的玻璃纤维网格布进行研究，也得出类似结论。并且指出，增强效果与网格布层数有关，单层网格布增强的复合材料的韧度指数 GT（文中对韧度指数 TI 进行修正后的指标）相比纯水泥砂浆的 1.0 提高至 8.4，双层网格布为 20.5。

徐世烺等[3]将碳纤维网格布与超高韧性 E C C（Engineered Cementitious Composite，工程用纤维增强水泥基复合材料）复合，结果表明，纤维网格布可以进一步改善 ECC 的韧性，纤维网格布可以使水泥基材料的裂缝发展得更为细密，提高材料的裂缝控制能力，表现出较高的延性和抵抗变形能力。

菅淑敏[4]借鉴 EFNARC 规范，通过对 7 种不同类型的双向板进行弯曲试验以评价玻璃纤维网格布增强板的弯曲韧性，其中，弯曲韧性以不同挠度下的能量吸收值来表示。结果表明，单掺耐碱玻璃网格布可提高板的能量吸收值，并且耐碱玻璃纤维网格布与钢纤维表现出较好的正混杂效应。张蒙蒙[5]研究表明当网格布为 2 层及以上层数时，纤维增强混凝土试件表现出多缝开裂的特征。随着网格布层数的增加，试件表现出优异的抗弯承载力、较好的延性和较高的韧性，且试件上总的裂缝数目和纯弯段的裂缝数目均增加，裂缝间距减小，裂缝表现出细密而均匀的特征。张勇超[6]通过四点弯曲实验研究证明，相比素混凝土，网格布增大了试件吸收能量的能力，增强了其韧性。而且玻璃纤维网格布的增强效果要强于玄武岩纤维网格布。

Alva Peled 等[7]研究表明，相比高密度聚乙烯和耐碱玻璃纤维，芳纶纤维和高密度聚乙烯纤维网格布增强的复合材料具有较好的张拉强度和韧性。混编（增强方向两种纤维的根数比例是 1:1）纤维网格布增强复合材料具有更好的力学特性和更高的效率因子。

综上所述，网格布对水泥基复合材料的强度和韧性均有提高，破坏时表现出多缝开裂的特征，且增强效果受不同材料、层数等因素的影响，网格布层数越多，韧性越好。在与短纤维混合使用时，复合材料表现出较好正混杂效应。

1.2 格 栅

纤维格栅具有轻质、高强、耐腐性和耐久性较好等突出优点，在钢筋混凝土结构的修复与加固中已经得到广泛的应用。

郑宇宙[8]通过将纤维格栅和 ECC 复合以增强钢筋混凝土梁抗弯性能的试验研究表明，与普通混凝土梁相比，加固试验梁的开裂、屈服和极限荷载均得到显著提高，韧性得到改善，复合层有明显的多点均匀开裂现象，试验梁底部的混凝土裂缝宽度显著减小。朱忠锋等[9]研究表明，高韧性 ECC 与玄武岩纤维格栅相结合能充分发挥格栅的力学性能，随着格栅层数的增加，其极限抗拉强度显著增大。并且，表面经过黏砂处理后的玄武岩格栅与 ECC 基体的黏结性能显著增大，破坏时玄武岩格栅的平均应变为其极限拉应变的 95%。石立安等[10]研究表明，玄武岩纤维格栅可有效提高超高性能水泥基复合材料的抗折强度、抗压强度和弯曲韧性，这主要是由于玄武岩格栅的二维网状结构能有效抑制微裂纹的萌生和发展。此外，玄武岩纤维与水泥基材料的界面黏结十分牢固，两者之间有很强的物理结合，保证了复合材料的整体均匀性，从而提升了复合材料的整体性能。

丁里宁等[11]研究表明，玄武岩纤维格栅加固混凝土板表现出较好的弯曲韧性，并且分层布置 3 层 1 mm 玄武岩纤维格栅比布置 1 层 3 mm 或 5 mm 的玄武岩纤维格栅更有利于限制板的裂缝宽度。颜祥程等[12]研究表明在水泥混凝土中加入纤维格栅能使其抗弯强度提高 6.62% ～ 31.40%，明显改善了水泥混凝土的弯曲力学特性。并且，纤维格栅表面经环氧树脂处理后，能改善纤维束与混凝土之间的黏结状况，使混凝土的抗弯强度提高 8.30% ～ 11.88%。王鹏等[13]研究表明，在一定范围内，玄武岩纤维格栅铺筑层数越多、纤维格栅网孔尺寸越小则试件纤维截面积越大，其抗弯矩能力越好，主要是由于小网格的平面结构对混凝土开裂有较好的约束和延缓作用，铺 3 层小网格纤维格栅的试件弯拉强度较素混凝土试件提高了 57.4%。

综上所述，格栅对水泥基复合材料的强度和韧性均有提高，且增强效果受不同材料、层数、格栅网孔尺寸和格栅表面处理方式等因素的影响，格栅表面经黏砂或环氧树脂处理后，格栅与基体的黏结性能得到提高。

1.3 土工布

土工布是以聚合物纤维为原料，通过热压针刺、胶结、编织而成的透水性土工合成材料。其主要应用于隧道及道路工程，起到过滤、排水、隔离、加筋、保护土工膜等作用。目前土工布在水泥基复合材料中应用较少，在道路及隧道加固中的相关研究较多。

陈磊[14]通过断裂力学理论与 ABAQUS 建立整体路面三维结构开裂模型，对有防裂土工布与无防裂土工布路面结构进行有限元分析，得出防裂土工布对裂缝扩展有抑制作用的结论。在冲击荷载作用下，对比路面结构的整体能量、裂缝的应力集中位置，得出在波形荷载的冲击下，有防裂土工布路面结构整体能量变低，且能量峰值降低，说明有防裂土工布结构耗散能较大，韧性较好。冯振中[15]运用理论与工程实例相结合的方式提出了土工布防治沥青路面反射裂缝的工程应用方法，并通过对比得出土工布能抵抗面层底部部分弯拉应力，对反射裂缝有一定的防治作用。郑大为等[16]采用ANSYS 软件模拟土工布防反效果，对比有布路面结构和无布路面结构下的不同参数，结果证明土工布可通过降低路面结构层应力和弯沉起到防反作用。蔡氧等[17]运用了数值模拟和实验分析相结合的方式对路面防裂结构进行了分析，得出铺设土工布后，裂缝扩展速度明显降低，土工布拉伸模量越大，裂缝扩展越慢。符昂[18]研究发现，使用前土工布浸渍改性水泥砂浆，其拉力峰值由 1.796 kN 增加至 2.522 kN，说明水泥基胶凝材料的浸渍使得土工织物自身的抗拉及抗裂性能得到较大程度的提升。

综上所述，土工布在道路工程中可对道路起到抗裂、增韧等作用，且在水泥基材料中表现出较好的物理力学性能，应用于水泥基复合材料增韧具有一定可行性。

1.4 毡

目前，对纤维毡增强水泥基复合材料的相关研究较少。相比短切纤维，纤维毡的平面内有效纤维数较多，复合材料的抗拉及抗弯性能理论上优于短切纤维增强水泥基材料。

管厚兵[19]对三维针刺碳毡增强水泥基复合材料进行研究，发现当受到外力作用时，复合材料主要以纤维拔出、纤维脱黏、纤维桥连，裂纹偏转等方式改变其韧性，提高力学性能。杨智伟[20]在室温下测得碳毡增强水泥基复合材料的抗弯强度为 45 MPa，抗压强度为 56 MPa，而纯水泥石的抗弯强度仅为 15 MPa 左右，抗压强度为 50 MPa，这说明碳纤维毡在水泥基体中能够显著的增强复合材料的力学性能。林法兴[21]研究表明未加玻璃纤维短切毡的素水泥试件破坏形态为脆性破坏，加入短切毡试件的破坏形态为延性破坏，加载时均出现了多条裂缝，挠度达到跨度 4% 时仍具有承载能力，表现出较好的韧性，破坏时短切玻璃纤维以拔出为主。

综上所述，纤维毡对水泥基复合材料的强度和韧性均有提高。其中，主要以纤维拔出、纤维脱黏、纤维桥连，裂纹偏转等方式提高水泥基复合材料韧性，可应用于水泥基复合材料增韧的相关研究中。

1.5 钢丝网

钢丝网水泥基复合材料是以布置紧密的多层钢丝网或小尺寸钢筋作为增强材料，水泥砂浆为基体组合而成的一种复合材料。钢丝网水泥基复合材料相比于钢筋混凝土在经、纬两个方向均有较好的力学性能，具有高强、模量高及较好的开裂性能。

董加柱[22]研究表明，水泥薄板中加入钢丝网可提高其初裂荷载和极限荷载，同时增大了初裂挠度。钢丝网砂浆板在开裂后表现出较强的变形能力和承载能力，延性较好。田刚[23]对钢丝网混杂纤维增强水泥砂浆进行单轴拉伸试验，研究表明，钢纤维、聚丙烯纤维与钢丝网三种材料混杂的增强水泥砂浆试件的抗拉强度和韧性要比其中单种材料或者两种混杂的试件要好。孙伟等[24]研究表明，在不同的纤维体积分数下，连续钢丝网片与乱向短纤维混杂增强水泥基材料表现出比单用乱向短钢纤维增强水泥基材料更高的增强和增韧效率，特别是当纤维总体积分数较低时，纤维与网片复合增强的效果突出。隋光南[25]提出从宏观上采用钢丝网对树脂混凝土进行增韧，并对双向隔波钢丝网增强树脂混凝土薄板进行了四点弯曲试验研究。试验结果表明，树脂混凝土“复合化”的增韧方式是可行的，当配筋率 ＞ 1% 时，薄板底面拉弯开裂形态由单一裂缝向网状开裂转变。

综上所述，钢丝网对水泥基复合材料的强度和韧性均有提高，且在与短纤维混合使用时复合材料表现出较好正混杂效应。

2 纤维材料增韧机理

韧性表示材料在塑性变形和断裂时吸收能力的大小，其韧性越好，破坏时越接近塑性破坏。二维纤维材料在基体中可以形成一种比较均匀的平面网格增强体系结构，分布于水泥基当中，不仅对基体起到了加固增强的作用，也减少了大部分基体中微孔隙的产生。当二维纤维增强水泥基复合材料受到荷载作用时，纤维网可通过纤维变形甚至断裂、纤维与基体的脱黏甚至拔出以及由于纤维网的桥接作用在水泥基体中形成多裂缝来吸收能量，抑制基体的开裂。吴妙生等[26]认为纤维增强复合材料的韧性是由裂纹尖端局部区域的基体或界面沿纤维方向逐渐开裂形成一个损伤区而缓慢的沿原始裂纹向前横向扩展。王玲等[27]认为加入纤维可以降低表面的泌水，减小了空隙通道，从而使孔隙率降低，提高密实性。邓宗才等[28]认为纤维可以阻断毛细孔的连通，从而产生了比基体本身大几倍延性值，大幅提升了复合材料的韧性。

3 结 语

从目前研究现状看，纤维材料对水泥基复合材料的韧性提高有积极作用，网格布、格栅与钢丝网的相关研究较多，但是土工布与纤维毡在水泥基复合材料中的应用还相对欠缺，上述二维纤维材料均可提高水泥基材料的强度和韧性，且其增韧效果要优于短切纤维，应用前景值得期待。关于增韧机理，目前短切纤维研究较为深入，而二维纤维网的增韧机理还需进一步研究。综上，二维纤维材料与短切纤维的混杂使用、不同纤维材料的混编、纤维网的表面处理、土工布与纤维毡的应用以及三维纤维网等对水泥基材料的增韧效果及机理是今后旧改及修复材料研究的重点方向。