改性纤维-混凝土界面黏结性能研究及现状分析

张晓丽，袁 圆

(成都理工大学环境与土木工程学院，四川 成都 610059)

混凝土材料由于其低成本、易用性、高可塑性、足够的耐火性及较高的抗压强度已广泛用于建筑和基础设施[1]。然而，混凝土的脆性、较低的拉伸、弯曲强度导致许多基础设施故障和恶化问题。为了克服这些缺点，尝试将不同的纤维作为增强体掺入到混凝土中,这种复合材料称为纤维增强混凝土。纤维增强混凝土的性能很大程度上取决于纤维与基体间黏结状况。纤维和混凝土基体之间足够的黏结强度有利于纤维在开裂时抵抗从基体中拔出[2]，否则纤维的增强增韧效果就不能充分发挥。因此研究提高纤维-混凝土界面黏结强度的方法具有重要的研究意义。

目前，国内外学者通过增加纤维与混凝土基体之间的界面黏结力来制造纤维和开发纤维增强混凝土材料，从而改善黏结性能，取得了较大进展。但是由于纤维本身特性的局限性以及改性技术、改性机理等的研究不足，使得改性纤维-混凝土界面黏结性能受到了一定的阻碍。本文基于相关的研究成果，阐述了界面性能测试常用的方法及评价指标，主要从调整基体性能、纤维界面处理以及改善纤维形状着手，论述改性纤维-混凝土界面黏结性能的机理及发展状况，以期为纤维-混凝土基体界面黏结性能的进一步研究提供借鉴。

1 界面性能测试方法与评价指标

对纤维与混凝土基体界面黏结性能的研究，常用的测试方法有拔出试验法、显微硬度法(Micro-Hardness Tester)、扫描电镜技术(SEM)、纳米压痕技术(Nano-Indentation)、红外光谱技术(IR)等。

纤维拔出试验可分为单根纤维拉拔试验和多根纤维拉拔试验2种形式，进行纤维拉拔试验多采用峰值荷载(即纤维与基体间界面黏结力)、拉拔功(拉力曲线与位移横轴所围成的面积)和平均黏结强度等评价指标。Shannag M J等[3]自行设计单纤维拉拔装置来进行单纤维拉拔试验，以纤维同基体间界面黏结力和拉拔功来评价钢纤维在基体中的体积分数及埋入长度对界面黏结性能的影响。Yun L等[4]通过多纤维拉拔试验，探究纤维倾斜角与界面黏结强度之间的关系，并引入表观抗剪强度和滑移系数来表示拉拔峰值载荷和峰值滑移随倾角增大的变化规律。Qi J A等[5]将单纤维的性能与结构性能相结合，引入单位体积贡献的概念，提出的新黏结强度指标以平均黏结强度除以纤维体积的形式表示，为纤维-基体界面结合性能提供一个新的评价指标。单纤维拉拔试验较简单、直观，但考虑到大量随机分布纤维之间的耦合效应，尤其在测试混杂纤维与混凝土界面强度时宜采用多纤维同时拉拔的方式。

纤维与基体的黏结试验中纤维的拔出可分为2种形式，一种是直接拔出，其纤维试样相对较简单，图1a、1b所示分别可用于单根纤维和不同埋深多纤维黏结力测试；另一种是对拉基体的方式拔出，该方法不仅可以测量黏结力的大小，还能测出复合材料在纤维剥离和拉出过程中的拉拔力与位移关系曲线，主要形式见图1c、1d。

图1 纤维拔出形式

随着微观识别技术在纤维增强复合材料的深入发展，孙伟[6]较早就通过X射线和显微硬度法来测得基体界面过渡环的范围、性状与特征，并采用纤维与基体界面区Ca(OH)2晶体平均尺寸的取向指数、分布规律及显微硬度指标作为界面区结构性能的评价指标。徐礼华、胡杰等[7-8]分别研究钢纤维和聚丙烯纤维与水泥基界面过渡区(ITZ)的纳米力学性能，采用纳米压痕试验测试不同水灰比样品的界面过渡区及其附近区域的荷载-压痕深度曲线(F-h)，结合Oliver and Pharr方法推导出压痕硬度H和压痕模量M，并将这2个指标用于表征界面过渡区各相的体积分数和力学性能。通常硬化水泥石中主要含有5种微观相，分别为微孔相(≤15 GPa)、低密度水化硅酸钙(LD C-S-H)(15～22 GPa)和高密度水化硅酸钙(HD C-S-H)(22～37 GPa)、Ca(OH)2(37～50 GPa)、未水化的水泥熟料(≥50 GPa)，表1列出了5种微观相及钢纤维等组分的纳米力学特征值。纳米压痕等技术同样适用于砂子与水泥浆体界面、集料-水泥浆体界面、纤维-混凝土基体界面过渡区硬度和弹性模量进行观察分析。

表1 硬化水泥石主要组成相的弹性模量E和硬度H

2 调整基体性能改性界面黏结性能

为获得具有优异性能的纤维增强混凝土复合材料，关键在于设法改善其界面组成和结构[9]，才能充分发挥其界面效应。在纤维混凝土中，以掺入活性矿物及有机聚合物来强化界面组成结构是学者最常采用的方法。

2.1 掺入活性矿物的改性机理

硅灰、粉煤灰都具有高比表面积，可以作为反应性填料。对于水泥砂浆多孔结构，可以利用这2种活性矿物的填充效应，有效填充和细化基体中不同尺寸的孔隙，从而使界面过渡区密实。硅灰和粉煤灰中的活性SiO2具有极高的火山灰效应，能与Ca(OH)2晶体二次反应生成C-S-H凝胶物质，降低了界面层的孔隙率，使结构更加致密，提高界面附着力。Zhao Y等[10]在研究高炉渣和端钩钢纤维在混凝土中的微结构特性的协同作用中，通过拉拔试验和SEM试验推断添加适量的高炉渣有利于产生更均匀、更密集的微结构，从而提高混凝土压缩强度。Yoo D-Y等[11]研究表明，由于废液晶玻璃粉具有火山灰效应，用废液晶玻璃粉代替50%硅粉，可以进一步提高界面黏结强度。

2.2 添加机聚合物的改性机理

聚合物能以纤维、胶凝材料和外加剂的形式在混凝土改性中应用。聚合物替代全部水泥作为胶凝材料，对混凝土的强度、耐化学性和高温有良好的改性效果，而且能改善混凝土的黏结性能，图2所示，地质聚合物混凝土改变了纤维与基体之间的结构和组成，纤维表面明显附着有活化极性基团及水泥水化产物，形成以化学吸附作用为主，从而加强了界面密实度，使得界面黏结强度得到提高。使用丙烯酸[20]、聚氨酯[21]、苯乙烯丁二烯[22]和丁苯橡胶乳液[23]等有机聚合物作为添加剂的纤维混凝土表现出出色的塑性、韧性及耐磨性。这些有机聚合物能作为一类界面黏结材料，通常是一种具有较好的减水效果和物理化学吸附作用的表面活性物质[24]，可均匀填充界面的孔洞、微裂纹，同时会存在部分聚合物中吸电能力很强的脂基与纤维表面中给电能力强的原子外层电子结合成次价键[25-26]，从而增强纤维与混凝土间的化学吸附力。

图2 聚合物-PET纤维混凝土

3 纤维表面特征改性界面黏结性能

在纤维增强复合材料界面性能研究中，也常采用改变纤维表面特征来提高纤维与基体之间的界面黏结强度[27]。钢纤维既可制成特殊形状，提高纤维与基体之间的机械咬合力[28]，也可通过在钢纤维表面涂覆纳米材料或有机聚合物改性与基体间的界面黏结性能。而碳纤维、玄武岩纤维和有机纤维作为柔性纤维，成型困难，因此，建议采用表面处理方法。

3.1 界面处理

对于疏水性的碳纤维[29]、聚丙烯(PP)纤维、涤纶(PET)纤维等[30]，由于其表面特性的限制，需要采取措施对其纤维表面进行界面处理，改善纤维与基体界面间的黏结强度。PP纤维不仅有利于提高抗裂性，而且具有良好的化学稳定性和相对较低的成本，但PP纤维化学惰性表面与水泥基体的结合较差，需要对其表面改性。李永鹏等[31]采用聚丙烯酰胺(PAM)溶液对PP合成纤维进行浸泡后，纤维表面黏附的PAM膜与水化产物CH晶体发生反应，并形成网状分布结构C-S-H和黏稠的凝胶，提高纤维-基体界面的密实度。Feng J H[32]则应用纳米碳酸钙对PP纤维进行表面改性，增加了纤维表面的粗糙度，使得纤维周围产生水化程度高的致密水化物。碳纤维的表面非常光滑和干净，且由于亲水性低，造成纤维和基质之间的界面黏附性较弱。为了改善这一问题，Heo G H[33]在碳纤维表面涂覆一层薄薄的SiO2层。通过涂层SiO2与Ca(OH)2反应，以改善界面附着力。玄武岩纤维也因表面的化学惰性而引起界面间黏附性差，但传统的化学处理方法会在一定程度上损害纤维，或简单进行涂层处理又存在纤维与基体之间的化学黏合和机械咬合力不尽人意，Wang J J等[34]引入一种新的表面改性方法，提出仿生多巴胺黏附特性和纳米材料改性相结合，将连续致密的氧化石墨烯层接枝到玄武岩纤维表面，提高了玄武岩纤维表面的粗糙度和活性基团量。

亲水性PVA纤维不同于上述纤维，能与水泥基的水化产物形成强大的化学键[35]。但这种黏结力需要在一定范围内，以实现应变硬化方面的最大性能，因为过强的黏结强度会降低纤维强度和有效性，从而导致纤维断裂。所以PVA纤维往往需要涂油处理，降低PVA纤维与水泥基基质之间的黏结力，调整界面行为以提高性能[36]。

3.2 改变纤维形状

如果充分了解纤维与基体之间的黏结破坏机制，可将其界面黏结力分为2部分，即通过界面的黏附和摩擦形成的物理化学黏结和通过纤维与混凝土之间形成的机械咬合力[37]。前一种机制主要通过调节基体性能及改性纤维表面来研究界面微结构。对于机械咬合力主要产生于异形纤维的滑移破坏过程，通常异形纤维在界面上不仅可以获得黏结和摩擦效应，还能因体形产生机械锁结及锚固作用，从而提高界面黏结力。所以异形钢纤维展现较好的黏结强度，其与混凝土界面间产生的黏结机理得到进一步研究。常见的钢纤维在混凝土基体中的荷载-滑移曲线大致见图3。从图中可以看出，平直纤维拔出过程分为3个阶段:弹性变形阶段、塑性变形到开始脱黏阶段、完全脱黏至滑动阶段。

图3 直钢纤维拔出试验荷载-滑移曲线

Wu Z M等[38]研究了直纤维和端钩型钢纤维的黏结性能，指出钩端形纤维的等效黏结强度是直纤维的3～7倍，Zile E等[39]根据荷载-滑移曲线将端钩型钢纤维拔出过程中分为5个阶段(图4)。在Yoo D Y等[40]进行的实验中，与端钩型钢纤维相比，拱型钢纤维在脱黏后能够提供更高的最大黏结强度。Won J P等[41]将拱型钢纤维的拉拔行为分为3个阶段(图5):脱黏和拉拔起始阶段；通过弯曲段时达到最大拉拔荷载阶段；纤维沿拱形基质管道达到最后一个拉拔阶段。在这3个阶段中摩擦力和塑性弯曲力同时作用，使得拱型钢纤维的界面韧性值比端钩型钢纤维更高。

图4 端钩型钢纤维拔出试验荷载-滑移曲线

图5 拱型钢纤维拔出试验荷载-滑移曲线

虽然目前开发的异形钢纤维具有一些优点，如机械联锁较强，但在复合水平上，其有效性大大降低。Yoo D Y等[42]在含有2%(按体积计)不同钢纤维混凝土的拉伸性能实验结果中发现最佳拉伸性能是通过加入直钢纤维实现的，直钢纤维试样拉伸强度和G值(能量吸收能力)分别为21.5 MPa和120.5 kJ/m3，扭曲钢纤维、钩形钢纤维和半钩钢纤维试样的拉伸强度分别约为直钢纤维试样的85%、53%和61%，其中钩形钢纤维获得最低G值为26.1 kJ/m3。尽管从单纤维拉拔试验结果来看，纤维增强混凝土中的钩状纤维的黏结强度几乎是直纤维的4倍或更高，但由于端部钩处的应力集中过大和过度黏结强度导致基体过早失效，导致钩状纤维以脆性方式过早地从基体中拉出。

单一纤维受限于自身特性往往不能充分发挥其优点，常需要对其表面进行处理，造成使用的纤维比传统的混凝土材料更昂贵。而将2种或2种以上的纤维按一定比例组合，使其在纤维增强混凝土不同阶段发挥作用，相互补充，既发挥了单一纤维的作用又能产生纤维协同效应。大量研究表明，钢-聚丙烯混杂纤维在混凝土中能产生复合优势，有效改善水泥与骨料的界面条件，抑制混凝土裂缝的发生和发展，并增强纤维-混凝土界面黏结性能[43]。提高混杂纤维混凝土应变能力的关键参数是纤维-混凝土界面黏结性能，混杂纤维混凝土复合材料的设计需要考虑纤维与基体的黏结性能。因此，基于宏观试验和微观识别技术加强混凝土中混杂形式的纤维的化学黏结、物理摩擦和机械咬合作用机理的研究，从而促进混杂纤维混凝土在工程实践中的广泛应用。

4 研究展望

a)目前，混凝土材料的改性向智能化和纳米化发展，许多纳米材料在混凝土应用中普遍存在成本高、分散性及改性机理认识不足等问题。尤其需要进一步系统分析纳米材料与一些活性矿物复掺的协同优化效应，研究不同颗粒级配活性矿物对水泥基混凝土水化及界面黏结性能的影响，实现对混凝土内部组织和结构的优化。

b)聚合物改性混凝土的制备工艺简单，但改性效果与聚合物的选取与改性过程有关，其在混凝土改性过程中所采用的合成方法及手段还需进一步研究。其中原位聚合法在改性混凝土中展现出较好的应用前景。

c)碳纤维、玄武岩纤维和一些有机纤维受限于自身特性，进行适当的界面处理，可更好发挥在混凝土中的增强增韧效果，而钢纤维可通过界面处理和改变形状提高与混凝土基体的黏结强度。进行界面处理还是改变纤维形状都应该考虑经济性、施工工艺以及改性效果，选取最佳的手段。

d)一些低弹性模量的聚合纤维，与界面的黏结强度较弱，往往改善纤维界面情况效果不佳，更重要提高其弹性模量。所以将低弹性模量纤维和高弹性模量纤维进行混掺，可以实现多层次的协同效应，从而更好地改纤维混凝土的界面性能。目前在混杂纤维界面黏结机理的研究较少，且仅以2种纤维的混杂居多，可以将研究领域拓宽到多种纤维混杂综合作用方面。