纤维增强地聚合物复合材料研究综述

2023-01-07姜天华胡宇成张秀成

水利与建筑工程学报 2022年6期

姜天华，胡宇成，张秀成

(1.武汉科技大学城市建设学院，湖北武汉 430065；2.东南沿海工程结构防灾减灾福建省高校工程研究中心，福建莆田 351100)

随着人口增长和全球现代化建设标准的不断更新，关于绿色可持续建筑材料的研究越来越受到人们的关注。据统计趋势估计，全球水泥产量将从2015年的约43亿t增加到2050年的约61亿t[1]。普通硅酸盐水泥(OPC)的高产量面临着石灰石储量的破坏、大量的二氧化碳排放(约占全球二氧化碳排放的7%)[2]。此外，OPC对侵蚀性环境条件的抵抗力较低，这是影响自然环境中结构构件耐久性和使用寿命的最重要问题之一。为了减少温室气体排放和能源消耗，开发一种环境可持续且性能优异替代OPC的胶凝材料至关重要。

相比于OPC，地质聚合物的生产与制备可以减少约80%的CO2气体排放和60%的能耗[3]。此外，许多研究分析了地聚合物复合材料(GPC)的性能，结果显示其具有优异的性能，如高早期强度[4]、高表面硬度[5]、耐化学侵蚀[6]和高耐火性[7]。然而， GPC由于自身较低的抗拉强度，受力时会导致微裂纹的进一步扩展，最后可能导致其脆性破坏[8]。目前，大多数研究人员克服这一缺陷的方法是在混凝土中加入纤维，形成纤维增强地聚物复合材料(FRGC)。纤维的加入通过桥接裂纹来提高其拉伸和弯曲强度、韧性和能量吸收能力[9]。由于纤维的存在，FRGC的耐久性也能通过裂缝控制得到增强。

由于纤维种类数目的繁多，不同纤维其物理性能、与基体粘结性以及适应环境各不相同，同时对地聚合物增强效果各异，因此本文综合国内外关于FRGC的研究进展，综述增强FRGC的纤维种类、各种纤维的优缺点以及纤维在地质聚合物中的物理性能、机械性能和热性能等方面的研究进展，最后评述了地质聚合物在工程应用中所面临的问题，为FRGC后期的发展提供参考。

1 纤维种类

在纤维增强地质聚合物复合材料的性能方面，纤维的材料特性往往是最重要的。为了说明材料性能的重要性，本节总结了前人的研究成果，归纳了纤维增强地聚物胶凝材料(FRGC)的研究进展，将纤维分为四大类：钢纤维、无机非金属纤维、合成纤维和天然纤维。

表1 常见纤维的力学性能

1.1 钢纤维

钢纤维(ST)因其较高的机械强度、柔韧性和可用性，能够显著提高混凝土材料的抗拉、抗弯和断裂延伸率，特别是提高混凝土的韧性和抗冲击性，常用于水泥基复合材料中[42]。赵秋红等[43]在钢纤维增强地聚物单轴受压实验中，研究发现最佳钢纤维掺量为1.5%，其抗压强度、峰值应变以及受压韧性指标分别增加15%、11%和170%。张伟杰[44]通过在地聚合物中掺入定向钢纤维，发现其断裂能提高55倍，尽管ST有一些实际优势，但其主要问题是腐蚀,为了限制腐蚀，ST通常以不锈钢合金或者表面涂层的方式投入到使用生产中去[45]。

1.2 无机非金属纤维

无机非金属纤维是添加到地聚合物复合材料中的最常见的纤维增强材料，由氧化铝和二氧化硅的混合物组成，由于熔点高，通常用于耐火材料等高热领域应用[46]。此外，这些纤维具有低成本、高抗拉强度、化学稳定性和优异的绝缘性能[47]。

1.2.1 玻璃纤维

玻璃纤维(GF)因其耐高温、防火、耐腐蚀和绝缘等优点，常常运用于电绝缘材料、绝热保温材料和电路基板等领域，同时可以显著提高材料的抗折能力和降低干燥收缩及自收缩，但缺点是不耐磨、脆性大[48]。郭正超[49]研究不同体积分数的GF对粉煤灰基地聚合物的抗压强度影响。实验结果表明抗压强度随GF掺量增加而呈现先增大后突然减小的趋势,但均高于空白组，且确定GF的最佳掺量为0.3%。

1.2.2 碳纤维

与其他材料[50-52]相比，碳纤维(CF)在高温下表现出优异的抗拉强度、极低的热膨胀率以及较高的电导率和导热系数。此外，CF具有完美的弹性，加载-卸载循环过程中疲劳变形影响较小，可以提高结构的抗震性和抗疲劳特性[53-54]。朱靖塞等[55]进行了碳纤维增强地聚物混凝土的冲击压缩试验，实验结果表明：CF体积分数为0.3%时能发挥出明显的冲击增韧优势，同时CF对于FRGC而言具有一定的增韧效果。由于CF的脆性，CF掺入FRGC容易受到应力集中的影响[56]。主要缺点是生产成本高。复合材料碳纤维增强塑料中的弱点和脆性问题可以通过杂交技术来解决，即用韧性纤维代替碳纤维层，这会带来成本效益，同时改善物理和机械性能[57]。

1.2.3 玄武岩纤维

另外一种应用较广的无机非金属纤维是玄武岩纤维(BF),具备优异的强度、耐久性和热性能,同时来源广泛，易于加工和绿色环保。但玄武岩是一种惰性纤维,与其他材料复合时粘着性能较差[58]。李建[59]将不同长度、体积分数的BF掺入地质聚合物中，发现BF能显著提高FRGC的抗折强度和劈裂抗拉强度,但对于抗压性能提升不大。同时SEM和MIP分析结果显示:当BF纤维体积掺量为0.2%，各项力学性能最佳，且与基体界面黏结性较好,能够有效抑制裂纹的产生和扩展。

1.3 合成纤维

合成聚合物纤维是从原材料或塑料废料中回收，因绿色、环保和可降解等特点在建筑中广受研究者的青睐，同时使用合成纤维是处理全球塑料再利用的一个有效的解决方案[60]。FRGC中使用最多的合成纤维是聚丙烯纤维(PPF)、聚乙烯醇(PVA)和聚乙烯(PE)。

1.3.1 聚乙烯醇纤维

聚乙烯醇(PVA)纤维因高强度、高弹模、酸碱腐蚀性强和绿色环保等优点而成为使用率最高的合成纤维[61]。然而PVA价格昂贵，不经济[62]。此外，PVA纤维的高化学键合与低横向电阻复合会导致纤维断裂，从而限制复合材料的拉伸应变能力[63]。张云升等[64]利用挤压技术成功制备出高弯曲强度、大延性的高性能PVA短纤维增强地聚合物基复合材料，尤其在PVA纤维高掺量情况下，显著提高了FRGC的延性，导致破坏模式由原来的脆性破坏模式变成延性破坏。同时发现其最佳掺量为2%，其挠度增长幅度高达17.6倍。

1.3.2 其他合成纤维

聚丙烯纤维(PPF)因其成本低、易于处理，在OPC和GPC中提高了力学性能和耐久性，而备受关注。在各种纤维中，PPF是最常用的保温材料和轻质材料，同时具备经济优势和对环境侵蚀的良好抵抗。Korniejenko等[65]研究了PPF、PPE和聚乳酸纤维增强地聚合物的力学性能。研究表明，PPF的加入提高材料的机械性能，当纤维掺量为0.5%时，抗压强度最佳，与不含纤维的参考样品相比，增长167%；当纤维添加量为0.75%时，试样的抗弯强度最佳，增长100%。

聚乙烯纤维(PE)是在地聚合物中研究最多的第三种合成纤维(仅次于PPF和PVA)。Nematollahi等[66]研究了不同体积分数的聚乙烯纤维对地聚合物材料拉伸、弯曲和压缩性能影响，发现其最佳掺量为1%，超过最佳值后会降低抗压强度。

1.4 天然纤维

天然纤维具有低成本、低密度、可用性、可回收性和自然降解等优点[67]，然而天然纤维作为增强材料有一些缺点：吸湿性高，吸水会导致尺寸变化，从而导致微裂缝产生、纤维膨胀和热稳定性差，在纤维-基体界面区域形成空隙和微裂纹，从而降低复合材料的力学性能。天然纤维主要分为三种:植物纤维、动物纤维和矿物纤维[68]。

Sarmin[69]在粉煤灰和偏高岭土基地质聚合物中添加固体含量为10%的木屑、木粉和木纤维作为增强材料，研究发现, 土聚物复合材料的密度随木材集料的加入而降低，这可能是因木材纤维团聚而导致分散性差造成的。Zulfiat等[70]将菠萝纤维掺入地质聚合物中发现：随着纤维掺量增加，其抗弯强度越高。抗弯强度的增加是由较大的复合材料尺寸产生的。使用的纤维越多，复合材料的尺寸就越大。然而，如果纤维使用百分比与基体体积不平衡，则可能导致抗弯强度减弱。Alzeer[41]用羊毛纤维开发了新型纤维增强地聚物复合材料，与基准组对比,其抗弯强度提高了约40%，羊毛纤维的存在使基质的重量损失减少了约5%，反映出复合材料的热稳定性增加。

在天然纤维中，植物纤维是首选。一方面研究者从动物身上收集纤维较为困难，同时与动物纤维相比，植物纤维具有更高的强度和刚度[71]。另一方面纤维素基植物纤维因其密度低、高拉伸性能和特殊的微观结构，使水泥基混凝土复合材料能够成为一种方便的增强剂[72]。

2 纤维对地聚物性能影响

纤维增强地质聚合物的物理性能，包括弹性模量、密度和干缩；机械性能，包括抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、能量吸收、和韧性；以及其他性能，包括耐高温性能和耐久性能。

2.1 纤维含量对地聚物力学性能的影响

除了不同纤维各自化学和物理性能外，整个纤维网络的整体效应、纤维含量以及它们在基体中的是否均匀分布也是控制复合材料整体性能的重要因素。纤维含量的增加导致形成多条微裂纹，而不是少量的宏观裂纹，因此基体的整体延性会显著提高。

纤维含量通常表示为体积分数(vol%)或重量百分比(wt%)，对于相同的体积分数，几何形状较小的纤维比几何形状较大的纤维产生更多的纤维。Mukhallad等[9]研究了不同纤维类型对粉煤灰基地聚合物的力学性能和微观结构的影响，发现当纤维含量处于0.4 vol%～1.2 vol%时，ST纤维随着含量的增加，其抗弯强度也增加；PPF与之相反；而PVA纤维随着纤维含量增加，其抗弯强度先增加后减少。这是由于使用低纤维含量时，可以产生均匀的基体，因此纤维身相当高的抗拉强度提高了复合材料的抗弯强度。此外，高含量的纤维会导致基体压实不良，以及孔隙结构非常疏松，纤维-基体相互作用不均匀，因此，当PVA纤维含量高于1.2 vol%时，抗弯强度降低；而当纤维含量在0.4 vol%～1.2 vol%范围内时，复合材料仍然是多孔的，并具有异质结构，但纤维-粘结剂的相互作用足以克服多孔结构的缺点。因此，每种纤维增强复合材料都存在一个各自最佳的纤维含量，以获得最高的机械强度。

2.2 纤维对地聚物弹性模量和泊松比的影响

弹性极限内每单位应变承受诱导应力的能力定义为弹性模量。通常，给定强度的混凝土弹性模量值越高，表明其质量越好。当引入纤维时，复合材料的弹性模量主要受纤维刚度和孔隙率的影响[73]。

当使用少量ST纤维(1 vol%)时，弹性模量从13.70%增加到64.92%，这与ST相当高的刚度和与纤维-粘合剂相互作用有关[74]。由于复合材料的诱导孔隙率，添加高达0.2 vol%的PPF会降低复合材料的弹性模量[75]。对于纳米或颗粒纤维增强地质聚合物，能否均匀分布是影响弹性模量高低的一个重要因素。然而，只有当向地质聚合物中添加的碳纳米管少于0.2 wt%时，才能观察到这种增加，并且纤维含量的进一步增加表现出相反的效果，这归因于纤维的不完美分布和均匀化[76]。然而，关于地聚物泊松比的实验数据鲜有报道，仅使用水泥基复合材料可用的一些方程进行估算，还需要更多的研究来估计纤维增强地质聚合物的泊松比。

2.3 纤维对地聚物密度影响

Bashar等[77]把不同长径比和体积分数ST添加到地聚物中，发现纤维的长径比增加不会对密度产生很大影响，但增加纤维掺量会导致其密度增加。Ranjbar等[78]发现微钢纤维含量的增加会导致FRGC的密度几乎呈线性增加，添加4 vol%的微钢纤维使密度增加了10%。Abdullah等[79]发现与不含纤维的普通地质聚合物相比，对于掺量为7 wt%钩状钢纤维的地质聚合物，密度从2 466 kg/m3增加到2 501 kg/m3。这是由于加入了密度更高的材料，复合材料的密度也会随之升高。而Mehrali等[80]实验表明：随着PPF掺量的增加，地质聚合物密度降低，添加5 vol%PPF，其密度降低20%(见图1)。但这种减少是由于复合材料的高孔隙率，导致材料添加纤维后压实困难。在所有种类纤维中，ST纤维增强的FRGC密度最高，这归因于ST纤维密度(7 800 kg/m3)远高于普通地聚合物密度(2 345 kg/m3)。

图1 纤维含量对纤维增强地质聚合物复合材料体密度的影响[77-79]

2.4 纤维对地聚物干燥收缩的影响

从理论上讲，GPC比OPC具有更高的收缩率，水在地质聚合物凝胶形成过程中不起作用，在该过程中，水被添加以提供可行的混合物并调解反应。随着时间的推移，多余水分的蒸发会导致GPC显著收缩[81]。收缩导致内部产生裂纹。FRGC中的纤维可以抵抗这种应力，并减少裂纹尖端的应力集中，以控制其发展[82]。

Baradaran等[83]通过从收缩变化和机械性能等方面评估了PPF增强的粉煤灰基地聚合物。在地聚合物浆料中掺入高达3 vol%的PPF可降低收缩率并增强复合材料的能量吸收。同时发现PPF可能会降低材料的极限弯曲和抗压强度，具体取决于纤维掺量，见图2。Aydn等[84]在研究ST长度对地质聚合物收缩影响时，观察到纤维的掺入使粉煤灰地聚物干缩值下降24%。当纤维含量相同的情况下，ST长度的变化对地聚物的干燥收缩率影响不大。Vilaplana等[85]研究发现CF是控制地质聚合物干燥收缩的有效添加剂。在100%相对湿度有利的环境中，含有0.2 wt%的3 mm或6 mm长纤维的CF足以将最大应变降低到1.5 mm/m以下。但无机非金属纤维增强FRGC的抗收缩率还是远低于合成纤维增强FRGC，这可能是由于与合成纤维相比，无机非金属纤维在地聚合物基体中的分布较差，难以实现理论上的抗收缩效果增强。

图2 纤维含量对纤维增强地质聚合物复合材料体收缩率的影响[80-81]

2.5 纤维对地聚物抗压强度的影响

在脆性材料中，压缩会导致非弹性体积剪胀，从而形成与施加荷载方向平行的轴向劈裂微裂纹。这些微裂纹尖端的横向拉伸应力的后续发展促进了其在压缩载荷方向上的增长，从而导致局部断裂[86]。局部裂缝区域更容易在“薄弱点”附近生长，如孔隙或大空隙。因此，在准脆性材料中，抗压强度主要取决于其脆性、微裂纹分布、密度和孔隙结构[45]。

Guo等[8]扫描电镜(SEM)结果表明：纤维可以缓解基体中的应力集中现象，防止裂纹扩展和基体开裂，使其在拉伸过程中需要消耗更多的能量。纤维在一定程度上改变了地聚物的孔结构，同时交错复杂的孔结构有助于提高地聚合物砂浆的力学性能。Su等[82]发现无论是混杂纤维还是单一纤维，在一定程度上都能抑制GPC裂缝的发展。Gülsan等[87]观察到ST纤维的加入略微提高了地聚物试样的抗压强度。体积分数0.5%和1%的ST纤维的地聚物抗压强度分别提高了5%和7%以上，见图3。但是当超过其最佳值后，其抗压强度会下降。这是由于多余的纤维不会均匀地分散在基体中，纤维簇团会导致结构不均匀，从而降低抗压强度。

图3 纤维含量对纤维增强地质聚合物复合材料体抗压强度的影响[30,38,45,67,81]

2.6 纤维对地聚物抗拉强度的影响

地质聚合物复合材料的基本和重要性能之一是抗拉强度。由于其脆性，当地质聚合物受到拉伸应力时，裂纹迅速发展[88-89]。Abbass等[39]研究报告中发现：掺入椰子纤维的FRGC的抗拉强度从3.32 MPa提高到3.98 MPa。随着纤维含量的增加，FRGC的拉伸强度先增加后降低。强度的提升是由于纤维的高韧性；其降低可归因于过多的纤维造成基体内较高的空隙率。Ganesh等[21]将掺入GF的FRGC与未掺纤维的普通地聚物做比较，研究结果表明，纤维的加入提高了抗拉强度。其抗拉强度提高了36.8%。其强度的提高除了GF自身的较高抗拉强度外，纤维还能将拉压力分散到复合材料中的未开裂区域。Karimipour等[90]在实验中发现PPF含量对FRGC的抗拉强度有积极影响，将纤维掺量从1 vol%增加到3 vol%， FRGC的抗拉强度从10.7 MPa增加到15.1 MPa，同时减少了裂纹宽度和裂纹扩展。Wang等[28]在研究不同长度的纤维对FRGC的影响中发现，将BF长度超过最佳值会导致复合材料的拉伸强度降低。当纤维长度从3 mm增加到6 mm时，FRGC的拉伸强度增加了8%。然而，将纤维长度增加到18 mm会使强度降低12%。这种减少可能是由于较长纤维的聚集导致基体异质性和粘结强度降低，从而阻碍机械和机械性能提高断裂性能。

2.7 纤维对地聚物抗弯强度的影响

作为一种胶凝材料，地质聚合物表现出较高的准脆性行为和相对较低的抗弯性能。在基质中引入纤维后，碱激发材料的准脆性特征可以转变为韧性特征[91]。纤维可以提高水泥基复合材料的弯曲强度、断裂韧性和抗冲击性，因为纤维桥接可以控制裂缝的开裂和发展[18,92]。

Kavipriya等[93]将剑麻纤维按不同比例添加到地聚物试样中。发现其抗弯强度随着纤维掺量增加先上升后下降，纤维掺量在0.75vol%到达最高，添加更多纤维会影响FRGC的聚合过程，从而降低其强度。Bernal等[94]观察到，随着ST纤维掺量的增加，FRGC的抗压强度有所下降，但劈裂抗拉强度和抗弯强度有很大提高，其抗弯强度从3.75 MPa增加到8.86 MPa。纤维起到止裂或屏障的作用，增加了发展中裂纹的弯曲度，提高了压裂过程的能量需求。Celik等[27]研究了含有不同纤维类型的FRGC的弯曲性能，发现几乎所有纤维复合材料的弯曲性能都有所提高，尤其是含有PVA纤维的FRGC的弯曲强度增加了27.28%，裂纹后延展性也有显著改善，这可能归于PVA纤维与FRGC强粘结性以及自身的高弹性，见图4。

图4 纤维含量对纤维增强地质聚合物复合材料体抗弯强度的影响[27,93-94]

2.8 纤维对地聚物能量吸收的影响

与普通地质聚合物不同，FRGC在单个裂缝定位后不会失效。通常，当裂纹开始时，该位置的整个张力由纤维承担。如果可以承受的力增加，而裂纹位置的纤维没有断裂或拔出，则会在不同位置出现新裂纹[95]。因此，该区域的纤维将被激活，力将被转移。这一过程会导致多次开裂，但不会出现较大裂缝，直至纤维失效或从基体中拔出[96]。

Saranya等[97]发现与普通OPC相比，使用ST纤维可以有效地提高FRGC的峰值荷载和轴向挠度，峰值荷载和挠度系数分别增加15%～32%和18%～45%，在无纤维的OPC中观察到更宽的裂纹。同时发现极限载荷随着ST掺量增加而增加，这是由于ST阻止了裂纹扩展，见图5。因此，进一步裂纹扩展需要更多的能量[98]。Al-Majidi等[99]发现含有3 vol%长ST纤维在峰值荷载下的挠度大约是含有短ST纤维的FRGC的4倍，几乎是普通地质聚合物的20倍。Wan等[100]发现含有PVA的FRGC的挠度约为普通地质聚合物的50倍。同时PVA纤维增强FRGC的延展性、初始断裂韧性和不稳定断裂韧性均高于普通复合材料。Guo等[8]发现含0.3 vol%BF的FRGC的最大荷载和最大位移分别比普通GPC高45.8%和32.3%。然而，当纤维掺量超过0.4 vol%会对FRGC性能产生不利影响。Xu等[101]研究表明：含有长SY纤维的FRGC比短纤维复合材料的韧性指数高得多，含有SY纤维的FRGC的断裂韧性是普通地质聚合物的7.6倍[102]。

图5 FRGC的荷载-位移曲线[8]

2.9 纤维对地聚物耐高温性能的影响

暴露于高温后，地质聚合物强度的降低是由于基质中的水脱水和蒸发所致。高温也会导致纤维发生降解，加入纤维可改善地质聚合物复合材料暴露于高温后的残余性能[103],造成这种情况的主要原因是纤维在高温影响下保持了完整性，纤维材料的均匀分布对其物理和工作性能有积极影响[104]。

Shaikh等[105]研究发现：在400℃、600℃和800℃处，ST纤维增强FRGC的残余抗压强度分别为普通试样的42%、50%和100%以上。此外，纤维含量从0.5 vol%增加到0.75 vol%并没有显示FRGC在高温下的强度有任何增强[106]。当暴露于高温时，含有CF的FRGC会形成一层保护性氧化层。Sim等[107]发现在暴露于1 200℃持续2 h，CF完全熔融并失去体积稳定性，GF部分熔融，而BF保持其形状，似乎没有失去机械完整性。由于BF的孔隙填充效应，形成了致密的微观结构，BF增强的FRGC显示出较高的残余强度[108]。在纤维增强地聚合物复合材料中，无机非金属纤维能够在高温条件下更好的保护FRGC,使其工作性能依旧得到保持。

2.10 纤维对地聚物耐久性的影响

胶凝材料中钢筋的主要问题是腐蚀，与普通硅酸盐水泥相比，地聚合物具有强碱性和弱氧化环境，此外，地聚合物孔隙溶液中的可溶硅酸盐也能起到抑制钢筋腐蚀的作用[109]。

Ganesan等[110]研究发现将钢纤维含量提高至1 vol%可降低复合材料的吸水率和吸附性，从而降低在酸和硫酸盐等化学剂存在下抗压强度的损失。Tennakoon等[111]观察到地聚合物混凝土中钢筋的氯含量比OPC混凝土低10倍，而且地聚合物的腐蚀开始明显较晚，这与氯离子在粉煤灰-矿渣基地聚合物中较低的扩散有关。OPC中较高的氯离子浓度可归因于形成难溶的含钙氯盐。此外，较高的钠浓度导致氯离子在地聚合物混凝土中的进入和分布减少[112]。钢纤维增强地聚合物表现出优异的抗硫酸盐侵蚀性能，暴露在3%的H2SO4溶液中6个月后，其重量下降不到2%，而OPC的重量下降约27%。与此同时，地聚合物复合材料的抗压强度也要比OPC高得多。可以发现，与OPC相比，地聚物自身抗盐侵蚀性能较好，当掺入合适纤维掺量的时候，其耐久性能够进一步得到提高。