纤维增强水泥基复合材料力学性能的研究进展

李东升 吴国立 冯思超

（华北水利水电大学，河南 郑州 450000）

0 引言

水泥基材料自问世以来，因其较好的抗压性能、较强的适用性、原材料来源广泛、耐久耐高温等优点已成为世界上应用最广、用量最大的工程建筑材料［1-3］。但同时，其自身依旧存在许多不足，如自重大、抗拉强度低、抗裂性差、韧性差等。尤其是在地震作用下，水泥基材料的脆性的本质也同样制约着其广泛应用［4-5］。因此，为改善水泥基材料的脆性特征、增强增韧以及提高结构构件的安全性与耐久性，国内外学者从优化配比、改良工艺和添加外加剂等方面进行了一系列研究［6-7］，其中，以20世纪90年代美国密歇根大学的Victor C.Li教授首次提出的“Engineered cementitious composite（ECC）”概念［8］为代表的纤维增强水泥基复合材料在增强增韧、提高耐久性等方面有着良好表现，在实际工程中有着良好的应用前景。因此，本研究通过对国内外研究现状进行综述，指出纤维增强水泥基复合材料在未来的发展前景。

1 纤维增强水泥基复合材料种类

纤维增强水泥基复合材料是指以水泥作为基体、细沙作为骨料，选择性加入其他矿物掺合料或外加剂并掺以适量纤维拌和制成，是一种同时具备高强度和高韧性的建筑用复合材料。从纤维实际用途及理论研究与工程推广的角度出发，当前主流的纤维种类见表1。

表1 水泥基用纤维种类主要分类

2 纤维增强水泥基复合材料力学性能

2.1 立方体抗压强度

刘琼等［9］将短切PAN基碳纤维掺入水泥基复合材料，发现纤维的掺入能加速水化反应的进行，提高水泥基材料的致密性进而影响材料的抗压性。随着纤维掺量的增加，基体7 d、28 d的抗压强度均呈现先增后减的趋势，并于掺量为0.6%（质量分数）时达到最大值，相比对照组抗压强度提升了19.28%和20.33%。

张正等［10］单掺12 mm的PVA纤维，在掺量从0%到2%的过程中，抗压强度先增后减，并在掺量为1.6%时达到最大值，提升约11%；他认为短切纤维对混凝土细微观的填充作用是影响抗压强度的主要原因，适当的掺量可以让结构更加致密，当掺量过多时会造成结构缺陷。

Paglia等［11］从微观的角度出发，通过渗透试验发现，在水泥基体中加入超高强钢纤维后，结构更加致密、孔隙率更低，从而提高基体的抗压强度且极大地提高了水泥基材料的耐久性。

从以上学者的研究中可以发现，适量的纤维掺入可以使基体结构更加致密、孔隙率更低，过量的纤维掺入易在基体中形成团聚现象不易散开，进而影响基体的均匀性和密实度，这是基体抗压强度随纤维掺量变化而变化的主要原因；但同时，像钢纤维等一系列高强纤维，其利用自身高强性能便可以极大地提高基体的抗压强度。

2.2 劈裂抗拉强度

Fang等［12］研究发现掺入适量的植物纤维可以有效提高水泥基复合材料的抗拉强度、抗弯强度和韧性。张勤等［13］选用耐碱玻璃纤维作为基体宏观纤维、碳酸钙晶须作为基体微观纤维，发现单掺碳酸钙晶须时，通常掺量越大抗拉强度越大，最高提升30%；单掺耐碱玻璃纤维时，当掺量较高时（5%及以上），纤维长度越长，水泥基材料的力学性能提高效果越佳，最大可提高80%。当两种纤维同时掺入时（掺量比例2.5∶2.5），劈拉强度介于两种尺度纤维单一增强之间。郭琳等［14］采用长度为3 mm、掺量为0.9%的聚丙烯纤维，发现添加了聚丙烯纤维的混凝土较普通混凝土，抗拉强度在7 d、14 d、28 d时分别提高10.8%、6.6%、4.9%。李福海等［15］选用长度为20 mm的玄武岩纤维探究其对劈拉强度的影响，结果发现，当掺量为0.3%时，抗拉强度的提升效果明显，但当掺量继续增加时，由于纤维不易分散且比表面积增大，胶凝材料便不能很好地包裹纤维，从而会导致抗拉强度的降低，但其依旧要高于基准组。

基于以上学者的研究可以发现，纤维对于水泥基体的抗拉强度有着明显的提升作用，当基体受荷时，纤维随着变形能够消耗掉一部分能量；当达到开裂荷载后，裂缝处的纤维能够极大地消耗能量并限制着裂缝的急速扩展，使试件还能继续承担荷载。但当纤维掺量过多时，纤维在基体中不易分散易出现“团结”现象，造成一定的结构缺陷，从而导致抗拉强度的降低，但其依旧高于基准试件的抗拉强度，所以纤维掺量存在最优值。

2.3 抗弯韧性

梁宁慧等［16］选用粗细不同的聚丙烯纤维，细聚丙烯纤维掺量为0.9 kg/m³，粗聚丙烯纤维掺量为6.0 kg/m³，然后分别进行在单掺和混掺下基体的抗弯韧性研究。结果发现，在相同掺量下，聚丙烯细纤维的直径越小、长度越短，其对混凝土初裂韧性改善越好。细纤维主要改善基体裂前抗弯韧性，粗纤维主要改善基体裂后抗弯韧性，且混掺比单掺效果更加显著。

文韬等［17］采用表面粗糙化、Y子口截面的改性聚丙烯纤维，发现当纤维长度为6 mm，掺量为3%时试件的抗折强度达到最大，由于其产生的有效横向约束力，试件抗折强度较基准组提高184%～254%。

邓明科等［18］采用正交试验法探究了PVA纤维的掺入对试件抗弯性能的影响，发现纤维掺量对试件抗弯韧性的影响最大，其次是水灰比和砂胶比。当纤维掺量为2%时，试件具有较高的抗弯强度和弯曲韧性。

徐世烺等［19］采用长度为12 mm的PVA纤维，根据梁试件的荷载—挠度曲线来评价试件的弯曲性能，结果发现，超高韧性水泥基复合材料在弯曲荷载作用下其变形能力要远大于普通混凝土，其开裂形式也与普通水泥基材料有着明显不同。由于纤维对裂缝产生、发展的有效控制，使得试件的韧性有了极大的提高。

从以上学者的研究中可以发现，纤维的掺入可以极大地提高水泥基体的抗弯强度和弯曲韧性。由于纤维在水泥基体中形成的三维乱向体系以及与水泥基体间良好的黏结力，当基体受到荷载作用时，纤维因变形而消耗能量；而基体一旦开裂，纤维与基体间的黏结作用便会限制裂缝的迅速发展直至纤维被拔出或拉断，这便致使基体延性和韧性得到极大提高。

2.4 弹性模量

李德春等［20］选用三种不同的纤维进行正交试验，分析纤维种类对基体弹性模量的影响，结果发现纤维通过改变结构内部的应力分布，可以对基体的弹模造成影响，其中掺入碳纤维的弹模最小，掺入聚丙烯纤维的弹模最大。聚丙烯纤维随着掺量从0.1%到0.5%，混凝土弹模先增后减，并在0.3%时达到最大值。

贺东青等［21］选用三种不同纤维，固定掺量测量了不同纤维下试件的弹性模量，结果发现，18～20 mm、0.91 kg/m³掺量的聚丙烯纤维的掺入降低了弹模约1.02%；12 mm、2.65 kg/m³掺量的玄武岩纤维的掺入提高1.93%；45 mm、78 kg/m³掺量的钢纤维的掺入提高9.2%。

3 结论与展望

从以上学者对纤维增强水泥基复合材料力学性能的研究中可以发现，不同种类的纤维以及不同长度、不同掺量的同种纤维都会对水泥基体的力学性能造成不同的影响。一般情况下，例如以钢纤维为代表的纤维自身有着较高强度和弹模，在掺入水泥基体中后便会有较好的增强增韧效果，在力学性能上主要体现为抗压、抗拉、弹模以及体积变形上；在以聚丙烯纤维为代表的纤维自身强度不高且弹性模量较水泥基体小，在掺入水泥基体中后对抗压强度会有一定的不利影响，在掺量合适的情况下对水泥基体的影响效果不大，其优势主要体现在对抗拉强度的提升以及对体积变形的限制。

总体来说，纤维在水泥基体中有着很好的增韧以及限制裂隙发展的效果。其中以邓明科为代表的一众学者在该方向研制出了“可弯曲混凝土”，其具有高强度、高韧性、高抗裂的特点，用它加固的砖墙在抗冲击和抗倒塌能力可以提高10倍以上，在危房加固以及建筑物抗震方面有着良好的表现，同时在路面桥面的修复上也有着良好的应用前景。因此，纤维增强水泥基复合材料作为一种新型建筑材料，在实际工程建设中有着良好的应用和发展前景。