二維纖維增強材料對水泥基復合材料韌性的影響綜述

洪 輝（上海市建筑建材業(yè)市場管理總站，上海 200032）

國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2000 ～ 2019 年，中國建筑業(yè)房屋施工面積累計達 1 506.2 億m2。近年來，由于自然老化、設計及意外破壞等原因，建筑物常會出現(xiàn)裂縫、空鼓、脫落等損傷，影響其正常使用。另外，部分既有建筑圍護系統(tǒng)服役期已經達到設計使用年限的 60% ～ 80%，面臨空鼓、脫落等耐久性失效的安全風險隱患。對出現(xiàn)質量問題的建筑進行合理修復是防范化解重大風險、消除城市安全隱患的有效途徑。

水泥基材料具有高強、易施工、穩(wěn)定性好等顯著優(yōu)勢，使其在建筑加固、修復領域得到了良好應用，但水泥基材料也存在著抗拉強度低、粘接強度低、變形能力差、易開裂、韌性差等問題。為彌補以上不足，行業(yè)內常采用纖維材料對其進行增強、增韌。纖維類材料有短切纖維及二維甚至三維纖維增強材料。其中，短切纖維增強水泥基復合材料的抗拉及抗彎性能主要取決于二維平面內有效纖維數(shù)，若要發(fā)揮其優(yōu)越性能，其中的短切纖維須均勻分布于水泥基材料中，但是短切纖維的三維亂向分布至今仍無較好的解決方法。因此，二維纖維增強水泥基復合材料應運而生。二維纖維增強材料是由纖維織物編成網或布而形成的，主要有網格布、格柵、土工布、氈、鋼絲網等。相比短切纖維，二維纖維材料在基體中的分布均勻，在經、緯兩個方向均可提升復合材料的物理力學性能。三維纖維增強材料目前偶見報道，由于其高厚度等原因應用受到限制。

為了解目前行業(yè)內二維纖維增強材料的應用現(xiàn)狀，本文綜述了幾種典型二維纖維增強材料對水泥基復合材料的韌性影響及作用機理的研究，以供建筑及道路舊改和修復等行業(yè)從業(yè)人員參考。

1 常見二維纖維增強材料對水泥基復合材料韌性的影響

常見的二維纖維增強材料有網格布、格柵、土工布、氈和鋼絲網等形式。各種形式的制作工藝、材料及性能的不同對水泥基復合材料的韌性影響也存在差異。

1.1 網格布

纖維網格布是以纖維為基材，通過退捻、織造、表面涂覆等一系列工序制成，具有高強、高模量、密度小及經緯向抗拉強度高等優(yōu)點。二維纖維網格布作為水泥基材料的增韌材料已有大量研究。

李清海等[1]對表面密度為 170 g/m2、網格中心距為5 mm × 5 mm 的玻璃纖維網格布進行研究，結果表明，玻璃纖維網格布可大幅提高水泥基材料的強度和韌性，尤其是在塑性階段表現(xiàn)明顯。具體表現(xiàn)在抗彎破壞強度比純水泥砂漿提高 92%，韌度指數(shù) TI 相比于純水泥砂漿的 1.0 提高至 34.3。劉志成[2]對表面密度為 164 g/m2、網格中心距為5 mm × 5 mm 的玻璃纖維網格布進行研究，也得出類似結論。并且指出，增強效果與網格布層數(shù)有關，單層網格布增強的復合材料的韌度指數(shù) GT（文中對韌度指數(shù) TI 進行修正后的指標）相比純水泥砂漿的 1.0 提高至 8.4，雙層網格布為 20.5。

徐世烺等[3]將碳纖維網格布與超高韌性 E C C（Engineered Cementitious Composite，工程用纖維增強水泥基復合材料）復合，結果表明，纖維網格布可以進一步改善 ECC 的韌性，纖維網格布可以使水泥基材料的裂縫發(fā)展得更為細密，提高材料的裂縫控制能力，表現(xiàn)出較高的延性和抵抗變形能力。

菅淑敏[4]借鑒 EFNARC 規(guī)范，通過對 7 種不同類型的雙向板進行彎曲試驗以評價玻璃纖維網格布增強板的彎曲韌性，其中，彎曲韌性以不同撓度下的能量吸收值來表示。結果表明，單摻耐堿玻璃網格布可提高板的能量吸收值，并且耐堿玻璃纖維網格布與鋼纖維表現(xiàn)出較好的正混雜效應。張蒙蒙[5]研究表明當網格布為 2 層及以上層數(shù)時，纖維增強混凝土試件表現(xiàn)出多縫開裂的特征。隨著網格布層數(shù)的增加，試件表現(xiàn)出優(yōu)異的抗彎承載力、較好的延性和較高的韌性，且試件上總的裂縫數(shù)目和純彎段的裂縫數(shù)目均增加，裂縫間距減小，裂縫表現(xiàn)出細密而均勻的特征。張勇超[6]通過四點彎曲實驗研究證明，相比素混凝土，網格布增大了試件吸收能量的能力，增強了其韌性。而且玻璃纖維網格布的增強效果要強于玄武巖纖維網格布。

Alva Peled 等[7]研究表明，相比高密度聚乙烯和耐堿玻璃纖維，芳綸纖維和高密度聚乙烯纖維網格布增強的復合材料具有較好的張拉強度和韌性?；炀帲ㄔ鰪姺较騼煞N纖維的根數(shù)比例是 1:1）纖維網格布增強復合材料具有更好的力學特性和更高的效率因子。

綜上所述，網格布對水泥基復合材料的強度和韌性均有提高，破壞時表現(xiàn)出多縫開裂的特征，且增強效果受不同材料、層數(shù)等因素的影響，網格布層數(shù)越多，韌性越好。在與短纖維混合使用時，復合材料表現(xiàn)出較好正混雜效應。

1.2 格 柵

纖維格柵具有輕質、高強、耐腐性和耐久性較好等突出優(yōu)點，在鋼筋混凝土結構的修復與加固中已經得到廣泛的應用。

鄭宇宙[8]通過將纖維格柵和 ECC 復合以增強鋼筋混凝土梁抗彎性能的試驗研究表明，與普通混凝土梁相比，加固試驗梁的開裂、屈服和極限荷載均得到顯著提高，韌性得到改善，復合層有明顯的多點均勻開裂現(xiàn)象，試驗梁底部的混凝土裂縫寬度顯著減小。朱忠鋒等[9]研究表明，高韌性 ECC 與玄武巖纖維格柵相結合能充分發(fā)揮格柵的力學性能，隨著格柵層數(shù)的增加，其極限抗拉強度顯著增大。并且，表面經過黏砂處理后的玄武巖格柵與 ECC 基體的黏結性能顯著增大，破壞時玄武巖格柵的平均應變?yōu)槠錁O限拉應變的 95%。石立安等[10]研究表明，玄武巖纖維格柵可有效提高超高性能水泥基復合材料的抗折強度、抗壓強度和彎曲韌性，這主要是由于玄武巖格柵的二維網狀結構能有效抑制微裂紋的萌生和發(fā)展。此外，玄武巖纖維與水泥基材料的界面黏結十分牢固，兩者之間有很強的物理結合，保證了復合材料的整體均勻性，從而提升了復合材料的整體性能。

丁里寧等[11]研究表明，玄武巖纖維格柵加固混凝土板表現(xiàn)出較好的彎曲韌性，并且分層布置 3 層 1 mm 玄武巖纖維格柵比布置 1 層 3 mm 或 5 mm 的玄武巖纖維格柵更有利于限制板的裂縫寬度。顏祥程等[12]研究表明在水泥混凝土中加入纖維格柵能使其抗彎強度提高 6.62% ～ 31.40%，明顯改善了水泥混凝土的彎曲力學特性。并且，纖維格柵表面經環(huán)氧樹脂處理后，能改善纖維束與混凝土之間的黏結狀況，使混凝土的抗彎強度提高 8.30% ～ 11.88%。王鵬等[13]研究表明，在一定范圍內，玄武巖纖維格柵鋪筑層數(shù)越多、纖維格柵網孔尺寸越小則試件纖維截面積越大，其抗彎矩能力越好，主要是由于小網格的平面結構對混凝土開裂有較好的約束和延緩作用，鋪 3 層小網格纖維格柵的試件彎拉強度較素混凝土試件提高了 57.4%。

綜上所述，格柵對水泥基復合材料的強度和韌性均有提高，且增強效果受不同材料、層數(shù)、格柵網孔尺寸和格柵表面處理方式等因素的影響，格柵表面經黏砂或環(huán)氧樹脂處理后，格柵與基體的黏結性能得到提高。

1.3 土工布

土工布是以聚合物纖維為原料，通過熱壓針刺、膠結、編織而成的透水性土工合成材料。其主要應用于隧道及道路工程，起到過濾、排水、隔離、加筋、保護土工膜等作用。目前土工布在水泥基復合材料中應用較少，在道路及隧道加固中的相關研究較多。

陳磊[14]通過斷裂力學理論與 ABAQUS 建立整體路面三維結構開裂模型，對有防裂土工布與無防裂土工布路面結構進行有限元分析，得出防裂土工布對裂縫擴展有抑制作用的結論。在沖擊荷載作用下，對比路面結構的整體能量、裂縫的應力集中位置，得出在波形荷載的沖擊下，有防裂土工布路面結構整體能量變低，且能量峰值降低，說明有防裂土工布結構耗散能較大，韌性較好。馮振中[15]運用理論與工程實例相結合的方式提出了土工布防治瀝青路面反射裂縫的工程應用方法，并通過對比得出土工布能抵抗面層底部部分彎拉應力，對反射裂縫有一定的防治作用。鄭大為等[16]采用ANSYS 軟件模擬土工布防反效果，對比有布路面結構和無布路面結構下的不同參數(shù)，結果證明土工布可通過降低路面結構層應力和彎沉起到防反作用。蔡氧等[17]運用了數(shù)值模擬和實驗分析相結合的方式對路面防裂結構進行了分析，得出鋪設土工布后，裂縫擴展速度明顯降低，土工布拉伸模量越大，裂縫擴展越慢。符昂[18]研究發(fā)現(xiàn)，使用前土工布浸漬改性水泥砂漿，其拉力峰值由 1.796 kN 增加至 2.522 kN，說明水泥基膠凝材料的浸漬使得土工織物自身的抗拉及抗裂性能得到較大程度的提升。

綜上所述，土工布在道路工程中可對道路起到抗裂、增韌等作用，且在水泥基材料中表現(xiàn)出較好的物理力學性能，應用于水泥基復合材料增韌具有一定可行性。

1.4 氈

目前，對纖維氈增強水泥基復合材料的相關研究較少。相比短切纖維，纖維氈的平面內有效纖維數(shù)較多，復合材料的抗拉及抗彎性能理論上優(yōu)于短切纖維增強水泥基材料。

管厚兵[19]對三維針刺碳氈增強水泥基復合材料進行研究，發(fā)現(xiàn)當受到外力作用時，復合材料主要以纖維拔出、纖維脫黏、纖維橋連，裂紋偏轉等方式改變其韌性，提高力學性能。楊智偉[20]在室溫下測得碳氈增強水泥基復合材料的抗彎強度為 45 MPa，抗壓強度為 56 MPa，而純水泥石的抗彎強度僅為 15 MPa 左右，抗壓強度為 50 MPa，這說明碳纖維氈在水泥基體中能夠顯著的增強復合材料的力學性能。林法興[21]研究表明未加玻璃纖維短切氈的素水泥試件破壞形態(tài)為脆性破壞，加入短切氈試件的破壞形態(tài)為延性破壞，加載時均出現(xiàn)了多條裂縫，撓度達到跨度 4% 時仍具有承載能力，表現(xiàn)出較好的韌性，破壞時短切玻璃纖維以拔出為主。

綜上所述，纖維氈對水泥基復合材料的強度和韌性均有提高。其中，主要以纖維拔出、纖維脫黏、纖維橋連，裂紋偏轉等方式提高水泥基復合材料韌性，可應用于水泥基復合材料增韌的相關研究中。

1.5 鋼絲網

鋼絲網水泥基復合材料是以布置緊密的多層鋼絲網或小尺寸鋼筋作為增強材料，水泥砂漿為基體組合而成的一種復合材料。鋼絲網水泥基復合材料相比于鋼筋混凝土在經、緯兩個方向均有較好的力學性能，具有高強、模量高及較好的開裂性能。

董加柱[22]研究表明，水泥薄板中加入鋼絲網可提高其初裂荷載和極限荷載，同時增大了初裂撓度。鋼絲網砂漿板在開裂后表現(xiàn)出較強的變形能力和承載能力，延性較好。田剛[23]對鋼絲網混雜纖維增強水泥砂漿進行單軸拉伸試驗，研究表明，鋼纖維、聚丙烯纖維與鋼絲網三種材料混雜的增強水泥砂漿試件的抗拉強度和韌性要比其中單種材料或者兩種混雜的試件要好。孫偉等[24]研究表明，在不同的纖維體積分數(shù)下，連續(xù)鋼絲網片與亂向短纖維混雜增強水泥基材料表現(xiàn)出比單用亂向短鋼纖維增強水泥基材料更高的增強和增韌效率，特別是當纖維總體積分數(shù)較低時，纖維與網片復合增強的效果突出。隋光南[25]提出從宏觀上采用鋼絲網對樹脂混凝土進行增韌，并對雙向隔波鋼絲網增強樹脂混凝土薄板進行了四點彎曲試驗研究。試驗結果表明，樹脂混凝土“復合化”的增韌方式是可行的，當配筋率 ＞ 1% 時，薄板底面拉彎開裂形態(tài)由單一裂縫向網狀開裂轉變。

綜上所述，鋼絲網對水泥基復合材料的強度和韌性均有提高，且在與短纖維混合使用時復合材料表現(xiàn)出較好正混雜效應。

2 纖維材料增韌機理

韌性表示材料在塑性變形和斷裂時吸收能力的大小，其韌性越好，破壞時越接近塑性破壞。二維纖維材料在基體中可以形成一種比較均勻的平面網格增強體系結構，分布于水泥基當中，不僅對基體起到了加固增強的作用，也減少了大部分基體中微孔隙的產生。當二維纖維增強水泥基復合材料受到荷載作用時，纖維網可通過纖維變形甚至斷裂、纖維與基體的脫黏甚至拔出以及由于纖維網的橋接作用在水泥基體中形成多裂縫來吸收能量，抑制基體的開裂。吳妙生等[26]認為纖維增強復合材料的韌性是由裂紋尖端局部區(qū)域的基體或界面沿纖維方向逐漸開裂形成一個損傷區(qū)而緩慢的沿原始裂紋向前橫向擴展。王玲等[27]認為加入纖維可以降低表面的泌水，減小了空隙通道，從而使孔隙率降低，提高密實性。鄧宗才等[28]認為纖維可以阻斷毛細孔的連通，從而產生了比基體本身大幾倍延性值，大幅提升了復合材料的韌性。

3 結 語

從目前研究現(xiàn)狀看，纖維材料對水泥基復合材料的韌性提高有積極作用，網格布、格柵與鋼絲網的相關研究較多，但是土工布與纖維氈在水泥基復合材料中的應用還相對欠缺，上述二維纖維材料均可提高水泥基材料的強度和韌性，且其增韌效果要優(yōu)于短切纖維，應用前景值得期待。關于增韌機理，目前短切纖維研究較為深入，而二維纖維網的增韌機理還需進一步研究。綜上，二維纖維材料與短切纖維的混雜使用、不同纖維材料的混編、纖維網的表面處理、土工布與纖維氈的應用以及三維纖維網等對水泥基材料的增韌效果及機理是今后舊改及修復材料研究的重點方向。