改性纖維-混凝土界面黏結(jié)性能研究及現(xiàn)狀分析

張曉麗，袁 圓

(成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，四川 成都 610059)

混凝土材料由于其低成本、易用性、高可塑性、足夠的耐火性及較高的抗壓強度已廣泛用于建筑和基礎設施[1]。然而，混凝土的脆性、較低的拉伸、彎曲強度導致許多基礎設施故障和惡化問題。為了克服這些缺點，嘗試將不同的纖維作為增強體摻入到混凝土中,這種復合材料稱為纖維增強混凝土。纖維增強混凝土的性能很大程度上取決于纖維與基體間黏結(jié)狀況。纖維和混凝土基體之間足夠的黏結(jié)強度有利于纖維在開裂時抵抗從基體中拔出[2]，否則纖維的增強增韌效果就不能充分發(fā)揮。因此研究提高纖維-混凝土界面黏結(jié)強度的方法具有重要的研究意義。

目前，國內(nèi)外學者通過增加纖維與混凝土基體之間的界面黏結(jié)力來制造纖維和開發(fā)纖維增強混凝土材料，從而改善黏結(jié)性能，取得了較大進展。但是由于纖維本身特性的局限性以及改性技術(shù)、改性機理等的研究不足，使得改性纖維-混凝土界面黏結(jié)性能受到了一定的阻礙。本文基于相關(guān)的研究成果，闡述了界面性能測試常用的方法及評價指標，主要從調(diào)整基體性能、纖維界面處理以及改善纖維形狀著手，論述改性纖維-混凝土界面黏結(jié)性能的機理及發(fā)展狀況，以期為纖維-混凝土基體界面黏結(jié)性能的進一步研究提供借鑒。

1 界面性能測試方法與評價指標

對纖維與混凝土基體界面黏結(jié)性能的研究，常用的測試方法有拔出試驗法、顯微硬度法(Micro-Hardness Tester)、掃描電鏡技術(shù)(SEM)、納米壓痕技術(shù)(Nano-Indentation)、紅外光譜技術(shù)(IR)等。

纖維拔出試驗可分為單根纖維拉拔試驗和多根纖維拉拔試驗2種形式，進行纖維拉拔試驗多采用峰值荷載(即纖維與基體間界面黏結(jié)力)、拉拔功(拉力曲線與位移橫軸所圍成的面積)和平均黏結(jié)強度等評價指標。Shannag M J等[3]自行設計單纖維拉拔裝置來進行單纖維拉拔試驗，以纖維同基體間界面黏結(jié)力和拉拔功來評價鋼纖維在基體中的體積分數(shù)及埋入長度對界面黏結(jié)性能的影響。Yun L等[4]通過多纖維拉拔試驗，探究纖維傾斜角與界面黏結(jié)強度之間的關(guān)系，并引入表觀抗剪強度和滑移系數(shù)來表示拉拔峰值載荷和峰值滑移隨傾角增大的變化規(guī)律。Qi J A等[5]將單纖維的性能與結(jié)構(gòu)性能相結(jié)合，引入單位體積貢獻的概念，提出的新黏結(jié)強度指標以平均黏結(jié)強度除以纖維體積的形式表示，為纖維-基體界面結(jié)合性能提供一個新的評價指標。單纖維拉拔試驗較簡單、直觀，但考慮到大量隨機分布纖維之間的耦合效應，尤其在測試混雜纖維與混凝土界面強度時宜采用多纖維同時拉拔的方式。

纖維與基體的黏結(jié)試驗中纖維的拔出可分為2種形式，一種是直接拔出，其纖維試樣相對較簡單，圖1a、1b所示分別可用于單根纖維和不同埋深多纖維黏結(jié)力測試；另一種是對拉基體的方式拔出，該方法不僅可以測量黏結(jié)力的大小，還能測出復合材料在纖維剝離和拉出過程中的拉拔力與位移關(guān)系曲線，主要形式見圖1c、1d。

圖1 纖維拔出形式

隨著微觀識別技術(shù)在纖維增強復合材料的深入發(fā)展，孫偉[6]較早就通過X射線和顯微硬度法來測得基體界面過渡環(huán)的范圍、性狀與特征，并采用纖維與基體界面區(qū)Ca(OH)2晶體平均尺寸的取向指數(shù)、分布規(guī)律及顯微硬度指標作為界面區(qū)結(jié)構(gòu)性能的評價指標。徐禮華、胡杰等[7-8]分別研究鋼纖維和聚丙烯纖維與水泥基界面過渡區(qū)(ITZ)的納米力學性能，采用納米壓痕試驗測試不同水灰比樣品的界面過渡區(qū)及其附近區(qū)域的荷載-壓痕深度曲線(F-h)，結(jié)合Oliver and Pharr方法推導出壓痕硬度H和壓痕模量M，并將這2個指標用于表征界面過渡區(qū)各相的體積分數(shù)和力學性能。通常硬化水泥石中主要含有5種微觀相，分別為微孔相(≤15 GPa)、低密度水化硅酸鈣(LD C-S-H)(15～22 GPa)和高密度水化硅酸鈣(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種微觀相及鋼纖維等組分的納米力學特征值。納米壓痕等技術(shù)同樣適用于砂子與水泥漿體界面、集料-水泥漿體界面、纖維-混凝土基體界面過渡區(qū)硬度和彈性模量進行觀察分析。

表1 硬化水泥石主要組成相的彈性模量E和硬度H

2 調(diào)整基體性能改性界面黏結(jié)性能

為獲得具有優(yōu)異性能的纖維增強混凝土復合材料，關(guān)鍵在于設法改善其界面組成和結(jié)構(gòu)[9]，才能充分發(fā)揮其界面效應。在纖維混凝土中，以摻入活性礦物及有機聚合物來強化界面組成結(jié)構(gòu)是學者最常采用的方法。

2.1 摻入活性礦物的改性機理

硅灰、粉煤灰都具有高比表面積，可以作為反應性填料。對于水泥砂漿多孔結(jié)構(gòu)，可以利用這2種活性礦物的填充效應，有效填充和細化基體中不同尺寸的孔隙，從而使界面過渡區(qū)密實。硅灰和粉煤灰中的活性SiO2具有極高的火山灰效應，能與Ca(OH)2晶體二次反應生成C-S-H凝膠物質(zhì)，降低了界面層的孔隙率，使結(jié)構(gòu)更加致密，提高界面附著力。Zhao Y等[10]在研究高爐渣和端鉤鋼纖維在混凝土中的微結(jié)構(gòu)特性的協(xié)同作用中，通過拉拔試驗和SEM試驗推斷添加適量的高爐渣有利于產(chǎn)生更均勻、更密集的微結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土壓縮強度。Yoo D-Y等[11]研究表明，由于廢液晶玻璃粉具有火山灰效應，用廢液晶玻璃粉代替50%硅粉，可以進一步提高界面黏結(jié)強度。

2.2 添加機聚合物的改性機理

聚合物能以纖維、膠凝材料和外加劑的形式在混凝土改性中應用。聚合物替代全部水泥作為膠凝材料，對混凝土的強度、耐化學性和高溫有良好的改性效果，而且能改善混凝土的黏結(jié)性能，圖2所示，地質(zhì)聚合物混凝土改變了纖維與基體之間的結(jié)構(gòu)和組成，纖維表面明顯附著有活化極性基團及水泥水化產(chǎn)物，形成以化學吸附作用為主，從而加強了界面密實度，使得界面黏結(jié)強度得到提高。使用丙烯酸[20]、聚氨酯[21]、苯乙烯丁二烯[22]和丁苯橡膠乳液[23]等有機聚合物作為添加劑的纖維混凝土表現(xiàn)出出色的塑性、韌性及耐磨性。這些有機聚合物能作為一類界面黏結(jié)材料，通常是一種具有較好的減水效果和物理化學吸附作用的表面活性物質(zhì)[24]，可均勻填充界面的孔洞、微裂紋，同時會存在部分聚合物中吸電能力很強的脂基與纖維表面中給電能力強的原子外層電子結(jié)合成次價鍵[25-26]，從而增強纖維與混凝土間的化學吸附力。

圖2 聚合物-PET纖維混凝土

3 纖維表面特征改性界面黏結(jié)性能

在纖維增強復合材料界面性能研究中，也常采用改變纖維表面特征來提高纖維與基體之間的界面黏結(jié)強度[27]。鋼纖維既可制成特殊形狀，提高纖維與基體之間的機械咬合力[28]，也可通過在鋼纖維表面涂覆納米材料或有機聚合物改性與基體間的界面黏結(jié)性能。而碳纖維、玄武巖纖維和有機纖維作為柔性纖維，成型困難，因此，建議采用表面處理方法。

3.1 界面處理

對于疏水性的碳纖維[29]、聚丙烯(PP)纖維、滌綸(PET)纖維等[30]，由于其表面特性的限制，需要采取措施對其纖維表面進行界面處理，改善纖維與基體界面間的黏結(jié)強度。PP纖維不僅有利于提高抗裂性，而且具有良好的化學穩(wěn)定性和相對較低的成本，但PP纖維化學惰性表面與水泥基體的結(jié)合較差，需要對其表面改性。李永鵬等[31]采用聚丙烯酰胺(PAM)溶液對PP合成纖維進行浸泡后，纖維表面黏附的PAM膜與水化產(chǎn)物CH晶體發(fā)生反應，并形成網(wǎng)狀分布結(jié)構(gòu)C-S-H和黏稠的凝膠，提高纖維-基體界面的密實度。Feng J H[32]則應用納米碳酸鈣對PP纖維進行表面改性，增加了纖維表面的粗糙度，使得纖維周圍產(chǎn)生水化程度高的致密水化物。碳纖維的表面非常光滑和干凈，且由于親水性低，造成纖維和基質(zhì)之間的界面黏附性較弱。為了改善這一問題，Heo G H[33]在碳纖維表面涂覆一層薄薄的SiO2層。通過涂層SiO2與Ca(OH)2反應，以改善界面附著力。玄武巖纖維也因表面的化學惰性而引起界面間黏附性差，但傳統(tǒng)的化學處理方法會在一定程度上損害纖維，或簡單進行涂層處理又存在纖維與基體之間的化學黏合和機械咬合力不盡人意，Wang J J等[34]引入一種新的表面改性方法，提出仿生多巴胺黏附特性和納米材料改性相結(jié)合，將連續(xù)致密的氧化石墨烯層接枝到玄武巖纖維表面，提高了玄武巖纖維表面的粗糙度和活性基團量。

親水性PVA纖維不同于上述纖維，能與水泥基的水化產(chǎn)物形成強大的化學鍵[35]。但這種黏結(jié)力需要在一定范圍內(nèi)，以實現(xiàn)應變硬化方面的最大性能，因為過強的黏結(jié)強度會降低纖維強度和有效性，從而導致纖維斷裂。所以PVA纖維往往需要涂油處理，降低PVA纖維與水泥基基質(zhì)之間的黏結(jié)力，調(diào)整界面行為以提高性能[36]。

3.2 改變纖維形狀

如果充分了解纖維與基體之間的黏結(jié)破壞機制，可將其界面黏結(jié)力分為2部分，即通過界面的黏附和摩擦形成的物理化學黏結(jié)和通過纖維與混凝土之間形成的機械咬合力[37]。前一種機制主要通過調(diào)節(jié)基體性能及改性纖維表面來研究界面微結(jié)構(gòu)。對于機械咬合力主要產(chǎn)生于異形纖維的滑移破壞過程，通常異形纖維在界面上不僅可以獲得黏結(jié)和摩擦效應，還能因體形產(chǎn)生機械鎖結(jié)及錨固作用，從而提高界面黏結(jié)力。所以異形鋼纖維展現(xiàn)較好的黏結(jié)強度，其與混凝土界面間產(chǎn)生的黏結(jié)機理得到進一步研究。常見的鋼纖維在混凝土基體中的荷載-滑移曲線大致見圖3。從圖中可以看出，平直纖維拔出過程分為3個階段:彈性變形階段、塑性變形到開始脫黏階段、完全脫黏至滑動階段。

圖3 直鋼纖維拔出試驗荷載-滑移曲線

Wu Z M等[38]研究了直纖維和端鉤型鋼纖維的黏結(jié)性能，指出鉤端形纖維的等效黏結(jié)強度是直纖維的3～7倍，Zile E等[39]根據(jù)荷載-滑移曲線將端鉤型鋼纖維拔出過程中分為5個階段(圖4)。在Yoo D Y等[40]進行的實驗中，與端鉤型鋼纖維相比，拱型鋼纖維在脫黏后能夠提供更高的最大黏結(jié)強度。Won J P等[41]將拱型鋼纖維的拉拔行為分為3個階段(圖5):脫黏和拉拔起始階段；通過彎曲段時達到最大拉拔荷載階段；纖維沿拱形基質(zhì)管道達到最后一個拉拔階段。在這3個階段中摩擦力和塑性彎曲力同時作用，使得拱型鋼纖維的界面韌性值比端鉤型鋼纖維更高。

圖4 端鉤型鋼纖維拔出試驗荷載-滑移曲線

圖5 拱型鋼纖維拔出試驗荷載-滑移曲線

雖然目前開發(fā)的異形鋼纖維具有一些優(yōu)點，如機械聯(lián)鎖較強，但在復合水平上，其有效性大大降低。Yoo D Y等[42]在含有2%(按體積計)不同鋼纖維混凝土的拉伸性能實驗結(jié)果中發(fā)現(xiàn)最佳拉伸性能是通過加入直鋼纖維實現(xiàn)的，直鋼纖維試樣拉伸強度和G值(能量吸收能力)分別為21.5 MPa和120.5 kJ/m3，扭曲鋼纖維、鉤形鋼纖維和半鉤鋼纖維試樣的拉伸強度分別約為直鋼纖維試樣的85%、53%和61%，其中鉤形鋼纖維獲得最低G值為26.1 kJ/m3。盡管從單纖維拉拔試驗結(jié)果來看，纖維增強混凝土中的鉤狀纖維的黏結(jié)強度幾乎是直纖維的4倍或更高，但由于端部鉤處的應力集中過大和過度黏結(jié)強度導致基體過早失效，導致鉤狀纖維以脆性方式過早地從基體中拉出。

單一纖維受限于自身特性往往不能充分發(fā)揮其優(yōu)點，常需要對其表面進行處理，造成使用的纖維比傳統(tǒng)的混凝土材料更昂貴。而將2種或2種以上的纖維按一定比例組合，使其在纖維增強混凝土不同階段發(fā)揮作用，相互補充，既發(fā)揮了單一纖維的作用又能產(chǎn)生纖維協(xié)同效應。大量研究表明，鋼-聚丙烯混雜纖維在混凝土中能產(chǎn)生復合優(yōu)勢，有效改善水泥與骨料的界面條件，抑制混凝土裂縫的發(fā)生和發(fā)展，并增強纖維-混凝土界面黏結(jié)性能[43]。提高混雜纖維混凝土應變能力的關(guān)鍵參數(shù)是纖維-混凝土界面黏結(jié)性能，混雜纖維混凝土復合材料的設計需要考慮纖維與基體的黏結(jié)性能。因此，基于宏觀試驗和微觀識別技術(shù)加強混凝土中混雜形式的纖維的化學黏結(jié)、物理摩擦和機械咬合作用機理的研究，從而促進混雜纖維混凝土在工程實踐中的廣泛應用。

4 研究展望

a)目前，混凝土材料的改性向智能化和納米化發(fā)展，許多納米材料在混凝土應用中普遍存在成本高、分散性及改性機理認識不足等問題。尤其需要進一步系統(tǒng)分析納米材料與一些活性礦物復摻的協(xié)同優(yōu)化效應，研究不同顆粒級配活性礦物對水泥基混凝土水化及界面黏結(jié)性能的影響，實現(xiàn)對混凝土內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

b)聚合物改性混凝土的制備工藝簡單，但改性效果與聚合物的選取與改性過程有關(guān)，其在混凝土改性過程中所采用的合成方法及手段還需進一步研究。其中原位聚合法在改性混凝土中展現(xiàn)出較好的應用前景。

c)碳纖維、玄武巖纖維和一些有機纖維受限于自身特性，進行適當?shù)慕缑嫣幚?，可更好發(fā)揮在混凝土中的增強增韌效果，而鋼纖維可通過界面處理和改變形狀提高與混凝土基體的黏結(jié)強度。進行界面處理還是改變纖維形狀都應該考慮經(jīng)濟性、施工工藝以及改性效果，選取最佳的手段。

d)一些低彈性模量的聚合纖維，與界面的黏結(jié)強度較弱，往往改善纖維界面情況效果不佳，更重要提高其彈性模量。所以將低彈性模量纖維和高彈性模量纖維進行混摻，可以實現(xiàn)多層次的協(xié)同效應，從而更好地改纖維混凝土的界面性能。目前在混雜纖維界面黏結(jié)機理的研究較少，且僅以2種纖維的混雜居多，可以將研究領(lǐng)域拓寬到多種纖維混雜綜合作用方面。