纖維參數(shù)對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能影響研究綜述

劉煜輝　鄭文珂　趙玉凱

摘 要：【目的】旨在為纖維增強水泥基復(fù)合材料的理論研究和工程應(yīng)用提供參考和啟示?！痉椒ā烤C述纖維增強水泥基復(fù)合材料的分類、力學(xué)性能及其影響因素，重點介紹不同纖維參數(shù)對水泥基復(fù)合材料性能的作用效果?！窘Y(jié)果】研究表明，纖維增強水泥基復(fù)合材料是一種由纖維和灌漿料組成的新型復(fù)合材料，具有高強度、高韌性、低密度、耐腐蝕等優(yōu)點?！窘Y(jié)論】纖維參數(shù)是影響水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的重要因素，需要根據(jù)不同工程需求選擇合適的纖維參數(shù)。

關(guān)鍵詞：水泥基復(fù)合材料；纖維參數(shù)；力學(xué)性能；影響機理

中圖分類號：TU528? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1003-5168（2024）05-0067-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.05.014

Review on the Influence of Fiber Parameters on the Mechanical

Properties of Cement-Based Composites

LIU Yuhui ZHENG Wenke ZHAO Yukai

（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450000， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to provide reference and inspiration for the theoretical research and engineering application of fiber reinforced cementitious composites. [Methods] This paper aims to review the types， properties and influencing factors of fiber reinforced cementitious composites， and to analyze the role of fiber parameters. [Findings] Research shows fiber reinforced cementitious composites are new types of composite material composed of fibers and grout， which have high strength， high toughness， low density and corrosion resistance. [Conclusions] Fiber parameters are the key factors determining the properties of cementitious composites， and need to select appropriate fiber parameters according to engineering requirements.

Keywords： cementitious composites; fiber parameters; mechanical properties; influencing mechanism

0 引言

水泥基材料是建筑工程中最常用的材料之一，是一種由水泥、骨料、水和其他摻合料組成的人造復(fù)合材料，具有成本低、施工方便、適應(yīng)性強等優(yōu)點。然而，水泥基材料也存在一些缺點，如低抗拉強度、低韌性、易開裂等，這些缺點會影響水泥基材料的耐久性和安全性［1］。隨著建筑物使用年限的延長以及使用要求的提高，普通水泥基材料在實際應(yīng)用中的缺陷也逐漸顯現(xiàn)出來，為了改進水泥基材料的性能，彌補其不足，一種有效的方法是在水泥基材料中摻入不同類型和形態(tài)的纖維［2］，從而形成纖維增強水泥基復(fù)合材料以提升性能。

因此，本研究通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行綜述，總結(jié)了不同纖維參數(shù)對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律和機理。

1 不同纖維對水泥基復(fù)合材料的影響

不同種類的纖維具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)會影響纖維與水泥基復(fù)合材料之間的相容性和黏結(jié)性能，進而影響纖維增強水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能。目前，主要將纖維分成天然纖維與化學(xué)纖維兩大類，其中常用的纖維有鋼纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維［3］、玻璃纖維［4］、碳纖維、植物纖維［5-7］等，不同種類纖維由于其自身結(jié)構(gòu)和性能的不同，有不同的優(yōu)缺點，具體見表1。

2 纖維對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

纖維增強水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能主要包括抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度、抗沖擊強度、韌性等，纖維對其影響主要取決于含量、分布、形狀、長度等因素。

2.1 纖維含量

纖維的體積分數(shù)決定了纖維在水泥基復(fù)合材料中的含量和分布密度，從而影響纖維與基體之間的應(yīng)力傳遞效率和裂縫橋接能力。纖維含量越高，纖維在水泥基材料中的分布越密集，纖維對水泥基材料的增強和吸能作用越明顯，從而提高了水泥基復(fù)合材料的抗拉強度、韌性、抗裂能力、抗沖擊能力、抗疲勞能力和耐久性。

周曉媛等［8］發(fā)現(xiàn)聚乙烯醇纖維體積分數(shù)從0至2.0%水泥基材料極限拉應(yīng)變逐步提升，拉伸應(yīng)力提高了54%～77%，抗折效果提升效果顯著。孫亞頗［9］發(fā)現(xiàn)隨著納米碳纖維摻量的增加，水泥基復(fù)合材料的抗壓強度和抗折強度先增后減，質(zhì)量損失率和碳化深度先降后升，當(dāng)摻量為質(zhì)量分數(shù)0.8%時，抗壓強度和抗折強度最高，凍融質(zhì)量損失量最小。劉瓊等［10］發(fā)現(xiàn)隨著短切PAN基碳纖維摻量的增加，水泥基復(fù)合材料抗壓強度和抗折強度均呈現(xiàn)先增后降的趨勢，而質(zhì)量損失率和碳化深度則呈現(xiàn)先降后升的趨勢，綜合分析發(fā)現(xiàn)最佳摻量為質(zhì)量分數(shù)0.6%。

從以上學(xué)者的研究中可以發(fā)現(xiàn)，一般來說纖維體積分數(shù)越大，水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能越高，但纖維含量過高會對水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。一方面，纖維含量過高會導(dǎo)致纖維相互纏繞或堆積，影響纖維的均勻分布和水泥基材料的工作性能，以及纖維與水泥基材料之間的應(yīng)力匹配程度和界面黏結(jié)強度；另一方面，纖維含量過高會占用水泥基復(fù)合材料中的有效空間，降低基體密實度和強度，造成纖維成團現(xiàn)象，同時增加混合難度和成本。

2.2 纖維分布

纖維分布是指纖維在水泥基復(fù)合材料中的空間位置和方向，其影響水泥基復(fù)合材料的各向異性、均勻性、應(yīng)力狀態(tài)和裂縫形態(tài)等特征，進而影響水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能。目前，常用的纖維分布方式有隨機分布、定向分布、層狀分布、網(wǎng)狀分布等。不同分布方式的優(yōu)缺點見表2。

Soltan等［11］發(fā)現(xiàn)3D打印纖維水泥基體比澆筑具有更高的拉伸性能，包括初始開裂強度、極限拉伸強度和極限拉伸應(yīng)變，這是因為3D打印方法能夠使纖維在拉伸方向上有序排列。但是3D打印導(dǎo)致其力學(xué)性能有明顯的各向異性，可能會降低纖維垂直方向的性能。Ding等［12］從微宏兩個層面分析了水泥基體抗彎力學(xué)性能與纖維分布的關(guān)系，該試驗沿X軸澆筑試塊，并分別沿相對于X軸0°、45°和90°方向切割試樣，得到不同纖維取向的纖維水泥基復(fù)合材料，結(jié)果顯示，纖維取向與受力方向越一致，水泥基體應(yīng)變硬化越明顯。

從以上學(xué)者的研究中可以發(fā)現(xiàn)，一般來說，纖維的排列方向越接近受力方向，水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能越好，但纖維的排列方向過于集中會對水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響，主要表現(xiàn)在以下三方面：一是降低材料的均勻性和各向異性，使不同方向上的力學(xué)性能差異較大；二是降低纖維與基體之間的黏結(jié)強度和應(yīng)力傳遞效率，使接觸面積減??；三是降低纖維的橋接裂縫能力和抑制裂縫擴展能力，使裂縫面上的纖維分布不均勻。

2.3 纖維形狀

纖維形狀是影響水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的一個重要因素，不同形狀的纖維具有不同的拉拔阻力、分散性和剛度等特性，從而導(dǎo)致水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能表現(xiàn)出不同的特點，影響纖維與水泥基復(fù)合材料之間的應(yīng)力傳遞效率和裂縫攔截能力。

Zahra等［13］利用不同界面的聚丙烯纖維增強水泥基復(fù)合材料，并表征了纖維的橫截面形狀和平均表面積，通過拉拔試驗評估了截面為中空、三角形和圓形三種纖維的黏結(jié)性能，結(jié)果表明，纖維截面形狀影響纖維與基體的黏結(jié)性能和試件的彎曲韌性，其中側(cè)界面最大的中空纖維具有最高的拉出載荷。Pakravan等［14］采用圓形、三角形和三葉形聚丙烯纖維部分替代聚乙烯醇纖維，研究了含兩種纖維的水泥基體的彎曲性能，包括首裂強度、峰值強度和韌性，發(fā)現(xiàn)非圓形聚丙烯纖維有利于提高水泥基體的延展性，圓形聚丙烯纖維對韌性和峰值強度的影響更大，結(jié)果表明，使用非圓形聚丙烯纖維是降低其成本和增加變形性的有效方法。李長輝等［15］采用壓痕型、波浪型、光圓型三種纖維表面性狀的粗聚丙烯纖維，進行了單根纖維拔出試驗和SEM觀察，結(jié)果表明，壓痕型纖維在水泥砂漿中的利用率最高，界面黏結(jié)性能最好。

從以上學(xué)者的研究中可以發(fā)現(xiàn)，一般來說，彎曲形、波浪形和錨固形等非圓形纖維比圓形纖維具有更好的黏結(jié)性能和抗拉性能，但也會增加混合難度和施工難度。

2.4 纖維長度

纖維的長度決定了纖維在基體中分布的均勻程度和橋接裂縫能力，從而影響了水泥基復(fù)合材料的均勻性和韌性。

柴林杰等［16］采用5 mm和10 mm兩種長度的礦渣纖維進行水泥砂漿改性，在相同摻量條件下，長纖維對水泥砂漿強度的提升幅度約為短纖維的1.3～1.5倍。Khan等［17］發(fā)現(xiàn)長度為3 mm和20 mm的玄武巖纖維的抗壓強度低于普通水泥砂漿試樣，而6 mm和12 mm的玄武巖纖維強度有所提高。方維炯等［18］采用6 mm和12 mm長度的聚丙烯纖維，發(fā)現(xiàn)抗壓強度和抗拉強度隨著纖維長度的增加而增大，且當(dāng)纖維長度為 12 mm 時，其脆性減弱的效果最好。

從以上學(xué)者的研究中可以發(fā)現(xiàn)，纖維長度是影響水泥基復(fù)合材料性能的重要因素。過短的纖維不能有效橋接裂縫，增加纖維長度，不僅可以增加纖維與水泥基體之間的黏結(jié)強度和接觸面積，提高材料的抗拉強度和抗彎強度，還可以增強纖維在水泥基體中的拉拔效應(yīng)和對裂縫的橋接作用，提高材料的韌性、延性、抗裂性和抗沖擊性。但是如果纖維長度過長，會影響纖維在水泥基體中的均勻分布，從而降低材料的均勻性和穩(wěn)定性。

3 結(jié)論與展望

本研究綜述了近年來國內(nèi)外關(guān)于纖維參數(shù)對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能影響的研究進展，主要涉及纖維類型、纖維形狀、纖維尺寸、纖維含量、纖維分布等方面。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，不同參數(shù)的纖維都有其優(yōu)缺點和適用范圍。因此，應(yīng)該根據(jù)不同類型的纖維和不同要求的水泥基復(fù)合材料進行合理選擇和優(yōu)化，以達到最佳的力學(xué)性能以取得最優(yōu)的經(jīng)濟效益。

目前，關(guān)于纖維參數(shù)對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能影響的研究還存在一些不足［19］，例如目前大多數(shù)研究都是對單一或少數(shù)幾個因素進行分析和評價，忽略了纖維參數(shù)之間以及與其他因素之間的相互作用，也沒有采用多目標(biāo)優(yōu)化等方法進行全面的優(yōu)化設(shè)計。希望在未來的研究中采用多目標(biāo)優(yōu)化等方法進行全面的優(yōu)化設(shè)計，以達到最佳的力學(xué)性能，以期獲得耐久性能和最佳經(jīng)濟效益等。

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