鄧　雙，袁進平，靳建洲，于永金，李　明，郭小陽

(1.西南石油大學材料科學與工程學院，成都　610500；2.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室(西南石油大學)，成都　610500；3.中國石油集團鉆井工程技術研究院,北京　102206)

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多尺度纖維增強水泥基材料的研究進展

鄧雙1，袁進平3，靳建洲3，于永金3，李明1，郭小陽2

(1.西南石油大學材料科學與工程學院，成都610500；2.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室(西南石油大學)，成都610500；3.中國石油集團鉆井工程技術研究院,北京102206)

隨著現(xiàn)代工程技術的不斷進步，超高層、超深井、大跨度等復雜惡劣環(huán)境對水泥基材料提出了更高的要求，鑒于水泥基材料是一種具有多尺度結構特征的復合材料，因此使用多尺度纖維是增強水泥基材料性能的有效途徑。本文在綜述國內(nèi)外水泥基材料多尺度特征研究進展的基礎上，介紹了水泥基材料的多尺度模型發(fā)展概況，指出了目前的研究中各個尺度模型之間的聯(lián)系不夠緊密的不足；總結了水泥基材料內(nèi)部裂紋由微觀至宏觀的多尺度擴展、破壞過程；論述了單一纖維和多尺度纖維增強水泥基材料的研究現(xiàn)狀，提出了目前應加強對多尺度纖維的增強機理的研究、開發(fā)性價比更高的纖維體系等建議。最后對多尺度纖維增強水泥基材料的研究方向進行了展望。

水泥基材料； 多尺度纖維； 模型； 破壞過程； 增強

1　引　言

水泥基材料是一種多相復合材料，在不同的尺度上具有不同的微觀結構，這些微觀結構又將直接影響其宏觀力學性能[1]。研究發(fā)現(xiàn)，水泥基材料的破壞多是內(nèi)部裂紋逐步發(fā)展、擴張為宏觀裂縫，進而導致其失效的過程[2]。為獲得高性能水泥基材料，必須從本質出發(fā)，即從微觀結構逐步研究到實際尺寸，探究微裂紋在基體內(nèi)部的擴展行為，由此多尺度概念逐漸被引入到水泥基材料科學中來[3]。

水泥基材料具有明顯的脆性特征，因此添加纖維可以有效的約束裂紋擴展，提高水泥材料的韌性[4]，鋼纖維混凝土作為隧道的初期支護和永久支護被廣泛運用[5]，碳酸鈣晶須和碳纖維可作為增韌劑有效改善油井水泥石的強度和韌性[6]等。同時，水泥基材料也具有明顯的多層次、多尺度特征，因此，添加不同尺寸的增強纖維可以在多個尺度下抑制微裂紋的擴展：用納米、微米尺寸的纖維在納觀、微觀尺度上限制微裂紋的產(chǎn)生與初步擴展；用微米、毫米尺寸的纖維優(yōu)化水泥基材料的細觀結構，限制微裂紋貫通、吞并發(fā)展為宏觀裂縫；再通過毫米級及以上尺寸的纖維承載宏觀裂縫，最終形成一套從納觀、微觀、細觀到宏觀的多層次協(xié)同增強的多尺度增強體系，有效改善水泥基材料的力學性能[7]。為此總結了國內(nèi)外對水泥基材料多尺度特征、模型及破壞過程的研究現(xiàn)狀，綜述了單摻纖維和多尺度纖維增強水泥基材料的研究現(xiàn)狀，以期為多尺度纖維增強水泥基材料研究指明方向。

2　水泥基材料多尺度特性的研究進展

2.1水泥基材料的多尺度特征及模型

水泥基材料是一種具有多尺度特性的多相復合材料，可將其劃分為不同的尺度進行研究。Maekawa[8]對混凝土結構進行細化分析，以體積模塊為單元，模擬出不同層次微結構之間的關系，并基于服役環(huán)境及載荷條件，建立了一套分析裂紋擴展的力學模型，對揭示水泥基材料內(nèi)部裂紋擴展方式、模擬服役壽命具有重要意義。Touzou等[9]從飽和溶液、水泥漿、砂漿及混凝土四個尺度上研究了水泥漿體的流變行為，探究了不同組成物對水泥漿流變性的影響，建立了流變性與屈服強度之間的關系。Dalado等[10]在前人研究的基礎上，總結出水泥基材料的納觀、亞微觀、微觀、細觀及宏觀5個尺度， 細化了各個尺度下的主要研究內(nèi)容，指明了該領域后續(xù)的研究方向。

基于上述水泥基材料多尺度結構的劃分，大量研究人員對基體各個尺度下的成分、結構變化過程進行模擬，取得了不俗的研究成果。上世紀末，以Bentz[11，12]為代表的一批學者對水泥基材料的多尺度特性進行了研究，建立了水泥基材料的納米、微米、毫米尺度的模型，研究了不同尺度下的結構特征，并應用于水泥材料的離子傳輸、擴散方面的研究；Breugel[13]提出了HYMOSTRUC模型，模擬了水化過程中大顆粒產(chǎn)物層對小顆粒的吞噬行為(圖1)，劃分了內(nèi)部水化產(chǎn)物(IP)與外部水化產(chǎn)物(OP)兩種組織形態(tài)，較為詳細的模擬了顆粒微結構的發(fā)展對水化進程的影響。

圖1　HYMOSTRUC水化顆粒吞噬模型Fig.1　Schematic representation of particale-phagocytic

Jennings等[14]提出了C-S-H納米膠凝模型(CMⅠ)，認為C-S-H凝膠由一些球狀顆粒排列聚集，劃分了低密度(LD)和高密度(HD)兩種顆粒堆積形態(tài)(圖2a、b)。CMⅠ模型可以通過納米壓痕實驗獲得C-S-H的彈性模量與硬度[15-17]，較為準確的預測體積彈性模量，但它不能解釋基體材料干燥自收縮與受載蠕變行為，因此結合小角度中子散射(SANS)的測定結果，Jennings等[18,19]將CMⅠ模型改進為扁平狀結構的CMⅡ模型(圖2c)，模擬了C-S-H凝膠在干燥過程中水分在C-S-H顆粒間的行為，演繹了C-S-H凝膠在受載蠕變過程中的變形情況，建立了水泥基材料納米結構與整體性能之間的定量關系，得到了較為廣泛的認可。

Bentz等[20]提出了基于數(shù)字圖像處理的CEMHYD 3D模型(圖3a)，用以分析水化進程及微觀結構的變化，通過背散射電子像及X射線能譜圖像對比分析，可以獲得特定區(qū)域內(nèi)的產(chǎn)物成分分布，精確的區(qū)分模型上的不同的物相，這對于研究水泥基體微觀力學行為具有重要的指導作用。Qian等[21,22]通過HYMOSTRUC 3D軟件模擬出水泥漿的微觀晶體結構，用不同晶格單元代表不同物相，研究了該虛擬模型在外加載荷下的斷裂性質(圖3b)。

圖2　C-S-H二維示意圖CMⅠ模型(a)LD C-S-H(b)HD C-S-H(c)CMⅡ模型Fig.2　2D schematics of C-S-H

Xi等[23]針對水泥基材料的收縮特性建立了多尺度多相模型，模擬水化產(chǎn)物各相的分布情況，明確定義了自收縮、體積系數(shù)及各相的體積分數(shù)的物理意義，推動了多尺度理論在水泥基材料領域中的發(fā)展。

2.2水泥基材料的破壞過程

水泥基材料大多由裂紋擴展導致斷裂失效，因此探究微裂紋的擴展行為對研究基體失效機理、制定合理的增強措施具有重要的意義。Eckardt等[24]通過有限元模型模擬水泥基材料的細觀結構，研究了水泥基體中微裂紋的萌生、增殖及傳播過程。Bolander等[25]模擬了毫米級、微米級纖維在水泥基體內(nèi)的分布情況，通過拉伸載荷模型分析了微裂紋從微觀到宏觀的擴展、融合進程及纖維的阻裂機理(圖4)。

圖3　HYMOSTRUC 3D微觀結構模型(a)數(shù)字圖像基模型;(b)受載的虛擬3D模型Fig.3　Micro structure of HYMOSTRUC 3D models

圖4　水泥基體內(nèi)裂紋的存在形式及橋連作用Fig4　Pattern of cracks and bridgingcrack in cement based materials

圖5　裂紋的擴展、融合(a)70.52 kN時的裂紋形態(tài);(b)79.92 kN時的裂紋形態(tài);(c)最終裂紋形態(tài)Fig.5　Expansion and fusion of cracks

Rossi等[26]通過實驗分析總結了多尺度纖維增強水泥基材料在沖擊載荷、疲勞條件下的破壞機制。Hamidreza等[27]對自密實混凝土(SFRSCC)進行加載試驗，探究了不同載荷下裂紋的擴展形式(圖5)。

裂紋在水泥基材料中的萌生、擴展是一個非常復雜的過程，目前的研究多為描述受載基體細觀及以上尺度裂紋的形態(tài)，并沒有闡明微裂紋的產(chǎn)生、擴展方式，而現(xiàn)有的斷裂力學模型所描述的裂紋尖端應力場并不能代表斷裂過程區(qū)域真實的應力分布，因此對于裂紋產(chǎn)生、擴展的力學行為研究還需要加強。

3　多尺度纖維增強水泥基材料的研究進展

3.1纖維增強水泥基材料的研究進展

利用纖維材料增強水泥基材料的歷史由來已久，目前研究中常用的纖維材料包括毫米尺度的碳纖維、聚丙烯纖維、微米尺度的晶須及納米尺度的碳納米管等。上世紀末，Victor等[28,29]學者對高延性纖維增強水泥基復合材料(ECC)進行了廣泛研究，論證了ECC構件在安全性、耐久性及可持續(xù)性方面較傳統(tǒng)水泥材料均有較大優(yōu)勢；王偉等[30]研究了碳纖維和聚酯纖維對磷鋁酸鹽水泥基材料力學性能的增強效果：在28 d齡期時，摻量0.2%碳纖維混凝土的斷裂能相較于基準混凝土提高了28%，摻量0.2%而聚酯纖維混凝土的斷裂能相較于基準混凝土提高了58%，約束裂紋擴展的能力明顯提高；李明等[31,32]研究了水鎂石纖維、碳纖維對油井水泥基材料抗壓、抗拉及抗折強度的改善效果，探討了纖維增強的機理；Pehlivanl等[33]研究了聚丙烯纖維、碳纖維、玄武巖纖維及玻璃纖維對蒸壓加氣混凝土的增強效果，曹明莉等[34]采用碳酸鈣晶須與玄武巖纖維對水泥材料進行增強；論述了纖維/晶須對抗氯離子滲透能力的影響，文章指出，碳酸鈣晶須摻量10%時對水泥基體有一定的填充密實作用，單摻6 mm玄武巖纖維在體積摻量為0.05%時，可減少基體多害孔數(shù)量，有利于基體抗氯離子滲透性能的改善； Xu等[35]的研究結果表明，摻入碳納米管能改善水泥基材料的微觀結構，提高其力學性能。Samuel等[36]率先提出用氧化石墨烯薄片代替?zhèn)鹘y(tǒng)一維纖維對水泥基材料進行改性。

由于纖維材料長徑比較高，比表面積大，纖維之間結合力強，易發(fā)生團聚現(xiàn)象，嚴重影響對水泥基體的改性效果，因此對纖維材料在水泥漿中的分散性研究是非常必要的。李庚英[37]利用濃酸羧化劑、十二烷基苯磺酸鈉(SDS)表面活化劑、KH570 SCA偶聯(lián)劑等分散劑對多壁碳納米管(MWCNTS)進行分散處理，結果表明：不同分散劑對碳納米管水泥基復合材料的力學性能、電學性能以及壓敏性能具有完全不同的作用。張源等[38]探究了納米碳纖維對水泥基材料的改性效果，利用濃混酸對納米碳纖維進行表面修飾，再采用多種分散劑進行處理，結果表明十二烷基硫酸鈉和甲基纖維素的按1∶5濃度比組合時，納米碳纖維在水溶液中的分散效果最佳，28 d納米碳纖維水泥基復合材料抗壓、抗折強度均提高30%左右。

這些研究雖然闡述了不同尺度纖維對水泥基材料的增強效果以及如何處理纖維分散性等問題，但并未從基體材料的多尺度特性入手，實現(xiàn)不同尺寸的混雜纖維在不同尺度下的協(xié)同增強。

3.2多尺度纖維增強水泥基材料的研究現(xiàn)狀

由水泥基材料的多尺度特性及其破壞過程可知，微裂紋的持續(xù)擴展是水泥材料破壞的根源，因而針對其多尺度結構特點摻加多尺度纖維，在不同尺度下分別抑制裂紋擴展，可以有效改善水泥基材料的力學性能。

國際上，Parant等[39]提出了“多尺度纖維增強水泥基材料(MSFRCC)”的概念，向水泥基體中添加不同尺寸的鋼纖維，研究了其破壞行為、機理；Banthia等[40]考察了不同幾何尺寸鋼纖維、纖維素纖維對水泥基材料的混雜增強作用，闡述了不同纖維組合增強的協(xié)同增強效應；Yap[41]的研究結果顯示，1%鋼纖維與0.1%聚丙烯纖維的混雜纖維體系可以顯著提高油棕殼混凝土的彎曲韌性，改善效果可達83%；Stynoski等[42]對碳纖維、碳納米管增強水泥基材料進行了研究，得出混雜纖維的增強效果明顯優(yōu)于單摻纖維的結論；Scheffler等[43]通過裂紋寬度衡量耐堿玻璃纖維、碳纖維對水泥基體的混雜增強效果，并通過ESEM圖像分析了增強機理。

在國內(nèi)，馬保國等[44]研究了不同幾何尺寸纖維對水泥基材料性能的影響，結果表明添加多尺度纖維可以顯著改善水泥基材料的強度、抗裂、抗?jié)B性能，論證了混雜纖維改善性能的正疊加效應；梁寧慧等[45-47]通過摻加不同尺寸的聚丙烯纖維，對水泥基材料進行了拉伸、斷裂實驗，實驗表明不同尺寸的混雜纖維能有效提高水泥基材料的韌性，并且能達到階段抗裂、層次抗裂的效果；李明等[48]研究了碳酸鈣晶須、碳纖維對水泥基材料力學性能的影響，結果顯示晶須、碳纖維通過橋連等機制顯著改善水泥基材料的強度與韌性，體現(xiàn)出二元纖維的正混雜增強效應；曹明莉等[49,50]研究了復摻碳酸鈣晶須、玄武巖纖維對水泥砂漿抗氯離子滲透及抗硫酸鹽侵蝕性能的影響；張聰?shù)萚51]基于水泥基材料的多尺度結構特征與破壞過程，設計了一種由鋼纖維聚乙烯醇纖維以及碳酸鈣晶須構成的多尺度纖維增強水泥基復合材料，研究了其抗壓強度、抗彎強度、彎曲韌性、多縫開裂形態(tài)以及斷裂過程等基本力學性能。從這些研究可以看出，混雜纖維可以在不同尺度下對基體材料進行協(xié)同增強，體現(xiàn)出纖維增強基體的梯度、層次，增強效果明顯優(yōu)于單摻纖維。

3.3現(xiàn)有研究存在的不足

在多尺度特性研究方面，目前對水泥基材料單個尺度特性的研究較為活躍，但是建模方法多樣，缺乏比較權威的建模軟件及模型，不能準確、完整地揭示水泥基材料成分、結構的秘密；并且在建模時所考慮的影響因素也比較單一，外部載荷因素與內(nèi)部結構物理參數(shù)存在一定的偏差，難以將模擬結果進行深化、推廣；同時各個尺度模型之間的聯(lián)系不緊密，不能從納觀尺度到實際尺寸連續(xù)貫通的研究水泥基材料內(nèi)部成分、結構的變化過程。

在纖維增強水泥基材料方面，現(xiàn)有的研究大多只闡述了纖維具有改善基體性能的能力，對多尺度纖維體系的增強機理缺乏系統(tǒng)的研究，未能探明不同纖維的分布、位向及與基體粘結性能對增強效果的影響機制；鮮有研究基于基體材料多尺度結構與破壞特征提出選擇纖維體系的標準，并且部分纖維的成本較高，不適合工程應用。這些問題的存在雖然制約了現(xiàn)階段對于該領域的探索，但也為科研工作者提供了突破方向，相信這些問題會逐步得到解決。

4　多尺度纖維增強水泥基材料的研究展望

在水泥基材料微結構特性研究方面，目前對單個尺度微結構的模擬研究已經(jīng)比較廣泛，但多數(shù)模型只考慮力學因素，鮮有研究考慮力學因素與環(huán)境條件的共同作用，因此今后應基于日益先進的計算機技術開發(fā)新的模擬軟件，建立更完善的模型，充分考慮實際應用條件，深度揭示水泥基材料內(nèi)部的成分、結構與性能之間的關系；同時如何將各個尺度統(tǒng)一起來，連續(xù)、系統(tǒng)的分析水泥基材料成分、結構變化將成為研究的熱點與難點。此外，歸納建模方法，系統(tǒng)的闡述微觀、宏觀模型參數(shù)與實際物理性能之間的關系，總結權威、系統(tǒng)的建模理論，對推進多尺度理論在水泥基材料中的應用發(fā)展至關重要。

對于纖維增強水泥基材料而言，今后應加強對纖維、基體材料結構特點的認識，結合基體材料的結構特征與破壞過程選擇合適的纖維體系，采用合理的分散方法對纖維進行分散預處理，在量化纖維種類、摻量對基體材料的增強效果的基礎上，探明多元纖維的分布、位向以及其與基體界面粘接強弱對增強效果的影響機制，以期形成一套較為完善的多尺度纖維增強理論體系；此外，目前的纖維體系多為無機纖維、合成纖維等，造價昂貴，因此在確定纖維體系時可多開發(fā)成本低、來源廣的自然纖維。

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Multi-scale Fiber Reinforced Cement Based Materials

DENGShuang1,YUANJin-ping3,JINJian-zhou3,YUYong-jin3,LIMing1,GUOXiao-yang2

(1.School of Material Science and Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;2.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploration,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;3.CNPC Drilling Research Institute,Beijing 102206,China)

With the development of architectural engineering technology, more complex service conditions such as super high-rise and large span structures or ultra-deep well has put forward higher requirements for properties of cement based materials, and multi-scale fiber reinforced cement based materials theory provide a new solution based on its multi-scale structure characteristics. Some structural models and destruction researches were chosen to compared and analyzed after summarizing the multi-scale characteristics researches of cement based materials at home and abroad, and the insufficient connection between different scale models in the current study were pointed out. The research status of single doped fiber and multi-scale fiber reinforced cement based materials were summarized, also more suggestions such as the further research in the strengthen mechanism and the higher cost efficiency multi scale fiber system were proposed, and then the research prospects have been analyzed.

cement based materials;multi-scale fiber;model;destruction process;enhancement

國家科技重大專項課題(2016ZX05020004-008);中國石油集團重大科技項目(2014A-4213).

鄧雙(1991-)，男,碩士研究生.主要從事固井水泥材料改性方面的研究.

李明，博士，副教授.

TQ175

A

1001-1625(2016)04-1137-07