洪 輝（上海市建筑建材業(yè)市場(chǎng)管理總站，上海 200032）

國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2000 ～ 2019 年，中國(guó)建筑業(yè)房屋施工面積累計(jì)達(dá) 1 506.2 億m2。近年來(lái)，由于自然老化、設(shè)計(jì)及意外破壞等原因，建筑物常會(huì)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(hù)系統(tǒng)服役期已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限的 60% ～ 80%，面臨空鼓、脫落等耐久性失效的安全風(fēng)險(xiǎn)隱患。對(duì)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的建筑進(jìn)行合理修復(fù)是防范化解重大風(fēng)險(xiǎn)、消除城市安全隱患的有效途徑。

水泥基材料具有高強(qiáng)、易施工、穩(wěn)定性好等顯著優(yōu)勢(shì)，使其在建筑加固、修復(fù)領(lǐng)域得到了良好應(yīng)用，但水泥基材料也存在著抗拉強(qiáng)度低、粘接強(qiáng)度低、變形能力差、易開(kāi)裂、韌性差等問(wèn)題。為彌補(bǔ)以上不足，行業(yè)內(nèi)常采用纖維材料對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)、增韌。纖維類材料有短切纖維及二維甚至三維纖維增強(qiáng)材料。其中，短切纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗拉及抗彎性能主要取決于二維平面內(nèi)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(wú)較好的解決方法。因此，二維纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。二維纖維增強(qiáng)材料是由纖維織物編成網(wǎng)或布而形成的，主要有網(wǎng)格布、格柵、土工布、氈、鋼絲網(wǎng)等。相比短切纖維，二維纖維材料在基體中的分布均勻，在經(jīng)、緯兩個(gè)方向均可提升復(fù)合材料的物理力學(xué)性能。三維纖維增強(qiáng)材料目前偶見(jiàn)報(bào)道，由于其高厚度等原因應(yīng)用受到限制。

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

1 常見(jiàn)二維纖維增強(qiáng)材料對(duì)水泥基復(fù)合材料韌性的影響

常見(jiàn)的二維纖維增強(qiáng)材料有網(wǎng)格布、格柵、土工布、氈和鋼絲網(wǎng)等形式。各種形式的制作工藝、材料及性能的不同對(duì)水泥基復(fù)合材料的韌性影響也存在差異。

1.1 網(wǎng)格布

纖維網(wǎng)格布是以纖維為基材，通過(guò)退捻、織造、表面涂覆等一系列工序制成，具有高強(qiáng)、高模量、密度小及經(jīng)緯向抗拉強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。二維纖維網(wǎng)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(duì)表面密度為 170 g/m2、網(wǎng)格中心距為5 mm × 5 mm 的玻璃纖維網(wǎng)格布進(jìn)行研究，結(jié)果表明，玻璃纖維網(wǎng)格布可大幅提高水泥基材料的強(qiáng)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(qiáng)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(duì)表面密度為 164 g/m2、網(wǎng)格中心距為5 mm × 5 mm 的玻璃纖維網(wǎng)格布進(jìn)行研究，也得出類似結(jié)論。并且指出，增強(qiáng)效果與網(wǎng)格布層數(shù)有關(guān)，單層網(wǎng)格布增強(qiáng)的復(fù)合材料的韌度指數(shù) GT（文中對(duì)韌度指數(shù) TI 進(jìn)行修正后的指標(biāo)）相比純水泥砂漿的 1.0 提高至 8.4，雙層網(wǎng)格布為 20.5。

徐世烺等[3]將碳纖維網(wǎng)格布與超高韌性 E C C（Engineered Cementitious Composite，工程用纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料）復(fù)合，結(jié)果表明，纖維網(wǎng)格布可以進(jìn)一步改善 ECC 的韌性，纖維網(wǎng)格布可以使水泥基材料的裂縫發(fā)展得更為細(xì)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(guò)對(duì) 7 種不同類型的雙向板進(jìn)行彎曲試驗(yàn)以評(píng)價(jià)玻璃纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)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(lái)表示。結(jié)果表明，單摻耐堿玻璃網(wǎng)格布可提高板的能量吸收值，并且耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布與鋼纖維表現(xiàn)出較好的正混雜效應(yīng)。張蒙蒙[5]研究表明當(dāng)網(wǎng)格布為 2 層及以上層數(shù)時(shí)，纖維增強(qiáng)混凝土試件表現(xiàn)出多縫開(kāi)裂的特征。隨著網(wǎng)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(xì)密而均勻的特征。張勇超[6]通過(guò)四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)研究證明，相比素混凝土，網(wǎng)格布增大了試件吸收能量的能力，增強(qiáng)了其韌性。而且玻璃纖維網(wǎng)格布的增強(qiáng)效果要強(qiáng)于玄武巖纖維網(wǎng)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(wǎng)格布增強(qiáng)的復(fù)合材料具有較好的張拉強(qiáng)度和韌性。混編（增強(qiáng)方向兩種纖維的根數(shù)比例是 1:1）纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)復(fù)合材料具有更好的力學(xué)特性和更高的效率因子。

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

1.2 格 柵

纖維格柵具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐性和耐久性較好等突出優(yōu)點(diǎn)，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)與加固中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

鄭宇宙[8]通過(guò)將纖維格柵和 ECC 復(fù)合以增強(qiáng)鋼筋混凝土梁抗彎性能的試驗(yàn)研究表明，與普通混凝土梁相比，加固試驗(yàn)梁的開(kāi)裂、屈服和極限荷載均得到顯著提高，韌性得到改善，復(fù)合層有明顯的多點(diǎn)均勻開(kāi)裂現(xiàn)象，試驗(yàn)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(jié)合能充分發(fā)揮格柵的力學(xué)性能，隨著格柵層數(shù)的增加，其極限抗拉強(qiáng)度顯著增大。并且，表面經(jīng)過(guò)黏砂處理后的玄武巖格柵與 ECC 基體的黏結(jié)性能顯著增大，破壞時(shí)玄武巖格柵的平均應(yīng)變?yōu)槠錁O限拉應(yīng)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(fù)合材料的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和彎曲韌性，這主要是由于玄武巖格柵的二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(jié)十分牢固，兩者之間有很強(qiáng)的物理結(jié)合，保證了復(fù)合材料的整體均勻性，從而提升了復(fù)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(qiáng)度提高 6.62% ～ 31.40%，明顯改善了水泥混凝土的彎曲力學(xué)特性。并且，纖維格柵表面經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂處理后，能改善纖維束與混凝土之間的黏結(jié)狀況，使混凝土的抗彎強(qiáng)度提高 8.30% ～ 11.88%。王鵬等[13]研究表明，在一定范圍內(nèi)，玄武巖纖維格柵鋪筑層數(shù)越多、纖維格柵網(wǎng)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(wǎng)格的平面結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土開(kāi)裂有較好的約束和延緩作用，鋪 3 層小網(wǎng)格纖維格柵的試件彎拉強(qiáng)度較素混凝土試件提高了 57.4%。

綜上所述，格柵對(duì)水泥基復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性均有提高，且增強(qiáng)效果受不同材料、層數(shù)、格柵網(wǎng)孔尺寸和格柵表面處理方式等因素的影響，格柵表面經(jīng)黏砂或環(huán)氧樹(shù)脂處理后，格柵與基體的黏結(jié)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(guò)熱壓針刺、膠結(jié)、編織而成的透水性土工合成材料。其主要應(yīng)用于隧道及道路工程，起到過(guò)濾、排水、隔離、加筋、保護(hù)土工膜等作用。目前土工布在水泥基復(fù)合材料中應(yīng)用較少，在道路及隧道加固中的相關(guān)研究較多。

陳磊[14]通過(guò)斷裂力學(xué)理論與 ABAQUS 建立整體路面三維結(jié)構(gòu)開(kāi)裂模型，對(duì)有防裂土工布與無(wú)防裂土工布路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得出防裂土工布對(duì)裂縫擴(kuò)展有抑制作用的結(jié)論。在沖擊荷載作用下，對(duì)比路面結(jié)構(gòu)的整體能量、裂縫的應(yīng)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(jié)構(gòu)整體能量變低，且能量峰值降低，說(shuō)明有防裂土工布結(jié)構(gòu)耗散能較大，韌性較好。馮振中[15]運(yùn)用理論與工程實(shí)例相結(jié)合的方式提出了土工布防治瀝青路面反射裂縫的工程應(yīng)用方法，并通過(guò)對(duì)比得出土工布能抵抗面層底部部分彎拉應(yīng)力，對(duì)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(duì)比有布路面結(jié)構(gòu)和無(wú)布路面結(jié)構(gòu)下的不同參數(shù)，結(jié)果證明土工布可通過(guò)降低路面結(jié)構(gòu)層應(yīng)力和彎沉起到防反作用。蔡氧等[17]運(yùn)用了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的方式對(duì)路面防裂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，得出鋪設(shè)土工布后，裂縫擴(kuò)展速度明顯降低，土工布拉伸模量越大，裂縫擴(kuò)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(shuō)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(duì)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(xué)性能，應(yīng)用于水泥基復(fù)合材料增韌具有一定可行性。

1.4 氈

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

管厚兵[19]對(duì)三維針刺碳?xì)衷鰪?qiáng)水泥基復(fù)合材料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)受到外力作用時(shí)，復(fù)合材料主要以纖維拔出、纖維脫黏、纖維橋連，裂紋偏轉(zhuǎn)等方式改變其韌性，提高力學(xué)性能。楊智偉[20]在室溫下測(cè)得碳?xì)衷鰪?qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度為 45 MPa，抗壓強(qiáng)度為 56 MPa，而純水泥石的抗彎強(qiáng)度僅為 15 MPa 左右，抗壓強(qiáng)度為 50 MPa，這說(shuō)明碳纖維氈在水泥基體中能夠顯著的增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)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(shí)均出現(xiàn)了多條裂縫，撓度達(dá)到跨度 4% 時(shí)仍具有承載能力，表現(xiàn)出較好的韌性，破壞時(shí)短切玻璃纖維以拔出為主。

綜上所述，纖維氈對(duì)水泥基復(fù)合材料的強(qiáng)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(zhuǎn)等方式提高水泥基復(fù)合材料韌性，可應(yīng)用于水泥基復(fù)合材料增韌的相關(guān)研究中。

1.5 鋼絲網(wǎng)

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

董加柱[22]研究表明，水泥薄板中加入鋼絲網(wǎng)可提高其初裂荷載和極限荷載，同時(shí)增大了初裂撓度。鋼絲網(wǎng)砂漿板在開(kāi)裂后表現(xiàn)出較強(qiáng)的變形能力和承載能力，延性較好。田剛[23]對(duì)鋼絲網(wǎng)混雜纖維增強(qiáng)水泥砂漿進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，研究表明，鋼纖維、聚丙烯纖維與鋼絲網(wǎng)三種材料混雜的增強(qiáng)水泥砂漿試件的抗拉強(qiáng)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?jǐn)?shù)下，連續(xù)鋼絲網(wǎng)片與亂向短纖維混雜增強(qiáng)水泥基材料表現(xiàn)出比單用亂向短鋼纖維增強(qiáng)水泥基材料更高的增強(qiáng)和增韌效率，特別是當(dāng)纖維總體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，纖維與網(wǎng)片復(fù)合增強(qiáng)的效果突出。隋光南[25]提出從宏觀上采用鋼絲網(wǎng)對(duì)樹(shù)脂混凝土進(jìn)行增韌，并對(duì)雙向隔波鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)樹(shù)脂混凝土薄板進(jìn)行了四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，樹(shù)脂混凝土“復(fù)合化”的增韌方式是可行的，當(dāng)配筋率 ＞ 1% 時(shí)，薄板底面拉彎開(kāi)裂形態(tài)由單一裂縫向網(wǎng)狀開(kāi)裂轉(zhuǎn)變。

綜上所述，鋼絲網(wǎng)對(duì)水泥基復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性均有提高，且在與短纖維混合使用時(shí)復(fù)合材料表現(xiàn)出較好正混雜效應(yīng)。

2 纖維材料增韌機(jī)理

韌性表示材料在塑性變形和斷裂時(shí)吸收能力的大小，其韌性越好，破壞時(shí)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(wǎng)格增強(qiáng)體系結(jié)構(gòu)，分布于水泥基當(dāng)中，不僅對(duì)基體起到了加固增強(qiáng)的作用，也減少了大部分基體中微孔隙的產(chǎn)生。當(dāng)二維纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料受到荷載作用時(shí)，纖維網(wǎng)可通過(guò)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(wǎng)的橋接作用在水泥基體中形成多裂縫來(lái)吸收能量，抑制基體的開(kāi)裂。吳妙生等[26]認(rèn)為纖維增強(qiáng)復(fù)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(kāi)裂形成一個(gè)損傷區(qū)而緩慢的沿原始裂紋向前橫向擴(kuò)展。王玲等[27]認(rèn)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(shí)性。鄧宗才等[28]認(rèn)為纖維可以阻斷毛細(xì)孔的連通，從而產(chǎn)生了比基體本身大幾倍延性值，大幅提升了復(fù)合材料的韌性。

3 結(jié) 語(yǔ)

從目前研究現(xiàn)狀看，纖維材料對(duì)水泥基復(fù)合材料的韌性提高有積極作用，網(wǎng)格布、格柵與鋼絲網(wǎng)的相關(guān)研究較多，但是土工布與纖維氈在水泥基復(fù)合材料中的應(yīng)用還相對(duì)欠缺，上述二維纖維材料均可提高水泥基材料的強(qiáng)度和韌性，且其增韌效果要優(yōu)于短切纖維，應(yīng)用前景值得期待。關(guān)于增韌機(jī)理，目前短切纖維研究較為深入，而二維纖維網(wǎng)的增韌機(jī)理還需進(jìn)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(wǎng)的表面處理、土工布與纖維氈的應(yīng)用以及三維纖維網(wǎng)等對(duì)水泥基材料的增韌效果及機(jī)理是今后舊改及修復(fù)材料研究的重點(diǎn)方向。