張曉麗，袁 圓

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)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(qiáng)度已廣泛用于建筑和基礎(chǔ)設(shè)施[1]。然而，混凝土的脆性、較低的拉伸、彎曲強(qiáng)度導(dǎo)致許多基礎(chǔ)設(shè)施故障和惡化問(wèn)題。為了克服這些缺點(diǎn)，嘗試將不同的纖維作為增強(qiáng)體摻入到混凝土中,這種復(fù)合材料稱為纖維增強(qiáng)混凝土。纖維增強(qiáng)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(qiáng)度有利于纖維在開裂時(shí)抵抗從基體中拔出[2]，否則纖維的增強(qiáng)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(qiáng)度的方法具有重要的研究意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)增加纖維與混凝土基體之間的界面黏結(jié)力來(lái)制造纖維和開發(fā)纖維增強(qiáng)混凝土材料，從而改善黏結(jié)性能，取得了較大進(jìn)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(jī)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(cè)試常用的方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)，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(jī)理及發(fā)展?fàn)顩r，以期為纖維-混凝土基體界面黏結(jié)性能的進(jìn)一步研究提供借鑒。

1 界面性能測(cè)試方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)纖維與混凝土基體界面黏結(jié)性能的研究，常用的測(cè)試方法有拔出試驗(yàn)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(yàn)可分為單根纖維拉拔試驗(yàn)和多根纖維拉拔試驗(yàn)2種形式，進(jìn)行纖維拉拔試驗(yàn)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(qiáng)度等評(píng)價(jià)指標(biāo)。Shannag M J等[3]自行設(shè)計(jì)單纖維拉拔裝置來(lái)進(jìn)行單纖維拉拔試驗(yàn)，以纖維同基體間界面黏結(jié)力和拉拔功來(lái)評(píng)價(jià)鋼纖維在基體中的體積分?jǐn)?shù)及埋入長(zhǎng)度對(duì)界面黏結(jié)性能的影響。Yun L等[4]通過(guò)多纖維拉拔試驗(yàn)，探究纖維傾斜角與界面黏結(jié)強(qiáng)度之間的關(guān)系，并引入表觀抗剪強(qiáng)度和滑移系數(shù)來(lái)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(xiàn)的概念，提出的新黏結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)以平均黏結(jié)強(qiáng)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(gè)新的評(píng)價(jià)指標(biāo)。單纖維拉拔試驗(yàn)較簡(jiǎn)單、直觀，但考慮到大量隨機(jī)分布纖維之間的耦合效應(yīng)，尤其在測(cè)試混雜纖維與混凝土界面強(qiáng)度時(shí)宜采用多纖維同時(shí)拉拔的方式。

纖維與基體的黏結(jié)試驗(yàn)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(duì)較簡(jiǎn)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(cè)試；另一種是對(duì)拉基體的方式拔出，該方法不僅可以測(cè)量黏結(jié)力的大小，還能測(cè)出復(fù)合材料在纖維剝離和拉出過(guò)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(shí)別技術(shù)在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的深入發(fā)展，孫偉[6]較早就通過(guò)X射線和顯微硬度法來(lái)測(cè)得基體界面過(guò)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(biāo)作為界面區(qū)結(jié)構(gòu)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。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(guò)渡區(qū)(ITZ)的納米力學(xué)性能，采用納米壓痕試驗(yàn)測(cè)試不同水灰比樣品的界面過(guò)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(dǎo)出壓痕硬度H和壓痕模量M，并將這2個(gè)指標(biāo)用于表征界面過(guò)渡區(qū)各相的體積分?jǐn)?shù)和力學(xué)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(xué)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(guò)渡區(qū)硬度和彈性模量進(jìn)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(qiáng)混凝土復(fù)合材料，關(guān)鍵在于設(shè)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(yīng)。在纖維混凝土中，以摻入活性礦物及有機(jī)聚合物來(lái)強(qiáng)化界面組成結(jié)構(gòu)是學(xué)者最常采用的方法。

2.1 摻入活性礦物的改性機(jī)理

硅灰、粉煤灰都具有高比表面積，可以作為反應(yīng)性填料。對(duì)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(yīng)，有效填充和細(xì)化基體中不同尺寸的孔隙，從而使界面過(guò)渡區(qū)密實(shí)。硅灰和粉煤灰中的活性SiO2具有極高的火山灰效應(yīng)，能與Ca(OH)2晶體二次反應(yīng)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(guò)拉拔試驗(yàn)和SEM試驗(yàn)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(qiáng)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(yīng)，用廢液晶玻璃粉代替50%硅粉，可以進(jìn)一步提高界面黏結(jié)強(qiáng)度。

2.2 添加機(jī)聚合物的改性機(jī)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(yīng)用。聚合物替代全部水泥作為膠凝材料，對(duì)混凝土的強(qiáng)度、耐化學(xué)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(tuán)及水泥水化產(chǎn)物，形成以化學(xué)吸附作用為主，從而加強(qiáng)了界面密實(shí)度，使得界面黏結(jié)強(qiáng)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(jī)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(jī)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(xué)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(shí)會(huì)存在部分聚合物中吸電能力很強(qiáng)的脂基與纖維表面中給電能力強(qiáng)的原子外層電子結(jié)合成次價(jià)鍵[25-26]，從而增強(qiáng)纖維與混凝土間的化學(xué)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(qiáng)復(fù)合材料界面性能研究中，也常采用改變纖維表面特征來(lái)提高纖維與基體之間的界面黏結(jié)強(qiáng)度[27]。鋼纖維既可制成特殊形狀，提高纖維與基體之間的機(jī)械咬合力[28]，也可通過(guò)在鋼纖維表面涂覆納米材料或有機(jī)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(jī)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(duì)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(duì)其纖維表面進(jìn)行界面處理，改善纖維與基體界面間的黏結(jié)強(qiáng)度。PP纖維不僅有利于提高抗裂性，而且具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和相對(duì)較低的成本，但PP纖維化學(xué)惰性表面與水泥基體的結(jié)合較差，需要對(duì)其表面改性。李永鵬等[31]采用聚丙烯酰胺(PAM)溶液對(duì)PP合成纖維進(jìn)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(yīng)，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(shí)度。Feng J H[32]則應(yīng)用納米碳酸鈣對(duì)PP纖維進(jìn)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(wèn)題，Heo G H[33]在碳纖維表面涂覆一層薄薄的SiO2層。通過(guò)涂層SiO2與Ca(OH)2反應(yīng)，以改善界面附著力。玄武巖纖維也因表面的化學(xué)惰性而引起界面間黏附性差，但傳統(tǒng)的化學(xué)處理方法會(huì)在一定程度上損害纖維，或簡(jiǎn)單進(jìn)行涂層處理又存在纖維與基體之間的化學(xué)黏合和機(jī)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(tuán)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(qiáng)大的化學(xué)鍵[35]。但這種黏結(jié)力需要在一定范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變硬化方面的最大性能，因?yàn)檫^(guò)強(qiáng)的黏結(jié)強(qiáng)度會(huì)降低纖維強(qiáng)度和有效性，從而導(dǎo)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(jī)制，可將其界面黏結(jié)力分為2部分，即通過(guò)界面的黏附和摩擦形成的物理化學(xué)黏結(jié)和通過(guò)纖維與混凝土之間形成的機(jī)械咬合力[37]。前一種機(jī)制主要通過(guò)調(diào)節(jié)基體性能及改性纖維表面來(lái)研究界面微結(jié)構(gòu)。對(duì)于機(jī)械咬合力主要產(chǎn)生于異形纖維的滑移破壞過(guò)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(yīng)，還能因體形產(chǎn)生機(jī)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(qiáng)度，其與混凝土界面間產(chǎn)生的黏結(jié)機(jī)理得到進(jìn)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(guò)程分為3個(gè)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(dòng)階段。

圖3 直鋼纖維拔出試驗(yàn)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(qiáng)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(guò)程中分為5個(gè)階段(圖4)。在Yoo D Y等[40]進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度。Won J P等[41]將拱型鋼纖維的拉拔行為分為3個(gè)階段(圖5):脫黏和拉拔起始階段；通過(guò)彎曲段時(shí)達(dá)到最大拉拔荷載階段；纖維沿拱形基質(zhì)管道達(dá)到最后一個(gè)拉拔階段。在這3個(gè)階段中摩擦力和塑性彎曲力同時(shí)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(yàn)荷載-滑移曲線

圖5 拱型鋼纖維拔出試驗(yàn)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(diǎn)，如機(jī)械聯(lián)鎖較強(qiáng)，但在復(fù)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(jì))不同鋼纖維混凝土的拉伸性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)最佳拉伸性能是通過(guò)加入直鋼纖維實(shí)現(xiàn)的，直鋼纖維試樣拉伸強(qiáng)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(qiáng)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(yàn)結(jié)果來(lái)看，纖維增強(qiáng)混凝土中的鉤狀纖維的黏結(jié)強(qiáng)度幾乎是直纖維的4倍或更高，但由于端部鉤處的應(yīng)力集中過(guò)大和過(guò)度黏結(jié)強(qiáng)度導(dǎo)致基體過(guò)早失效，導(dǎo)致鉤狀纖維以脆性方式過(guò)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(diǎn)，常需要對(duì)其表面進(jìn)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(qiáng)混凝土不同階段發(fā)揮作用，相互補(bǔ)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(yīng)。大量研究表明，鋼-聚丙烯混雜纖維在混凝土中能產(chǎn)生復(fù)合優(yōu)勢(shì)，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(qiáng)纖維-混凝土界面黏結(jié)性能[43]。提高混雜纖維混凝土應(yīng)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(fù)合材料的設(shè)計(jì)需要考慮纖維與基體的黏結(jié)性能。因此，基于宏觀試驗(yàn)和微觀識(shí)別技術(shù)加強(qiáng)混凝土中混雜形式的纖維的化學(xué)黏結(jié)、物理摩擦和機(jī)械咬合作用機(jī)理的研究，從而促進(jìn)混雜纖維混凝土在工程實(shí)踐中的廣泛應(yīng)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(yīng)用中普遍存在成本高、分散性及改性機(jī)理認(rèn)識(shí)不足等問(wèn)題。尤其需要進(jìn)一步系統(tǒng)分析納米材料與一些活性礦物復(fù)摻的協(xié)同優(yōu)化效應(yīng)，研究不同顆粒級(jí)配活性礦物對(duì)水泥基混凝土水化及界面黏結(jié)性能的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jiǎn)單，但改性效果與聚合物的選取與改性過(guò)程有關(guān)，其在混凝土改性過(guò)程中所采用的合成方法及手段還需進(jìn)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(yīng)用前景。

c)碳纖維、玄武巖纖維和一些有機(jī)纖維受限于自身特性，進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕缑嫣幚?，可更好發(fā)揮在混凝土中的增強(qiáng)增韌效果，而鋼纖維可通過(guò)界面處理和改變形狀提高與混凝土基體的黏結(jié)強(qiáng)度。進(jìn)行界面處理還是改變纖維形狀都應(yīng)該考慮經(jīng)濟(jì)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(qiáng)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(jìn)行混摻，可以實(shí)現(xiàn)多層次的協(xié)同效應(yīng)，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(jī)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。