陳公增，馬緒榮

(泰安市公路局，山東 泰安 271000)

0 引 言

水泥基材料作為一種用途廣泛的建筑材料，其種類繁多，用量巨大。但普通水泥基材料(如水泥砂漿、水泥混凝土等)普遍具有自重大、韌性差、干縮易開裂、抗拉強(qiáng)度低等缺點(diǎn)[1-2]，難以滿足實(shí)際工程對(duì)耐久性和施工效率的要求。

相關(guān)研究表明，在混凝土基體中摻入高彈性模量纖維后，混凝土的抗拉、抗彎、抗剪、抗裂、耐磨等力學(xué)性能均得到明顯改善[3-5]，并且顯著提高了混凝土抗疲勞性能及耐久性[6]。然而，纖維與水泥基體屬于不同物質(zhì)，二者復(fù)合時(shí)會(huì)形成界面，界面黏結(jié)性能的優(yōu)劣則會(huì)對(duì)纖維水泥復(fù)合材料的性能產(chǎn)生重要影響。界面黏結(jié)性能越好，兩相的界面結(jié)合區(qū)越緊密，內(nèi)部缺陷就越少，纖維混凝土的性能越優(yōu)異。

目前，纖維與混凝土基體的界面黏結(jié)性能已成為國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者的重要研究方向[7-11]。本文基于一些學(xué)者的理論成果，闡述了幾種常用纖維混凝土復(fù)合材料界面黏結(jié)性能的研究進(jìn)展，以期為纖維-水泥基體界面黏結(jié)性能的進(jìn)一步研究提供借鑒。

1 纖維增強(qiáng)混凝土及其界面

1.1 鋼纖維混凝土

與天然纖維或化學(xué)纖維相比，鋼纖維的抗折、抗拉強(qiáng)度較高，且具有較好的韌性及延伸率[12]，十分適用于高性能纖維混凝土的制備。而且鋼纖維混凝土具有優(yōu)異的力學(xué)性能及耐久性，目前已被廣泛應(yīng)用于土木工程建設(shè)[13]。

鋼纖維混凝土是由2種材料復(fù)合而成，屬非均質(zhì)復(fù)合材料，其宏觀性能在很大程度上是由內(nèi)部?jī)上嚅g的界面力學(xué)特性決定的。

1.1.1 界面區(qū)結(jié)構(gòu)及性能

在鋼纖維混凝土中，鋼纖維表面與混凝土基材本體(集料)間存在一個(gè)空間結(jié)構(gòu)區(qū)，即界面層。該界面層的微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋼纖維-水泥基材料界面微觀結(jié)構(gòu)

由圖1可看出，界面層主要含有C-S-H凝膠及Ca(OH)2晶體，按區(qū)域分為臨近纖維的Ca(OH)2高集區(qū)及臨近基材本體的多孔區(qū)。研究者對(duì)界面層的結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了大量的研究分析，發(fā)現(xiàn)界面區(qū)厚度不均勻，除含有C-S-H凝膠以及Ca(OH)2晶體外，還存在鈣礬石(Aft)晶體[14-16]，且內(nèi)部存在較多微裂紋和孔隙，整體結(jié)構(gòu)疏松。

王海超等對(duì)鋼纖維水泥砂漿展開研究，并得出相似結(jié)論，即鋼纖維混凝土界面過渡區(qū)的彈性模量高于水泥基體，測(cè)量出界面過渡區(qū)寬度為20～40 μm[17]。進(jìn)一步研究顯示，界面過渡區(qū)的微觀力學(xué)性能是鋼纖維水泥砂漿宏觀力學(xué)性能的重要影響因素。

1.1.2 鋼纖維-水泥基材料界面

圖2為界面過渡區(qū)的掃描電鏡圖。其中圖2(a)中的A、B區(qū)域分別距鋼纖維表面10 μm和20 μm，圖2(b)、(c)分別為A、B區(qū)域的形貌。

圖2 鋼纖維-水泥基試樣界面過渡區(qū)的形貌

由圖2(a)可見，鋼纖維與水泥基存在明顯界面，表明兩者相容性差。圖2(b)顯示出A區(qū)域存在被團(tuán)絮狀C-S-H凝膠包裹著的針棒狀A(yù)Ft，未觀察到六方塊狀的Ca(OH)2及未水化的水泥顆粒，整體結(jié)構(gòu)較為致密。這可歸因于鋼纖維表面的鐵離子能促使C-S-H凝膠的生成[18]，填充于纖維表面紋理，增強(qiáng)了水泥水化產(chǎn)物與纖維的結(jié)合從而提高該區(qū)域結(jié)構(gòu)的致密性。圖2(c)則顯示出B區(qū)域存在較大孔洞，且大量的Ca(OH)2晶體富集。這是由于鋼與水的結(jié)合性較好，在其表面會(huì)先形成一層水膜，致使鋼纖維表面的水灰比偏大，離子的飽和度遠(yuǎn)低于水泥基體。研究發(fā)現(xiàn)，界面過渡區(qū)的性狀和結(jié)構(gòu)與該水膜層的厚度關(guān)系密切，而水膜層的厚度主要由水灰比大小決定，水灰比越大水膜層越厚。與集料表面距離越近的區(qū)域，離子濃度越低，致使C-S-H凝膠生成量減少，同時(shí)Ca(OH)2和AFt自由生長(zhǎng)并在集料表面定向排列，阻止了C-S-H凝膠與集料接觸，導(dǎo)致硬化后該區(qū)域結(jié)構(gòu)疏松。

1.2 碳纖維混凝土

在混凝土中均勻加入碳纖維可制得碳纖維混凝土。碳纖維的強(qiáng)度高、模量高，具有良好的耐腐蝕、耐高溫性能，還能導(dǎo)熱、導(dǎo)電，是一種理想的功能型建筑材料增強(qiáng)纖維。研究發(fā)現(xiàn)在碳纖維混凝土具有更高的抗拉、抗折強(qiáng)度，且碳纖維的加入顯著改善了混凝土的拉壓比。

然而，碳纖維表面光滑，表面能低且具有的活性官能團(tuán)少，因此與水泥基體間的黏結(jié)性能差。

1.2.1 碳纖維表面改性

為了改變碳纖維光滑的表面形貌，提高碳纖維與水泥水化產(chǎn)物間的黏結(jié)力，可通氧化處理對(duì)碳纖維表面進(jìn)行改性。

(1)濃硝酸氧化處理。取一定質(zhì)量的濃硝酸和碳纖維，其中碳纖維質(zhì)量為濃硝酸質(zhì)量的20%。將兩者混合均勻后置于超聲波清洗器中，真空抽濾除去硝酸，然后用蒸餾水沖洗至其pH值為7。最后將處理好的碳纖維置于60 ℃烘箱中烘干備用。

(2)高溫氧化處理。將碳纖維置于400 ℃的高溫爐中保溫30 min。待爐內(nèi)溫度降至室溫后取出，用無(wú)水乙醇沖洗干凈，最后將處理好的碳纖維置于60 ℃的烘箱中烘干備用。

圖3為碳纖維表面改性前后的掃描電鏡圖。由圖3(a)可看出，未經(jīng)處理的碳纖維表面顏色較淺，說(shuō)明其溝槽紋理較淺，表面光滑；由圖3(b)可看出，經(jīng)濃硝酸氧化處理后，碳纖維表面呈不規(guī)則形狀，說(shuō)明碳纖維表面變得粗糙，比表面積增大；由圖3(c)可看出，經(jīng)高溫氧化處理后，碳纖維邊緣呈不規(guī)則形狀，說(shuō)明碳纖維表面變得粗糙，溝槽紋理變深。

圖3 處理前后碳纖維的形貌

1.2.2 碳纖維-水泥基材料界面

圖4為碳纖維-水泥基界面的掃描電鏡圖。其中圖4(a)為未改性碳纖維與水泥基體結(jié)合處的界面形貌，圖4(b)、(c)分別為濃硝酸氧化處理、高溫氧化處理后的碳纖維與水泥基體的界面結(jié)合形貌。由圖4可以看出，未經(jīng)處理的碳纖維與水泥基體存在明顯界面，且結(jié)合處存在裂縫，說(shuō)明兩者之間黏結(jié)性不佳；濃硝酸氧化處理后的碳纖維與水泥基材料緊密結(jié)合，表面還附著大量的水泥水化產(chǎn)物，說(shuō)明兩者的黏結(jié)性能較好；高溫氧化處理后的碳纖維表面也存在一些水化產(chǎn)物，與水泥基材料結(jié)合處結(jié)構(gòu)較為致密，說(shuō)明碳纖維經(jīng)高溫氧化后可改善其與水泥基體的黏結(jié)性能。

圖4 碳纖維-水泥基材料界面結(jié)合形貌

1.3 聚丙烯纖維

聚丙烯纖維是以聚丙烯為原料生產(chǎn)的，其化學(xué)、物理性質(zhì)穩(wěn)定。雖然聚丙烯纖維的剛度低，且傳遞荷載的能力差，但它能吸收沖擊能量以起到緩沖作用，減小材料內(nèi)部應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此可作為加筋材料用于纖維混凝土的制備。研究表明，聚丙烯纖維可改善混凝土韌性，有效抑制混凝土因收縮或干縮而形成的裂縫，還能改善混凝土的抗?jié)B性能及耐沖擊、耐磨性能。由于聚丙烯纖維具有優(yōu)異的抗老化性，故而能在混凝土中長(zhǎng)期發(fā)揮功效。

盡管聚丙烯纖維混凝土性能優(yōu)異，但聚丙烯纖維為非極性材料，且表面疏水，導(dǎo)致其與水泥基材料間的界面黏結(jié)性能不佳，減弱了聚丙烯混凝土的抗塑性收縮開裂性能。因此，必須對(duì)聚丙烯纖維的表面進(jìn)行改性處理。

1.3.1 聚丙烯纖維表面改性

采用聚丙烯纖維化學(xué)接枝聚丙烯酸可對(duì)聚丙烯纖維表面進(jìn)行改性。為提高纖維接枝率，先用引發(fā)劑處理聚丙烯纖維，使其表面產(chǎn)生接枝點(diǎn)；然后除去引發(fā)劑再加入丙烯酸進(jìn)行接枝反應(yīng)；再將反應(yīng)產(chǎn)物冷卻、水洗、丙酮浸洗以去除殘余單體和均聚物，后置于60 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒重。

聚丙烯纖維改性前、后的掃描電鏡照片如圖5所示。由圖5可以看出，改性前聚丙烯纖維表面光滑，輪廓清晰；而改性后聚丙烯纖維由于表面接枝了聚丙烯酸，粗糙度顯著增大。

1.3.2 聚丙烯纖維-水泥基材料界面

圖6為聚丙烯纖維-水泥基界面的掃描電鏡圖。圖6(a)為改性前聚丙稀維水泥基界面的微觀形貌，可以看出，試件斷裂處的聚丙烯纖維表面光滑，僅附著了少量的水泥水化產(chǎn)物，且纖維與水泥基體的界面結(jié)合處存在明顯縫隙，結(jié)合處不緊密。這是由于聚丙烯纖維表面疏水且粗糙度低，因而與水泥基材料間的化學(xué)鍵合力及機(jī)械嚙合力弱，導(dǎo)致兩者界面結(jié)合力差。試件受力時(shí)，纖維易從水泥基體中拔出，不利于聚丙烯纖維加筋作用的發(fā)揮。圖6(b)為改性后聚丙烯纖維與水泥基界面的微觀形貌，可以看出，聚丙烯纖維表面完全被水泥水化產(chǎn)物覆蓋，纖維與水泥基體結(jié)合緊密。這是因?yàn)榫郾├w維表面引入了極性親水基團(tuán)(-COOH)，纖維表面親水性提升，有效加強(qiáng)了其與水泥基體的化學(xué)鍵合力。此外，由于改性后的聚丙烯纖維表面粗糙度加大，增強(qiáng)了其與水泥基體間的機(jī)械嚙合力，從而進(jìn)一步提高了改性聚丙烯纖維與水泥基體的界面結(jié)合強(qiáng)度。

圖6 聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥砂漿試樣的斷面微觀形貌

2 結(jié) 語(yǔ)

(1)對(duì)于纖維增強(qiáng)型混凝土，為了更大程度地發(fā)揮纖維材料的價(jià)值，常常需要對(duì)其表面進(jìn)行改性，使纖維與水泥基體有更好的界面黏結(jié)性。纖維-水泥基體界面區(qū)黏結(jié)性能及結(jié)合狀態(tài)的評(píng)估，主要是通過拉拔試驗(yàn)獲得界面區(qū)的試件碎片，然后用掃描電鏡觀察界面區(qū)的微觀形貌進(jìn)行分析。值得注意的是，對(duì)纖維混凝土性能的評(píng)價(jià)應(yīng)綜合考慮界面區(qū)的結(jié)合狀態(tài)以及纖維混凝土的其他性能。

(2)應(yīng)用廣泛的鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)均較好，但用掃描電鏡仍能觀察到界面區(qū)存在明顯缺陷，因此后期應(yīng)繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行研究，力求進(jìn)一步改善界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)，提升鋼纖維-水泥基復(fù)合材料的性能。

(3)碳纖維和聚丙烯纖維均為較為理想的增強(qiáng)纖維建筑材料，但受其表面特性的限制，并不適合直接用于制備纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。采取合適的措施對(duì)纖維表面進(jìn)行改性，可使其與水泥基材料結(jié)合緊密，提高兩者界面間的黏結(jié)性能。