王昱豪，劉呈坤，顧 晗，陸振乾*

(1.西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048； 2.鹽城工學(xué)院 紡織服裝學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

水泥作為傳統(tǒng)建筑材料，以成本低、易成型和良好的抗壓性能受到人們的青睞，其與鋼筋、砂石等材料構(gòu)成的混凝土結(jié)構(gòu)在建筑、橋梁等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)水泥材料為脆性材料，在實(shí)際應(yīng)用中往往表現(xiàn)出低韌性、易開裂等現(xiàn)象，而裂紋會加速鋼筋的腐蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的耐久性降低。

鋼筋作為增強(qiáng)材料對于混凝土的宏觀大裂紋控制有限，對于微觀細(xì)小裂紋的控制力弱[1]。纖維材料具有質(zhì)量輕、柔韌性好、耐腐蝕、吸收沖擊等優(yōu)點(diǎn)，能夠改善水泥材料的收縮[2]。纖維在水泥基復(fù)合材料中最初主要是以不連續(xù)(短切)纖維的形式分散在基體中，制得纖維增強(qiáng)混凝土(FRC)和高延性水泥基復(fù)合材料(ECC)。隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的進(jìn)一步研發(fā)，以連續(xù)纖維束(織物、纖維束)的形式逐漸增多，被稱為織物增強(qiáng)混凝土(TRC)和織物增強(qiáng)砂漿(TRM)[3]。

目前，F(xiàn)RC在非承重構(gòu)件中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，其增強(qiáng)增韌產(chǎn)品具有高延展性和良好的能量吸收性能，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土已成為一種國際趨勢。然而由于大多數(shù)纖維表面光滑或表面惰性強(qiáng)，與水泥基體界面間的結(jié)合性能差，導(dǎo)致增強(qiáng)效果并不理想，為充分發(fā)揮纖維性能，纖維表面改性技術(shù)引起了越來越多學(xué)者的關(guān)注。N.P.TRAN等[4]認(rèn)為要獲得良好的界面性質(zhì)，物理/化學(xué)表面改性是必要的，并在疏水性聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)纖維的聚合物鏈中引入反應(yīng)性官能團(tuán)來增強(qiáng)纖維與基體的相互作用。J.AHMAD等[5]討論了提高混凝土用天然纖維性能的各種技術(shù)，以有效促進(jìn)對建筑行業(yè)的生態(tài)友好。ZHOU A等[6]討論了從納米到宏觀的界面增強(qiáng)技術(shù)，包括水泥基體的納米材料增強(qiáng)、鋼纖維的物理排列和納米材料改性，通過宏觀表征和分子動(dòng)力學(xué)模擬，揭示了這些方法背后的多尺度機(jī)制，以期進(jìn)一步促進(jìn)鋼纖維水泥基復(fù)合材料(SFRCC)在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

作者介紹了水泥基復(fù)合材料中常用的纖維性能，對近年來纖維表面改性在水泥基復(fù)合材料中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并從力學(xué)性能和化學(xué)成分分析其增強(qiáng)機(jī)理，評價(jià)其優(yōu)勢和不足。

1 水泥基復(fù)合材料常用纖維

目前，多種纖維已被用于水泥基復(fù)合材料中，以高性能合成纖維和無機(jī)纖維為主。為開發(fā)綠色環(huán)保材料，也有學(xué)者將天然纖維[7]引入到了水泥基復(fù)合材料中，如劍麻、紅麻、黃麻、葉片纖維、竹原纖維、棉纖維和椰殼纖維等，這些新型水泥基復(fù)合材料雖然強(qiáng)度上得到了不錯(cuò)的成果，但天然纖維在實(shí)際應(yīng)用中其強(qiáng)度較低、吸水率高和堿性環(huán)境下易腐蝕等問題仍亟待解決[8]。

1.1 普通合成纖維

普通合成纖維具有產(chǎn)量大、耐腐蝕和易于處理等特點(diǎn)，在纖維增強(qiáng)水泥系統(tǒng)中具有重要地位。其中應(yīng)用最廣泛的是聚乙烯醇(PVA)纖維、PE纖維和PP纖維。PVA是一種多羥基聚合物，表面氫鍵很強(qiáng)，使PVA纖維容易在水泥中聚集，限制了其對水泥的增強(qiáng)作用。與鋼纖維相比，PP纖維的摻入能有效地抑制水泥基材料由于離析、泌水、收縮等因素形成的原生裂隙的發(fā)生和發(fā)展，在水泥塑性期和硬化初期對減少原生裂隙的數(shù)量和尺寸起著重要作用[9]。

1.2 特種合成纖維

碳纖維(CF)具有比強(qiáng)度高、質(zhì)量輕和環(huán)境穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作改善復(fù)合材料力學(xué)性能的增強(qiáng)材料。然而，CF由于其表面惰性、表面自由能低和潤濕性差常導(dǎo)致CF與基體之間結(jié)合不良。學(xué)者普遍認(rèn)為纖維與基體界面的微觀結(jié)構(gòu)特征是影響其復(fù)合材料宏觀性能的主要因素[10]。因此，為了確保組分間充分的界面荷載傳遞，獲得更好的機(jī)械性能，CF表面改性十分必要。

1.3 無機(jī)纖維及金屬纖維

無機(jī)纖維多以礦物質(zhì)為原料，具有耐高溫、機(jī)械性能好等特點(diǎn)，在市場中占有較大比例，如適應(yīng)水泥基體高堿環(huán)境的耐堿玻璃纖維。

鋼纖維是在工程實(shí)踐中最常用的金屬纖維，但無論是纖維增強(qiáng)混凝土還是織物增強(qiáng)混凝土層大都較薄，加上其以纖維形式分散在水泥基體中，對混凝土早期阻裂效果差，更易受腐蝕。

1.4 天然礦物纖維

玄武巖纖維(BF)是火山巖在熔融后，經(jīng)過漏板拉絲等工藝制備成的，BF具有模量高、抗沖擊性好、耐堿耐酸性好、耐久性高等優(yōu)點(diǎn)。和玻璃纖維相比，BF具有更高的拉伸強(qiáng)度，和碳纖維相比，BF具有更大的破壞應(yīng)變，廣泛應(yīng)用于瀝青混凝土和水泥混凝土中[11]。

水泥基復(fù)合材料常用纖維的性能參數(shù)見表1。

2 纖維表面改性技術(shù)

纖維表面改性技術(shù)是指采用物理或化學(xué)手段改善纖維表面形貌或添加各類官能團(tuán)調(diào)整纖維和基體間潤濕性能，增大界面黏結(jié)強(qiáng)度，從而進(jìn)一步提高復(fù)合材料綜合性能的方法。

2.1 物理改性

物理改性主要是利用機(jī)械外力、涂料黏性、吸附、沉積等方式解決纖維分散性、纖維表面粗糙度和織物中纖維束內(nèi)外層分離的問題，包括機(jī)械改性、表面涂層改性、等離子體改性和拉擠工藝改性等方式。

2.1.1 機(jī)械改性

纖維類型(化學(xué)性質(zhì))、表面結(jié)構(gòu)、長度和截面形狀等都是影響材料黏結(jié)強(qiáng)度的因素，可以通過機(jī)械外力來進(jìn)行修飾，如將筆直光滑的纖維進(jìn)行適當(dāng)彎曲[12]、添加溝槽[13]等，這樣的改性方式被稱為機(jī)械改性。D.Y.YOO等[14]研究了一種超高性能混凝土中彎曲端和光滑鋼纖維的拔出行為，觀察到變形纖維產(chǎn)生了比直纖維更高的拔出功和平均黏結(jié)強(qiáng)度。S.SINGH等[15]提出了一種纖維表面機(jī)械壓痕改性方法，通過調(diào)整壓痕水平，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)合強(qiáng)度和界面韌性的最大化，PP纖維與水泥基體的黏結(jié)強(qiáng)度最大提高了3倍。機(jī)械改性效率高，效果顯著，但由于機(jī)械力對纖維的改性方式強(qiáng)烈，無法精確控制到整個(gè)纖維，對部分纖維造成較大損傷，并且該方式的研究只停留在宏觀層面，對微觀界面的研究較為薄弱。

2.1.2 表面涂層改性

表面涂層改性是通過在纖維表面以涂覆或沉積等方式構(gòu)建涂層進(jìn)而達(dá)到改善纖維表面性能的方法。表面涂層改性技術(shù)由于操作簡單便捷，無論是改性纖維還是改性織物都有顯著效果，新形成的涂層/膜結(jié)構(gòu)還能起到彌補(bǔ)纖維缺陷、保護(hù)纖維的作用，是一種較為實(shí)用的改性方法。表面涂層改性技術(shù)是物理改性中研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，根據(jù)選擇的涂覆材料可分為油膜涂層、聚合物涂層和雜化涂層。

在纖維以短切纖維分散時(shí)，根據(jù)纖維種類和改性需求可以有許多選擇，如需要減弱PVA纖維間的氫鍵，提高其在混凝土漿料中的分散性，一般會選擇涂油。M.F.ARAIN等[16]采用不同的涂油劑對PVA纖維表面進(jìn)行改性，并將之與未處理的PVA纖維相比，發(fā)現(xiàn)涂油處理可以有效地降低纖維-基體界面的化學(xué)脫黏能，最低達(dá)到2.8 J/m2。

在纖維以無捻復(fù)絲和織物的形式進(jìn)行增強(qiáng)時(shí)，則大多會使用聚合物涂層。C.SIGNORINI等[17]研究了環(huán)氧樹脂在丙酮中的稀釋程度對玻璃纖維織物增強(qiáng)混凝土單軸拉伸性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著樹脂黏度降低，涂層漸漸能夠浸潤紗線內(nèi)部，這有效防止了外層纖維滑移，并且在一定程度上降低了原料成本。聚合物涂層早期主要使用樹脂浸漬，后來為了提高和無機(jī)砂漿基體的親和度，許多學(xué)者對其進(jìn)行了改進(jìn)，在樹脂涂覆的基礎(chǔ)上噴涂沙粒等無機(jī)粒子[18]，這不僅僅提高了化學(xué)脫黏能，顆粒還有效提高了纖維表面粗糙度，為其提供了一定的機(jī)械錨固[19]。聚合物涂層不僅僅要解決界面性能較差的問題，聚合物還易在高溫中失效破壞，造成結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定。朱德舉等[20]研究了玻纖織物浸漬環(huán)氧樹脂在25～500 ℃環(huán)境下的改性效果，發(fā)現(xiàn)400～500 ℃時(shí)極限拔出力在一定程度上降低。H.V.TRAN等[21]研究了氯化物環(huán)境、高溫高濕環(huán)境和持續(xù)載荷等條件對CF布增強(qiáng)砂漿(CTRM)拉伸性能的影響，發(fā)現(xiàn)嚴(yán)酷的條件降低了環(huán)氧樹脂浸漬處理對拉伸性能的改性效果。總之，織物經(jīng)過聚合物浸漬處理后，每束纖維被結(jié)合成一個(gè)整體，制作而成的試件在力學(xué)性能上得到了極大提升[22]，但由于環(huán)境穩(wěn)定性差、涂層耐久性降低，其應(yīng)用受到較多限制。

雜化涂層是將無機(jī)材料引入有機(jī)涂料中，通過無機(jī)材料修飾有機(jī)聚合物，以最大限度地發(fā)揮有機(jī)相和無機(jī)相的性能優(yōu)勢的方法。M.R.IRSHIDAT等[23]通過碳納米管改性環(huán)氧樹脂實(shí)現(xiàn)了碳納米管在有機(jī)體系中的摻入，發(fā)現(xiàn)碳納米管可以提高混凝土/環(huán)氧界面和碳纖維/環(huán)氧界面的黏結(jié)強(qiáng)度，從而改善加固梁的荷載傳遞和極限荷載，梁的極限承載力提高5%，但剛度和韌性分別提高35%和28%。雜化涂層由于添加了無機(jī)材料，其熱穩(wěn)定性得到了一定提升，但本質(zhì)上依然屬于聚合物涂層，無法保證在高熱環(huán)境下的性能，而且要保證無機(jī)相穩(wěn)定均勻分散工藝較復(fù)雜，仍需進(jìn)一步研究。

2.1.3 等離子體改性

等離子體改性是利用等離子體產(chǎn)生的活性粒子如電子、離子、亞穩(wěn)態(tài)原子和分子、自由基、紫外光子等對材料表面進(jìn)行改性的方式。該技術(shù)具有一次性完成的特點(diǎn)，且后續(xù)無需進(jìn)行烘干和洗滌。程小偉等[24]采用等離子體改性在CF表面形成了羰基，構(gòu)件內(nèi)部孔徑變小，結(jié)構(gòu)密實(shí)。WU M J等[25]研究表明等離子體改性可使纖維疏水表面轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水表面，增加纖維與基體之間的物理黏附，PP纖維經(jīng)氬等離子體處理后，其增強(qiáng)水泥的斷裂模數(shù)和韌性分別提高了56%和54%；D.Y.YOO等[26]比較了等離子體氧化處理和鉻酸氧化處理的PE纖維的改性效果，結(jié)果表明等離子體處理比鉻酸處理效果更好，拉伸強(qiáng)度和能量吸收能力最高分別為9.95 MPa和381.1 kJ/m3。

等離子改性不僅僅能夠進(jìn)行氧化，還能添加其他功能性官能團(tuán)，改善纖維的潤濕性。K.SCHNEIDER等[27]使用氧/氬等離子體對CF粗紗進(jìn)行處理，使得CF和礦物涂層的化學(xué)鍵合成為可能，構(gòu)件的最大載荷是未處理時(shí)的3倍。K.R.NANDAGEPAL[28]通過等離子體處理在BF表面創(chuàng)建了羥基，BF的黏結(jié)力和拔出力分別提高了9%和10%。

2.1.4 拉擠工藝

拉擠工藝在水泥基復(fù)合材料的研究中是一種通過浸漬、擠壓、拉伸等手段打開纖維束孔隙，將水泥砂漿擠入紗線內(nèi)部的方法。該工藝可以通過調(diào)節(jié)漿料材料、黏度、擠壓壓力大小和卷繞速率等方式調(diào)節(jié)纖維織物表面的砂漿厚度(上漿量)，改善水泥基體的黏結(jié)強(qiáng)度。拉擠工藝能夠連續(xù)生產(chǎn)，并且在調(diào)整好工藝參數(shù)后產(chǎn)品性能穩(wěn)定，在工業(yè)生產(chǎn)中有很大的應(yīng)用前景。

這種方法最先由A.PELED等[29-31]在研究織物結(jié)構(gòu)對水泥基材料黏結(jié)性能的影響研究中提出，為了減少水泥中有機(jī)組分的使用，通過拉擠工藝將水泥漿擠入織物紗線內(nèi)部，改善界面間的微觀結(jié)構(gòu)，同時(shí)相當(dāng)于在纖維表面設(shè)計(jì)了一個(gè)無機(jī)涂層，采用拉擠工藝生產(chǎn)的材料的黏結(jié)性能得到了改善，這種性能改善很大程度上歸功于砂漿的擠入將所有纖維束內(nèi)的纖維結(jié)合成一個(gè)單元，這樣內(nèi)外層的纖維都能通過黏結(jié)力有效地承擔(dān)外荷載。Z.COHEN等[32]對玻璃纖維織物中擠入各種填料，研究了干法和濕法兩種工藝下拉擠工藝對材料力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)濕法處理時(shí)會擠出部分填料，留下孔隙，這使得水泥的滲透更加容易。D.DVORKIN等[33]采用拉擠方式對CF織物的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性，對比研究了礦物填料或有機(jī)填料對復(fù)合材料的拉伸性能的影響，其中采用微硅作為填料的試件抗拉強(qiáng)度提高了54%，韌性提高了51%，并且隨著時(shí)間的推移，使用硅灰填料的試件在纖維束之間的滲透性增加，導(dǎo)致其有更大的纖維束承載能力。

2.2 化學(xué)改性

化學(xué)改性一般是通過在纖維表面接枝特殊的官能團(tuán)，使各種物質(zhì)通過共價(jià)鍵結(jié)合，或通過官能團(tuán)和基體結(jié)合，最終達(dá)到改善界面性能的目的，包括化學(xué)氧化法、溶膠-凝膠法、陽極氧化法、偶聯(lián)劑改性和接枝改性。

2.2.1 化學(xué)氧化法

化學(xué)氧化法是使用強(qiáng)氧化性物質(zhì)蝕刻纖維表面、侵蝕纖維無定形區(qū)，來增加纖維表面粗糙度、引入極性基團(tuán)的改性方式。該方法經(jīng)過深入的研究發(fā)展，介質(zhì)種類豐富且全面，但對纖維強(qiáng)度的損傷大，同時(shí)實(shí)驗(yàn)藥品較危險(xiǎn)、環(huán)境污染較重，在實(shí)際中必須予以綜合考慮。鄧均等[34]采用硝酸對CF超聲處理2 h后，CF增強(qiáng)水泥基材料28 d抗壓強(qiáng)度提高了10.2%。A.SLOSARCZYK等[35]使用臭氧和硝酸改性纖維，使其從疏水轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水，使得纖維在水泥漿體中得到適當(dāng)?shù)姆植肌?/p>

隨著改性研究的深入，化學(xué)氧化法已大多用于纖維材料的預(yù)處理階段，為纖維的表面化學(xué)反應(yīng)提供官能團(tuán)和反應(yīng)基礎(chǔ)。黃承亞等[36]以高錳酸鉀、重鉻酸鉀、氧化鉻為介質(zhì)對PP纖維進(jìn)行氧化處理，并用二甲苯進(jìn)行改性，成功在PP纖維表面產(chǎn)生大量微孔和微裂紋，PP纖維與水泥基體的結(jié)合強(qiáng)度得到提高。

2.2.2 溶膠-凝膠法(Sol-gel法)

Sol-gel法是將含高化學(xué)活性組分的化合物經(jīng)過溶液、溶膠、凝膠而固化，再經(jīng)熱處理形成氧化物或其他化合物固體的方法，其改性過程大致如圖1所示。此方法工藝簡單，涂層厚度均勻且表面平整，但涂層與基體間的結(jié)合相對較弱，容易開裂和剝落。

納米二氧化硅(SiO2)顆粒易與水泥基體中氫氧化鈣(Ca(OH)2)反應(yīng)形成一層薄薄的水合硅酸鈣凝膠，能顯著提高纖維和水泥間的界面性，所以在水泥基復(fù)合材料中，Sol-gel法多以SiO2為改性的涂層材料。程健強(qiáng)[37]將羥乙基纖維素作為分散介質(zhì)，采用Sol-gel法在短切CF表面制備了連續(xù)均勻SiO2涂層。G.H.HEO等[38]通過硅烷偶聯(lián)劑與納米SiO2溶膠反應(yīng)，在CF表面包覆納米 SiO2粒子，與普通CF相比，納米SiO2顆粒包覆的CF在3，7，28 d時(shí)的摩擦結(jié)合強(qiáng)度分別提高22.3%、26.6%和33.0%。Y.GARCIA-DIAZ等[39]使用Sol-gel法在PP、PE纖維表面生成了SiO2涂層，最大拉拔負(fù)荷提高了14%～70%。ZHOU Y等[40]對PVA纖維進(jìn)行處理，抗壓強(qiáng)度提高了約10%，而彎曲強(qiáng)度則提高26%以上。C.SIGNORINI等[41]比較了SiO2涂層和聚合物涂層的改性效果，發(fā)現(xiàn)SiO2涂層的平均絕對性能明顯優(yōu)于未涂層織物，但不如用聚合物涂層處理的試樣，考慮到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散性時(shí)，SiO2涂層則更好。

2.2.3 陽極氧化法

陽極氧化是電化學(xué)沉積方法的一種，改性的材料被放在陽極處，由于電流效果材料表面失去電子被氧化改性，而電解質(zhì)中的帶電粒子則會被吸引沉積在陽極表面。由于CF在各種水溶液中具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和非常好的電導(dǎo)率，此法常用于提高CF的表面能和改善纖維與聚合物基體的界面結(jié)合[42]。LI H Y等[43]將CF布在水泥孔溶液中被陽極氧化改性，在纖維表面形成含氧基團(tuán)，并與溶液中的鈣發(fā)生反應(yīng)，在纖維周圍形成致密的無機(jī)涂層，形成碳酸鈣，提高了CF布與水泥基材料的結(jié)合性能，在低電壓3 V、處理時(shí)間15 min條件下，纖維剪切強(qiáng)度提高37.9%。LI H Y等[44]進(jìn)一步改進(jìn)參數(shù)，通過電化學(xué)修飾將無機(jī)納米結(jié)構(gòu)材料沉積到CF上，形成均勻涂層，改善CF與膠凝基質(zhì)的界面結(jié)合，結(jié)果表明，纖維拔出功提高182%，剪切黏結(jié)強(qiáng)度提高93%。

陽極氧化法可以有效地用于處理連續(xù)纖維，并且這種電化學(xué)反應(yīng)可以較容易地由處理參數(shù)控制，例如電流、電位或電解質(zhì)組成，是一種非常有吸引力的方法。

2.2.4 化學(xué)沉積法

化學(xué)沉積與電化學(xué)沉積不同，化學(xué)沉積不需要整流電源和陽極，是利用一種合適的還原劑使鍍液中的金屬離子還原并沉積在基體表面上的化學(xué)還原過程。S.KIM等[45]將碳酸鈣顆粒沉積在鋼纖維表面，提高了超高性能混凝土中鋼纖維的抗拔強(qiáng)度，結(jié)果表明，碳酸鈣顆粒越小，其抗拔強(qiáng)度越高，沉淀碳酸鈣顆粒的加入使平均黏結(jié)應(yīng)力和拔出功分別提高了15%和37%。

化學(xué)沉積法一種非常靈活、應(yīng)用極為廣泛的工藝方法，可以用來制備各種涂層、粉末、纖維和成型元器件，即使在化學(xué)性質(zhì)完全不同的襯底上，利用化學(xué)沉積也能產(chǎn)生出晶格常數(shù)與襯底匹配良好的外延薄膜。近年來，生物沉積等其他方式逐漸興起，化學(xué)沉積的改性收益有限，更加廉價(jià)高效的工藝將是其轉(zhuǎn)變方向。

2.2.5 偶聯(lián)劑改性

偶聯(lián)劑改性在水泥基復(fù)合材料中，大多采用硅烷偶聯(lián)劑(SCA)。SCA為雙性分子，根據(jù)化學(xué)鍵合理論，偶聯(lián)劑兩端分別與增強(qiáng)材料和基體連接，從而可以在不損傷纖維的情況下也能有較好的界面效果。SCA改性不含重金屬離子，具有很大的環(huán)境效益和節(jié)能潛力。目前，SCA 已被用于改善非金屬纖維與水泥基體界面的黏結(jié)性能，主要原因是非金屬纖維攜帶活性羥基，這些羥基可以與SCA反應(yīng)并在界面產(chǎn)生化學(xué)鍵合。HU Y Y等[46]采用SCA對PP 纖維表面進(jìn)行改性，改性后PP纖維的親水性提高8.9%，在水泥砂漿中形成良好的網(wǎng)狀分布結(jié)構(gòu)。王林等[47]將SCA應(yīng)于BF上，發(fā)現(xiàn)該方法能夠彌補(bǔ)BF生產(chǎn)工藝的不足，改性處理后試件的抗折強(qiáng)度最高提升24.4%，抗壓強(qiáng)度最高提升7.3%。LIU T N等[48]探索了SCA涂層PE纖維的可行性和親水性，SCA 涂層使纖維與基體之間表現(xiàn)出明顯的滑移硬化效應(yīng)，PE纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的極限拉伸應(yīng)力和拉伸應(yīng)變能分別提高48%和112%。類澤灝[49]采用乙氧烷基偶聯(lián)劑對PE纖維進(jìn)行改性，試件的初裂應(yīng)力、極限抗拉強(qiáng)度、極限拉應(yīng)變、單位體積能量耗散分別為7.26 MPa、8.01 MPa、5.06%、337.6 kJ/m3。

由于金屬纖維表面沒有羥基，直接利用SCA難以提高鋼纖維與混凝土基體的黏結(jié)性能，LIU T J等[50]先對鋼纖維進(jìn)行堿處理，然后用SCA進(jìn)行改性，制備的含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)5% SCA 改性鋼纖維的混凝土的第一裂紋載荷和第一裂紋位移分別比未改性的試樣增加12.4% 和57.8%，能量吸收能力提高13.8%。

SCA改性不僅能夠提高界面性能，還能改善纖維和試件的抗腐蝕性能。馬琳琳[51]使用納米碳酸鈣-硅烷偶聯(lián)劑復(fù)合改性PP纖維，經(jīng)過表面改性的 PP 纖維表面粗糙度增加且纖維直徑變大，改善了改性 PP 纖維與水泥基體之間的界面附著力，提高了水泥砂漿抗硫酸鹽侵蝕性。

偶聯(lián)劑改性玻璃纖維等無機(jī)纖維的工藝效果較好，然而由于偶聯(lián)劑改性依靠的是化學(xué)鍵合產(chǎn)生的橋接作用，對表面惰性大、官能團(tuán)數(shù)量少的纖維，如CF，偶聯(lián)劑的表面改性效果并不明顯，需要進(jìn)行預(yù)處理活化纖維表面。

2.2.6 接枝改性

接枝改性是在纖維表面經(jīng)過各種方法引入活性點(diǎn)，繼而引起單體或聚合物聚合的方法。良好的接枝單體可顯著增強(qiáng)纖維與水泥基體之間的界面結(jié)合效應(yīng)，提高復(fù)合材料的整體性能。按接枝的引發(fā)方式不同，接枝改性大致可以分為等離子體接枝、輻照接枝和化學(xué)接枝。

為了進(jìn)一步提高纖維與基體的黏接性能，穩(wěn)定等離子改性效果，HUANG S等[52]使用乙醇等離子體聚合改性經(jīng)氧等離子體預(yù)處理的CF，來提高輕質(zhì)油井水泥(LOWC)的力學(xué)性能，改性后的CF表面粗糙度得到提高，含氧官能團(tuán)成功接枝到CF表面，乙醇等離子體聚合改性的試樣彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度較原CF增強(qiáng)試樣分別提高27.25%和70.56%。

化學(xué)接枝法的研究起步早，方法也較為成熟，接枝后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、力學(xué)性能均優(yōu)于常規(guī)涂層改性。李啟金等[53]采用兩步法化學(xué)接枝改性PP纖維，先用過氧化苯甲酰(BPO)為引發(fā)劑處理纖維產(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)，有效避免一步法中引發(fā)劑引發(fā)丙烯酸發(fā)生均聚的弊端，纖維接枝率最高達(dá)13.12%，改性PP纖維增強(qiáng)水泥砂漿的抗開裂性能顯著提高。馮古雨[54]發(fā)現(xiàn)丙烯酸在成功接枝到PP纖維表面后會為PP纖維表面帶來大量的親水性的羧基基團(tuán)，并進(jìn)一步酯化反應(yīng)接枝了氧化石墨烯粒子。

相對于化學(xué)接枝法，輻照接枝反應(yīng)活化能較低，可在室溫(或低溫)下進(jìn)行，并且由于不需要向體系中添加引發(fā)劑等物質(zhì)，接枝聚合物產(chǎn)物較純凈。E.H.CHO等[55]研究了兩種輻照方法(預(yù)輻照和順輻照)處理超高相對分子質(zhì)量聚乙烯(UHMWPE)的表面對其與聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥的黏合強(qiáng)度的影響，預(yù)輻照法比順輻照法在 UHMWPE 表面接枝層更薄且結(jié)合強(qiáng)度更高。

3 結(jié)語

近年來，纖維表面改性在水泥基復(fù)合材料的應(yīng)用主要集中在物理改性，但成果不突出，對于大批量纖維織物、連續(xù)生產(chǎn)且改性效果穩(wěn)定的改性工藝還需進(jìn)一步探索。在水泥基復(fù)合材料中纖維表面改性的未來發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)纖維能夠使水泥基復(fù)合材料具有更高的強(qiáng)度和模量，但材料的成本和產(chǎn)品性能間如何平衡是一直以來是制約其發(fā)展的重要問題，高性能纖維往往成本高，處理工藝復(fù)雜，探索高效穩(wěn)定的改性方法和開發(fā)高性能纖維，是提高產(chǎn)品市場競爭力的關(guān)鍵；(2)嚴(yán)酷環(huán)境下的特種產(chǎn)品需要進(jìn)一步研究，如高溫高濕和高氯化物環(huán)境下保持抗腐蝕、高耐久性，織物、紗線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改性后材料的微觀結(jié)構(gòu)和抗裂機(jī)理均是未來的研究熱點(diǎn)；(3)開發(fā)多功能化的復(fù)合材料，利用多種纖維混雜或者添加納米顆粒來開發(fā)新材料，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)提高強(qiáng)度的同時(shí)擁有特殊的功能性，如電磁屏蔽、構(gòu)件健康監(jiān)測等。