纤维网水泥板纤维材料选择探析

桑思宇，孟凡林 （吉林建筑大学 土木工程学院，吉林 长春 130118）

为规避钢筋锈蚀对钢筋混凝土建筑物的影响，国内外学者利用纤维优异的力学性能创新出纤维（短切纤维）混凝土，纤维编织网增强混凝土，部分学者也提出将纤维与纯水泥浆混合加工成薄板，将其应用于装配式叠合板免拆模板。本文对纤维增强复合水泥基材料介绍，分析纤维与基体粘结机理，复合材料力学性能、耐久性能等，为业内学者研究纤维网水泥板提供参考。

2.1 纤维材料与基体界面粘结机理及粘结性能影响因素

纤维材料与水泥基体之间的粘结力由纤维与基体界面间的摩阻力、机械咬合力和胶结力组成。纤维从基体中拔出，需经历三个阶段：第一阶段，加载前，试件内部随机分布一些微小裂缝与空洞；
第二阶段，加载时试件内部裂缝不断扩张，有些与空洞贯通，形成裂缝发展区并向试件内部不断延伸，靠近荷载的部分最先失去粘结力，此时，仅剩摩阻力发挥作用；
第三阶段，随着加载的继续，裂缝继续向内部延伸，脱粘现象加剧，当锚固段纤维脱粘后，脱粘区域遍布于整个粘结面，最终纤维被拔出。

影响纤维与水泥基粘结性能的因素众多，如纤维束埋置深度、纤维截面形状、水泥强度与自密实性、纤维是否经过环氧树脂类材料浸渍等。田稳苓等[1]对纤维编织网增强水泥基复合材料进行拉拔试验，结果表明，试件极限拉拔力随纤维束埋置深度增加而增大。提高水泥强度和自密实性有利于提高纤维与水泥基体粘结性能，改善水泥基体自密实性对二者粘结性能的影响更加明显。廖宪廷等[2]研究了PP纤维水泥复合材料的界面行为，结果表明，纤维埋置深度超过临界纤维拉出长度时，纤维被拉断，且临界纤维拔出长度因纤维截面形状、纤维是否经过改性处理的不同而改变。

2.2 短切纤维增强水泥基复合材料力学性能

郝华中等[3]研究了耐碱玻璃纤维对水泥浆的性能与对水泥石力学性能的影响，试验结果表明，加入玻璃纤维的水泥浆流变曲线，其屈服值、塑性粘稠度随着纤维量的增加而升高。水泥浆稠化时间与纤维掺入量成反比，水泥浆的失水量随着纤维量的增加先降低后升高。在一定范围内，水泥石的抗压强度、抗折强度等，均因玻璃纤维的增加而提高。刘军等[4]通过玻璃纤维对磷酸钾镁水泥进行增韧，试验结果表明，实验前对玻璃纤维进行硅烷偶联剂预处理，能提高玻璃纤维磷酸镁水泥抗折强度和抗压强度。在纤维掺量小于1.2%时，试件的抗折强度、抗压强度与纤维产量成正比，否则，将会导致磷酸钾镁水泥抗折强度、抗压强度下降，且玻璃纤维长度过长，也会降低磷酸钾镁的增韧效果。廉杰等[5]对不同玄武岩长径比与掺量进行试验研究，试验结果表明，短切玄武岩纤维的掺入使试件的破坏状态由脆性转为延性，同时试件的抗压强度、劈拉强度与弯拉强度均有大幅提高，长径比对试件力学性能的影响弱于纤维体积掺量的影响。朱春琪等[6]对比分析了玄武岩纤维在普通硅酸盐水泥与贝利特硫铝酸盐水泥中的增强效果，熊锐等[7]研究了玄武岩纤维在水泥基材料中的增强效果，均证明玄武岩纤维的增韧效果良好。

2.3 纤维网增强水泥基复合材料力学性能

纤维网水泥板力学性能的影响因素有纤维网配网率、纤维网尺寸、纤维网与基体的界面性能、纤维网的纬（经）线摆放方向等。

马文彬[8]对纤维增强水泥板的受力性能进行研究，结果表明，纤维网网眼越大，其粘结力越小，同时，纤维网格布的种类影响复合板的抗弯性能，且玄武岩纤维水泥板的抗弯性能比玻璃纤维水泥板的抗弯性能提高了1 倍。复合板受到冲击时，纤维能够吸收足够的破坏能量。朱春琪等[9]在不同水泥里掺入玄武岩纤维网，进行不同龄期下玄武岩纤维网水泥板弯曲试验，结果表明，玄武岩纤维网的掺入均提高了水泥材料的抗弯强度，对试件具有很好的增韧效果，BTR-H 板具有更优异的长期力学性能。孙晓林[10]对纤维网水泥板进行了诸多试验，结果表明，纤维网格布的加入对结构板性能的提升十分明显，与普通水泥板相比，试件的破坏形式发生变化，破坏时更具有完整性。卢娟等[11]人对玻璃纤维增强水泥板进行四点弯曲试验，结果表明，纤维水泥板破坏时出现“裂而不断”的现象。荷载-位移曲线的峰值随纤维掺量的增多而不断增大。Zhu[12]等对玄武岩格栅ECC试件进行静力轴拉试验，结果表明，纤维层数的增加可有效提高试件的极限抗拉强度。Nahun[13]等控制纤维束与横截面积的比值、纤维增强束的数目制作薄板试件进行拉伸试验，结果表明，最佳界面比值为0.0057，此时试件破坏时，拉伸强度最大，能吸收更多能量。Rabed[14]等在FRCM 中外掺短切纤维，结果表明，试件在拉伸试验中初裂应力是未掺短切纤维试件的1.5-2.0 倍，这是因为短切纤维填充了纤维网与基体间空隙同时产生交联作用，抗拉强度也得到提高。

2.4 耐久性能

影响复合材料耐久性能的主要因素为物理侵蚀和化学侵蚀，目前改善措施主要有：①从纤维入手，改善纤维耐碱性能；
②从水泥基体入手，降低基体碱度和减少Ca(OH)2产生。

杨梦初等[15]对含锆玻璃纤维耐碱机理研究，结果表明，R13（ZrO2/TiO2=2.4）抗碱玻璃纤维表面形成锆-钛保护膜，有效抑制氢氧根离子向纤维内部扩散。陈奇等[16]在玻璃纤维表面涂覆一层BaO-TiO2-SiO2耐碱膜，分别进行不同溶液侵蚀，并测试其抗折强度，结果表明，BaO-TiO2-SiO2耐碱膜在提高纤维耐久性、延长复合材料寿命的同时，也改变了玻璃纤维与水泥基体间的界面性质。李晓等[17]在水泥中加入羧基丁苯胶乳，试件养护成型后进行Cl-渗透试验，结果表明，羧基丁苯胶乳的加入有效降低氯离子渗透性，提高材料抗渗性，但是，由于纤维与水泥基体界面粘结不紧密，外界侵蚀性介质很容易进入试件内部，所以仅仅提高纤维掺量会提高材料的渗透性，降低其耐久性。

另一方面，通过在水泥基体中加入掺和料，可以提高复合材料的耐久性能，国内学者经过研究发现用粉煤灰替代60%的水泥，同时掺入耐碱纤维，在加速老化试验中，复合材料耐久性能得到较好改善。

纤维按制作材料分为：有机纤维、无机纤维、植物纤维、金属纤维。其广泛应用于各领域，在建筑领域内，可根据工程需要将纤维加工成短切纤维、纤维筋、纤维网格布、纤维布等。上表为常用纤维性能指标。

由表中数据可看出，玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维拉伸强度较高，能提高水泥基承载力，但是，由于玄武岩纤维、玻璃纤维弹性模量较低，会增大结构挠度，降低建筑物的安全性，此问题可通过为纤维网施加预应力得到改善。大多数纤维密度远远小于钢筋密度，减少了结构自重，使建造大跨度，轻建筑成为可能。

另一方面，玄武岩纤维在生产过程中对环境污染很小，生产时产生的废弃物可不经处理直接投入生态环境中。从经济方面比较，碳纤维价格昂贵，不利于大体量使用，玄武岩纤维价格适中，且部分性能与碳纤维相当，玻璃纤维价格较低，已在建筑领域中得到广泛应用。从力学性能方面分析，鲁子煜、醉寒、丁一宁等人研究表明了碳纤维、玄武岩纤维及复合材料具有优异的力学性能。玻璃纤维、玄武岩纤维等具有很好的耐腐蚀性能，能应用于恶劣环境中，然而钢纤维等金属纤维耐腐蚀性能差，需采取防腐手段对其保护。目前，市场以玄武岩纤维、碳纤维、钢纤维、玻璃纤维为主，其他纤维未得到广泛普及，且质量不一，纤维制品单一。综合以上对比分析，将玻璃纤维、玄武岩纤维作为纤维网水泥板增强材料。

通过上文对纤维增强复合水泥基材料分析，纤维的加入改变了水泥基力学性能，提高其耐久性，具有很大的研究价值。笔者在此启发下提出纤维网水泥板的研究。

纤维网水泥板（如图）以耐碱玻璃纤维网、玄武岩纤维网为增强材料，水泥净浆为基体。玄武岩纤维网、耐碱玻璃纤维网分别掺于基体上下表面，水泥板上表面制有等间距布置的抗剪键，并以此水泥板用作装配式叠合板中的免拆模板。

纤维主要性能指标表

纤维网水泥板具有很好的经济效益，材料费用较低，远远低于市场免拆模板价格。同时，耐碱玻璃纤维、玄武岩纤维具有很好的耐火、耐腐蚀性能，用作免拆模板省去了保护层厚度，减少材料费。

纤维网水泥板图

综合各学者研究成果，分析总结得：

①纤维材料性能可靠，能与水泥基复合成性能优异的新材料；

②纤维埋置深度、基体自密实性、纤维表面是否涂覆环氧树脂等都是影响纤维与基体粘结性能的关键因素；

③纤维改善水泥基力学性能显著，同时也能提高材料耐久性能；

④将耐碱玻璃纤维网、玄武岩纤维网应用于纤维网水泥板具有很好的经济效益和发展潜力。

目前，尽管对纤维增强复合材料的研究取得了一定的进展，但仍然存在一些问题阻碍其进一步发展：①规范不健全，市场很难形成统一标准；
②没有统一的纤维复合材料理论计算公式，学者们多是套用钢筋混凝土计算公式，计算结果误差较大；
③纤维与基体粘结问题需进一步研究解决，避免纤维从基体中滑移拔出。