纤维参数对水泥基复合材料力学性能影响研究综述

刘煜辉　郑文珂　赵玉凯

摘 要：【目的】旨在为纤维增强水泥基复合材料的理论研究和工程应用提供参考和启示。【方法】综述纤维增强水泥基复合材料的分类、力学性能及其影响因素，重点介绍不同纤维参数对水泥基复合材料性能的作用效果。【结果】研究表明，纤维增强水泥基复合材料是一种由纤维和灌浆料组成的新型复合材料，具有高强度、高韧性、低密度、耐腐蚀等优点。【结论】纤维参数是影响水泥基复合材料力学性能的重要因素，需要根据不同工程需求选择合适的纤维参数。

关键词：水泥基复合材料；纤维参数；力学性能；影响机理

中图分类号：TU528     文献标志码：A      文章编号：1003-5168（2024）05-0067-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.05.014

Review on the Influence of Fiber Parameters on the Mechanical

Properties of Cement-Based Composites

LIU Yuhui ZHENG Wenke ZHAO Yukai

（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450000， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to provide reference and inspiration for the theoretical research and engineering application of fiber reinforced cementitious composites. [Methods] This paper aims to review the types， properties and influencing factors of fiber reinforced cementitious composites， and to analyze the role of fiber parameters. [Findings] Research shows fiber reinforced cementitious composites are new types of composite material composed of fibers and grout， which have high strength， high toughness， low density and corrosion resistance. [Conclusions] Fiber parameters are the key factors determining the properties of cementitious composites， and need to select appropriate fiber parameters according to engineering requirements.

Keywords： cementitious composites; fiber parameters; mechanical properties; influencing mechanism

0 引言

水泥基材料是建筑工程中最常用的材料之一，是一種由水泥、骨料、水和其他掺合料组成的人造复合材料，具有成本低、施工方便、适应性强等优点。然而，水泥基材料也存在一些缺点，如低抗拉强度、低韧性、易开裂等，这些缺点会影响水泥基材料的耐久性和安全性［1］。随着建筑物使用年限的延长以及使用要求的提高，普通水泥基材料在实际应用中的缺陷也逐渐显现出来，为了改进水泥基材料的性能，弥补其不足，一种有效的方法是在水泥基材料中掺入不同类型和形态的纤维［2］，从而形成纤维增强水泥基复合材料以提升性能。

因此，本研究通过对国内外研究现状进行综述，总结了不同纤维参数对水泥基复合材料力学性能的影响规律和机理。

1 不同纤维对水泥基复合材料的影响

不同种类的纤维具有不同的物理和化学性质，这些性质会影响纤维与水泥基复合材料之间的相容性和黏结性能，进而影响纤维增强水泥基复合材料的力学性能。目前，主要将纤维分成天然纤维与化学纤维两大类，其中常用的纤维有钢纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维［3］、玻璃纤维［4］、碳纤维、植物纤维［5-7］等，不同种类纤维由于其自身结构和性能的不同，有不同的优缺点，具体见表1。

2 纤维对水泥基复合材料力学性能的影响

纤维增强水泥基复合材料的力学性能主要包括抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗冲击强度、韧性等，纤维对其影响主要取决于含量、分布、形状、长度等因素。

2.1 纤维含量

纤维的体积分数决定了纤维在水泥基复合材料中的含量和分布密度，从而影响纤维与基体之间的应力传递效率和裂缝桥接能力。纤维含量越高，纤维在水泥基材料中的分布越密集，纤维对水泥基材料的增强和吸能作用越明显，从而提高了水泥基复合材料的抗拉强度、韧性、抗裂能力、抗冲击能力、抗疲劳能力和耐久性。

周晓媛等［8］发现聚乙烯醇纤维体积分数从0至2.0%水泥基材料极限拉应变逐步提升，拉伸应力提高了54%～77%，抗折效果提升效果显著。孙亚颇［9］发现随着纳米碳纤维掺量的增加，水泥基复合材料的抗压强度和抗折强度先增后减，质量损失率和碳化深度先降后升，当掺量为质量分数0.8%时，抗压强度和抗折强度最高，冻融质量损失量最小。刘琼等［10］发现随着短切PAN基碳纤维掺量的增加，水泥基复合材料抗压强度和抗折强度均呈现先增后降的趋势，而质量损失率和碳化深度则呈现先降后升的趋势，综合分析发现最佳掺量为质量分数0.6%。

从以上学者的研究中可以发现，一般来说纤维体积分数越大，水泥基复合材料的力学性能越高，但纤维含量过高会对水泥基复合材料的力学性能产生不利影响。一方面，纤维含量过高会导致纤维相互缠绕或堆积，影响纤维的均匀分布和水泥基材料的工作性能，以及纤维与水泥基材料之间的应力匹配程度和界面黏结强度；另一方面，纤维含量过高会占用水泥基复合材料中的有效空间，降低基体密实度和强度，造成纤维成团现象，同时增加混合难度和成本。

2.2 纤维分布

纤维分布是指纤维在水泥基复合材料中的空间位置和方向，其影响水泥基复合材料的各向异性、均匀性、应力状态和裂缝形态等特征，进而影响水泥基复合材料的力学性能。目前，常用的纤维分布方式有随机分布、定向分布、层状分布、网状分布等。不同分布方式的优缺点见表2。

Soltan等［11］发现3D打印纤维水泥基体比浇筑具有更高的拉伸性能，包括初始开裂强度、极限拉伸强度和极限拉伸应变，这是因为3D打印方法能够使纤维在拉伸方向上有序排列。但是3D打印导致其力学性能有明显的各向异性，可能会降低纖维垂直方向的性能。Ding等［12］从微宏两个层面分析了水泥基体抗弯力学性能与纤维分布的关系，该试验沿X轴浇筑试块，并分别沿相对于X轴0°、45°和90°方向切割试样，得到不同纤维取向的纤维水泥基复合材料，结果显示，纤维取向与受力方向越一致，水泥基体应变硬化越明显。

从以上学者的研究中可以发现，一般来说，纤维的排列方向越接近受力方向，水泥基复合材料的力学性能越好，但纤维的排列方向过于集中会对水泥基复合材料的力学性能产生不利影响，主要表现在以下三方面：一是降低材料的均匀性和各向异性，使不同方向上的力学性能差异较大；二是降低纤维与基体之间的黏结强度和应力传递效率，使接触面积减小；三是降低纤维的桥接裂缝能力和抑制裂缝扩展能力，使裂缝面上的纤维分布不均匀。

2.3 纤维形状

纤维形状是影响水泥基复合材料力学性能的一个重要因素，不同形状的纤维具有不同的拉拔阻力、分散性和刚度等特性，从而导致水泥基复合材料的力学性能表现出不同的特点，影响纤维与水泥基复合材料之间的应力传递效率和裂缝拦截能力。

Zahra等［13］利用不同界面的聚丙烯纤维增强水泥基复合材料，并表征了纤维的横截面形状和平均表面积，通过拉拔试验评估了截面为中空、三角形和圆形三种纤维的黏结性能，结果表明，纤维截面形状影响纤维与基体的黏结性能和试件的弯曲韧性，其中侧界面最大的中空纤维具有最高的拉出载荷。Pakravan等［14］采用圆形、三角形和三叶形聚丙烯纤维部分替代聚乙烯醇纤维，研究了含两种纤维的水泥基体的弯曲性能，包括首裂强度、峰值强度和韧性，发现非圆形聚丙烯纤维有利于提高水泥基体的延展性，圆形聚丙烯纤维对韧性和峰值强度的影响更大，结果表明，使用非圆形聚丙烯纤维是降低其成本和增加变形性的有效方法。李长辉等［15］采用压痕型、波浪型、光圆型三种纤维表面性状的粗聚丙烯纤维，进行了单根纤维拔出试验和SEM观察，结果表明，压痕型纤维在水泥砂浆中的利用率最高，界面黏结性能最好。

从以上学者的研究中可以发现，一般来说，弯曲形、波浪形和锚固形等非圆形纤维比圆形纤维具有更好的黏结性能和抗拉性能，但也会增加混合难度和施工难度。

2.4 纤维长度

纤维的长度决定了纤维在基体中分布的均匀程度和桥接裂缝能力，从而影响了水泥基复合材料的均匀性和韧性。

柴林杰等［16］采用5 mm和10 mm两种长度的矿渣纤维进行水泥砂浆改性，在相同掺量条件下，长纤维对水泥砂浆强度的提升幅度约为短纤维的1.3～1.5倍。Khan等［17］发现长度为3 mm和20 mm的玄武岩纤维的抗压强度低于普通水泥砂浆试样，而6 mm和12 mm的玄武岩纤维强度有所提高。方维炯等［18］采用6 mm和12 mm长度的聚丙烯纤维，发现抗压强度和抗拉强度随着纤维长度的增加而增大，且当纤维长度为 12 mm 时，其脆性减弱的效果最好。

从以上学者的研究中可以发现，纤维长度是影响水泥基复合材料性能的重要因素。过短的纤维不能有效桥接裂缝，增加纤维长度，不仅可以增加纤维与水泥基体之间的黏结强度和接触面积，提高材料的抗拉强度和抗弯强度，还可以增强纤维在水泥基体中的拉拔效应和对裂缝的桥接作用，提高材料的韧性、延性、抗裂性和抗冲击性。但是如果纤维长度过长，会影响纤维在水泥基体中的均匀分布，从而降低材料的均匀性和稳定性。

3 结论与展望

本研究综述了近年来国内外关于纤维参数对水泥基复合材料力学性能影响的研究进展，主要涉及纤维类型、纤维形状、纤维尺寸、纤维含量、纤维分布等方面。通过分析可以发现，不同参数的纤维都有其优缺点和适用范围。因此，应该根据不同类型的纤维和不同要求的水泥基复合材料进行合理选择和优化，以达到最佳的力学性能以取得最优的经济效益。

目前，关于纤维参数对水泥基复合材料力学性能影响的研究还存在一些不足［19］，例如目前大多数研究都是对单一或少数几个因素进行分析和评价，忽略了纤维参数之间以及与其他因素之间的相互作用，也没有采用多目标优化等方法进行全面的优化设计。希望在未来的研究中采用多目标优化等方法进行全面的优化设计，以达到最佳的力学性能，以期获得耐久性能和最佳经济效益等。

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