姜天華，胡宇成，張秀成

(1.武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院， 湖北 武漢 430065；2.東南沿海工程結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)福建省高校工程研究中心， 福建 莆田 351100)

隨著人口增長和全球現(xiàn)代化建設(shè)標準的不斷更新，關(guān)于綠色可持續(xù)建筑材料的研究越來越受到人們的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計趨勢估計，全球水泥產(chǎn)量將從2015年的約43億t增加到2050年的約61億t[1]。普通硅酸鹽水泥(OPC)的高產(chǎn)量面臨著石灰石儲量的破壞、大量的二氧化碳排放(約占全球二氧化碳排放的7%)[2]。此外，OPC對侵蝕性環(huán)境條件的抵抗力較低，這是影響自然環(huán)境中結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性和使用壽命的最重要問題之一。為了減少溫室氣體排放和能源消耗，開發(fā)一種環(huán)境可持續(xù)且性能優(yōu)異替代OPC的膠凝材料至關(guān)重要。

相比于OPC，地質(zhì)聚合物的生產(chǎn)與制備可以減少約80%的CO2氣體排放和60%的能耗[3]。此外，許多研究分析了地聚合物復(fù)合材料(GPC)的性能，結(jié)果顯示其具有優(yōu)異的性能，如高早期強度[4]、高表面硬度[5]、耐化學(xué)侵蝕[6]和高耐火性[7]。然而， GPC由于自身較低的抗拉強度，受力時會導(dǎo)致微裂紋的進一步擴展，最后可能導(dǎo)致其脆性破壞[8]。目前，大多數(shù)研究人員克服這一缺陷的方法是在混凝土中加入纖維，形成纖維增強地聚物復(fù)合材料(FRGC)。纖維的加入通過橋接裂紋來提高其拉伸和彎曲強度、韌性和能量吸收能力[9]。由于纖維的存在，F(xiàn)RGC的耐久性也能通過裂縫控制得到增強。

由于纖維種類數(shù)目的繁多，不同纖維其物理性能、與基體粘結(jié)性以及適應(yīng)環(huán)境各不相同，同時對地聚合物增強效果各異，因此本文綜合國內(nèi)外關(guān)于FRGC的研究進展，綜述增強FRGC的纖維種類、各種纖維的優(yōu)缺點以及纖維在地質(zhì)聚合物中的物理性能、機械性能和熱性能等方面的研究進展，最后評述了地質(zhì)聚合物在工程應(yīng)用中所面臨的問題，為FRGC后期的發(fā)展提供參考。

1 纖維種類

在纖維增強地質(zhì)聚合物復(fù)合材料的性能方面，纖維的材料特性往往是最重要的。為了說明材料性能的重要性，本節(jié)總結(jié)了前人的研究成果，歸納了纖維增強地聚物膠凝材料(FRGC)的研究進展，將纖維分為四大類：鋼纖維、無機非金屬纖維、合成纖維和天然纖維。

表1 常見纖維的力學(xué)性能

1.1 鋼纖維

鋼纖維(ST)因其較高的機械強度、柔韌性和可用性，能夠顯著提高混凝土材料的抗拉、抗彎和斷裂延伸率，特別是提高混凝土的韌性和抗沖擊性，常用于水泥基復(fù)合材料中[42]。趙秋紅等[43]在鋼纖維增強地聚物單軸受壓實驗中，研究發(fā)現(xiàn)最佳鋼纖維摻量為1.5%，其抗壓強度、峰值應(yīng)變以及受壓韌性指標分別增加15%、11%和170%。張偉杰[44]通過在地聚合物中摻入定向鋼纖維，發(fā)現(xiàn)其斷裂能提高55倍，盡管ST有一些實際優(yōu)勢，但其主要問題是腐蝕,為了限制腐蝕，ST通常以不銹鋼合金或者表面涂層的方式投入到使用生產(chǎn)中去[45]。

1.2 無機非金屬纖維

無機非金屬纖維是添加到地聚合物復(fù)合材料中的最常見的纖維增強材料，由氧化鋁和二氧化硅的混合物組成，由于熔點高，通常用于耐火材料等高熱領(lǐng)域應(yīng)用[46]。此外，這些纖維具有低成本、高抗拉強度、化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的絕緣性能[47]。

1.2.1 玻璃纖維

玻璃纖維(GF)因其耐高溫、防火、耐腐蝕和絕緣等優(yōu)點，常常運用于電絕緣材料、絕熱保溫材料和電路基板等領(lǐng)域，同時可以顯著提高材料的抗折能力和降低干燥收縮及自收縮，但缺點是不耐磨、脆性大[48]。郭正超[49]研究不同體積分數(shù)的GF對粉煤灰基地聚合物的抗壓強度影響。實驗結(jié)果表明抗壓強度隨GF摻量增加而呈現(xiàn)先增大后突然減小的趨勢,但均高于空白組，且確定GF的最佳摻量為0.3%。

1.2.2 碳纖維

與其他材料[50-52]相比，碳纖維(CF)在高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗拉強度、極低的熱膨脹率以及較高的電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)。此外，CF具有完美的彈性，加載-卸載循環(huán)過程中疲勞變形影響較小，可以提高結(jié)構(gòu)的抗震性和抗疲勞特性[53-54]。朱靖塞等[55]進行了碳纖維增強地聚物混凝土的沖擊壓縮試驗，實驗結(jié)果表明：CF體積分數(shù)為0.3%時能發(fā)揮出明顯的沖擊增韌優(yōu)勢，同時CF對于FRGC而言具有一定的增韌效果。由于CF的脆性，CF摻入FRGC容易受到應(yīng)力集中的影響[56]。主要缺點是生產(chǎn)成本高。復(fù)合材料碳纖維增強塑料中的弱點和脆性問題可以通過雜交技術(shù)來解決，即用韌性纖維代替碳纖維層，這會帶來成本效益，同時改善物理和機械性能[57]。

1.2.3 玄武巖纖維

另外一種應(yīng)用較廣的無機非金屬纖維是玄武巖纖維(BF),具備優(yōu)異的強度、耐久性和熱性能,同時來源廣泛，易于加工和綠色環(huán)保。但玄武巖是一種惰性纖維,與其他材料復(fù)合時粘著性能較差[58]。李建[59]將不同長度、體積分數(shù)的BF摻入地質(zhì)聚合物中，發(fā)現(xiàn)BF能顯著提高FRGC的抗折強度和劈裂抗拉強度,但對于抗壓性能提升不大。同時SEM和MIP分析結(jié)果顯示:當BF纖維體積摻量為0.2%，各項力學(xué)性能最佳，且與基體界面黏結(jié)性較好,能夠有效抑制裂紋的產(chǎn)生和擴展。

1.3 合成纖維

合成聚合物纖維是從原材料或塑料廢料中回收，因綠色、環(huán)保和可降解等特點在建筑中廣受研究者的青睞，同時使用合成纖維是處理全球塑料再利用的一個有效的解決方案[60]。FRGC中使用最多的合成纖維是聚丙烯纖維(PPF)、聚乙烯醇(PVA)和聚乙烯(PE)。

1.3.1 聚乙烯醇纖維

聚乙烯醇(PVA)纖維因高強度、高彈模、酸堿腐蝕性強和綠色環(huán)保等優(yōu)點而成為使用率最高的合成纖維[61]。然而PVA價格昂貴，不經(jīng)濟[62]。此外，PVA纖維的高化學(xué)鍵合與低橫向電阻復(fù)合會導(dǎo)致纖維斷裂，從而限制復(fù)合材料的拉伸應(yīng)變能力[63]。張云升等[64]利用擠壓技術(shù)成功制備出高彎曲強度、大延性的高性能PVA短纖維增強地聚合物基復(fù)合材料，尤其在PVA纖維高摻量情況下，顯著提高了FRGC的延性，導(dǎo)致破壞模式由原來的脆性破壞模式變成延性破壞。同時發(fā)現(xiàn)其最佳摻量為2%，其撓度增長幅度高達17.6倍。

1.3.2 其他合成纖維

聚丙烯纖維(PPF)因其成本低、易于處理，在OPC和GPC中提高了力學(xué)性能和耐久性，而備受關(guān)注。在各種纖維中，PPF是最常用的保溫材料和輕質(zhì)材料，同時具備經(jīng)濟優(yōu)勢和對環(huán)境侵蝕的良好抵抗。Korniejenko等[65]研究了PPF、PPE和聚乳酸纖維增強地聚合物的力學(xué)性能。研究表明，PPF的加入提高材料的機械性能，當纖維摻量為0.5%時，抗壓強度最佳，與不含纖維的參考樣品相比，增長167%；當纖維添加量為0.75%時，試樣的抗彎強度最佳，增長100%。

聚乙烯纖維(PE)是在地聚合物中研究最多的第三種合成纖維(僅次于PPF和PVA)。Nematollahi等[66]研究了不同體積分數(shù)的聚乙烯纖維對地聚合物材料拉伸、彎曲和壓縮性能影響，發(fā)現(xiàn)其最佳摻量為1%，超過最佳值后會降低抗壓強度。

1.4 天然纖維

天然纖維具有低成本、低密度、可用性、可回收性和自然降解等優(yōu)點[67]，然而天然纖維作為增強材料有一些缺點：吸濕性高，吸水會導(dǎo)致尺寸變化，從而導(dǎo)致微裂縫產(chǎn)生、纖維膨脹和熱穩(wěn)定性差，在纖維-基體界面區(qū)域形成空隙和微裂紋，從而降低復(fù)合材料的力學(xué)性能。天然纖維主要分為三種:植物纖維、動物纖維和礦物纖維[68]。

Sarmin[69]在粉煤灰和偏高嶺土基地質(zhì)聚合物中添加固體含量為10%的木屑、木粉和木纖維作為增強材料，研究發(fā)現(xiàn), 土聚物復(fù)合材料的密度隨木材集料的加入而降低，這可能是因木材纖維團聚而導(dǎo)致分散性差造成的。Zulfiat等[70]將菠蘿纖維摻入地質(zhì)聚合物中發(fā)現(xiàn)：隨著纖維摻量增加，其抗彎強度越高?？箯潖姸鹊脑黾邮怯奢^大的復(fù)合材料尺寸產(chǎn)生的。使用的纖維越多，復(fù)合材料的尺寸就越大。然而，如果纖維使用百分比與基體體積不平衡，則可能導(dǎo)致抗彎強度減弱。Alzeer[41]用羊毛纖維開發(fā)了新型纖維增強地聚物復(fù)合材料，與基準組對比,其抗彎強度提高了約40%，羊毛纖維的存在使基質(zhì)的重量損失減少了約5%，反映出復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性增加。

在天然纖維中，植物纖維是首選。一方面研究者從動物身上收集纖維較為困難，同時與動物纖維相比，植物纖維具有更高的強度和剛度[71]。另一方面纖維素基植物纖維因其密度低、高拉伸性能和特殊的微觀結(jié)構(gòu)，使水泥基混凝土復(fù)合材料能夠成為一種方便的增強劑[72]。

2 纖維對地聚物性能影響

纖維增強地質(zhì)聚合物的物理性能，包括彈性模量、密度和干縮；機械性能，包括抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度、能量吸收、和韌性；以及其他性能，包括耐高溫性能和耐久性能。

2.1 纖維含量對地聚物力學(xué)性能的影響

除了不同纖維各自化學(xué)和物理性能外，整個纖維網(wǎng)絡(luò)的整體效應(yīng)、纖維含量以及它們在基體中的是否均勻分布也是控制復(fù)合材料整體性能的重要因素。纖維含量的增加導(dǎo)致形成多條微裂紋，而不是少量的宏觀裂紋，因此基體的整體延性會顯著提高。

纖維含量通常表示為體積分數(shù)(vol%)或重量百分比(wt%)，對于相同的體積分數(shù)，幾何形狀較小的纖維比幾何形狀較大的纖維產(chǎn)生更多的纖維。Mukhallad等[9]研究了不同纖維類型對粉煤灰基地聚合物的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)當纖維含量處于0.4 vol%～1.2 vol%時，ST纖維隨著含量的增加，其抗彎強度也增加；PPF與之相反；而PVA纖維隨著纖維含量增加，其抗彎強度先增加后減少。這是由于使用低纖維含量時，可以產(chǎn)生均勻的基體，因此纖維身相當高的抗拉強度提高了復(fù)合材料的抗彎強度。此外，高含量的纖維會導(dǎo)致基體壓實不良，以及孔隙結(jié)構(gòu)非常疏松，纖維-基體相互作用不均勻，因此，當PVA纖維含量高于1.2 vol%時，抗彎強度降低；而當纖維含量在0.4 vol%～1.2 vol%范圍內(nèi)時，復(fù)合材料仍然是多孔的，并具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)，但纖維-粘結(jié)劑的相互作用足以克服多孔結(jié)構(gòu)的缺點。因此，每種纖維增強復(fù)合材料都存在一個各自最佳的纖維含量，以獲得最高的機械強度。

2.2 纖維對地聚物彈性模量和泊松比的影響

彈性極限內(nèi)每單位應(yīng)變承受誘導(dǎo)應(yīng)力的能力定義為彈性模量。通常，給定強度的混凝土彈性模量值越高，表明其質(zhì)量越好。當引入纖維時，復(fù)合材料的彈性模量主要受纖維剛度和孔隙率的影響[73]。

當使用少量ST纖維(1 vol%)時，彈性模量從13.70%增加到64.92%，這與ST相當高的剛度和與纖維-粘合劑相互作用有關(guān)[74]。由于復(fù)合材料的誘導(dǎo)孔隙率，添加高達0.2 vol%的PPF會降低復(fù)合材料的彈性模量[75]。對于納米或顆粒纖維增強地質(zhì)聚合物，能否均勻分布是影響彈性模量高低的一個重要因素。然而，只有當向地質(zhì)聚合物中添加的碳納米管少于0.2 wt%時，才能觀察到這種增加，并且纖維含量的進一步增加表現(xiàn)出相反的效果，這歸因于纖維的不完美分布和均勻化[76]。然而，關(guān)于地聚物泊松比的實驗數(shù)據(jù)鮮有報道，僅使用水泥基復(fù)合材料可用的一些方程進行估算，還需要更多的研究來估計纖維增強地質(zhì)聚合物的泊松比。

2.3 纖維對地聚物密度影響

Bashar等[77]把不同長徑比和體積分數(shù)ST添加到地聚物中，發(fā)現(xiàn)纖維的長徑比增加不會對密度產(chǎn)生很大影響，但增加纖維摻量會導(dǎo)致其密度增加。Ranjbar等[78]發(fā)現(xiàn)微鋼纖維含量的增加會導(dǎo)致FRGC的密度幾乎呈線性增加，添加4 vol%的微鋼纖維使密度增加了10%。Abdullah等[79]發(fā)現(xiàn)與不含纖維的普通地質(zhì)聚合物相比，對于摻量為7 wt%鉤狀鋼纖維的地質(zhì)聚合物，密度從2 466 kg/m3增加到2 501 kg/m3。這是由于加入了密度更高的材料，復(fù)合材料的密度也會隨之升高。而Mehrali等[80]實驗表明：隨著PPF摻量的增加，地質(zhì)聚合物密度降低，添加5 vol%PPF，其密度降低20%(見圖1)。但這種減少是由于復(fù)合材料的高孔隙率，導(dǎo)致材料添加纖維后壓實困難。在所有種類纖維中，ST纖維增強的FRGC密度最高，這歸因于ST纖維密度(7 800 kg/m3)遠高于普通地聚合物密度(2 345 kg/m3)。

圖1 纖維含量對纖維增強地質(zhì)聚合物復(fù)合材料體密度的影響[77-79]

2.4 纖維對地聚物干燥收縮的影響

從理論上講，GPC比OPC具有更高的收縮率，水在地質(zhì)聚合物凝膠形成過程中不起作用，在該過程中，水被添加以提供可行的混合物并調(diào)解反應(yīng)。隨著時間的推移，多余水分的蒸發(fā)會導(dǎo)致GPC顯著收縮[81]。收縮導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。FRGC中的纖維可以抵抗這種應(yīng)力，并減少裂紋尖端的應(yīng)力集中，以控制其發(fā)展[82]。

Baradaran等[83]通過從收縮變化和機械性能等方面評估了PPF增強的粉煤灰基地聚合物。在地聚合物漿料中摻入高達3 vol%的PPF可降低收縮率并增強復(fù)合材料的能量吸收。同時發(fā)現(xiàn)PPF可能會降低材料的極限彎曲和抗壓強度，具體取決于纖維摻量，見圖2。Aydn等[84]在研究ST長度對地質(zhì)聚合物收縮影響時，觀察到纖維的摻入使粉煤灰地聚物干縮值下降24%。當纖維含量相同的情況下，ST長度的變化對地聚物的干燥收縮率影響不大。Vilaplana等[85]研究發(fā)現(xiàn)CF是控制地質(zhì)聚合物干燥收縮的有效添加劑。在100%相對濕度有利的環(huán)境中，含有0.2 wt%的3 mm或6 mm長纖維的CF足以將最大應(yīng)變降低到1.5 mm/m以下。但無機非金屬纖維增強FRGC的抗收縮率還是遠低于合成纖維增強FRGC，這可能是由于與合成纖維相比，無機非金屬纖維在地聚合物基體中的分布較差，難以實現(xiàn)理論上的抗收縮效果增強。

圖2 纖維含量對纖維增強地質(zhì)聚合物復(fù)合材料體收縮率的影響[80-81]

2.5 纖維對地聚物抗壓強度的影響

在脆性材料中，壓縮會導(dǎo)致非彈性體積剪脹，從而形成與施加荷載方向平行的軸向劈裂微裂紋。這些微裂紋尖端的橫向拉伸應(yīng)力的后續(xù)發(fā)展促進了其在壓縮載荷方向上的增長，從而導(dǎo)致局部斷裂[86]。局部裂縫區(qū)域更容易在“薄弱點”附近生長，如孔隙或大空隙。因此，在準脆性材料中，抗壓強度主要取決于其脆性、微裂紋分布、密度和孔隙結(jié)構(gòu)[45]。

Guo等[8]掃描電鏡(SEM)結(jié)果表明：纖維可以緩解基體中的應(yīng)力集中現(xiàn)象，防止裂紋擴展和基體開裂，使其在拉伸過程中需要消耗更多的能量。纖維在一定程度上改變了地聚物的孔結(jié)構(gòu)，同時交錯復(fù)雜的孔結(jié)構(gòu)有助于提高地聚合物砂漿的力學(xué)性能。Su等[82]發(fā)現(xiàn)無論是混雜纖維還是單一纖維，在一定程度上都能抑制GPC裂縫的發(fā)展。Gülsan等[87]觀察到ST纖維的加入略微提高了地聚物試樣的抗壓強度。體積分數(shù)0.5%和1%的ST纖維的地聚物抗壓強度分別提高了5%和7%以上，見圖3。但是當超過其最佳值后，其抗壓強度會下降。這是由于多余的纖維不會均勻地分散在基體中，纖維簇團會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不均勻，從而降低抗壓強度。

圖3 纖維含量對纖維增強地質(zhì)聚合物復(fù)合材料體抗壓強度的影響[30,38,45,67,81]

2.6 纖維對地聚物抗拉強度的影響

地質(zhì)聚合物復(fù)合材料的基本和重要性能之一是抗拉強度。由于其脆性，當?shù)刭|(zhì)聚合物受到拉伸應(yīng)力時，裂紋迅速發(fā)展[88-89]。Abbass等[39]研究報告中發(fā)現(xiàn)：摻入椰子纖維的FRGC的抗拉強度從3.32 MPa提高到3.98 MPa。隨著纖維含量的增加，F(xiàn)RGC的拉伸強度先增加后降低。強度的提升是由于纖維的高韌性；其降低可歸因于過多的纖維造成基體內(nèi)較高的空隙率。Ganesh等[21]將摻入GF的FRGC與未摻纖維的普通地聚物做比較，研究結(jié)果表明，纖維的加入提高了抗拉強度。其抗拉強度提高了36.8%。其強度的提高除了GF自身的較高抗拉強度外，纖維還能將拉壓力分散到復(fù)合材料中的未開裂區(qū)域。Karimipour等[90]在實驗中發(fā)現(xiàn)PPF含量對FRGC的抗拉強度有積極影響，將纖維摻量從1 vol%增加到3 vol%， FRGC的抗拉強度從10.7 MPa增加到15.1 MPa，同時減少了裂紋寬度和裂紋擴展。Wang等[28]在研究不同長度的纖維對FRGC的影響中發(fā)現(xiàn)，將BF長度超過最佳值會導(dǎo)致復(fù)合材料的拉伸強度降低。當纖維長度從3 mm增加到6 mm時，F(xiàn)RGC的拉伸強度增加了8%。然而，將纖維長度增加到18 mm會使強度降低12%。這種減少可能是由于較長纖維的聚集導(dǎo)致基體異質(zhì)性和粘結(jié)強度降低，從而阻礙機械和機械性能提高斷裂性能。

2.7 纖維對地聚物抗彎強度的影響

作為一種膠凝材料，地質(zhì)聚合物表現(xiàn)出較高的準脆性行為和相對較低的抗彎性能。在基質(zhì)中引入纖維后，堿激發(fā)材料的準脆性特征可以轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性特征[91]。纖維可以提高水泥基復(fù)合材料的彎曲強度、斷裂韌性和抗沖擊性，因為纖維橋接可以控制裂縫的開裂和發(fā)展[18,92]。

Kavipriya等[93]將劍麻纖維按不同比例添加到地聚物試樣中。發(fā)現(xiàn)其抗彎強度隨著纖維摻量增加先上升后下降，纖維摻量在0.75vol%到達最高，添加更多纖維會影響FRGC的聚合過程，從而降低其強度。Bernal等[94]觀察到，隨著ST纖維摻量的增加，F(xiàn)RGC的抗壓強度有所下降，但劈裂抗拉強度和抗彎強度有很大提高，其抗彎強度從3.75 MPa增加到8.86 MPa。纖維起到止裂或屏障的作用，增加了發(fā)展中裂紋的彎曲度，提高了壓裂過程的能量需求。Celik等[27]研究了含有不同纖維類型的FRGC的彎曲性能，發(fā)現(xiàn)幾乎所有纖維復(fù)合材料的彎曲性能都有所提高，尤其是含有PVA纖維的FRGC的彎曲強度增加了27.28%，裂紋后延展性也有顯著改善，這可能歸于PVA纖維與FRGC強粘結(jié)性以及自身的高彈性，見圖4。

圖4 纖維含量對纖維增強地質(zhì)聚合物復(fù)合材料體抗彎強度的影響[27,93-94]

2.8 纖維對地聚物能量吸收的影響

與普通地質(zhì)聚合物不同，F(xiàn)RGC在單個裂縫定位后不會失效。通常，當裂紋開始時，該位置的整個張力由纖維承擔。如果可以承受的力增加，而裂紋位置的纖維沒有斷裂或拔出，則會在不同位置出現(xiàn)新裂紋[95]。因此，該區(qū)域的纖維將被激活，力將被轉(zhuǎn)移。這一過程會導(dǎo)致多次開裂，但不會出現(xiàn)較大裂縫，直至纖維失效或從基體中拔出[96]。

Saranya等[97]發(fā)現(xiàn)與普通OPC相比，使用ST纖維可以有效地提高FRGC的峰值荷載和軸向撓度，峰值荷載和撓度系數(shù)分別增加15%～32%和18%～45%，在無纖維的OPC中觀察到更寬的裂紋。同時發(fā)現(xiàn)極限載荷隨著ST摻量增加而增加，這是由于ST阻止了裂紋擴展，見圖5。因此，進一步裂紋擴展需要更多的能量[98]。Al-Majidi等[99]發(fā)現(xiàn)含有3 vol%長ST纖維在峰值荷載下的撓度大約是含有短ST纖維的FRGC的4倍，幾乎是普通地質(zhì)聚合物的20倍。Wan等[100]發(fā)現(xiàn)含有PVA的FRGC的撓度約為普通地質(zhì)聚合物的50倍。同時PVA纖維增強FRGC的延展性、初始斷裂韌性和不穩(wěn)定斷裂韌性均高于普通復(fù)合材料。Guo等[8]發(fā)現(xiàn)含0.3 vol%BF的FRGC的最大荷載和最大位移分別比普通GPC高45.8%和32.3%。然而，當纖維摻量超過0.4 vol%會對FRGC性能產(chǎn)生不利影響。Xu等[101]研究表明：含有長SY纖維的FRGC比短纖維復(fù)合材料的韌性指數(shù)高得多，含有SY纖維的FRGC的斷裂韌性是普通地質(zhì)聚合物的7.6倍[102]。

圖5 FRGC的荷載-位移曲線[8]

2.9 纖維對地聚物耐高溫性能的影響

暴露于高溫后，地質(zhì)聚合物強度的降低是由于基質(zhì)中的水脫水和蒸發(fā)所致。高溫也會導(dǎo)致纖維發(fā)生降解，加入纖維可改善地質(zhì)聚合物復(fù)合材料暴露于高溫后的殘余性能[103],造成這種情況的主要原因是纖維在高溫影響下保持了完整性，纖維材料的均勻分布對其物理和工作性能有積極影響[104]。

Shaikh等[105]研究發(fā)現(xiàn)：在400℃、600℃和800℃處，ST纖維增強FRGC的殘余抗壓強度分別為普通試樣的42%、50%和100%以上。此外，纖維含量從0.5 vol%增加到0.75 vol%并沒有顯示FRGC在高溫下的強度有任何增強[106]。當暴露于高溫時，含有CF的FRGC會形成一層保護性氧化層。Sim等[107]發(fā)現(xiàn)在暴露于1 200℃持續(xù)2 h，CF完全熔融并失去體積穩(wěn)定性，GF部分熔融，而BF保持其形狀，似乎沒有失去機械完整性。由于BF的孔隙填充效應(yīng)，形成了致密的微觀結(jié)構(gòu)，BF增強的FRGC顯示出較高的殘余強度[108]。在纖維增強地聚合物復(fù)合材料中，無機非金屬纖維能夠在高溫條件下更好的保護FRGC,使其工作性能依舊得到保持。

2.10 纖維對地聚物耐久性的影響

膠凝材料中鋼筋的主要問題是腐蝕，與普通硅酸鹽水泥相比，地聚合物具有強堿性和弱氧化環(huán)境，此外，地聚合物孔隙溶液中的可溶硅酸鹽也能起到抑制鋼筋腐蝕的作用[109]。

Ganesan等[110]研究發(fā)現(xiàn)將鋼纖維含量提高至1 vol%可降低復(fù)合材料的吸水率和吸附性，從而降低在酸和硫酸鹽等化學(xué)劑存在下抗壓強度的損失。Tennakoon等[111]觀察到地聚合物混凝土中鋼筋的氯含量比OPC混凝土低10倍，而且地聚合物的腐蝕開始明顯較晚，這與氯離子在粉煤灰-礦渣基地聚合物中較低的擴散有關(guān)。OPC中較高的氯離子濃度可歸因于形成難溶的含鈣氯鹽。此外，較高的鈉濃度導(dǎo)致氯離子在地聚合物混凝土中的進入和分布減少[112]。鋼纖維增強地聚合物表現(xiàn)出優(yōu)異的抗硫酸鹽侵蝕性能，暴露在3%的H2SO4溶液中6個月后，其重量下降不到2%，而OPC的重量下降約27%。與此同時，地聚合物復(fù)合材料的抗壓強度也要比OPC高得多?？梢园l(fā)現(xiàn)，與OPC相比，地聚物自身抗鹽侵蝕性能較好，當摻入合適纖維摻量的時候，其耐久性能夠進一步得到提高。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié) 論

(1) FRGC的工作性能取決于纖維的類型、性能、體積分數(shù)、長徑比和纖維與基體的結(jié)合強度，而纖維類型在其中起到最重要的作用，例如在FRGC抗收縮方面，鋼纖維表現(xiàn)最佳，其次是合成纖維、無機非金屬纖維、天然纖維；而在耐熱性能方面，BF表現(xiàn)最佳，其次是GF、CF。

(2) 與纖維類型無關(guān)的是，增加纖維長度和含量都會影響FPRC基體的流動性。當纖維含量增加時，一般都會增加其抗拉能力和抗折能力，但超過其最佳摻量則會降低，每種FRGC都存在各自最佳的纖維摻量。

(3) 在同一種纖維地質(zhì)聚合物中，當纖維含量越高時，纖維長度對FRGC力學(xué)性能影響越明顯，短纖維在復(fù)合材料中更為密集，可以有效控制微裂紋的擴展，而長纖維則可以通過控制宏觀裂紋的擴展來提高極限強度。

(4) 使用不同類型和摻量的纖維可提高FRGC在高溫下的殘余強度，摻入無機非金屬纖維的FRGC比摻入ST纖維的復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的性能。不同種類的纖維類型對FRGC力學(xué)性能和機械性能增強效果各異。

3.2 展 望

(1) 近幾年，人們對地質(zhì)聚合物材料的開發(fā)和運用越來越感興趣，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，例如：快速修補材料、固化污染物和防護涂層等。但是在實際工程中，多是使用實驗指標來投入生產(chǎn)使用當中，目前我國缺乏纖維增強地質(zhì)聚合物材料的行業(yè)標準和規(guī)范。

(2) 纖維增強地質(zhì)聚合物材料具備優(yōu)異的力學(xué)性能，將不同類型的纖維摻入地質(zhì)聚合物中，可獲得每個特定應(yīng)用所需的工作性能。但FRGC不可避免會有凝結(jié)速度較快、纖維不易分散均勻等問題，需要進一步的克服尋找改善手段。

(3) 并不是所有的纖維加工完成后都能馬上投入生產(chǎn)實踐中去，例如：鋼纖維需要提前做防腐蝕處理；無機非金屬纖維需要改性之后才能發(fā)揮最優(yōu)異性能；自然纖維需要提前處理加工才能使用。隨著科技的進步和研究的深入，纖維在地質(zhì)聚合物的應(yīng)用會越來越廣泛。