聚丙烯腈纤维的直径和长径比对水泥基砂浆的力学性能和孔结构的影响

《Scientific Reports》：Role of polyacrylonitrile fiber diameter and aspect ratio on mechanical performance and pore structure of cementitious mortars

　　

摘要

本研究探讨了合成微纤维的几何参数（尤其是纤维直径和相应的长径比）如何影响水泥基砂浆中裂纹桥接主导的增强机制与基体致密化驱动的增强机制之间的转变。实验使用了长度相同（6毫米）但直径不同的聚丙烯腈（PAN）纤维（直径约为15微米、35微米和40微米），其体积分数范围从0.2%到0.6%，从而能够在受控条件下单独研究长径比的影响。研究结果表明，当纤维直径低于某一临界值时，PAN纤维不仅起到机械增强作用，还作为一种主动的微观结构改性剂。细纤维且长径比较大的情况下，增强机制从传统的裂纹桥接转变为纤维-基体界面处的孔隙细化与应力传递同时增强。这一转变体现在抗压强度和抗弯强度的协同提升上，并伴随着有害毛细孔和宏观孔隙的显著减少，这一结论通过汞侵入孔隙率测定（MIP）和扫描电子显微镜（SEM）得到了验证。相比之下，使用较粗PAN纤维增强的砂浆表现出与经典纤维增强模型一致的行为：其力学性能对纤维含量几乎不敏感，且微观结构的细化程度也较为有限。这些发现表明，纤维的几何形状不仅决定了增强效率，还决定了纤维与水泥基体相互作用的主要物理机制。