摘 要：为探究高原低气压环境下剑麻纤维-水泥砂浆收缩性能及微观孔结构的发展规律，本文设置了57.6与95.0kPa两种气压养护环境，制备了5、10、15、20mm长度剑麻纤维-水泥砂浆试件，研究了其收缩性能、劈裂抗拉强度、微观孔结构及断裂面形貌。结果表明：养护环境气压下降会使各组试件的收缩率显著提升，劈裂抗拉强度下降，微观孔结构劣化。相较于95.0kPa气压环境，57.6kPa气压环境下试件的收缩率上升了5.9%～13.1%，劈裂抗拉强度下降了8.3%～10.9%，孔隙率增大了14.9%～21.9%，且孔径粗化。添加剑麻纤维能够抑制水泥砂浆的收缩，并提高其劈裂抗拉强度。相较于无纤维试件，纤维-水泥砂浆试件在57.6和95.0kPa气压环境下的收缩率分别下降了5.3%～15.3%和3.0%～9.5%；劈裂抗拉强度分别提升了8.8%～29.4%和7.9%～26.3%。此外，10mm纤维可在基体中良好地分散并高效传递应力，其抑制水泥砂浆收缩及提升基体强度的效果最优。
关键词：低气压环境；剑麻纤维；水泥砂浆；收缩性能；劈裂抗拉强度；孔隙结构
随着“一带一路”倡议的持续推进，西部高原地区的交通工程与日俱增。这些工程地区普遍处于海拔3000米以上的高海拔地带，典型的低气压、低湿度气候会加速新拌水泥基材料成型过程中水分的蒸发与迁移，这不仅影响水泥基材料的水化进程、孔隙结构及力学性能的发展，还会使材料收缩加剧，显著增加结构的开裂风险，进而严重影响水泥基结构的耐久性与服役安全性[1-2]。
添加纤维是改善水泥基结构韧性及抗裂性的有效途径之一，如钢纤维、碳纤维及玻璃纤维等已在诸多工程中使用。其中，钢纤维具有较高的抗拉强度，但其密度较大，在潮湿环境中易发生锈蚀；碳纤维具备轻质、高强及耐腐蚀等优点，但其表面光滑且呈相对疏水性，在水泥基体中容易发生团聚，且与基体界面黏结强度较低[3-4]；玻璃纤维抗拉强度高且成本相对碳纤维较低，但该纤维韧性较差[5]。此外，上述纤维均存在成本高、能耗大、不易降解等问题，有悖于国家节能减排的“双碳”目标[6]。剑麻纤维作为一种植物纤维，因其资源丰富、成本低廉、可再生、可降解，以及较高的抗拉强度与良好的韧性，逐渐成为改善水泥基材性能的理想材料[7-8]。
尤伟等[9]通过试验研究了剑麻纤维掺量对水泥稳定碎石收缩性能的影响，发现纤维的掺入能有效降低材料的干缩系数与温缩系数，从而改善半刚性基层的抗裂性。熊燕[10]通过试验明确了剑麻纤维能有效抑制水泥砂浆塑性收缩与干燥收缩开裂，并建立了定量抗裂评价指标。石浡汛等[11]研究了改性剑麻纤维对砂浆性能的提升作用，同时指出纤维自身的吸水特性在不同环境湿度下表现出差异性，这可能对干燥收缩的抑制效果产生波动。程泽三[12]指出，通过化学改性可改善纤维的耐久性及界面结合力，但也强调环境温湿度的变化会通过影响纤维的吸水膨胀特性，进而显著干扰其阻裂效果。由上可知，尽管诸多学者对剑麻纤维抑制水泥基材料收缩相关问题进行了研究，但大多数工作均在常压环境下开展，低气压环境下的研究鲜有报道。而低气压会加快水泥基材料的失水速率，致使其微观结构发生变化，进而会影响纤维-水泥基复合材料性能的发展规律[13]。因此，系统研究低气压环境下剑麻纤维-水泥基复合材料收缩性能、力学性能及微观孔结构的发展规律及机理[14]，对于高原高海拔环境下水泥基结构抗裂韧性的提升具有重要的意义。
基于此，本文模拟高原低气压环境，掺入5、10、15、20mm不同长度的剑麻纤维制备纤维-水泥砂浆试件。系统测试其收缩率、劈裂抗拉强度等宏观性能，并结合低场核磁共振、扫描电子显微镜等技术分析微观结构，阐明低气压环境下剑麻纤维-水泥砂浆收缩性能、力学性能及微观孔结构的发展规律，揭示其发展机理，进而为高原高海拔环境下水泥基材料力学韧性及抗裂性能的改善提供理论支撑。
1 实验
1.1 原材料
水泥为甘肃祁连山水泥集团股份有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥（P•O42.5），水泥性能指标见表1；细骨料采用临洮县漫坝河砂厂生产的河砂，河砂级配见表2；剑麻纤维为安徽省安庆市潜山县美创工业制刷厂所生产，纤维性能指标见表3，纤维表观形态及微观形貌见图1。为了降低剑麻纤维在水泥基体碱性环境中的水解性能，提高表面粗糙度，加强与基体的黏结性能，本文采用碱处理对纤维进行表面改性，以去除纤维表面的果胶等杂质，提升纤维与砂浆基体的机械咬合力和化学黏结力[15]。预处理后纤维的表观形态及微观形貌见图2。
表1 水泥性能指标
表2 河砂颗粒级配
表3 纤维性能指标
图1 未处理剑麻纤维的宏观形貌及SEM微观形貌
图2 碱处理剑麻纤维的宏观形貌及SEM微观形貌
1.2 试验方法
1.2.1 试件制备
在制备试件过程中，将事先称量好的水泥、砂按比例加入搅拌机，并加入经过预处理的剑麻纤维，先低速搅拌2min以确保均匀混合。随后先缓慢加入水，低速搅拌4min，再快速搅拌1min至均匀，避免纤维结团，获得流动性良好的基材。在刷涂脱模剂的模具中，采用分两层浇筑的方式制备试件，每层浇筑时均通过捣实和振动台振动1min以确保密实性。在浇筑完成后，试件表面覆盖保鲜膜，并于24h后拆模。水泥砂浆配合比为1:2.5:0.38（水泥、砂、水的质量比），具体配合比参数见表4。
表4 剑麻纤维-水泥砂浆试件配合比
1.2.2 试验养护制度
本试验采用大气环境模拟箱控制环境恒温20℃，并通过自制的低气压桶来控制养护环境气压及湿度，据文献[16]计算可知4500m海拔所对应气压为57.6kPa，经现场调研可知，高原地区湿度为30%～45%，故严格控制养护环境参数。具体设置如下：气压设定为57.6与95.0kPa（本文试验研究地区气压），温度为(20±1)℃，相对湿度为30%，同时，采用高精度温湿度计监测环境指标；试验龄期分别选取7、14和28d。
1.2.3 收缩指标
本项指标参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T70—2009）[17]中的方法进行测试。测定前，先采用标准杆调整收缩仪的百分表的原点；测定初始长度后，将砂浆试件置于气压桶内；到达规定龄期时分别测定试件的长度，即为自然干燥后长度。
1.2.4 劈裂抗拉强度
本项指标参照《水泥砂浆劈裂抗拉强度试验方法》（T0593—2020）[18]中的步骤进行测试，试件与垫条的位置应符合T0560的规定。以0.08MPa/s的速度连续而均匀地加荷载（不得冲击）；当试件接近破坏时应保持挡位或加荷速度不变，直至试件破坏，记录破坏荷载。
1.2.5 孔隙结构
试件孔隙结构采用低场核磁共振仪进行分析。先将样品放入智能饱水仪（北京市首瑞公司生产）中真空饱水24h，随后采用低场核磁共振分析仪（MacroMR12-60H-I，苏州纽迈分析仪器有限公司）测试各养护试验龄期试件的微观孔结构。其中，H质子共振频率为23.320MHz，磁强为(0.3±0.05)T，重复间隔时间T为2000ms，扫描次数N为128。
1.2.6 试件断面细观形貌
试件断裂面的细观形貌采用体视显微镜观测，所用仪器为德国卡尔蔡司（ZEISS）公司生产的SteREO Discovery系列体视显微镜，根据实测情况调节放大倍数和镜头高度以保证获得清晰图像。
1.2.7 试件断面微观形貌
为进一步探究低气压环境下剑麻纤维对水泥砂浆的作用效应，本文采用场发射扫描电子显微镜（国仪量子SEM5000）对试件试验后断面进行观测。样品制备流程如下：将尺寸约为1cm3的碎块（保持其破坏后的原始形貌）用导电胶固定于样品台；为确保观测到真实的水化产物形貌，所有样品均先经乙醇溶液终止水化24h，再于40℃真空干燥箱中充分干燥；并在观测前对样品表面进行了厚度为60～80nm的金涂层喷涂处理，以增强其导电性，进而获取了养护28d试件断面的清晰微观形貌图像。
2 结果及讨论
2.1 收缩性能
图3展示了57.6与95.0kPa气压环境下各组试件的收缩值及收缩速率随龄期的演变规律。由图可知，在养护初期（3d之前），各组试件均呈现出较大的收缩速率，这是由于基体内部自由水分的快速蒸发及水化反应的剧烈进行，毛细管负压急剧增大，导致收缩速率较快。3d时，57.6kPa气压环境下AFM0至AFM20的收缩速率分别为190×10-6d-1、170×10-6d-1、140×10-6d-1、150×10-6d-1及160×10-6d-1；95.0kPa气压环境下AFM0至AFM20的收缩速率分别为180×10-6d-1、120×10-6d-1、100×10-6d-1、110×10-6d-1及120×10-6d-1。随着试验龄期的推进，试件强度逐渐提升、孔隙结构细化，同时水泥基体的水分减少，散失速率减缓，故各组试件的收缩速率逐渐降低。试验至14d时，57.6kPa气压环境下试件的收缩速率为30×10-6d-1～60×10-6d-1，95.0kPa气压环境下试件的收缩速率为20×10-6d-1～40×10-6d-1，随后各组试件的收缩速率趋于平缓。
此外，环境气压越低，砂浆试件的收缩率越大。28d龄期时，AFM0、AFM5、AFM10、AFM15、AFM20在57.6kPa气压环境下的收缩率分别较95.0kPa气压环境下的同种试件上升了13.1%、11.3%、5.9%、7.6%及10.4%。这是因为低气压环境加速了水分的散失速率[19]，导致基体水化过程中的水分补给不足，这一方面延缓了水泥砂浆的水化进程，使其强度增长减缓（具体见2.2节），抵抗收缩变形的能力下降。另一方面，水化产物较少，孔结构劣化，毛细孔等有害孔含量增多（具体见2.4节），水分散失过程中产生了更多的毛细孔负压，进而使得基体收缩加剧，从而宏观上表现为更大的收缩值[20-21]。
由图3亦可看出，在不同气压环境下添加剑麻纤维均能够较好地抑制水泥砂浆的收缩。如57.6kPa气压环境下，AFM5、AFM10、AFM15、AFM2028d收缩率为AFM0的93.7%、84.7%、89.5%、94.7%，较AFM0组分别下降了6.3%、15.3%、10.5%、5.3%；95.0kPa气压环境下，AFM5、AFM10、AFM15、AFM2028d收缩率为AFM0的95.2%、90.5%、94.0%、97.0%，较AFM0组分别下降了4.8%、9.5%、6.0%、3.0%，低气压环境下纤维的抑制效果更为显著。此外，本文研究情况下，纤维抑制水泥基材收缩效果随纤维长度增大呈先上升后下降的发展趋势，10mm剑麻纤维-水泥砂浆试件的收缩率最小。然而，当纤维长度进一步增加至15和20mm时，收缩值回升。这是因为在试件浇筑搅拌过程中，过长的纤维极易发生缠绕与团聚，导致其在基体中的分散均匀性降低，纤维的桥联作用不足，抑制基体收缩效果下降。同时，基材孔隙结构劣化，毛细孔及大孔增多，水分散失过程中水泥基体收缩效应增大[22]。故纤维的长度变化会对其抑制水泥基体收缩效应产生较大影响。
图3 各组试件的收缩率与收缩速率
2.2 劈裂抗拉强度
各组试件的劈裂抗拉强度测试结果如图4所示。由图可知，环境气压减小会使得同龄期试件的强度下降。57.6kPa气压环境下，AFM0、AFM5、AFM10、AFM15及AFM20试件28d的劈裂抗拉强度较95.0kPa气压环境下的同种试件分别下降了10.5%、9.3%、8.3%、10.9%及9.8%。此外，环境气压下降更会减缓试件强度的增长速率。95.0kPa气压环境下，28d龄期试件相较于7d龄期，其强度增长率为17.1%～24.3%；57.6kPa气压环境下，试件强度增长率为9.7%～22.2%。这均是因为低气压条件下水分散失加快，水化进程减缓，故其力学性能增长速率下降，这会使得其在承受相同的收缩应力时变形增大，开裂的风险上升。
由图亦可看出，添加剑麻纤维可显著增强其劈裂抗拉强度，相较于AFM0，57.6kPa气压环境下各组试件的强度增长率为8.8%～29.4%；95.0kPa气压环境下各组试件的强度增长率为7.9%～26.3%。此外，随着剑麻纤维长度由5mm增至10mm，AFM10砂浆劈裂抗拉强度明显提高；当纤维长度进一步增至15和20mm时，试件的劈裂抗拉强度相较于AFM10减小，说明纤维长度对砂浆抗拉性能的优化存在最优区间。本文研究情况下，10mm为最佳纤维长度，此时，纤维分散性良好，且能够在基体内部形成有效的桥联结构，抑制微裂缝扩展并改善应力传递，从而使得基体的抗拉强度提升。但纤维过长时易发生团聚，基体孔隙率增加，纤维与基体界面区域更易产生微孔与脱粘现象，从而削弱纤维的增强效果[23-24]。
图4 试件的劈裂抗拉强度
2.3 试件断面形态
由前述试验结果可知，剑麻纤维-水泥砂浆试件的力学性能均高于基准组AFM0，但不同长度纤维对其力学性能的优化程度不同，为进一步明确纤维改善基体的作用机理，本文采用多种技术方法分别观测了宏观、细观及微观等不同维度的试件断面形貌，并选取57.6kPa气压环境下的试件形貌对纤维在水泥砂浆中的作用效应进行分析。
各组试件的断面形貌如图5所示。由图5（1）可知，5mm短纤维在砂浆中具有较好的分散性，不易团聚，故在断裂面未发现明显的纤维缠绕现象。这种均匀分布的纤维网络虽然有助于细化基体微裂纹，但受限于较短的几何尺寸，其在裂缝两侧的埋入长度往往低于纤维的临界锚固长度[25]。观察破坏断面可知，主要的失效模式为纤维拔出，且伴有完整的纤维端头滑脱痕迹。这表明，在收缩产生的拉应力作用下，较短的界面黏结区域难以提供足够的摩擦阻力来充分激发纤维自身的抗拉强度，导致能量耗散机制主要依赖于界面摩擦而非纤维断裂。因此，虽然AFM5组的抗收缩性能优于素砂浆，但其抑制砂浆收缩效能尚未达到最优水平。
由图5（2）可知，10mm长度的剑麻纤维不仅维持了良好的乱向分布特征，更重要的是，在破坏断面上观察到了高比例的纤维断裂现象。这种破坏模式的转变表明10mm的纤维长度已满足或超过了有效锚固需求，使得纤维-基体界面的机械咬合力足以传递高强度的收缩应力，迫使纤维材料本身发生拉伸破坏[26]，从而赋予了基体最佳的抗收缩性能。
由图5（3）可知，纤维长度增加至15mm时，微观形貌开始呈现出过渡性特征。虽然大部分区域仍保持了有效的桥联结构，但在局部区域，纤维的分散密度开始出现波动。观测破坏断面可知，失效模式演变为拔出与断裂并存的混合状态。尽管较长的纤维理论上能提供更广的应力传递范围，但随着长度的增加，纤维间的空间干涉效应逐渐增强，导致部分纤维无法完全被浆体包裹，与基体的黏结力下降，且基体的原生内部缺陷略有增多[27]。这种微观结构的劣化，使得AFM15试件的收缩抑制效果较AFM10试件下降。
由图5（4）可知，20mm的剑麻纤维因长度过长，在砂浆拌合过程中更易发生缠绕和团聚，导致纤维在基体中分布不均。同时，这些团聚体内部往往包裹着未充分水化的干料或形成了封闭孔隙，使得水泥砂浆硬化后孔结构粗化，且力学性能劣化。此外，团聚状态大幅减少了参与有效桥联的纤维数量，破坏了应力传递网络的连续性[28]，进而使其作用效能显著下降。
综上分析可知，纤维长度的变化会影响其在水泥基体的作用机制及最终的破坏模式，在本文研究情况下，10mm长度纤维因较好的分散性以及在试件破坏过程中纤维高比率的参与度，使其在水泥砂浆的力学性能优化及抑制收缩等方面均发挥出良好的作用效应。
图5 试件的断面形貌
2.4 试件孔隙结构
各组试件的孔结构测试结果如图6所示。由图可知，环境气压下降会使得试件的孔结构劣化。相较于95.0kPa气压环境下的试件，57.6kPa气压环境中AFM0、AFM5、AFM10、AFM15、AFM20试件的28d孔隙率分别上升了21.9%、14.9%、14.9%、15.1%、14.9%。这是因为低气压环境中试件的水分散失加剧，水化进程减缓，相同养护龄期时，可用于细化填充孔隙的水化产物较少，故孔隙含量较多。此外，随着龄期的延长，孔隙率逐渐减小，而57.6kPa低气压环境下孔隙含量下降率低于95.0kPa低气压环境中的试件（具体见图6（c）和图6（d）），这表明，养护环境气压下降延缓了孔结构的发育速率。这是因为水分过早散失严重阻滞了水化产物对孔隙的填充效率，这将不利于其宏观力学性能及耐久性的提升。同时，亦可看出，在各养护环境下，四组剑麻纤维-水泥砂浆试件中，AFM5、AFM10的孔隙率较小，而当纤维长度增大至15及20mm时，试件的孔隙率上升。这是因为较短纤维在试件浇筑搅拌过程中分散性良好，而当纤维长度较大时易发现团聚，使得孔结构粗化。
由图6（e）和图6（f）可知，相较于95.0kPa气压环境试件，57.6kPa环境下试件的T2谱图曲线整体向右偏移，表明试件的孔隙结构整体粗化。为进一步揭示气压环境与纤维长度对微观孔隙结构的影响。本文将孔隙按孔径大小分为凝胶孔[0，0.01）μm、过渡孔[0.01，0.1）μm、毛细孔[0.1，1）μm及大孔[1，100）μm四类[29-30]，并分析各组试件的孔隙结构发展情况。由图6（g）和图6（h）可知，养护环境气压严重影响孔结构的发育情况。57.6kPa气压环境下，试件的毛细孔含量为7%～13%，为95.0kPa气压环境下试件毛细孔含量的1.05～1.25倍，这表明低气压不仅增加了孔隙总量，更会使得孔结构粗化，毛细孔及大孔等有害孔增多，新拌水泥基材中气泡在低压下的膨胀逸出效应及水分的快速迁移，在基体中留下了较多难以被水化产物填充的原生缺陷，从而显著提升了有害孔[31-32]。同时，相关研究指出[33]，毛细孔含量的提升会增大水泥基材的收缩效应，基于此，57.6kPa的低气压环境对基体孔径分布的改变进一步加剧了其收缩效应。
图6 各组试件的孔隙结构
3 结论
1）低气压环境下，水泥砂浆的收缩率显著提升，相较于95.0kPa气压环境，57.6kPa气压环境下试件的收缩率上升了5.9%～13.1%。在早龄期，其收缩速率较大，14d后收缩速率逐渐下降，并趋于平稳。添加剑麻纤维能够抑制水泥砂浆的收缩，95.0kPa气压环境下试件的收缩率下降了3.0%～9.5%，57.6kPa气压环境下试件的收缩率下降了5.3%～15.3%，低气压环境下纤维抑制基体收缩的效果更为显著。在本文研究的4种纤维长度中，10mm纤维抑制水泥砂浆收缩的效果最优。
2）养护环境气压降低会使水泥砂浆的劈裂抗拉强度下降，相较于95.0kPa气压环境，57.6kPa气压环境下试件的劈裂抗拉强度下降了8.3%～10.9%。通过添加剑麻纤维，能够优化水泥砂浆的劈裂抗拉强度，相较于素砂浆试件，本文中的四种剑麻纤维-水泥砂浆在95.0kPa气压环境下的劈裂抗拉强度提升了7.9%～26.3%，在57.6kPa气压环境下的劈裂抗拉强度提升了8.8%～29.4%，且10mm纤维在两种气压环境下均呈现出最优的改善效果。
3）养护环境气压下降会使得水泥砂浆的孔隙结构劣化，相较于95.0kPa气压环境下的试件，57.6kPa低气压环境中试件的孔隙率增大了14.9%～21.9%。低气压环境下水分过早散失阻滞了水化产物生成速率及对孔隙的填充效率，试件孔隙结构粗化。57.6kPa气压环境下，试件的毛细孔含量为7%～13%，为95.0kPa气压环境下试件毛细孔含量的1.05～1.25倍，而这会增大水分散失过程中的毛细孔负压，进一步加剧试件的收缩效应。
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文章摘自：孙彬强，田茂盛，郑磊，谢超，代金鹏，谢登魁．低气压环境下剑麻纤维-水泥砂浆收缩性能及微观孔结构研究[J/OL]．硅酸盐通报.https://doi.org/10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0183
