鋼纖維表面改性對(duì)混凝土性能的影響

呂 進(jìn)，劉建忠，陸 富

(1.高性能土木工程材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司，江蘇南京210008;2.江蘇博特新材料有限公司，江蘇南京210008)

鋼纖維混凝土因其在抗裂、增韌等性能方面的優(yōu)勢(shì)，在機(jī)場(chǎng)跑道、路面、橋面、水工、隧道、維修加固等工程中得到推廣與應(yīng)用［1－3］.在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的鋼纖維中，以剪切型和冷拉鋼絲切斷型鋼纖維為主，并且鋼纖維混凝土性能的改善主要通過(guò)提高鋼纖維與混凝土基體的黏結(jié)強(qiáng)度的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體表現(xiàn)為兩種方式:一是鋼纖維的異型化，將平直型的鋼纖維改進(jìn)為壓痕型、波浪型、端勾型等［4－6］;二是提高鋼纖維自身的抗拉強(qiáng)度，通過(guò)改進(jìn)拉絲工藝、熱冷軋工藝分別提高鋼纖維原材料——鋼絲/鋼帶的抗拉強(qiáng)度［7］.

由于鋼纖維抗拉強(qiáng)度的提高，在混凝土受力發(fā)生斷裂破壞時(shí)，異型鋼纖維也只是從斷裂面拔出而非拉斷，所以鋼纖維對(duì)混凝土的性能提高作用并未得到充分發(fā)揮，鋼纖維與混凝土基體的黏結(jié)強(qiáng)度有進(jìn)一步提升的空間.T.Stengel通過(guò)砂紙打磨的方式改變鋼纖維的表面粗糙度［8］，孫敏，聞?shì)督ㄟ^(guò)磷酸鋅沉積法對(duì)鋼纖維表面進(jìn)行處理來(lái)提高鋼纖維與混凝土基體的黏結(jié)強(qiáng)度［9］，但前者砂紙打磨對(duì)鋼纖維本身的抗拉強(qiáng)度有損害，后者采用的金屬鋅有引氣作用［10］，會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度.筆者對(duì)鋼纖維采用電鍍銅的方法使其表面粗糙化，從而增大鋼纖維與水泥基體的界面黏結(jié)強(qiáng)度，在前述兩類(lèi)改進(jìn)方式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高鋼纖維在混凝土中的增韌效果，并且此方法對(duì)鋼纖維無(wú)損且增強(qiáng)了耐銹蝕性.通過(guò)鋼纖維混凝土的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):鍍銅的表面粗糙型鋼纖維與混凝土基體黏結(jié)強(qiáng)度的提高對(duì)混凝土的增韌效果明顯優(yōu)于表面光滑型鋼纖維.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

水泥:P·Ⅱ52.5級(jí)硅酸鹽水泥;粉煤灰:I級(jí)，密度為2.33 g/cm3，比表面積為415 m2/kg;硅灰:密度為2.09 g/cm3，SiO2含量為 90%，比表面積為18 m2/g;細(xì)骨料:中砂，細(xì)度模數(shù)為2.5;粗骨料:碎石，粒徑5～20 mm;減水劑:聚羧酸系減水劑(固含量30%);鋼纖維:φ0.60 mm的弓型鋼纖維和φ0.20 mm的微細(xì)鋼纖維.

表面粗糙型鋼纖維的制作方法:先將鋼絲表面除油，并用水沖洗至鋼絲表面呈中性，再將鋼絲放入電鍍?cè)〔壑校刂坪线m的電流、電壓、pH值、電鍍液濃度、溫度、時(shí)間進(jìn)行鍍銅，鍍銅完成后，清洗表面的殘留物，對(duì)鋼絲表面進(jìn)行干燥，最后將粗糙度≥25 μm的鋼絲壓制成型、切斷，得到表面粗糙型鋼纖維.

1.2 配合比

鋼纖維與混凝土基體的黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)配合比見(jiàn)表1;砂漿、混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)配合比分別見(jiàn)表2和表3.表1—3中，C代表水泥、SF代表硅灰、FA代表粉煤灰、S代表砂子、W代表水、G代表石子、Sf代表鋼纖維、PCA代表減水劑;序號(hào)0代表基準(zhǔn)(不摻鋼纖維)、1代表?yè)郊庸饣摾w維、2代表?yè)郊哟植阡摾w維;表中數(shù)據(jù)的量綱除減水劑為%外，其余均為kg/m3.

表1 鋼纖維與砂漿黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)配合比

表2 砂漿力學(xué)性能試驗(yàn)配合比

表3 混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)配合比

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 黏結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)方法

砂漿攪拌完畢，裝入∞字模的半邊，試模的截面尺寸為30 mm×30 mm，將鋼纖維垂直于砂漿基體的截面埋入，φ0.20 mm的鋼纖維埋入長(zhǎng)度約6 mm，φ0.60 mm的鋼纖維埋入長(zhǎng)度約10 mm;25℃干養(yǎng)1 d后拆模，測(cè)試鋼纖維與砂漿的黏結(jié)強(qiáng)度.

1.3.2 力學(xué)性能的試驗(yàn)方法

依據(jù)《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》(CECS 13∶2009)進(jìn)行鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與彎曲韌性的試驗(yàn)，砂漿的試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，85℃蒸養(yǎng)7 d;混凝土抗壓試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d;混凝土抗折、彎曲韌性試件尺寸皆為100 mm×100 mm×400 mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋼纖維的表面粗糙化對(duì)黏結(jié)性能的改善

鋼纖維經(jīng)過(guò)特殊的電鍍工藝，均布于表面的銅粒子形成了粗糙的狀態(tài)，在混凝土承受荷載時(shí)，粗糙的表面鍍層會(huì)增大鋼纖維在混凝土基體中滑移的摩擦阻力.具體表現(xiàn)如圖1與圖2所示.

由圖1可知，φ0.20 mm的鋼纖維表面粗糙后，在與砂漿脫黏后，黏結(jié)力并未像光滑表面的鋼纖維那樣呈線性下滑的態(tài)勢(shì)，而是均勻波動(dòng)很緩慢地下降，表明粗糙的表面在脫黏后能持續(xù)保持一定的摩擦阻力，其黏結(jié)強(qiáng)度有所增加.由圖 2可知，φ0.60 mm的粗糙表面鋼纖維雖未拔出，但斷裂拉力約為光滑表面鋼纖維最大拉拔力的3倍，說(shuō)明粗糙的表面極大地增強(qiáng)了鋼纖維與砂漿基體的黏結(jié)力.

從外觀看:表面粗糙的鋼纖維埋入砂漿被拉斷或拔出的部分，表面鍍層均磨損脫落，說(shuō)明鍍銅層確實(shí)起到了增大摩擦阻力的作用，提高了黏結(jié)強(qiáng)度.

2.2 表面粗糙平直型微細(xì)鋼纖維對(duì)砂漿性能的影響

粗糙的表面增大了微細(xì)鋼纖維與砂漿的黏結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)而影響到鋼纖維砂漿的力學(xué)性能.圖3為微細(xì)鋼纖維砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度直方圖.

圖3 微細(xì)鋼纖維砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度

由圖3可知，鋼纖維的表面粗糙化對(duì)砂漿的抗壓強(qiáng)度影響很小，但抗折強(qiáng)度較表面光滑型鋼纖維增長(zhǎng)了約10%.壓折比可用來(lái)表征砂漿的韌性［11］，表面粗糙型鋼纖維的壓折比和表面光滑型鋼纖維相比降低8%，由此說(shuō)明微細(xì)鋼纖維的表面粗糙化對(duì)砂漿的韌性也有所提升.

2.3 表面粗糙弓型鋼纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

不僅是微細(xì)鋼纖維的表面粗糙化對(duì)砂漿力學(xué)性能有影響，較粗直徑(如φ0.60 mm)的鋼纖維經(jīng)表面粗糙后，也對(duì)混凝土的力學(xué)性能有所改善.鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度如圖4所示，表面粗糙弓型鋼纖維和弓型鋼纖維相比，混凝土的抗壓強(qiáng)度提高約5%，起到了一定的增強(qiáng)作用.

圖4 鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度

2.4 表面粗糙弓型鋼纖維對(duì)混凝土彎曲韌性的影響

表面粗糙化的微細(xì)鋼纖維對(duì)砂漿的韌性有所提升，而粗直徑的鋼纖維表面粗糙化后，對(duì)混凝土的增韌更為明顯.鋼纖維混凝土荷載－撓度曲線如圖5所示.

圖5 鋼纖維混凝土荷載－撓度曲線

由圖5可知，表面粗糙弓型鋼纖維的荷載－撓度曲線比弓型鋼纖維混凝土的更加豐滿，并且峰值后的曲線更趨平緩，曲線所包圍的面積大小代表混凝土韌性的高低.經(jīng)計(jì)算，表面粗糙弓型鋼纖維的荷載－撓度曲線所包圍的面積比平滑型高約30%，表明表面粗糙弓型鋼纖維混凝土試件承受的抗彎力增加，混凝土試件的延性隨之增加，反映出弓型鋼纖維的表面粗糙化提升了混凝土的增韌性能.

在其他條件相同的前提下，鋼纖維的表面粗糙化處理對(duì)混凝土的增韌效果顯著.原因在于:鋼纖維的表面比較粗糙，增大了與混凝土基體間的摩擦阻力，鋼纖維被拔出需要吸收更多能量，所以混凝土試件的抗彎承載力隨之增加，彎曲韌性得到增強(qiáng).

2.5 表面粗糙鋼纖維對(duì)鋼纖維抗銹蝕能力的影響

鋼纖維表面的粗糙度通過(guò)電鍍銅形成，根據(jù)電化學(xué)腐蝕原理，Cu的金屬活動(dòng)性比Fe差，F(xiàn)e先腐蝕生銹，因此鋼纖維表面鍍銅后，由于銅活動(dòng)性差，使其無(wú)法被酸腐蝕，對(duì)鋼纖維形成保護(hù)層，延長(zhǎng)了鋼纖維對(duì)混凝土的增韌作用.

3 結(jié)語(yǔ)

1)表面粗糙型鋼纖維提高了與混凝土基體的黏結(jié)強(qiáng)度.

2)鋼纖維表面粗糙化后，砂漿的抗折強(qiáng)度提高約10%，韌性(壓折比)提高約8%.

3)鋼纖維表面粗糙化后，混凝土的抗壓強(qiáng)度提高約5%，對(duì)混凝土的增韌作用較表面光滑型鋼纖維提高達(dá)30%以上.

4)鍍銅的表面粗糙型鋼纖維增強(qiáng)了抗銹蝕能力，延長(zhǎng)了鋼纖維對(duì)混凝土的增韌作用.

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