鋼纖維混凝土界面黏結強度研究

曲 懋 軒

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610000)

0 引 言

隨著水利、公路、礦山等工程的大規(guī)模建設，地下工程的深度與洞室斷面不斷加大，地壓問題十分突出，導致隧道、洞室圍巖初期變形明顯，因此，對于支護技術要求更高。近年來，各界對混凝土的研發(fā)十分熱烈，大量新型混凝土相繼出現(xiàn)，在綜合考慮混凝土力學性能、材料獲取、投資成本等因素，鋼纖維混凝土在工程界更受青睞。本文圍繞鋼纖維噴射混凝土支護問題，對鋼纖維噴射混凝土微觀結構特征進行了分析和探討。

1 鋼纖維混凝土微觀結構特征

根據(jù)復合材料理論，鋼纖維混凝土在物料拌和階段，基體包裹鋼纖維呈流動狀態(tài)，在水泥硬化過程中，混凝土與鋼纖維相互黏結在一起，形成界面層[1]。鋼纖維在界面層的包裹下形成一層具有厚度的“管套”狀結構，是維系兩種材料應力傳遞的紐帶，直接影響鋼纖維在材料中所發(fā)揮的作用[2]。

在通常條件下，界面層所具備的水灰比是材料中最大的，該區(qū)域的氫氧化鈣晶體高于其它部分約20～40%，堆積于鋼纖維表面，形成具有厚度的富集層。富集層的存在，阻礙了鋼纖維與基體之間的接觸，水化產(chǎn)生的凝膠作用減弱，從而界面層的黏結性能差。伴隨著界面層中離子濃度的降低，水化生成的凝膠減少，因而鋼纖維表面產(chǎn)生一種疏松的網(wǎng)絡結構。這種薄弱的微觀結構通常造成復合材料在受載過程中鋼纖維容易拔出而被破壞。過渡區(qū)的微觀結構可分為兩個薄弱區(qū)：其一為CH富集區(qū)，該區(qū)中CH晶體無節(jié)制地發(fā)展，且尺寸大，是具有選擇性的定向排列，從而使孔隙率明顯變大，阻礙凝膠與纖維表面接觸，當受剪力時易產(chǎn)生滑移破壞；其二是多孔區(qū)，由于界面水膜層中硅酸離子濃度低，削弱了水化反應，使產(chǎn)生黏結性能的凝膠量減少，與鋼纖維的接觸也不充分，界面區(qū)容易產(chǎn)生許多微裂縫并相互貫通，形成多孔疏松的網(wǎng)絡結構。

導致界面區(qū)黏結性能差，成為材料的軟弱面，鋼纖維增強作用不明顯。因此，強化界面區(qū)必須從上述兩個薄弱環(huán)節(jié)著手，即抑制CH晶體的大量生成，并破壞其有選擇性的排列行為，減少微裂縫的出現(xiàn)。

2 界面層疊加效應及鋼纖維分布對強度的影響

2.1 界面層疊加效應

在鋼纖維復合材料中，微觀界面層可分為圍繞鋼纖維和圍繞集料兩類，并有各自的界面效應范圍。在承受荷載時，空間結構內(nèi)各界面層的效應范圍自動投影到二維平面上，顯示出一個完整的界面，并與產(chǎn)生空間隨機疊加效應共同作用。界面層與鋼纖維一樣，雜亂無章地分散于基體內(nèi)部。有研究表明，當界面層在三維空間的寬度大于鋼纖維間距的一半以上時，它們彼此間就會出現(xiàn)不同程度的交叉、搭接，投影到平面上就是疊加重合的，這就產(chǎn)生了界面層隨機疊加強化效應[3]。對于鋼纖維混凝土材料，鋼纖維、物料及相應的界面層均處于三維空間的亂向分布狀態(tài)，只要在空間體系中隨機疊加，就有可能產(chǎn)生鋼纖維-水泥基體、集料-水泥漿體諸界面層雙重疊加強化效應，通過這一效應，使界面層自身調整組成結構，它對宏觀力學行為具有增強效果。

2.2 鋼纖維分布對強度的影響

鋼纖維分布的方向效應是影響鋼纖維混凝土力學性能的重要因素之一。為了研究這一效應對鋼纖維混凝土強度的影響，在計算出的初步配合比基礎上，制作三種不同鋼纖維分布狀態(tài)的立方體試件：(1)在高程上每2 cm鋪設一層水平鋼纖維，即水平分布；(2)在高程上每3cm垂直向下插入鋼纖維，即垂直分布；(3)在高程上每3 cm既鋪設水平的，又插入垂直的。試件制備見圖1，測定7d劈拉強度和抗壓強度結果見表1。

圖1 不同方向鋼纖維試件制備

表1 不同鋼纖維分布情況的試驗結果

(1)劈拉強度。從表1可以看出，鋼纖維的分布與劈拉強度密切相關，當鋼纖維的分布與受力方向垂直時能夠明顯提高劈拉強度，平行時影響不大。說明鋼纖維在拉伸方向上的取向系數(shù)對抗拉強度影響較大。

(2)抗壓強度。從表1可以看出，鋼纖維的摻入對抗壓強度影響不大，但鋼纖維水平鋪設時抗壓強度比沒摻鋼纖維的要低。主要是因為在鋪設層可能存在鋼纖維疊加，發(fā)生團聚隔離的現(xiàn)象，這樣鋪設層就會成為薄弱面影響抗壓強度。

因此，單一方向的鋼纖維分布不能對混凝土性能有較好的提高，只有改善鋼纖維在混凝土基體中的分散性，在空間構成網(wǎng)絡結構，才能提高鋼纖維的利用率，提高材料的均勻程度，避免薄弱面的出現(xiàn)，使得材料整體性能提高。

為了進一步了解鋼纖維在基體內(nèi)部的分布情況對強度的影響，選擇在同一配合比情況下劈拉強度差異較大的兩塊試件〔圖2，(a)是劈拉強度較大的試件，(b)是相對較小的試件〕。把破壞面上出露的鋼纖維投影在水平面上(圖3)，從圖中可以看出，兩個試件破壞面上出露的鋼纖維在數(shù)量上大致相同，但圖(a)的分散性好，分布比較均勻，排布比較規(guī)律，出露方向大都與破壞面垂直，投影的長度較短；而圖(b)鋼纖維則比較集中于一處，相互搭接甚至合并抱成一團，并且出露方向與破壞面近似平行。從中可以看出，鋼纖維界面疊加強化效應，指的并非是鋼纖維的相互觸碰疊加，鋼纖維在二維方向的過分疊加反而破壞這一效應，成為鋼纖維混凝土的薄弱點，破壞將從這里開始。因此，只有合理的鋼纖維間距和較均勻的分布才能發(fā)揮界面疊加強化效應。

(a) (b)圖2 同一配合比下劈拉強度差異較大的破壞試件

(a) (b)圖3 破壞面上出露鋼纖維的水平投影圖

3 鋼纖維混凝土界面黏結強度

鋼纖維混凝土界面黏結強度是該復合材料力學性能增強效果的決定性因素，在工程實踐中，經(jīng)常出現(xiàn)的破壞都是由于該強度不夠，導致的鋼纖維被拔出破壞。由于鋼纖維受力時的脫黏和拔出將會消耗大量能量，因此，界面黏結強度也是影響裂后形態(tài)的主要因素。通過測量單根鋼纖維從基體中拔出所需的拉拔力，能夠比較直觀的反應該強度的特征。

3.1 鋼纖維拉拔力

采用直接拔出試驗法，在正交設計方案的基礎上(表2)研究水灰比、砂率、水泥用量、鋼纖維體積摻量對鋼纖維與基體黏結強度的影響，以及鋼纖維處于不同埋深的拉拔力，分別用模具盛裝9種不同配合比的鋼纖維混凝土，在表面插入事先用黑膠帶裹好不同預埋深度的鋼纖維，拉拔力的測量設備采用數(shù)顯拉力計，最大量程為500 N。試驗結果見表3。

表2 正交試驗配比

表3 拉拔力測定結果

選擇鋼纖維長度的一半，即1.5 cm進行極差分析，見表4。

表4 鋼纖維埋深長度1.5 cm拉拔力極差分析表

從極差分析結果來看，影響鋼纖維與混凝土黏結力的主次順序為：砂率>水灰比>水泥用量>鋼纖維體積摻量。從趨勢圖可以得到，隨著砂率的增大，拉拔力逐漸增大，這是由于砂子的粒徑比較小，能夠填充石料與石料之間的空隙，提高整體密實度，反之，過多的鋼纖維則會使內(nèi)部產(chǎn)生大量微裂縫，影響密實度，不利于黏結力的提高；水灰比增大，拉拔力反而減小，從另一個角度說明，黏結強度隨著基體強度的提高而增大。

圖4 不同配合比不同鋼纖維埋深拉拔力

從圖4看出，雖然隨著鋼纖維埋深的增加，拉拔力增大的趨勢很明顯，但是兩者并未成線性關系。原因在于所采用的鋼纖維為端鉤形，并非是平直形，鋼纖維底部的異形彎鉤能夠使其有效地錨固在基體當中，增大摩擦力阻力，拔出時吸收更多的能量，說明鋼纖維的外形對黏結強度也會產(chǎn)生較大的影響。

3.2 界面黏結強度與抗拉強度的關系

鋼纖維體積摻量的多少直接影響基體內(nèi)部總體的鋼纖維黏結強度，而黏結強度的大小是提升抗拉強度的主要因素，為了反應三者的關系，在進行正交試驗測定14 d劈拉強度后，掰開劈裂的試件，對破壞面上出露的鋼纖維數(shù)量進行統(tǒng)計。由于有鋼纖維的存在，試件在掰開后仍然比較完整，并不會像素混凝土一樣散落。觀察破壞面上出露的鋼纖維，發(fā)現(xiàn)試件上的出露數(shù)量差不多，分布比較均勻。并且出露的鋼纖維長度大多數(shù)都在總長度的一半或低于一半的范圍內(nèi)，極少數(shù)大于一半，認為鋼纖維在混凝土中發(fā)揮的最大黏結強度為鋼纖維埋深長度為一半時的強度，因此，用一半長度產(chǎn)生的黏結強度作為鋼纖維與混凝土基體的黏結強度。結合上兩節(jié)中鋼纖維黏結力和劈拉強度，統(tǒng)計結果見表5。

表5 破壞面鋼纖維數(shù)量與強度關系統(tǒng)計表

圖5 破壞面上鋼纖維數(shù)量與劈拉強度關系圖

圖5再一次證明了，鋼纖維體積摻量是抗拉強度最主要的影響因素，并且破壞面即薄弱面上的鋼纖維數(shù)量、分布情況對抗拉強度的影響至關重要。前人根據(jù)復合材料理論將纖維增強混凝土看作是纖維強化體系，認為纖維混凝土的抗拉強度取決于基體混凝土和纖維的抗拉強度及纖維體積分數(shù)，可按式(1)計算[4]：

σc=σm(1-Vf)+σfVf

(1)

式中σc為纖維混凝土抗拉強度，MPa；σm為基體混凝土抗拉強度，MPa；σf為纖維抗拉強度，MPa；Vf為纖維體積分數(shù)。

由于鋼纖維混凝土在實際施工中鋼纖維不可能完全均勻的分布在基體每一部分，并且會存在方向效應。從表4.3試驗數(shù)據(jù)可以看出，采用破壞面上的鋼纖維數(shù)量來表述式(2)將更加準確：

(2)

式中 σs為鋼纖維混凝土抗拉強度，MPa；

n為破壞面上鋼纖維的數(shù)量，根；Ffu為鋼纖維埋深1.5cm拉拔力，N；uf為鋼纖維橫截面周長，mm;lfe為鋼纖維的埋入長度，mm。

4 結 語

本文對鋼纖維混凝土界面微觀結構進行了研究，采用數(shù)顯推拉力計，測量單根鋼纖維直接拔出時的拉拔力，研究鋼纖維界面黏結強度，得出以下結論：

(1)界面層在鋼纖維增強混凝土中扮演著重要角色，它是維系鋼纖維混凝土兩相材料應力傳遞的紐帶，直接影響鋼纖維的作用效果。鋼纖維間距為一定值時，界面區(qū)越強，疊加強化效應越顯著；當鋼纖維所起作用效應范圍一定時，界面效應疊加的面積隨鋼纖維間距減小而增大。

(2)由于鋼纖維的分散性，在用復合材料理論推導鋼纖維混凝土的抗拉強度公式時，采用破壞面上的鋼纖維數(shù)量代替鋼纖維體積率更為準確。