磷酸锌改性钢纤维对掺花岗岩石粉UHPC增强增韧的影响.docx

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1、磷酸锌改性钢纤维对掺花岗岩石粉UHPC增强增韧的影响摘要：本文选取S（镀铜平直型）、G1（镀铜单折线端钩型）、G2（镀铜双折线端钩型）、1（镀铜波浪型）四种形状的钢纤维，进行钢纤维在磷酸锌（ZnPh）改性前后在掺花岗岩石粉超高性能混凝土（UHPC）中单根钢纤维拉拔试验，测定了钢纤维改性前后对掺花岗岩石粉UHPC的P-S拉拔曲线的影响，以平均粘结强度、拔出功为评价指标，并结合SEM-EDS微观测试方法得到的钢纤维表面微观形貌变化进行影响机理分析。研究结果表明，相对于改性前，改性后S、GKG2和11钢纤维的纤维利用率分别提高8.56%、2.28%、3.68%和5.88%,平均粘结强度分别提高13.

2、37%、2.38%、3.95%和8.43%,拔出功分别提高39.19%、19.10%、20.40%和16.73%：改性后S钢纤维表面变得更加粗糙，使钢纤维表面形成镀层薄膜，附着大量致密的粒状晶体，增强了S钢纤维与UHPC间界面粘结力。关键字：磷酸锌；改性钢纤维；花岗岩石粉；UHPC：拉拔性能中图分类号：TU528.58文献标志码：A0前言超高性能混凝土（UHPC）的概念最早是由1arrard和Sedran提出的川，是一种具有超高强度、高韧性、高耐久性的水泥基复合材料。UHPC的高韧性来源于钢纤维的掺入，掺入钢纤维后，超高强、超密实的基体与长细比较大的钢纤维之间存在较高的粘结强度及协调性，可提高

3、UHPC的抗拉强度和韧性网。钢纤维的增强作用主要是由其自身的特性决定口。如何使钢纤维在UHPC中的增强增韧效率得到提高有着重大且现实的研究意义，而研究钢纤维与UHPC间的界面性能是提升UHPC韧性的关键一环。近年来，单根钢纤维拉拔试验作为一种最直接有效的研究手段而得到广大国内外研究学者的重视，试验得到的钢纤维拉拔力-位移曲线（P-S曲线）可从一定程度上反映UHPC的拉伸性能，由P-S曲线可得到钢纤维的平均粘结强度和拔出功等特征参数,而这些参数跟钢纤维和基体间的界面性质有着密不可分的关系。国内外学者对于通过钢纤维表面化学处理以提高钢纤维与基体的拉拔性能已有研究，张丽辉等人通过单根钢纤维拉拔试验，

4、研究了磷酸锌改性平直钢纤维对其在UHPC中拔出行为的影响。结果表明，钢纤维经改性后的最大拔出力、界面剪切强度与拔出功均有所提高，此外文献8-10的研究同样表明改性钢纤维可以提高钢纤维与水泥浆体之间的粘结强度，可见研究改性钢纤维对UHPC增强增韧的影响具有很大的意义。但文献7-10的研究基体主要是水泥砂浆、普通混凝土，以及平直型钢纤维在UHPC中的应用，还未见有改性不同类型钢纤维对UHPC拉拔性能影响的研究。福建省每年都有大量废弃的花岗岩石粉无法得到充分利用，花岗岩石粉堆积如山，严重占用耕地。国内研究学者对花岗岩石粉作为一种掺合料应用在砂浆与普通混凝土中进行了大量的研究W，近几年，本课题组已对花

5、岗岩石粉替代石英粉在UHPC中的应用进行了研究，认为花岗岩石粉可完全取代石英粉制备UHPC,不仅可以降低成本，更具有环保效益1,因此本文采用掺花岗岩石粉UHPC为研究对象。1原材料、配合比及试验方法基金项目：国家自然科学基金（海峡基金）。作者简介：收稿日期:1.1 试验原材料（I）水泥：福建炼石牌42.5R普通硅酸盐水泥，各项性能指标见表1。表142.5R水泥各项性能指标比表面积（m3kg）烧失量凝结时间（min）抗折强度（MPa）抗压强度（MPa）（%）初凝终凝3d28d3d28d3611.071251855.78.427.545（2）硅灰:采用西宁铁合金厂生产的硅灰，粒径范围为0.10.2

6、m,中值粒径为0.162m,表观密度pSF为2285kg堆积PSF密度为204kgm3,化学成分见表2。表2硅灰主要化学成分（）化学成分SiO2Fe2O3MgOAhOjCaOK2OEC烧失量含量97.570.020.050.060.030.780.382.26（3）石英砂：广州市海琦贸易有限公司销售的石英砂，分为细石英砂（A）和粗石英砂（B）两种，各项指标见表3。衣3石英砂各项指标石英砂编号物理指标化学成分（）目数（目）粒径(m)熔点(0C)密度(gcm3)SiO2FezCh细石英砂A100-120120-15018002.6699.20.02粗石英砂B20-40380-830（4）花岗岩石粉

7、：福建省连江东辉石材有限公司提供，化学成分见表4。表4花岗岩石粉化学成分（）烧失量Sio2Ah3Fe2OsCaOMgOK2ONa2O0.7283.212.021.762310.543.394.72（5）钢纤维:江西赣州大业金属纤维有限公司生产的四种钢纤维：S钢纤维、G1钢纤维、G2钢纤维、1钢纤维，其基本参数指标如下表5所示，实物如图1所示，埋置在UHPC中的各类钢纤维的端部尺寸如图2所示。表5钢纤维各项性能指标钢纤维编号钢纤维类型长度(mm)直径波长(mm)长径比(mm)抗拉强度（MPa）S镀铜平直型130.265-2850G1镀铜单折线端钩型250.383.3-2850G2镀铜双折线端钩型

8、250.383.3-28501镀铜波浪型250.251006.52500(a)S(b)G1(c)G2(d)1图1钢纤维实物图(拔出前)(a)S(b)G1(c)G2(d)1图2埋置在UHPC中的钢纤维端部尺寸(单位：mm)(6)其它材料：减水剂选用福州品杰实验仪器有限公司销售的CX-8型高效减水剂；拌合用水采用福建同利建材科技有限公司的自来水,其质量符合国家标准混凝土用水标准(JGJ63-2006)【的要求。1.2 试件的制备(1)配合比掺花岗岩石粉UHPC配合比见表6,其中，钢纤维掺量为2%(体积分数)，胶砂比和水胶比分别为0.9和0.18o表6掺花岗岩石粉UHPe试验配合比(kg/n?)水泥

9、硅灰花岗岩石粉石英砂减水剂水钢纤维701.5210.5259.6820.817.5164.2156.0(2)搅拌方式将减水剂溶于水中，并搅拌均匀。将水泥、硅灰、石英粉、花岗岩石粉、石英砂倒入搅拌锅内，先预搅拌3min,然后加入90%溶有减水剂的水，搅拌3min；倒入剩余的溶有减水剂的水，再搅拌3min；最后加入S钢纤维搅拌35min0(3)成型及养护成型：试样搅拌完成后，将拌合物浇筑于40mmx40mmx160mm的胶砂试模中，浆体在砂浆振动台上振动120次，拌合物成型后对其进行抹面，标准养护24h后拆模；将拌合物浇筑半狗骨头钢模中，用薄钢片定位钢纤维埋入端位置，并用锤子轻轻敲击钢模30次，提

10、高拌合物的填充效果。养护制度:试件制备完成静置24h后拆模，拆模后转入蒸压釜中进行蒸压养护(抽真空半小时，升温升压1小时，恒温恒压6小时，降压2小时，恒温温度为190200C,恒压压力为1.2MPae),蒸压养护后转入标准养护室与采用标准养护的试件进行同条件养护至7d龄期。1.3 半狗骨头钢模与拉拔装置设计(I)半狗骨头钢模设计本文借鉴WiI1e等I使用的试件类型，采用半狗骨头钢模，见图3,上部横截面尺寸为25mmx25mm,通过4个内六角螺栓连接两边钢板与中间部分，此钢模装卸方便，用于制备半狗骨头试件。图3UHPC半狗骨头钢模（2）拉拔装置设计拉拔装置下端夹具尺寸比半狗骨头钢模整体放大1.2

11、%,上部横截面尺寸为25.3mmx25.3mm,下端夹具底部与试验机台座通过插销连接，固定在台座上，制作的拉拔装置下端夹具实物见图4。图4拉拔装置下端夹具该装置操作简单，能夹持住不同类型的钢纤维，通过拉拔装置上端夹具内装4个弹簧，避免了夹具拆装的麻烦，提高了装置的使用寿命，试验成功率高，能克服现有钢纤维拉拔装置的弊端。拉拔装置上端夹具钢模见图5。1.4 图5拉拔装置上端夹具1.5 试验测试（1）拉拔试验本试验采用WDW-30微机控制电子万能试验机及数据采集系统，试验机配500N的加载头，位移分辨力为0.000025mm,采用横梁位移控制，速率设为0.018mms,钢纤维嵌入长度为6.5mm。单

12、根钢纤维拉拔试验过程及数据采集见图6。图6单根钢纤维拉拔试验过程及数据采集(2)钢纤维改性试验本文采用磷酸锌(ZnPh)对钢纤维表面进行改性处理皿，改性钢纤维编号依次记为C-SC-G1、C-G2、C-1o(3)微观试验SEM-EDS:本文使用福建工程学院提供的NOVaNanOSEM450型扫描电子显微镜，主要用来观察本文钢纤维改性及拔出前后表面的微观形貌以及元素分析。1.6 评价指标本试验钢纤维在掺花岗岩石粉UHPC中的拉拔性能由拉拔荷载与位移曲线(P-S曲线)表示，以P表示拉拔力，S表示位移，%表示钢纤维直径，”表示钢纤维嵌入长度，表示钢纤维横截面积，RaX表示最大拔出力，叫(MPa)表示拔

13、出应力，见式(1),%g表示最大拔出应力(单位：MPa),见式(2),Wp(Nmm)表示拔出功，见式(3),(MPa)表示平均粘结强度，见式(4)oP4PZT=RWXU/,maxs=4wr=jPds.v-Odf1e(1)(2)2试验结果分析2.1 钢纤维改性对拉拔试验结果的影响在蒸压养护(龄期7天)条件下，S、GKG2和1钢纤维改性前后的P-S拉拔曲线对比如图7至10所示。从图7至图10可以看出，与未改性钢纤维相比，改性钢纤维的拉拔曲线所包围的面积增大。其原因可能是由于经改性后钢纤维表面形成致密的化学镀膜，填充了钢纤维表面的孔隙，钢纤维与基体界面间的化学粘结力得到提升，使钢纤维拔出时表面粘附的

14、水化产物更多I，增加了钢纤维表面的粗糙度，使得改性后钢纤维的拉拔性能得以提升。在蒸压养护（龄期为7天）下，改性后钢纤维C-S、C-G1、C-G2和C-1的最大拔出力依次为64.87N、197.58N196.40N和92.86N,四种改性钢纤维最大拔出力大小顺序为C-G1C-G2C-1C-So与未改性钢纤维相比，C-SC-G1C-G2和C-1钢纤维的最大拔出力分别提高13.37%、2.38%、3.95%和8.43%。改性后钢纤维C-S、C-G1、C-G2和C-1的最大拔出应力分别为2065MPa、2795MPa2778MPa和1892MPa,纤维利用率（钢纤维最大拔出应力与钢纤维抗拉强度的比值）

15、分别为72.46%、98.07%、9747%和75.68%,由此可以看出，端钩型的G1、G2的纤维利用率很高，在蒸压养护下，与此UHPC匹配较好。与未改性相比，改性后S、G1.G2和1钢纤维的纤维利用率分别提高&56%、2.28%、3.68%和5.88%,提升幅度不大。2.2 钢纤维改性对平均粘结强度的影响改性前后钢纤维平均粘结强度的对比如图I1所示。图11改性前后钢纤维的平均粘结强度注：UnIrea1ed表示未改性，Ireaied表示改性。从图11可以看出，经改性的钢纤维平均粘结强度均得到提高，CSC-G1、C-G2和C-1钢纤维的平均粘结强度分别为15.9MPa、32.3MPa、32.1MPa和18.2MPa,大小顺序为C-G1C-G2C-1C-S,与未改