硅灰對鋼纖維-水泥石界面黏結強度影響

梅迎軍，王召兵，代 超

(1.重慶交通大學 材料科學與工程學院，重慶 400074；2.重慶交通大學 重慶西南水運科學研究所，重慶 400074；3.廣西交通科學研究院，廣西 南寧 530007)

硅灰對鋼纖維-水泥石界面黏結強度影響

梅迎軍1，王召兵2，代 超3

(1.重慶交通大學 材料科學與工程學院，重慶 400074；2.重慶交通大學 重慶西南水運科學研究所，重慶 400074；3.廣西交通科學研究院，廣西 南寧 530007)

通過自制模具實現了對鋼纖維從水泥石基體中拔出的實驗測試，得到基體混凝土中鋼纖維體積摻量為0～1.2%、硅灰取代水泥質量摻量為0～12%時鋼纖維拉拔荷載-位移曲線圖，通過顯微硬度和SEM試驗，測試得到了鋼纖維-水泥石界面纖維硬度及界面區微觀形貌特征。在測試基礎上，提出了界面黏結拉拔韌性概念，并計算得到了界面黏結強度和拉拔韌性，分析了硅灰對界面黏結強度、拉拔韌性、界面顯微硬度和微觀形貌特征的影響規律。研究結果表明，硅灰改善了鋼纖維-水泥石界面黏結性能，使界面黏結強度提高了10.7%～44.2%；界面區顯微硬度提高了7.4%～38.8%，界面最薄弱層與鋼纖維表面的距離由普通混凝土的60 μm縮小到40 μm，且硅灰摻量越大，效果越好；硅灰使鋼纖維拉拔時峰值荷載對應的位移下降了4.1%～25.9%；對于不同摻量的鋼纖維混凝土，鋼纖維拔出韌性的最佳硅灰摻量為6%～9%。

道路工程；鋼纖維混凝土；硅灰；拉拔韌性；界面黏結強度；顯微硬度

0 引 言

鋼纖維混凝土具有較高抗拉強度與韌性[1-3]、抗疲勞性[4]、優良的抗裂性能[5-6]與耐久性[7]等一系列優點，常被用于道路、橋梁、隧道、水利、海洋、建筑和耐火材料結構等各項工程。但由于成型過程中鋼纖維下沉、水分在鋼纖維表面聚集、混凝土早期收縮等原因，使得鋼纖維表面一定厚度區域內混凝土結構特征與基體混凝土并不完全相同。眾多學者已對鋼纖維-水泥石界面層的結構、成分和性能進行了研究分析，認為鋼纖維混凝土中存在纖維-水泥石界面薄弱區，影響了鋼纖維對混凝土增強與增韌的作用效果。

在鋼纖維混凝土中摻入無機礦物摻合料可改善鋼纖維-水泥石界面結構特征，增加界面黏結強度，從而提高鋼纖維對混凝土增強、增韌作用效果。如喻樂華[8]研究認為，礦物摻合料可增強水泥漿基體-骨料界面區，使界面區晶體數量和孔隙率均減少，孔隙率梯度幾乎消失，界面區厚度也變小。GAO J M等[9]等研究結果顯示，硅灰的摻入提高了界面過渡區的顯微硬度，使界面層中氫氧化鈣晶體的取向和富集現象完全消失，消除了因界面層薄弱對鋼纖維混凝土性能帶來的不利影響。CHAN Y W等[10]研究認為，硅灰的摻入能顯著提高膠凝材料與鋼纖維的界面黏結強度，從而使得纖維表面黏附更多的膠凝材料，使鋼纖維拉拔時受到更多的摩擦阻力作用而提高纖維抗拔力，增大界面黏結強度。M.NILI等[11]研究得出硅灰能顯著提高鋼纖維混凝土抗折、劈裂抗拉強度以及提高其耐久性。

為最大限度地發揮鋼纖維的作用，改善鋼纖維-水泥石界面黏結、提高界面效應十分有必要。為此，通過在鋼纖維混凝土中摻加硅灰對鋼纖維-水泥石界面進行強化處理，對鋼纖維混凝土物理力學性能、鋼纖維-水泥石界面黏結強度、界面顯微硬度及微觀形貌特征等進行測試。在此基礎，進一步分析硅灰對鋼纖維混凝土微觀形貌與結構特征及對鋼纖維-水泥石界面黏結性能的影響。

1 原材料與配比設計

試驗所用水泥為拉法基P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；硅灰(silica fume，簡寫為SF)，燒失量3%，比表面積22 000 m2/kg，活性指數為118%；減水劑采用高效聚羧酸減水劑；鋼纖維采用武漢新途工程纖維制造有限公司生產的平直且帶錨固點的鋼纖維(steel fiber，簡寫為S)，抗拉強度980 MPa，密度7.8 g/cm3，用于混凝土物理力學性能測試鋼纖維長度28 mm，等效直徑0.51 mm，長徑比55；用于鋼纖維-水泥石界面黏結強度測試的鋼纖維長度為50 mm(實測長度49.3 mm，直徑0.96 mm，長徑比51.4)；砂為洞庭湖砂，細度模數2.78；粗集料由石灰巖粉碎而成，粒徑范圍為5～25 mm，壓碎指標值7.6%。混凝土配合比為水泥∶砂∶碎石∶水=441∶873∶946∶190。硅灰摻量按水泥取代率為0～12%，鋼纖維摻量按相對混凝土體積所占百分比為0～1.2%，減水劑為相對水泥質量的百分比。

2 試驗方案

2.1 鋼纖維拉拔實驗

2.1.1 試樣成型

試樣分為上下對稱的兩半，通過4根貫穿的鋼纖維連接成一體，中部用塑料薄膜作為隔離層隔開，防止兩半水泥試塊黏結在一起。用于鋼纖維拉拔試驗的試樣外觀形貌如圖1。

圖1 拉拔測試前試樣外觀Fig.1 Sample appearance before pull out test

試驗步驟如下：

1)準備如圖2中尺寸的木質墊塊，其作用在于固定鋼纖維以及分次澆筑混凝土時控制試件尺寸。墊塊上設置4個孔距30 mm、孔徑2 mm、深度25 mm的垂直小孔。該小孔用于固定鋼纖維、并確保鋼纖維插入到木模后留在混凝土基體中的長度為25 mm。

圖2 墊塊尺寸及鋼纖維固定(單位：mm)Fig.2 Pad size and method of fixing steel fiber

2)將用塑料薄膜包裹的墊塊放入到試模中，并將4根鋼纖維插入到木質墊塊小孔中，確保插入鋼纖維深度為25 mm，且不傾斜。

3)緩慢將拌合好的混凝土倒入試模，并振搗成型，期間應確保鋼纖維不會出現傾斜現象。

4)成型后的試樣標準養護1 d后拆模，取出墊塊，獲得上半部分試塊，如圖3。將該半塊試件放入試模中，有鋼纖維一面向上，中間覆蓋塑料薄膜隔離層，并讓鋼纖維穿過。

5)在放入試模后的半塊試樣兩側放置厚度為15 mm、高度為40 mm的木塊，如圖4。

6)澆筑另一半，成型后的試樣標準養護1 d后拆模，并標準養護28 d。

圖3 半塊試樣尺寸(單位：mm)Fig.3 Size of half specimen

圖4 第2次成型前試件Fig.4 Specimen before second forming

試驗過程中與新拌混凝土拌合物接觸的木塊均用塑料膜包裹起來，避免木塊吸水改變混凝土的水灰比，同時也是為了避免損傷鋼纖維與水泥石界面的黏結，試件每次脫模均使用氣動脫模機。

2.1.2 鋼纖維拉拔實驗方法

試驗采用自行設計的夾具以實施對鋼纖維的直接拉拔，自制夾具形狀與尺寸如圖5。采用分段位移控制方式加載：當拉拔位移小于5.5 mm時，加載速度為0.2 mm/min；當拉拔位移在5.5～10 mm時，加載速度為0.5 mm/min；當拉拔位移為10～25 mm時，加載速度為1 mm/min。

圖5 鋼纖維拉拔試驗加載Fig.5 loading device for steel fiber pull out from cement matrix

2.2 顯微硬度試驗

取做完抗壓強度試驗的混凝土試件，用鋼釬小心將其劈開，選取1根結構完整、且與混凝土基體黏結較為牢固、埋置較深的鋼纖維，垂直其軸向進行打磨，確保該面與鋼纖維軸向垂直。然后打磨其他各面，使樣本的最終尺寸在10 mm×10 mm×10 mm左右，然后將包含鋼纖維那一面進行拋光處理，便于試驗與觀測。

試驗采用上海泰民光學儀器有限公司生產的HX-1000TM/LCD型自動轉塔顯微硬度計，試驗過程中選用0.981 N的試驗力(即100 gf)，持荷時間為15 s。試驗時從鋼纖維表面開始，以10 μm為梯度，向基體延伸，直到顯微硬度值趨向某一固定值，至少做到150 μm處，每個配比選做5個試樣，結果取其平均值。壓頭采用維氏壓頭，以顯微硬度Hv作為衡量指標評價硅灰對界面區結構的影響。

2.3 SEM試驗

取纖維拉拔試驗中被拔出鋼纖維的混凝土試塊用壓力機劈開，在試件中部選擇與鋼纖維黏結的混凝土試塊，試樣厚度控制在5 mm左右，平面尺寸宜控制在10 mm×10 mm左右。樣本表面至少含有1根鋼纖維或鋼纖維剝落后留下的凹痕，且鋼纖維與混凝土基體界面區結構應盡量完整無損傷。然后將樣本放入無水乙醇中終止水化并去除樣本中的水分，再將樣本在60 ℃時烘干至恒重，待樣本冷卻后編號放入干燥器中。試驗前將樣本黏貼在樣品盤上，然后在其表面均勻噴涂一層金屬膜，再放入電子掃描顯微鏡樣品倉中進行試驗。通過電子掃描顯微鏡觀察纖維與基體界面區的結構特征，觀察結構的疏松與致密程度，以解釋硅灰對界面區結構組成形態的影響。

3 試驗結果與分析

3.1 物理力學性能測試結果

不同配合比的混凝土坍落度和抗壓強度測試結果如表1。

表1 鋼纖維硅灰混凝土物理力學性能

3.2 界面黏結強度試驗結果與分析

3.2.1 試驗結果

將成型后的試樣標準養護28 d后進行鋼纖維拉拔試驗，測試得到了鋼纖維拉拔試驗荷載-位移曲線圖，如圖6。

圖6 鋼纖維拉拔荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement curve for steel fiber pull out from cement matrix

參考混凝土梁三點彎曲斷裂韌性的計算方法，提出鋼纖維-水泥石界面黏結拉拔韌性的概念，即以鋼纖維拉拔過程中吸收的能量作為界面黏結性能的評價指標。根據測試結果，計算得到了界面黏結強度ffu以及1，3和5倍峰值荷載對應位移的界面黏結拉拔韌性I1δ，I3δ和I5δ。鋼纖維-混凝土水泥石基體界面黏結強度可表達式為

式中：ffu為鋼纖維與混凝土的界面黏結強度，MPa；Ffu為鋼纖維拔出時的最大荷載，N;n為鋼纖維的埋入數量，本實驗為4根；uf為鋼纖維橫截面周長，mm；lfe為鋼纖維的埋入長度，mm。

界面黏結強度和界面黏結拉拔韌性計算結果如表2。

表2 鋼纖維-水泥石基體界面黏結性能測試與計算結果

注：δ為峰值荷載對應的位移

3.2.2 試驗結果分析

1)硅灰對鋼纖維-水泥石界面黏結強度影響

根據測試結果，可認為：硅灰有效地提高了鋼纖維-水泥石基體界面黏結強度，且硅灰摻量越大，界面黏結強度越大。如：對不同摻量的鋼纖維混凝土，復摻硅灰后界面黏結強度大幅度提高，硅灰摻量為3%～12%時，界面黏結強度提高幅度為10.7%～44.2%。

在對測試結果分析的基礎上，可得到鋼纖維、硅灰對界面黏結強度的回歸方程：

ffu=0.636S-0.448S2+0.214SF-0.007SF2+0.006S·SF+3.817

R2=98.7%

式中：ffu為鋼纖維-水泥石界面黏結強度，MPa；S為鋼纖維體積摻量，%，適宜范圍為0～1.2%；SF為硅灰取代水泥摻量，%，適宜范圍為0～12%。

回歸方程的給出，能夠預測不同摻量的鋼纖維和硅灰對鋼纖維-水泥石界面黏結強度影響規律，可為硅灰增強鋼纖維混凝土的應用提供一定的參考。

2)硅灰對拉拔變形性能的影響

通過對鋼纖維拉拔過程的荷載-位移曲線分析，得知：不論是普通混凝土，還是鋼纖維混凝土，復摻硅灰的量越大，峰值荷載增加幅度越大，而峰值荷載對應的位移下降幅度越大。如：對于不同摻量的鋼纖維混凝土，復摻硅灰后，鋼纖維拉拔峰值荷載增加了11.6%～41.2%，但峰值荷載對應的位移則下降了4.1%～25.9%。

這表明，硅灰的摻入一方面對鋼纖維-水泥石界面黏結性能起到了改善作用，提高了界面黏結強度；同時，也降低了鋼纖維拉拔時峰值荷載對應的位移，降低了鋼纖維混凝土適應變形的能力。

3)硅灰對鋼纖維拉拔韌性的影響

無論是對于普通混凝土，還是鋼纖維混凝土，隨著硅灰的摻入，鋼纖維拔出的拉拔韌度先增大，當硅灰摻量為6%～9%時拉拔韌度最大；隨著硅灰摻量增加，拉拔韌度反而降低。

硅灰對鋼纖維拉拔韌性影響的原因在于：當鋼纖維-水泥石界面黏結強度增加到一定程度時，在拉拔過程中鋼纖維易被拉斷而致瞬間失效，此時自拉拔開始至被拉斷所耗散的能量反而不及界面黏結強度較低時鋼纖維被完全拔出而耗散的能量。這表明，單純通過提高鋼纖維與混凝土基體間的界面黏結強度并不能高效地提高鋼纖維拔出韌性。文獻[12]的研究也表明，硅灰對鋼纖維-水泥基體界面過渡區進行增強，改善了鋼纖維砂漿的微觀結構，但同時也使得鋼纖維因受到的彎曲應力過大而出現纖維折斷現象，從而增加了鋼纖維橋接作用失效的幾率。

3.3 顯微硬度試驗結果與分析

摻量為0～12%的硅灰增強混凝土鋼纖維-水泥石界面區顯微硬度與纖維表面距離如圖7。

由測試結果得知：對于普通鋼纖維混凝土，界面薄弱層距離纖維表面距離為50～60 μm，弱谷區長度近80 μm，顯微硬度最小，反映出鋼纖維-水泥石界面處存在薄弱區域；隨著硅灰的摻入，界面區顯微硬度提高了7.4%～38.8%，且界面區厚度與長度有減小趨勢，而當硅灰摻量達到12%時，界面薄弱層距離纖維表面為40 μm，弱谷區減小至不足50 μm。

上述分析表明，硅灰的摻入使鋼纖維-水泥石界面薄弱區厚度和尺寸減小，弱谷現象明顯減輕。宏觀上表現為鋼纖維-水泥石界面黏結強度增大，硅灰增強鋼纖維混凝土抗折、抗壓等力學性能提高。

3.4 SEM試驗結果與分析

試驗過程中，掃描鋼纖維凹痕邊緣較為平整部位，獲得不同硅灰摻量時鋼纖維-水泥石界面微觀結構與形貌特征如圖8。

通過對不同硅灰摻量時鋼纖維-水泥石界面微觀形貌特征的對比分析，可以得出如下結論：隨著硅灰摻入，界面區團絮狀結構間孔隙縮小，鋼纖維-水泥石界面薄弱層結構逐漸消失，結構越來越密實；當硅灰摻量為9%時，這層結構已經不明顯；當硅灰摻量為12%時，已經難以發現這層結構了，且覆蓋在C-S-H團絮狀凝膠表面的Ca(OH)2晶體數量減少，鋼纖維-水泥石界面區結構幾乎與基體中的C-S-H融為一體。

4 結 論

通過自制拉拔夾具實現了對鋼纖維從水泥石基體中拔出的實驗測試，得到了鋼纖維拉拔荷載-位移曲線圖，計算得到了鋼纖維-水泥石界面黏結強度和拉拔韌性；同時，測試并分析了鋼纖維和硅灰對界面顯微硬度和微觀形貌特征的影響。主要研究結論如下：

1)繪制了鋼纖維和硅灰對界面黏結強度影響的三維曲面圖，分析了鋼纖維和硅灰對鋼纖維-水泥石界面黏結強度影響規律，分析結果認為，摻加鋼纖維后，界面黏結強度提高幅度在5%以內；摻加硅灰后，界面黏結強度提高幅度為10.7%～44.2%。

2)硅灰一方面改善了鋼纖維-水泥石界面黏結性能，提高了界面黏結強度，同時，也降低了鋼纖維拉拔時峰值荷載對應的位移，降低了鋼纖維混凝土適應變形的能力。

3)對不同摻量的鋼纖維混凝土，硅灰摻量越大，界面黏結強度越大，但對于鋼纖維拔出韌性，最佳硅灰摻量為6%～9%時，表明，單純通過提高鋼纖維與混凝土基體間的界面黏結強度并不能高效地提高鋼纖維拔出韌性。

4)硅灰提高了鋼纖維-水泥石界面區和水泥石基體的顯微硬度，界面最薄弱層與鋼纖維表面的距離由普通混凝土的60 μm縮小為40 μm，使得界面區性能與基體性能的差異性降低。

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(責任編輯 朱漢容)

Silica Fume’s Impact on the Interface Bond Strength of Steel Fiber-cement Matrix

MEI Yingjun1，WANG Zhaobing2，DAI Chao3

(1. School of Material Science & Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074，P.R.China;2.Chongqing Southwest Institute of Water Transport, Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P.R.China;3. Guangxi Transportation Research Institute, Nanning 530007，Guangxi，P.R.China)

Tests of steel fiber pulled out from cement matrix were carried out by self-made mould and the pull out load-displacement curve of common concrete and silica fume reinforced steel fiber concrete are achieved. The content of steel fiber was 0～1.2% by volume fraction and the content of silica fume is 0～12% by quality replacement of cement. The micro-hardness and micro-morphology of the interface between steel fiber-cement matrixes are obtained by micro-hardness test and SEM test. Based on the above experiments, the concept of interface bond pull out toughness was put forward, and the interfacial bond strength and toughness of steel fiber pulled out from cement matrix were calculated and the law of silica fume’s impact on the interfacial bond strength, steel fiber pull out toughness, micro-hardness and microstructure of the interface were analyzed. The results of tests show that the interfacial bond strength of steel fiber-cement matrix in steel fiber reinforced concrete is increased by 10.7%～44.2% with the content of 3%～12% silica fumes. The micro-hardness of the interface region is increased by 7.4%～38.8%，and the distance 60 μm, in ordinary concrete, between the weakest layer of the interface and the surface of the steel fiber is reduced to 40 nm after the addition of 12% silica fume, and the greater addition of silica fume, the better effect is shown. With the different additions of silica fume, the displacement of steel fiber under peak loads at time of being pulling out is reduced by 4.1%～25.9%. As for steel fiber reinforced concrete with different content of fiber, the ideal content of silica fume is 6%～9% for the steel fiber’s pull out roughness.

highway engineering; steel fiber reinforced concrete; silica fume; pull out toughness; interfacial bond strength; micro-hardness

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.01.05

2015-10-28；

2015-11-20

交通運輸部應用基礎研究項目(2013319814060)；重慶市科委攻關項目(2011GGC 006)

梅迎軍(1976—)，男，湖北人，教授，博士，主要從事道路建筑材料研發與應用工作。Email：mycq_2000@163.com。

TU 528.58

A

1674-0696(2017)01-024-06