《磷酸锌改性钢纤维对掺花岗岩石粉UHPC增强增韧的影响.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《磷酸锌改性钢纤维对掺花岗岩石粉UHPC增强增韧的影响.docx（11页珍藏版）》请在课桌文档上搜索。
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）、Gl（镀铜单折线端钩型）、G2（镀铜双折线端钩型）、L（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Ll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Larrard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（八）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、Gl钢纤维、G2钢纤维、L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130.265-2850Gl镀铜单折线端钩型250.383.3-2850G2镀铜双折线端钩型
8、250.383.3-2850L镀铜波浪型250.251006.52500(a)S(b)Gl(c)G2(d)L图1钢纤维实物图(拔出前)(a)S(b)G1(c)G2(d)L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40mmx40mmxl60mm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WiIle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。图5拉拔装置上端夹具1.4 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。单根钢纤维
12、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-Gl、C-G2、C-Lo(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。1.5 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)表示拔出应力，
13、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)oP 4PZT = RWXU /,max s=4wr= j Pds.v-Odf Le(1)(2)(3)(4)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L钢纤维改性前后的P-S拉拔曲线对比如图7至10所示。图8改性前后Gl钢纤维的拉拔曲线图9改性前后G2钢纤维的拉拔曲线246s （mm）图10改性前后L钢纤维的拉拔曲线从图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
14、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-Gl、C-G2和C-L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-GlC-G2C-LC-So与未改性钢纤维相比，C-SC-GlC-G2和C-L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-Gl、C-G2和C-L的
15、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）分别为72.46%、98.07%、9747%和75.68%,由此可以看出，端钩型的Gl、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、Gl.G2和L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Il所示。45untreated treatedG1G2Type offiber图11改性前后钢纤维的平均粘结强度注：Un
16、Irealed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-L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-LC-S,与未改性钢纤维相比，C-SC-G1、C-G2与C-L钢纤维的平均粘结强度分别提高13.37%、2.38%、3.95%和8.43%,与改性异型（Gl、G2、L）钢纤维相比，改性S钢纤维平均粘结强度提升最明显，这可能是由于异型钢纤维的平均粘结强度主要由最大拔出力所决定，而最大拔出力主要由钢纤维表面形状的机械咬合力提供I，化学粘结力的提升
17、对其影响不大。2.3 钢纤维改性对拔出功的影响改性前后钢纤维拔出功的对比如图12所示。G1G2Type of fiber60C； -400EN) OM图12改性前后钢纤维的拔出功注：Unirealed表示未改性，treated表示改性。从图12可以看出，在蒸压养护下，改性钢纤维的拔出功均有所提高，C-S,C-G1、C-G2和C-L钢纤维的拔出功分别为222.7Nmm、644.2Nmm472.2Nmm和358.6Nmm,对于拔出的四种改性钢纤维而言，拔出功大小顺序为C-G1C-G2C-LC-S,与平均粘结强度顺序相一致。与未改性钢纤维相比，C-SC-G1、C-G2与C-Ll钢纤维的拔出功分别提高
18、39.19%、19.10%、20.40%和16.73%,经改性后S钢纤维的拔出功提升最明显，对于异型钢纤维而言，对拔出功的主要贡献是机械咬合力U叫化学粘结力的提升对钢纤维拔出功的提升作用不大。2.4 SEM试验结果对钢纤维表面采用ZnPh改性处理，从以上可知，改性后S钢纤维平均粘结强度、拔出功提高最明显，与未改性相比，可分别提高13.37%和39.19%。木文以S钢纤维为例，采用SEM观察S钢纤维经ZnPh改性前后的钢纤维形貌的变化。图13未改性S钢纤维表面图14改性S钢纤维表面图15改性S钢纤维表面粒状晶体图16未改性S钢纤维fj UHPC基体界面图17改性S钢纤维与UHPC基体界面图18未
19、改性S钢纤维拔出端部图19改性S钢纤维拔出端部由图13与图14对比可以看出，经ZnPh改性后S钢纤维表面沿着钢纤维轴向方向均布大量致密的磷化膜。将此膜放大5000倍表现为钢纤维表面呈附着有大量致密的粒状晶体，如图15所示,图17与图16对比，ZnPh改性S钢纤维上粘附有更多的水化产物，钢纤维与UHPC基体粘结更加致密、牢固。将改性S钢纤维从UHPC基体中拔出，并用去离子水冲洗干净，得到改性S钢纤维拔出端部如图19所示。与图18相比较，可见有更多的基体颗粒粘附在改性S钢纤维的表面，这可能是由于改性后S钢纤维表面变得更加粗糙，从而使得S钢纤维与UHPC间的界面粘结能力增强。2.5 EDS试验结果对
20、从UHPC中拔出的ZnPh改性钢纤维表面粘附的水化产物（如上图19）进行EDS试验，得到EDS能谱图，如图20所示。图20ZnPh改性钢纤维表面水化产物EDS图谱从能谱图中可以看出经改性钢纤维表面基体颗粒主要产物为Ca.Si、O元素，还有少量的Zn、P元素存在。正常来说，拔出时改性钢纤维表面应该有大量的Zn、P元素存在，文献“0】指出，可能的原因是纤维表面的磷酸锌被以Ca、Si、O为主要元素的化合物所覆盖。而EDS主要是用来发现0-2m厚的固体层，由此可以估计出纤维表面的水化产物的厚度不超过2m,另外，从图谱图可知水化产物的锌磷比(ZnZP)为3.48。3机理分析与讨论有研究表明HOL钢纤维经
21、含有锌的磷化盐溶液处理后，会在钢纤维表面形成一种不溶性磷化膜。磷化膜是不溶性晶体通过溶解再结晶过程直接覆盖在钢纤维表面的一层镀膜，磷化膜通常只有几微米，不过它具有提高基体与涂层间的附着力以及能改善钢纤维表面的摩擦性能，促进其滑动。沉淀在钢纤维表面的ZnPh不仅降低了钢纤维的腐蚀率,而且保护了钢纤维的表面形貌,与基体间形成更强的粘结作用。根据第2.1-2.3节的结果分析，改性后钢纤维的最大拔出力、粘结强度、拔出功等拉拔性能评价参数均有所提升。由第2.4节的结果分析，改性后S钢纤维表面附着有大量致密的粒状晶体，使表面变得更加粗糙，从而增强了S钢纤维与UHPC间的界面粘结性能。ZnPh改性使钢纤维表
22、面形成镀层薄膜，抵抗了腐蚀。当ZnPh钢纤维在UHPC基体中时，由于ZnPh很容易和OH-发生反应，导致ZnPh反应生成大量的PCl?-存在于钢纤维与UHPC的界面。根据EDS试验结果，ZnZP为3.48,如果钢纤维表面的磷酸锌(Zn3(PO4)2)中的P4%未与水泥浆体中未水化的Ca?+反应，则根据磷与磷的相对原子质量可求得Zn/P应为3.15,这说明Zn与P不全是以磷酸锌形式存在，而这些P(3-会与Ca?+发生反应，生成不溶解的磷酸钙化合物，对钢纤维起到保护作用。SugamaT3通过X射线光谱分析技术(XPS)证明了改性钢纤维表面生成了羟基磷灰石(Ca5(PO4)3(OH)和透钙磷石(Ca
23、HPO42H2O),ElIiOt123通过不同ph下钙磷计算溶解度等温线得出钙磷在沉积物中最稳定的形态是Ca5(PO4)3(OH),而CaHP042H20最容易产生沉淀,化学方程式见式(5),式(6)。因此Ca5(PO4)3(OH)阻碍了ZnPh的分解，而CaHP42H2O则会发生二次沉淀，使得PC浓度降低，这些产物沉积在钢纤维的表面，增强了钢纤维与基体间的粘结程度，从而提高了钢纤维在UHPC中的粘结强度和拔出功。5Ca2,+3PO43+OHCa5(PO4)5OH4(5)H3PO4+O(OH)2=CaHPO42H2OL(6)从第2.1-23节可以得出，经改性后S、Gl、G2与L钢纤维的平均粘结
24、强度分别提高13.37%、2.38%、3.95%和8.43%；拔出功分别提高39.19%、19.10%、20.40%和16.73%；纤维利用率分别提高8.56%、2.28%、3.68%和5.88%；可以看出，无论是平均粘结强度、拔出功还是纤维利用率，S钢纤维均提升最明显。这是因为，改性钢纤维只改变钢纤维表面的化学性质，未对其钢纤维的形状产生改变，即提高了界面粘结力组成中的静摩擦力与化学粘结力部分。异型钢纤维改性后对最大拔出力提升不明显，这是由于控制异型钢纤维最大拔出力的主要是其机械咬合力，且异型钢纤维与基体间的机械咬合力很大，所以尽管异型钢纤维经改性后的平均粘结强度与拔出功均有上升，但其上升幅
25、度不如S钢纤维明显。4结论1 .相对于改性前，改性后S、GKG2与L钢纤维的平均粘结强度分别提高13.37%、2.38%、3.95%和8.43%；拔出功分别提高39.19%、19.10%、20.40%和16.73%；纤维利用率分别提高&56%、2.28%、3.68%和5.88%,且无论是平均粘结强度、拔出功还是纤维利用率，S钢纤维均提升最明显。2 .改性后S钢纤维表面生成有大量的羟基磷灰石(Cas(PO)(OH)和透钙磷石(CaHP042H20),而Ca5(POQ3(OH)阻碍了ZnPh的分解，且CaHPo2比0会发生二次沉淀，使得PC3浓度降低，这些产物沉积在钢纤维的表面，使钢纤维表面变得更
26、加粗糙，增强了钢纤维与UHPC基体间的粘结程度，从而提高了钢纤维在UHPC中的粘结强度和拔出功。3 .改性后的钢纤维表面会生成不溶解的磷酸钙化合物(羟基磷灰石和透钙磷石)，使得其表面形成镀层薄膜，对钢纤维起到一定的保护作用，抵抗了腐蚀。1 参考文献2 1.arrardDF,SedranT.Optimizationofultra-high-perfbrmanceconcretebytheuseofapackingmodeIJ.CementandConcreteResearch,1994,24(6):997-1009.3 RichardP,CheyrezyM.Compositionofreacti
27、vepowderconcretesJ.CementandConcreteResearch,1995,25(7):1501-1511.3赵筠，廉慧珍，金建昌.钢-混凝土复合的新模式一超高性能混凝土(UHPC/UHPFRC)之一:钢-混凝土复合模式的现状、问题及对策与UHPC发展历程J.混凝土世界，2013(10):56-69.4安明,宋子辉，李宇，等.不同钢纤维含量RPC材料受压力学性能研究J中国铁道科学,2009,30(5):34-38.5安明,杨志慧，余自若，等.活性粉末混凝土抗拉性能研究J.铁道学报，2010,32(1):54-58.6原海燕，安明,贾方方，等.活性粉末混凝土轴拉性能试验研
28、究J.工程力学，201L28(A01):141-144.7张丽辉，刘建忠，刘加平，等.磷酸锌改性钢纤维对UHPC单轴拉伸性能的影响J.混凝土,2016(9):52-55.8孙敏，闻荻江.磷酸锌改性钢纤维与水泥基界面的黏接强度试验研究J混凝土，2010(5):29-31.9吕进，刘建忠，陆富.钢纤维表面改性对混凝土性能的影响J.华北水利水电学院学报,2012,33(6):36-38.10 SugamaT,CarcielloN,KukackaLE,etal.Interfacebetweenzincphosphate-depositedsteelfibresandcementpasteJ.Journ
29、alofMaterialsScience,1992,27(11):2863-2872.11黄红柳.废弃石粉对混凝土性能的影响研究J.商品混凝土,2009(7):32-35.1121李相国,李孟蕾,马保国，等.改性花岗岩石粉对水泥的性能影响J.混凝土,2013(8):87-90.13赵井辉，刘福胜，韦梅，等.花岗岩石粉细度及掺量对混凝土微观孔隙的影响J.水利水运工程学报,2016(2):39-45.|14|蔡振哲.花岗岩石粉在加气混凝土中的应用研究J.墙材革新与建筑节能，2015(6):32-35.15任卫岗，庄一舟，于丽雪.花岗岩石粉-高韧性水泥基复合材料的制备与性能J.科学技术与工程,201
30、6,16(17):269-274.116)黄乙纯.掺花岗岩石粉RPC的力学性能研究D.福州大学,2015.1171中华人民共和国建设部.JGJ63-2006混凝土用水标准S.北京：中国建筑工业出版社,2006.18 WilleK,NaamanAE.Effectofultra-high-performanceconcreteonpulloutbehaviorofhigh-strengthbrass-coatedstraightsteelfibersJ.ACIMaterialsJournal,2013,110(4):451-461.19中国工程建设标准化协会混凝土结构专业委员会.CECS38-2004纤维混凝土结构技术规程(附条文说明)S.大连：大连理工大学,2004.20 ElliottJC.Structureandchemistryoftheapatitesandothercalciumorthophosphates.M.Holand:Elsevier,2013.
