钢纤维表面改性对混凝土性能的影响

吕 进，刘建忠，陆 富

(1.高性能土木工程材料国家重点实验室江苏省建筑科学研究院有限公司，江苏南京210008;2.江苏博特新材料有限公司，江苏南京210008)

钢纤维混凝土因其在抗裂、增韧等性能方面的优势，在机场跑道、路面、桥面、水工、隧道、维修加固等工程中得到推广与应用［1－3］.在国内广泛应用的钢纤维中，以剪切型和冷拉钢丝切断型钢纤维为主，并且钢纤维混凝土性能的改善主要通过提高钢纤维与混凝土基体的黏结强度的方式来实现，具体表现为两种方式:一是钢纤维的异型化，将平直型的钢纤维改进为压痕型、波浪型、端勾型等［4－6］;二是提高钢纤维自身的抗拉强度，通过改进拉丝工艺、热冷轧工艺分别提高钢纤维原材料——钢丝/钢带的抗拉强度［7］.

由于钢纤维抗拉强度的提高，在混凝土受力发生断裂破坏时，异型钢纤维也只是从断裂面拔出而非拉断，所以钢纤维对混凝土的性能提高作用并未得到充分发挥，钢纤维与混凝土基体的黏结强度有进一步提升的空间.T.Stengel通过砂纸打磨的方式改变钢纤维的表面粗糙度［8］，孙敏，闻荻江通过磷酸锌沉积法对钢纤维表面进行处理来提高钢纤维与混凝土基体的黏结强度［9］，但前者砂纸打磨对钢纤维本身的抗拉强度有损害，后者采用的金属锌有引气作用［10］，会降低混凝土的强度.笔者对钢纤维采用电镀铜的方法使其表面粗糙化，从而增大钢纤维与水泥基体的界面黏结强度，在前述两类改进方式的基础上进一步提高钢纤维在混凝土中的增韧效果，并且此方法对钢纤维无损且增强了耐锈蚀性.通过钢纤维混凝土的试验发现:镀铜的表面粗糙型钢纤维与混凝土基体黏结强度的提高对混凝土的增韧效果明显优于表面光滑型钢纤维.

1 试验概况

1.1 试验材料

水泥:P·Ⅱ52.5级硅酸盐水泥;粉煤灰:I级，密度为2.33 g/cm3，比表面积为415 m2/kg;硅灰:密度为2.09 g/cm3，SiO2含量为 90%，比表面积为18 m2/g;细骨料:中砂，细度模数为2.5;粗骨料:碎石，粒径5～20 mm;减水剂:聚羧酸系减水剂(固含量30%);钢纤维:φ0.60 mm的弓型钢纤维和φ0.20 mm的微细钢纤维.

表面粗糙型钢纤维的制作方法:先将钢丝表面除油，并用水冲洗至钢丝表面呈中性，再将钢丝放入电镀浴槽中，控制合适的电流、电压、pH值、电镀液浓度、温度、时间进行镀铜，镀铜完成后，清洗表面的残留物，对钢丝表面进行干燥，最后将粗糙度≥25 μm的钢丝压制成型、切断，得到表面粗糙型钢纤维.

1.2 配合比

钢纤维与混凝土基体的黏结强度试验配合比见表1;砂浆、混凝土的力学性能试验配合比分别见表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代表钢纤维、PCA代表减水剂;序号0代表基准(不掺钢纤维)、1代表掺加光滑钢纤维、2代表掺加粗糙钢纤维;表中数据的量纲除减水剂为%外，其余均为kg/m3.

表1 钢纤维与砂浆黏结强度试验配合比

表2 砂浆力学性能试验配合比

表3 混凝土力学性能试验配合比

1.3 试验方法

1.3.1 黏结强度的试验方法

砂浆搅拌完毕，装入∞字模的半边，试模的截面尺寸为30 mm×30 mm，将钢纤维垂直于砂浆基体的截面埋入，φ0.20 mm的钢纤维埋入长度约6 mm，φ0.60 mm的钢纤维埋入长度约10 mm;25℃干养1 d后拆模，测试钢纤维与砂浆的黏结强度.

1.3.2 力学性能的试验方法

依据《钢纤维混凝土试验方法》(CECS 13∶2009)进行钢纤维混凝土的抗压强度、抗折强度与弯曲韧性的试验，砂浆的试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，85℃蒸养7 d;混凝土抗压试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，标准养护28 d;混凝土抗折、弯曲韧性试件尺寸皆为100 mm×100 mm×400 mm，标准养护28 d.

2 试验结果与分析

2.1 钢纤维的表面粗糙化对黏结性能的改善

钢纤维经过特殊的电镀工艺，均布于表面的铜粒子形成了粗糙的状态，在混凝土承受荷载时，粗糙的表面镀层会增大钢纤维在混凝土基体中滑移的摩擦阻力.具体表现如图1与图2所示.

由图1可知，φ0.20 mm的钢纤维表面粗糙后，在与砂浆脱黏后，黏结力并未像光滑表面的钢纤维那样呈线性下滑的态势，而是均匀波动很缓慢地下降，表明粗糙的表面在脱黏后能持续保持一定的摩擦阻力，其黏结强度有所增加.由图 2可知，φ0.60 mm的粗糙表面钢纤维虽未拔出，但断裂拉力约为光滑表面钢纤维最大拉拔力的3倍，说明粗糙的表面极大地增强了钢纤维与砂浆基体的黏结力.

从外观看:表面粗糙的钢纤维埋入砂浆被拉断或拔出的部分，表面镀层均磨损脱落，说明镀铜层确实起到了增大摩擦阻力的作用，提高了黏结强度.

2.2 表面粗糙平直型微细钢纤维对砂浆性能的影响

粗糙的表面增大了微细钢纤维与砂浆的黏结强度，进而影响到钢纤维砂浆的力学性能.图3为微细钢纤维砂浆的抗压、抗折强度直方图.

图3 微细钢纤维砂浆的抗压、抗折强度

由图3可知，钢纤维的表面粗糙化对砂浆的抗压强度影响很小，但抗折强度较表面光滑型钢纤维增长了约10%.压折比可用来表征砂浆的韧性［11］，表面粗糙型钢纤维的压折比和表面光滑型钢纤维相比降低8%，由此说明微细钢纤维的表面粗糙化对砂浆的韧性也有所提升.

2.3 表面粗糙弓型钢纤维对混凝土抗压强度的影响

不仅是微细钢纤维的表面粗糙化对砂浆力学性能有影响，较粗直径(如φ0.60 mm)的钢纤维经表面粗糙后，也对混凝土的力学性能有所改善.钢纤维混凝土的抗压强度如图4所示，表面粗糙弓型钢纤维和弓型钢纤维相比，混凝土的抗压强度提高约5%，起到了一定的增强作用.

图4 钢纤维混凝土的抗压强度

2.4 表面粗糙弓型钢纤维对混凝土弯曲韧性的影响

表面粗糙化的微细钢纤维对砂浆的韧性有所提升，而粗直径的钢纤维表面粗糙化后，对混凝土的增韧更为明显.钢纤维混凝土荷载－挠度曲线如图5所示.

图5 钢纤维混凝土荷载－挠度曲线

由图5可知，表面粗糙弓型钢纤维的荷载－挠度曲线比弓型钢纤维混凝土的更加丰满，并且峰值后的曲线更趋平缓，曲线所包围的面积大小代表混凝土韧性的高低.经计算，表面粗糙弓型钢纤维的荷载－挠度曲线所包围的面积比平滑型高约30%，表明表面粗糙弓型钢纤维混凝土试件承受的抗弯力增加，混凝土试件的延性随之增加，反映出弓型钢纤维的表面粗糙化提升了混凝土的增韧性能.

在其他条件相同的前提下，钢纤维的表面粗糙化处理对混凝土的增韧效果显著.原因在于:钢纤维的表面比较粗糙，增大了与混凝土基体间的摩擦阻力，钢纤维被拔出需要吸收更多能量，所以混凝土试件的抗弯承载力随之增加，弯曲韧性得到增强.

2.5 表面粗糙钢纤维对钢纤维抗锈蚀能力的影响

钢纤维表面的粗糙度通过电镀铜形成，根据电化学腐蚀原理，Cu的金属活动性比Fe差，Fe先腐蚀生锈，因此钢纤维表面镀铜后，由于铜活动性差，使其无法被酸腐蚀，对钢纤维形成保护层，延长了钢纤维对混凝土的增韧作用.

3 结语

1)表面粗糙型钢纤维提高了与混凝土基体的黏结强度.

2)钢纤维表面粗糙化后，砂浆的抗折强度提高约10%，韧性(压折比)提高约8%.

3)钢纤维表面粗糙化后，混凝土的抗压强度提高约5%，对混凝土的增韧作用较表面光滑型钢纤维提高达30%以上.

4)镀铜的表面粗糙型钢纤维增强了抗锈蚀能力，延长了钢纤维对混凝土的增韧作用.

［1］高丹盈，刘建秀.钢纤维混凝土基本理论［M］.北京:科学技术文献出版社，1994.

［2］黄承逵.钢纤维混凝土结构［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［3］赵国藩，彭少民，黄承逵.钢纤维混凝土结构［M］.北京:中国建筑工业出版社，1999.

［4］胡晓波.异形钢纤维改善混凝土性能研究［J］.工业建筑，2006(9):62－67.

［5］杨松霖，刁波.钢纤维形状对超高性能纤维混凝土力学性能的影响［J］.工业建筑，2012，42(1):140－143.

［6］黄育，王必斌，陈万祥，等.不同钢纤维对RPC性能影响的试验分析［J］.解放军理工大学学报:自然科学版，2003，4(5):64 －67.

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［9］孙敏，闻荻江.磷酸锌改性钢纤维与水泥基界面的黏结强度试验研究［J］.混凝土，2010(5):29－31.

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