硅灰对钢纤维-水泥石界面黏结强度影响

梅迎军，王召兵，代 超

(1.重庆交通大学 材料科学与工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学 重庆西南水运科学研究所，重庆 400074；3.广西交通科学研究院，广西 南宁 530007)

硅灰对钢纤维-水泥石界面黏结强度影响

梅迎军1，王召兵2，代 超3

(1.重庆交通大学 材料科学与工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学 重庆西南水运科学研究所，重庆 400074；3.广西交通科学研究院，广西 南宁 530007)

通过自制模具实现了对钢纤维从水泥石基体中拔出的实验测试，得到基体混凝土中钢纤维体积掺量为0～1.2%、硅灰取代水泥质量掺量为0～12%时钢纤维拉拔荷载-位移曲线图，通过显微硬度和SEM试验，测试得到了钢纤维-水泥石界面纤维硬度及界面区微观形貌特征。在测试基础上，提出了界面黏结拉拔韧性概念，并计算得到了界面黏结强度和拉拔韧性，分析了硅灰对界面黏结强度、拉拔韧性、界面显微硬度和微观形貌特征的影响规律。研究结果表明，硅灰改善了钢纤维-水泥石界面黏结性能，使界面黏结强度提高了10.7%～44.2%；界面区显微硬度提高了7.4%～38.8%，界面最薄弱层与钢纤维表面的距离由普通混凝土的60 μm缩小到40 μm，且硅灰掺量越大，效果越好；硅灰使钢纤维拉拔时峰值荷载对应的位移下降了4.1%～25.9%；对于不同掺量的钢纤维混凝土，钢纤维拔出韧性的最佳硅灰掺量为6%～9%。

道路工程；钢纤维混凝土；硅灰；拉拔韧性；界面黏结强度；显微硬度

0 引 言

钢纤维混凝土具有较高抗拉强度与韧性[1-3]、抗疲劳性[4]、优良的抗裂性能[5-6]与耐久性[7]等一系列优点，常被用于道路、桥梁、隧道、水利、海洋、建筑和耐火材料结构等各项工程。但由于成型过程中钢纤维下沉、水分在钢纤维表面聚集、混凝土早期收缩等原因，使得钢纤维表面一定厚度区域内混凝土结构特征与基体混凝土并不完全相同。众多学者已对钢纤维-水泥石界面层的结构、成分和性能进行了研究分析，认为钢纤维混凝土中存在纤维-水泥石界面薄弱区，影响了钢纤维对混凝土增强与增韧的作用效果。

在钢纤维混凝土中掺入无机矿物掺合料可改善钢纤维-水泥石界面结构特征，增加界面黏结强度，从而提高钢纤维对混凝土增强、增韧作用效果。如喻乐华[8]研究认为，矿物掺合料可增强水泥浆基体-骨料界面区，使界面区晶体数量和孔隙率均减少，孔隙率梯度几乎消失，界面区厚度也变小。GAO J M等[9]等研究结果显示，硅灰的掺入提高了界面过渡区的显微硬度，使界面层中氢氧化钙晶体的取向和富集现象完全消失，消除了因界面层薄弱对钢纤维混凝土性能带来的不利影响。CHAN Y W等[10]研究认为，硅灰的掺入能显著提高胶凝材料与钢纤维的界面黏结强度，从而使得纤维表面黏附更多的胶凝材料，使钢纤维拉拔时受到更多的摩擦阻力作用而提高纤维抗拔力，增大界面黏结强度。M.NILI等[11]研究得出硅灰能显著提高钢纤维混凝土抗折、劈裂抗拉强度以及提高其耐久性。

为最大限度地发挥钢纤维的作用，改善钢纤维-水泥石界面黏结、提高界面效应十分有必要。为此，通过在钢纤维混凝土中掺加硅灰对钢纤维-水泥石界面进行强化处理，对钢纤维混凝土物理力学性能、钢纤维-水泥石界面黏结强度、界面显微硬度及微观形貌特征等进行测试。在此基础，进一步分析硅灰对钢纤维混凝土微观形貌与结构特征及对钢纤维-水泥石界面黏结性能的影响。

1 原材料与配比设计

试验所用水泥为拉法基P.O 42.5普通硅酸盐水泥；硅灰(silica fume，简写为SF)，烧失量3%，比表面积22 000 m2/kg，活性指数为118%；减水剂采用高效聚羧酸减水剂；钢纤维采用武汉新途工程纤维制造有限公司生产的平直且带锚固点的钢纤维(steel fiber，简写为S)，抗拉强度980 MPa，密度7.8 g/cm3，用于混凝土物理力学性能测试钢纤维长度28 mm，等效直径0.51 mm，长径比55；用于钢纤维-水泥石界面黏结强度测试的钢纤维长度为50 mm(实测长度49.3 mm，直径0.96 mm，长径比51.4)；砂为洞庭湖砂，细度模数2.78；粗集料由石灰岩粉碎而成，粒径范围为5～25 mm，压碎指标值7.6%。混凝土配合比为水泥∶砂∶碎石∶水=441∶873∶946∶190。硅灰掺量按水泥取代率为0～12%，钢纤维掺量按相对混凝土体积所占百分比为0～1.2%，减水剂为相对水泥质量的百分比。

2 试验方案

2.1 钢纤维拉拔实验

2.1.1 试样成型

试样分为上下对称的两半，通过4根贯穿的钢纤维连接成一体，中部用塑料薄膜作为隔离层隔开，防止两半水泥试块黏结在一起。用于钢纤维拉拔试验的试样外观形貌如图1。

图1 拉拔测试前试样外观Fig.1 Sample appearance before pull out test

试验步骤如下：

1)准备如图2中尺寸的木质垫块，其作用在于固定钢纤维以及分次浇筑混凝土时控制试件尺寸。垫块上设置4个孔距30 mm、孔径2 mm、深度25 mm的垂直小孔。该小孔用于固定钢纤维、并确保钢纤维插入到木模后留在混凝土基体中的长度为25 mm。

图2 垫块尺寸及钢纤维固定(单位：mm)Fig.2 Pad size and method of fixing steel fiber

2)将用塑料薄膜包裹的垫块放入到试模中，并将4根钢纤维插入到木质垫块小孔中，确保插入钢纤维深度为25 mm，且不倾斜。

3)缓慢将拌合好的混凝土倒入试模，并振捣成型，期间应确保钢纤维不会出现倾斜现象。

4)成型后的试样标准养护1 d后拆模，取出垫块，获得上半部分试块，如图3。将该半块试件放入试模中，有钢纤维一面向上，中间覆盖塑料薄膜隔离层，并让钢纤维穿过。

5)在放入试模后的半块试样两侧放置厚度为15 mm、高度为40 mm的木块，如图4。

6)浇筑另一半，成型后的试样标准养护1 d后拆模，并标准养护28 d。

图3 半块试样尺寸(单位：mm)Fig.3 Size of half specimen

图4 第2次成型前试件Fig.4 Specimen before second forming

试验过程中与新拌混凝土拌合物接触的木块均用塑料膜包裹起来，避免木块吸水改变混凝土的水灰比，同时也是为了避免损伤钢纤维与水泥石界面的黏结，试件每次脱模均使用气动脱模机。

2.1.2 钢纤维拉拔实验方法

试验采用自行设计的夹具以实施对钢纤维的直接拉拔，自制夹具形状与尺寸如图5。采用分段位移控制方式加载：当拉拔位移小于5.5 mm时，加载速度为0.2 mm/min；当拉拔位移在5.5～10 mm时，加载速度为0.5 mm/min；当拉拔位移为10～25 mm时，加载速度为1 mm/min。

图5 钢纤维拉拔试验加载Fig.5 loading device for steel fiber pull out from cement matrix

2.2 显微硬度试验

取做完抗压强度试验的混凝土试件，用钢钎小心将其劈开，选取1根结构完整、且与混凝土基体黏结较为牢固、埋置较深的钢纤维，垂直其轴向进行打磨，确保该面与钢纤维轴向垂直。然后打磨其他各面，使样本的最终尺寸在10 mm×10 mm×10 mm左右，然后将包含钢纤维那一面进行抛光处理，便于试验与观测。

试验采用上海泰民光学仪器有限公司生产的HX-1000TM/LCD型自动转塔显微硬度计，试验过程中选用0.981 N的试验力(即100 gf)，持荷时间为15 s。试验时从钢纤维表面开始，以10 μm为梯度，向基体延伸，直到显微硬度值趋向某一固定值，至少做到150 μm处，每个配比选做5个试样，结果取其平均值。压头采用维氏压头，以显微硬度Hv作为衡量指标评价硅灰对界面区结构的影响。

2.3 SEM试验

取纤维拉拔试验中被拔出钢纤维的混凝土试块用压力机劈开，在试件中部选择与钢纤维黏结的混凝土试块，试样厚度控制在5 mm左右，平面尺寸宜控制在10 mm×10 mm左右。样本表面至少含有1根钢纤维或钢纤维剥落后留下的凹痕，且钢纤维与混凝土基体界面区结构应尽量完整无损伤。然后将样本放入无水乙醇中终止水化并去除样本中的水分，再将样本在60 ℃时烘干至恒重，待样本冷却后编号放入干燥器中。试验前将样本黏贴在样品盘上，然后在其表面均匀喷涂一层金属膜，再放入电子扫描显微镜样品仓中进行试验。通过电子扫描显微镜观察纤维与基体界面区的结构特征，观察结构的疏松与致密程度，以解释硅灰对界面区结构组成形态的影响。

3 试验结果与分析

3.1 物理力学性能测试结果

不同配合比的混凝土坍落度和抗压强度测试结果如表1。

表1 钢纤维硅灰混凝土物理力学性能

3.2 界面黏结强度试验结果与分析

3.2.1 试验结果

将成型后的试样标准养护28 d后进行钢纤维拉拔试验，测试得到了钢纤维拉拔试验荷载-位移曲线图，如图6。

图6 钢纤维拉拔荷载-位移曲线Fig.6 Load-displacement curve for steel fiber pull out from cement matrix

参考混凝土梁三点弯曲断裂韧性的计算方法，提出钢纤维-水泥石界面黏结拉拔韧性的概念，即以钢纤维拉拔过程中吸收的能量作为界面黏结性能的评价指标。根据测试结果，计算得到了界面黏结强度ffu以及1，3和5倍峰值荷载对应位移的界面黏结拉拔韧性I1δ，I3δ和I5δ。钢纤维-混凝土水泥石基体界面黏结强度可表达式为

式中：ffu为钢纤维与混凝土的界面黏结强度，MPa；Ffu为钢纤维拔出时的最大荷载，N;n为钢纤维的埋入数量，本实验为4根；uf为钢纤维横截面周长，mm；lfe为钢纤维的埋入长度，mm。

界面黏结强度和界面黏结拉拔韧性计算结果如表2。

表2 钢纤维-水泥石基体界面黏结性能测试与计算结果

注：δ为峰值荷载对应的位移

3.2.2 试验结果分析

1)硅灰对钢纤维-水泥石界面黏结强度影响

根据测试结果，可认为：硅灰有效地提高了钢纤维-水泥石基体界面黏结强度，且硅灰掺量越大，界面黏结强度越大。如：对不同掺量的钢纤维混凝土，复掺硅灰后界面黏结强度大幅度提高，硅灰掺量为3%～12%时，界面黏结强度提高幅度为10.7%～44.2%。

在对测试结果分析的基础上，可得到钢纤维、硅灰对界面黏结强度的回归方程：

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

R2=98.7%

式中：ffu为钢纤维-水泥石界面黏结强度，MPa；S为钢纤维体积掺量，%，适宜范围为0～1.2%；SF为硅灰取代水泥掺量，%，适宜范围为0～12%。

回归方程的给出，能够预测不同掺量的钢纤维和硅灰对钢纤维-水泥石界面黏结强度影响规律，可为硅灰增强钢纤维混凝土的应用提供一定的参考。

2)硅灰对拉拔变形性能的影响

通过对钢纤维拉拔过程的荷载-位移曲线分析，得知：不论是普通混凝土，还是钢纤维混凝土，复掺硅灰的量越大，峰值荷载增加幅度越大，而峰值荷载对应的位移下降幅度越大。如：对于不同掺量的钢纤维混凝土，复掺硅灰后，钢纤维拉拔峰值荷载增加了11.6%～41.2%，但峰值荷载对应的位移则下降了4.1%～25.9%。

这表明，硅灰的掺入一方面对钢纤维-水泥石界面黏结性能起到了改善作用，提高了界面黏结强度；同时，也降低了钢纤维拉拔时峰值荷载对应的位移，降低了钢纤维混凝土适应变形的能力。

3)硅灰对钢纤维拉拔韧性的影响

无论是对于普通混凝土，还是钢纤维混凝土，随着硅灰的掺入，钢纤维拔出的拉拔韧度先增大，当硅灰掺量为6%～9%时拉拔韧度最大；随着硅灰掺量增加，拉拔韧度反而降低。

硅灰对钢纤维拉拔韧性影响的原因在于：当钢纤维-水泥石界面黏结强度增加到一定程度时，在拉拔过程中钢纤维易被拉断而致瞬间失效，此时自拉拔开始至被拉断所耗散的能量反而不及界面黏结强度较低时钢纤维被完全拔出而耗散的能量。这表明，单纯通过提高钢纤维与混凝土基体间的界面黏结强度并不能高效地提高钢纤维拔出韧性。文献[12]的研究也表明，硅灰对钢纤维-水泥基体界面过渡区进行增强，改善了钢纤维砂浆的微观结构，但同时也使得钢纤维因受到的弯曲应力过大而出现纤维折断现象，从而增加了钢纤维桥接作用失效的几率。

3.3 显微硬度试验结果与分析

掺量为0～12%的硅灰增强混凝土钢纤维-水泥石界面区显微硬度与纤维表面距离如图7。

由测试结果得知：对于普通钢纤维混凝土，界面薄弱层距离纤维表面距离为50～60 μm，弱谷区长度近80 μm，显微硬度最小，反映出钢纤维-水泥石界面处存在薄弱区域；随着硅灰的掺入，界面区显微硬度提高了7.4%～38.8%，且界面区厚度与长度有减小趋势，而当硅灰掺量达到12%时，界面薄弱层距离纤维表面为40 μm，弱谷区减小至不足50 μm。

上述分析表明，硅灰的掺入使钢纤维-水泥石界面薄弱区厚度和尺寸减小，弱谷现象明显减轻。宏观上表现为钢纤维-水泥石界面黏结强度增大，硅灰增强钢纤维混凝土抗折、抗压等力学性能提高。

3.4 SEM试验结果与分析

试验过程中，扫描钢纤维凹痕边缘较为平整部位，获得不同硅灰掺量时钢纤维-水泥石界面微观结构与形貌特征如图8。

通过对不同硅灰掺量时钢纤维-水泥石界面微观形貌特征的对比分析，可以得出如下结论：随着硅灰掺入，界面区团絮状结构间孔隙缩小，钢纤维-水泥石界面薄弱层结构逐渐消失，结构越来越密实；当硅灰掺量为9%时，这层结构已经不明显；当硅灰掺量为12%时，已经难以发现这层结构了，且覆盖在C-S-H团絮状凝胶表面的Ca(OH)2晶体数量减少，钢纤维-水泥石界面区结构几乎与基体中的C-S-H融为一体。

4 结 论

通过自制拉拔夹具实现了对钢纤维从水泥石基体中拔出的实验测试，得到了钢纤维拉拔荷载-位移曲线图，计算得到了钢纤维-水泥石界面黏结强度和拉拔韧性；同时，测试并分析了钢纤维和硅灰对界面显微硬度和微观形貌特征的影响。主要研究结论如下：

1)绘制了钢纤维和硅灰对界面黏结强度影响的三维曲面图，分析了钢纤维和硅灰对钢纤维-水泥石界面黏结强度影响规律，分析结果认为，掺加钢纤维后，界面黏结强度提高幅度在5%以内；掺加硅灰后，界面黏结强度提高幅度为10.7%～44.2%。

2)硅灰一方面改善了钢纤维-水泥石界面黏结性能，提高了界面黏结强度，同时，也降低了钢纤维拉拔时峰值荷载对应的位移，降低了钢纤维混凝土适应变形的能力。

3)对不同掺量的钢纤维混凝土，硅灰掺量越大，界面黏结强度越大，但对于钢纤维拔出韧性，最佳硅灰掺量为6%～9%时，表明，单纯通过提高钢纤维与混凝土基体间的界面黏结强度并不能高效地提高钢纤维拔出韧性。

4)硅灰提高了钢纤维-水泥石界面区和水泥石基体的显微硬度，界面最薄弱层与钢纤维表面的距离由普通混凝土的60 μm缩小为40 μm，使得界面区性能与基体性能的差异性降低。

[1] 赵顺波，杜晖，钱晓军，等.钢纤维高强混凝土配合比直接设计方法研究[J].土木工程学报，2008，41(7)：1-6. ZHAO Shunbo, DU Hui, QIAN Xiaojun, et al. Study on direct mix design method for steel fiber reinforced high strength concrete[J].ChinaCivilEngineeringJournal, 2008，41(7)：1-6.

[2] MO K H, YAP K K Q, ALENGARAM U J, et al. The effect of steel fibers on the enhancement of flexural and compressive toughness and fracture characteristics of oil palm shell concrete[J].ConstructionandBuildingMaterials, 2014，55(2)：20-28.

[3] 王海涛，王立成.钢纤维高强轻骨料混凝土弯曲韧性与抗冲击性能[J].建筑材料学报，2013，16(6)：1082-1086. WANG Haitao，WANG Licheng. Flexural toughness and impact resistance of steel fiber reinforced high strength light weight aggregate concrete[J].JournalofBuildingMaterials, 2013，16(6)：1082-1086.

[4] 郑克仁，孙伟，何富强，等.钢纤维增强混凝土非线性疲劳方程及应用[J].武汉理工大学学报，2008，30(10)：77-80. ZHENG Keren, SUN Wei, HE Fuqiang, et al. Nonlinear fatigue equation for steel fiber reinforced concrete and its application[J].JournalofWuhanUniversityofTechnology, 2008，30(10)：77-80.

[5] 高丹盈，张明，赵军.疲劳荷载下钢纤维高强混凝土梁裂缝宽度的计算方法[J].土木工程学报，2013，46(3)：40-48. GAO Danying ZHANG Ming ZHAO Jun. Calculating method for crack width of steel fiber reinforced high-strength concrete beams under fatigue loads[J].ChinaCivilEngineeringJournal, 2013，46(3)：40-48.

[6] GRAEFF A G, PILAKOUTAS K, NEOCLEOUS K, et al. Fatigue resistance YPROS and cracking mechanism of concrete pavements reinforced with recycled steel fibres recovered from post-consumer tyres[J].EngineeringStructures, 2012，45：385-395.

[7] 王艳，牛荻涛，苗元耀，等.弯曲荷载作用下钢纤维混凝土碳化性能[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2015，47(1)：51-55.WANG Yan, NIU Ditao, MIAO Yuanyao, et al. Carbonation of steel fiber reinforced concrete under flexural loading[J].JournalofXi’anUniversityofArchitecture&Technology，2015，47(1)：51-55[8] 喻乐华.混凝土集料界面与强度关系的界面理论分析[J].华东交通大学学报，1999，16(4)：14-19. YU Lehua. Analyses relation between interfaces in concrete and its strength on the interfaces theory[J].JournalofEastChinaJiaotongUniversity, 1999，16(4)：14-19.

[9] GAO J M，QIAN C X, WANG B, et al. Experimental study on properties of polymer modified cement mortars with silica fume[J].CementandConcreteResearch, 2002，32(1)：41-45.

[10] CHAN Y W, CHU S H. Effect of silica fume on steel fiber bond characteristics in reactive powder concrete[J].CementandConcreteResearch, 2004，34(7)：1167-1172.

[11] NILI M, EHSANI A. Investigating the effect of the cement paste and transition zone on strength development of concrete containing nanosilica and silica fume[J].Materials&Design，2015，75(1)：174-183.

[12] 梅迎军，王培铭，李志勇，等.硅灰和SBL对钢纤维砂浆结构和强度的影响[J].建筑材料学报，2008，11(2)：183-188. MEI Yingjun, WANG Peiming, LI Zhiyong, et al. Effect of silica fume and styrene-butadiene latex on the microstructure and mechanical performance of steel fiber mortar[J].JournalofBuildingMaterials, 2008，11(2)：183-188.

(责任编辑 朱汉容)

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

交通运输部应用基础研究项目(2013319814060)；重庆市科委攻关项目(2011GGC 006)

梅迎军(1976—)，男，湖北人，教授，博士，主要从事道路建筑材料研发与应用工作。Email：mycq_2000@163.com。

TU 528.58

A

1674-0696(2017)01-024-06