磷酸锌改性钢纤维对UHPC和配筋UHPC抗拉性能的影响

2021-02-14屈少钦卢九章霍文斌

公路工程 2021年6期

屈少钦, 张阳, 卢九章, 霍文斌

(1. 湖南大学风工程与桥梁工程湖南省重点实验室，湖南长沙 410082；2. 北京市政路桥管理养护集团有限公司，北京 100097；3.广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510010)

0 引言

超高性能混凝土(UHPC)作为21世纪最具有发展前景的水泥基材料，具有超高的抗压强度(大于150 MPa)，以及优越的抗拉性能和韧性。UHPC的抗拉性能很大程度上取决于掺入其中的随机分布的非连续短切纤维，大量的研究证明了纤维特性对UHPC抗拉性能的影响显著，例如纤维的材质、几何尺寸、形状、掺量等等[1-3]。

基于微观力学的观点，UHPC在受拉过程中会形成多条裂缝，而裂缝处分布着的许多穿过裂缝的纤维则起到了桥联和传递拉应力的重要作用[4]；随着裂缝的逐渐扩展和裂缝宽度的增大，裂缝处的纤维会逐渐从UHPC基体中被拔出，而纤维的承载力随着纤维的滑移不断变化。影响这一过程的主要内因是纤维-基体界面的剪切应力传递机制[5]。纤维-基体界面的粘接性能是影响界面剪切应力传递机制的主要因素之一。

现有研究正尝试通过改善纤维-基体界面粘接性能来改善UHPC的力学性能。一方面研究发现基体特性(如基体的抗压强度[5])对纤维-基体界面粘接性能的影响，另一方面部分学者也采用化学处理钢纤维的方式来改善纤维-基体的界面粘接性能。SOULIOTI[6]研究了单根磷酸锌改性钢纤维从水泥基材料中拔出的力学性能，并发现磷酸锌对直钢纤维的拉拔性能影响显著，处理后的钢纤维表面变得更加粗糙,使得纤维-基体界面的粘接变得更加牢固。国内学者季韬[7]同样主导了一系列单纤维拉拔试验验证了磷酸锌能够增强钢纤维与UHPC基体间的化学粘接力和静摩檫力，从而提高钢纤维在UHPC中的平均粘接强度和拔出功。

尽管现有研究表明磷酸锌处理能够改善钢纤维与基体之间的粘接性能，但是关于磷酸锌改性钢纤维对UHPC的抗拉性能的影响还没有被探讨，因此本文将通过一组UHPC试件的直拉试验来分析讨论磷酸锌对UHPC抗拉性能的影响，并进一步研究配筋磷酸锌改性钢纤维UHPC的力学性能。

1 试验概述

1.1 磷酸锌改性钢纤维制备过程

磷酸锌改性钢纤维需的改性试剂[6,8]的成分质量占比如下：磷酸锌0.46%，H3PO4溶液0.91%，水98.63%，其中磷酸锌为粉末状固体，化学式为Zn3(PO4)2·2H2O，H3PO4溶液的磷酸浓度为85%。

制备的基本原理是通过“溶解-再结晶”过程将磷酸锌转移至钢纤维表面形成磷酸锌保护层，制备改性钢纤维的基本过程见图1，并大致可以分为以下几个步骤：首先，将按照配重计算得到的所需水量加入恒温水浴锅中，然后将水加热至85 ℃并保持恒温；恒温状态下，适量的二水磷酸锌固体粉末置于水浴锅底部，同时加入适量的H3PO4溶液，配制好改性试剂；将待改性的钢纤维置于纱布中以方便移动并防止被磷酸锌粉末污染，纱布包裹的钢纤维置入改性试剂中，放置10 min左右取出；取出的钢纤维处于湿润状态，需要放入电热鼓风干燥箱中在150℃下放置15min左右，以保证钢纤维变得完全干燥。按照上述步骤可以制备出磷酸锌改性钢纤维。

图1 磷酸锌改性钢纤维制备过程图示

1.2 原材料及配合比

试验用UHPC的基体配合比如1.1所示，其中水泥型号为P.O 52.5，石英砂颗粒尺寸范围为0.9～2.0 mm，硅微灰的相对密度为2.626 g /cm3，及其平均颗粒尺寸为50.1 μm，减水剂型号为聚羧酸高效减水剂(HRWRA)。另外，2种钢纤维加入到UHPC中，其几何特性和相关参数如表1和图2所示。其中端钩钢纤维的体积掺量为2%，直钢纤维的体积掺量为1%。

表1 UHPC基体配合比Table 1 Mix proportion of UHPC matrix成分配比(质量/水泥质量)P.O 52.5水泥1.0石英砂(0.9～2.0 mm)1.1硅微灰(50.1 μm)0.2硅灰0.2粉煤灰0.1聚羧酸减水剂(HRWRA)0.015水0.18

表2 钢纤维参数Table 2 Parameters of steel fiber形状长度/mm直径/mm密度/(g·cm-3)抗拉强度/MPa端钩钢纤维130.27.82 000直钢纤维80.1157.83 000

图2 钢纤维的几何形状及尺寸

试验中试件采用的纵向配筋为热轧带肋钢筋，强度等级为HRB400，直径为Φ8。

1.3 试件设计

本试验需要验证磷酸锌对UHPC、配筋UHPC抗拉性能的影响，因此设计了4组对照直拉试件如表3所示，其中US、TS分别表示普通钢纤维和纤维改性钢纤维，PU、RU分别表示素UHPC和配筋UHPC。直拉试件的的几何尺寸和配筋如图3所示，试件形式呈狗骨头型，其中部较窄的区域为测量段，测量段的横截面积为100 mm×50 mm；US-RU、TS-RU的中部设置了相同配筋，图示①号筋为纵向钢筋，是主要的承载钢筋，而②号筋和③号筋分别是试件端部的箍筋和架立钢筋，其主要作用是防止试件端部在加载过程中出现混凝土压碎破坏情况而导致试验结果无效，同时也起到了为纵向钢筋定位的作用。

表3 试件及其参数Table 3 Specimen and its parameters编号纤维改性配筋纵向配筋率/%US-PU———TS-PU磷酸锌——US-RU—3Φ83.02TS-RU磷酸锌3Φ83.02注:—表示未改性或者未配筋,每组试件包含3个相同的试件。

图3 直拉试件几何尺寸和配筋(单位：mm)

浇筑完成的试件在标准养护室下养护48 h后拆模，拆模后试件继续放置于标准养护室下养护至龄期28 d。

1.4 加载装置及制度

图4展示了轴拉试验装置的基本组成。加载时，轴拉试件两端被活动夹具所固定，并通过变截面段的圆弧面受压区传递拉力荷载；为了保证试件只受到轴向拉力作用，活动夹具沿受拉轴方向通过万向球铰与伺服拉力试验机连接。2支双悬臂钳式引伸计固定在试件两侧测量轴拉变形，实际测量标段长度为150 mm，引伸计位移数据和荷载数据均通过同一套闭环测试系统同步实时记录。直拉试验采用位移控制加载，加载速率为100 με/min。加载过程中同时采用裂缝宽度仪测量关键时刻的裂缝宽度。

图4 加载装置示意图

2 试验结果及分析

2.1 磷酸锌改性对UHPC抗拉性能的影响

磷酸锌改性前后的UHPC直拉试件的荷载/拉应力-位移/名义应变曲线如图5、图6所示，试验数据见表4。表中数据显示，在极限荷载下，TS-PU 相较于US-PU抗拉强度提升了18.4%，位移量提升了113.1%。这说明磷酸锌改性后的UHPC的抗拉强度和延性均得到了明显提升，但是表中数据也表明两种UHPC的初裂强度和主裂缝宽度则无明显变化，这说明磷酸锌对UHPC的开裂性能的影响可以忽略不计。

(a) US-PU

图6 UHPC试件荷载/拉应力-位移/名义应变均值曲线

表4 UHPC受拉性能Table 4 Tensile performance of UHPC试件初裂强度均值/MPa极限抗拉强度均值/MPa位移/mm主裂缝宽度/mmUS-PU8.999.880.1300.05TS-PU8.9511.700.2770.06

同样，UHPC的本构曲线也能得到类似的结果。当UHPC试件未开裂时，2种UHPC的荷载及位移曲线基本保持一致，且都表现为线性关系，说明试件开裂前的抗拉性能和开裂强度基本不受磷酸锌影响。而当UHPC开裂后，两者均进入了应变硬化阶段，不同的是US-PU的应变硬化段较短，强度值的提升也较小，约等于0.89 MPa；而TS-PU的应变硬化段则更加明显，该阶段的强度和位移的提升均明显大于US-PU，强度提升了2.75 MPa，远大于US-PU应变阶段的强度提升。

上述现象可以用微观力学的观点进行解释。当UHPC未开裂时，其受拉性能只和其基本物质组成，及物质之间的微观结构相关，而磷酸锌改性钢纤维掺入到UHPC中相较于普通钢纤维掺入到UHPC中，只是在钢纤维与基体的界面之间增加了一层特殊的磷酸锌过渡层，也就是只有这部分的微观结构出现了变化。根据磷酸锌改性钢纤维的过程可知，这层磷酸锌保护层的厚度很小，只占了钢纤维总体积的很小一部分，而钢纤维只占了UHPC总体积的3%左右，因此UHPC中磷酸锌过渡层的占比很小，过渡层微观结构的变化对UHPC整体的力学性能影响也很小。

现有研究[6-7]表明，磷酸锌对纤维-基体界面的影响会导致钢纤维从基体中拔出时的力学性能产生显著变化。当UHPC开裂后，磷酸锌对UHPC抗拉性能的影响才开始显露出来，使得2种UHPC的应变硬化的本构曲线表现出显著的差异。而该试验结果也证实了通过磷酸锌改性钢纤维不仅能够改善单纤维的拉拔性能，而且还会进一步提升UHPC的宏观抗拉性能。

2.2 磷酸锌改性对配筋UHPC抗拉性能的影响

2组配筋UHPC的直拉试验荷载/拉应力-位移/名义应变均值曲线如图7所示，试验数据见表5。试验数据表明，磷酸锌改性能够有效提升配筋UHPC的初裂强度和极限抗拉强度，TS-RU相较于US-RU初裂强度增加16%，极限抗拉强度增加6%。与素UHPC不同的是，配筋UHPC的初裂强度更低，这可能是配筋导致UHPC内部的缺陷增加所致，而试验结果则证明磷酸锌改性能够减小配筋导致初裂荷载下降的幅度。

图7 配筋UHPC试件荷载/拉应力-位移/名义应变均值曲线

表5 配筋UHPC受拉性能Table 5 Tensile performance of reinforced UHPC试件开裂强度/MPa极限抗拉强度/MPa① US-RU6.8921.33② TS-RU7.9722.68② / ①1.161.06

2组试件的均值本构曲线有比较明显的分段现象，根据试验现象和曲线的特点可以分为5段。第I段是配筋UHPC表明尚未开裂的阶段，该阶段试件的刚度最大，其本构曲线表现出线弹性的特点，可以认为该阶段配筋UHPC处在完全弹性阶段。第II阶段是配筋UHPC开裂后，试件的承载仍然随着荷载的增加而明显提升，与第I段不同的是该阶段配筋UHPC的刚度明显减小。第III阶段是配筋UHPC软化的初始阶段，该阶段配筋UHPC的荷载下降速度还相对较慢，显然该阶段UHPC也已经进入了软化阶段。第II阶段和第III阶段是2组试件本构曲线差异最明显的2个阶段，反映了磷酸锌对UHPC材料抗拉性能造成的差异。

当位移达到K点时，本构曲线并进入了第IV阶段，该阶段的荷载下架速率明显加快，K点形成了一个明显的拐点，但是素UHPC软化时并不存在这么一个拐点，据推断这可能是钢筋达到极限强度的一个标志，当钢筋未达到极限强度时，钢筋强度的提升会减小配筋UHPC因UHPC进入软化阶段带来整体荷载的下降，而当钢筋达到最大值后，钢筋无法继续提供更大的承载能力而导致该阶段的荷载下降更快，因此在K点形成了一个显著的拐点。当位移达到S点时，本构曲线并进入了第Ⅴ个阶段。当钢筋达到极限强度时，在一个相当大的应变范围内,钢筋的荷载会维持在一个较小的范围内，而S点则是配筋UHPC的荷载与钢筋的极限承载力达到了一致，说明该阶段UHPC已经完全失效，只剩下钢筋独自承担荷载。

配筋UHPC的初始本构曲线如图8所示，我们发现当TS-RU产生裂缝时，应力出现明显下降，位移增大时，这一现象可能与磷酸锌改性提升UHPC的初裂强度有关，因为素UHPC的抗拉试验表明，磷酸锌改性对UHPC的开裂行为影响很小，而磷酸锌提升配筋UHPC的初裂强度，导致当TS-RU形成裂缝时裂缝承担的荷载更高，而裂缝在初始宽度值下不能承担此时的荷载，因此UHPC的初始裂缝宽度会突然增加，以使得UHPC的位移量明显提升，随着裂缝宽度的增长，配筋UHPC不断卸载直到达到裂缝能够承担的荷载为止。

图8 配筋UHPC试件本构初始曲线

用TS-RU的本构曲线减去US-RU的本构曲线，我们可以得到两者的差值，用以表征磷酸锌改性对配筋UHPC本构曲线的影响值，如图9所示。

图9 磷酸锌改性对配筋UHPC本构曲线的影响值

显然，磷酸锌改性位移较小时，配筋UHPC的荷载值给出了负反馈；而当位移值较大时，配筋UHPC的荷载值才提供了一个正向的反馈。从微观角度来说，这一现象说明磷酸锌改性会导致钢纤维在从基体中拔出的初期阶段减小钢纤维的承载能力，而在后期阶段提升钢纤维的承载能力。现有研究[5]表明，钢纤维在从基体中拔出过程中，经历了完全粘接、部分脱粘和完全脱粘3个阶段。完全粘接阶段时，钢纤维主要依靠化学粘接作用来传递应力，脱粘阶段钢纤维主要依靠摩擦粘接作用来传递应力。而试验结果表明磷酸锌改性钢纤维会减小钢纤维的化学粘接作用，而会增大钢纤维的摩擦粘接作用。

2.3 磷酸锌改性对钢纤维表面的影响

为了进一步探究磷酸锌对钢纤维表面和UHPC力学性能的影响，扫描电镜和EDX能谱分析被用于观测钢纤维的表面微观结构。图10反映了钢纤维在扫描电镜下放大500倍时的微观面貌，可以直观感受到的是，纤维改性后的钢纤维的表面比未改性的钢纤维表面更加粗糙。当钢纤维从基体中拔出后，改性的钢纤维相比未改性的钢纤维表面的划痕和基体的残余物更多。更多的划痕说明钢纤维在脱粘后基体通道更加粗糙，在钢纤维与基体产生相对滑移时，基体粗糙表面的突起颗粒在钢纤维表面刻蚀出划痕，更多的基体残余物则说明磷酸锌改性钢纤维与基体间的粘接力更强。

(a)US

当放大5 000倍时，磷酸锌处理的钢纤维表面的磷酸锌保护层的微观结构能够清晰地被观测到，如图11所示，相应的能谱分析见图12。能谱分析表明钢纤维表面的白色晶体的主要成分是磷酸锌，可以发现磷酸锌在钢纤维表面主要以2种形式存在，一种是较为密集的团状结晶，另一种是相对稀疏的针状结晶。当磷酸锌改性钢纤维从UHPC基体中拔出后，能谱分析表明钢纤维表面依然存在着部分磷酸锌，同时也存在着一些水凝胶材料。