磷酸鋅改性鋼纖維對UHPC和配筋UHPC抗拉性能的影響

屈少欽, 張 陽, 盧九章, 霍文斌

(1. 湖南大學 風工程與橋梁工程湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410082；2. 北京市政路橋管理養護集團有限公司，北京 100097；3.廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010)

0 引言

超高性能混凝土(UHPC)作為21世紀最具有發展前景的水泥基材料，具有超高的抗壓強度(大于150 MPa)，以及優越的抗拉性能和韌性。UHPC的抗拉性能很大程度上取決于摻入其中的隨機分布的非連續短切纖維，大量的研究證明了纖維特性對UHPC抗拉性能的影響顯著，例如纖維的材質、幾何尺寸、形狀、摻量等等[1-3]。

基于微觀力學的觀點，UHPC在受拉過程中會形成多條裂縫，而裂縫處分布著的許多穿過裂縫的纖維則起到了橋聯和傳遞拉應力的重要作用[4]；隨著裂縫的逐漸擴展和裂縫寬度的增大，裂縫處的纖維會逐漸從UHPC基體中被拔出，而纖維的承載力隨著纖維的滑移不斷變化。影響這一過程的主要內因是纖維-基體界面的剪切應力傳遞機制[5]。纖維-基體界面的粘接性能是影響界面剪切應力傳遞機制的主要因素之一。

現有研究正嘗試通過改善纖維-基體界面粘接性能來改善UHPC的力學性能。一方面研究發現基體特性(如基體的抗壓強度[5])對纖維-基體界面粘接性能的影響，另一方面部分學者也采用化學處理鋼纖維的方式來改善纖維-基體的界面粘接性能。SOULIOTI[6]研究了單根磷酸鋅改性鋼纖維從水泥基材料中拔出的力學性能，并發現磷酸鋅對直鋼纖維的拉拔性能影響顯著，處理后的鋼纖維表面變得更加粗糙,使得纖維-基體界面的粘接變得更加牢固。國內學者季韜[7]同樣主導了一系列單纖維拉拔試驗驗證了磷酸鋅能夠增強鋼纖維與UHPC基體間的化學粘接力和靜摩檫力，從而提高鋼纖維在UHPC中的平均粘接強度和拔出功。

盡管現有研究表明磷酸鋅處理能夠改善鋼纖維與基體之間的粘接性能，但是關于磷酸鋅改性鋼纖維對UHPC的抗拉性能的影響還沒有被探討，因此本文將通過一組UHPC試件的直拉試驗來分析討論磷酸鋅對UHPC抗拉性能的影響，并進一步研究配筋磷酸鋅改性鋼纖維UHPC的力學性能。

1 試驗概述

1.1 磷酸鋅改性鋼纖維制備過程

磷酸鋅改性鋼纖維需的改性試劑[6,8]的成分質量占比如下：磷酸鋅0.46%，H3PO4溶液0.91%，水98.63%，其中磷酸鋅為粉末狀固體，化學式為Zn3(PO4)2·2H2O，H3PO4溶液的磷酸濃度為85%。

制備的基本原理是通過“溶解-再結晶”過程將磷酸鋅轉移至鋼纖維表面形成磷酸鋅保護層，制備改性鋼纖維的基本過程見圖1，并大致可以分為以下幾個步驟：首先，將按照配重計算得到的所需水量加入恒溫水浴鍋中，然后將水加熱至85 ℃并保持恒溫；恒溫狀態下，適量的二水磷酸鋅固體粉末置于水浴鍋底部，同時加入適量的H3PO4溶液，配制好改性試劑；將待改性的鋼纖維置于紗布中以方便移動并防止被磷酸鋅粉末污染，紗布包裹的鋼纖維置入改性試劑中，放置10 min左右取出；取出的鋼纖維處于濕潤狀態，需要放入電熱鼓風干燥箱中在150℃下放置15min左右，以保證鋼纖維變得完全干燥。按照上述步驟可以制備出磷酸鋅改性鋼纖維。

圖1 磷酸鋅改性鋼纖維制備過程圖示

1.2 原材料及配合比

試驗用UHPC的基體配合比如1.1所示，其中水泥型號為P.O 52.5，石英砂顆粒尺寸范圍為0.9～2.0 mm，硅微灰的相對密度為2.626 g /cm3，及其平均顆粒尺寸為50.1 μm，減水劑型號為聚羧酸高效減水劑(HRWRA)。另外，2種鋼纖維加入到UHPC中，其幾何特性和相關參數如表1和圖2所示。其中端鉤鋼纖維的體積摻量為2%，直鋼纖維的體積摻量為1%。

表1 UHPC基體配合比Table 1 Mix proportion of UHPC matrix成分配比(質量/水泥質量)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聚羧酸減水劑(HRWRA)0.015水0.18

表2 鋼纖維參數Table 2 Parameters of steel fiber形狀長度/mm直徑/mm密度/(g·cm-3)抗拉強度/MPa端鉤鋼纖維130.27.82 000直鋼纖維80.1157.83 000

圖2 鋼纖維的幾何形狀及尺寸

試驗中試件采用的縱向配筋為熱軋帶肋鋼筋，強度等級為HRB400，直徑為Φ8。

1.3 試件設計

本試驗需要驗證磷酸鋅對UHPC、配筋UHPC抗拉性能的影響，因此設計了4組對照直拉試件如表3所示，其中US、TS分別表示普通鋼纖維和纖維改性鋼纖維，PU、RU分別表示素UHPC和配筋UHPC。直拉試件的的幾何尺寸和配筋如圖3所示，試件形式呈狗骨頭型，其中部較窄的區域為測量段，測量段的橫截面積為100 mm×50 mm；US-RU、TS-RU的中部設置了相同配筋，圖示①號筋為縱向鋼筋，是主要的承載鋼筋，而②號筋和③號筋分別是試件端部的箍筋和架立鋼筋，其主要作用是防止試件端部在加載過程中出現混凝土壓碎破壞情況而導致試驗結果無效，同時也起到了為縱向鋼筋定位的作用。

表3 試件及其參數Table 3 Specimen and its parameters編號纖維改性配筋縱向配筋率/%US-PU———TS-PU磷酸鋅——US-RU—3Φ83.02TS-RU磷酸鋅3Φ83.02注:—表示未改性或者未配筋,每組試件包含3個相同的試件。

圖3 直拉試件幾何尺寸和配筋(單位：mm)

澆筑完成的試件在標準養護室下養護48 h后拆模，拆模后試件繼續放置于標準養護室下養護至齡期28 d。

1.4 加載裝置及制度

圖4展示了軸拉試驗裝置的基本組成。加載時，軸拉試件兩端被活動夾具所固定，并通過變截面段的圓弧面受壓區傳遞拉力荷載；為了保證試件只受到軸向拉力作用，活動夾具沿受拉軸方向通過萬向球鉸與伺服拉力試驗機連接。2支雙懸臂鉗式引伸計固定在試件兩側測量軸拉變形，實際測量標段長度為150 mm，引伸計位移數據和荷載數據均通過同一套閉環測試系統同步實時記錄。直拉試驗采用位移控制加載，加載速率為100 με/min。加載過程中同時采用裂縫寬度儀測量關鍵時刻的裂縫寬度。

圖4 加載裝置示意圖

2 試驗結果及分析

2.1 磷酸鋅改性對UHPC抗拉性能的影響

磷酸鋅改性前后的UHPC直拉試件的荷載/拉應力-位移/名義應變曲線如圖5、圖6所示，試驗數據見表4。表中數據顯示，在極限荷載下，TS-PU 相較于US-PU抗拉強度提升了18.4%，位移量提升了113.1%。這說明磷酸鋅改性后的UHPC的抗拉強度和延性均得到了明顯提升，但是表中數據也表明兩種UHPC的初裂強度和主裂縫寬度則無明顯變化，這說明磷酸鋅對UHPC的開裂性能的影響可以忽略不計。

(a) US-PU

圖6 UHPC試件荷載/拉應力-位移/名義應變均值曲線

表4 UHPC受拉性能Table 4 Tensile performance of UHPC試件初裂強度均值/MPa極限抗拉強度均值/MPa位移/mm主裂縫寬度/mmUS-PU8.999.880.1300.05TS-PU8.9511.700.2770.06

同樣，UHPC的本構曲線也能得到類似的結果。當UHPC試件未開裂時，2種UHPC的荷載及位移曲線基本保持一致，且都表現為線性關系，說明試件開裂前的抗拉性能和開裂強度基本不受磷酸鋅影響。而當UHPC開裂后，兩者均進入了應變硬化階段，不同的是US-PU的應變硬化段較短，強度值的提升也較小，約等于0.89 MPa；而TS-PU的應變硬化段則更加明顯，該階段的強度和位移的提升均明顯大于US-PU，強度提升了2.75 MPa，遠大于US-PU應變階段的強度提升。

上述現象可以用微觀力學的觀點進行解釋。當UHPC未開裂時，其受拉性能只和其基本物質組成，及物質之間的微觀結構相關，而磷酸鋅改性鋼纖維摻入到UHPC中相較于普通鋼纖維摻入到UHPC中，只是在鋼纖維與基體的界面之間增加了一層特殊的磷酸鋅過渡層，也就是只有這部分的微觀結構出現了變化。根據磷酸鋅改性鋼纖維的過程可知，這層磷酸鋅保護層的厚度很小，只占了鋼纖維總體積的很小一部分，而鋼纖維只占了UHPC總體積的3%左右，因此UHPC中磷酸鋅過渡層的占比很小，過渡層微觀結構的變化對UHPC整體的力學性能影響也很小。

現有研究[6-7]表明，磷酸鋅對纖維-基體界面的影響會導致鋼纖維從基體中拔出時的力學性能產生顯著變化。當UHPC開裂后，磷酸鋅對UHPC抗拉性能的影響才開始顯露出來，使得2種UHPC的應變硬化的本構曲線表現出顯著的差異。而該試驗結果也證實了通過磷酸鋅改性鋼纖維不僅能夠改善單纖維的拉拔性能，而且還會進一步提升UHPC的宏觀抗拉性能。

2.2 磷酸鋅改性對配筋UHPC抗拉性能的影響

2組配筋UHPC的直拉試驗荷載/拉應力-位移/名義應變均值曲線如圖7所示，試驗數據見表5。試驗數據表明，磷酸鋅改性能夠有效提升配筋UHPC的初裂強度和極限抗拉強度，TS-RU相較于US-RU初裂強度增加16%，極限抗拉強度增加6%。與素UHPC不同的是，配筋UHPC的初裂強度更低，這可能是配筋導致UHPC內部的缺陷增加所致，而試驗結果則證明磷酸鋅改性能夠減小配筋導致初裂荷載下降的幅度。

圖7 配筋UHPC試件荷載/拉應力-位移/名義應變均值曲線

表5 配筋UHPC受拉性能Table 5 Tensile performance of reinforced UHPC試件開裂強度/MPa極限抗拉強度/MPa① US-RU6.8921.33② TS-RU7.9722.68② / ①1.161.06

2組試件的均值本構曲線有比較明顯的分段現象，根據試驗現象和曲線的特點可以分為5段。第I段是配筋UHPC表明尚未開裂的階段，該階段試件的剛度最大，其本構曲線表現出線彈性的特點，可以認為該階段配筋UHPC處在完全彈性階段。第II階段是配筋UHPC開裂后，試件的承載仍然隨著荷載的增加而明顯提升，與第I段不同的是該階段配筋UHPC的剛度明顯減小。第III階段是配筋UHPC軟化的初始階段，該階段配筋UHPC的荷載下降速度還相對較慢，顯然該階段UHPC也已經進入了軟化階段。第II階段和第III階段是2組試件本構曲線差異最明顯的2個階段，反映了磷酸鋅對UHPC材料抗拉性能造成的差異。

當位移達到K點時，本構曲線并進入了第IV階段，該階段的荷載下架速率明顯加快，K點形成了一個明顯的拐點，但是素UHPC軟化時并不存在這么一個拐點，據推斷這可能是鋼筋達到極限強度的一個標志，當鋼筋未達到極限強度時，鋼筋強度的提升會減小配筋UHPC因UHPC進入軟化階段帶來整體荷載的下降，而當鋼筋達到最大值后，鋼筋無法繼續提供更大的承載能力而導致該階段的荷載下降更快，因此在K點形成了一個顯著的拐點。當位移達到S點時，本構曲線并進入了第Ⅴ個階段。當鋼筋達到極限強度時，在一個相當大的應變范圍內,鋼筋的荷載會維持在一個較小的范圍內，而S點則是配筋UHPC的荷載與鋼筋的極限承載力達到了一致，說明該階段UHPC已經完全失效，只剩下鋼筋獨自承擔荷載。

配筋UHPC的初始本構曲線如圖8所示，我們發現當TS-RU產生裂縫時，應力出現明顯下降，位移增大時，這一現象可能與磷酸鋅改性提升UHPC的初裂強度有關，因為素UHPC的抗拉試驗表明，磷酸鋅改性對UHPC的開裂行為影響很小，而磷酸鋅提升配筋UHPC的初裂強度，導致當TS-RU形成裂縫時裂縫承擔的荷載更高，而裂縫在初始寬度值下不能承擔此時的荷載，因此UHPC的初始裂縫寬度會突然增加，以使得UHPC的位移量明顯提升，隨著裂縫寬度的增長，配筋UHPC不斷卸載直到達到裂縫能夠承擔的荷載為止。

圖8 配筋UHPC試件本構初始曲線

用TS-RU的本構曲線減去US-RU的本構曲線，我們可以得到兩者的差值，用以表征磷酸鋅改性對配筋UHPC本構曲線的影響值，如圖9所示。

圖9 磷酸鋅改性對配筋UHPC本構曲線的影響值

顯然，磷酸鋅改性位移較小時，配筋UHPC的荷載值給出了負反饋；而當位移值較大時，配筋UHPC的荷載值才提供了一個正向的反饋。從微觀角度來說，這一現象說明磷酸鋅改性會導致鋼纖維在從基體中拔出的初期階段減小鋼纖維的承載能力，而在后期階段提升鋼纖維的承載能力?，F有研究[5]表明，鋼纖維在從基體中拔出過程中，經歷了完全粘接、部分脫粘和完全脫粘3個階段。完全粘接階段時，鋼纖維主要依靠化學粘接作用來傳遞應力，脫粘階段鋼纖維主要依靠摩擦粘接作用來傳遞應力。而試驗結果表明磷酸鋅改性鋼纖維會減小鋼纖維的化學粘接作用，而會增大鋼纖維的摩擦粘接作用。

2.3 磷酸鋅改性對鋼纖維表面的影響

為了進一步探究磷酸鋅對鋼纖維表面和UHPC力學性能的影響，掃描電鏡和EDX能譜分析被用于觀測鋼纖維的表面微觀結構。圖10反映了鋼纖維在掃描電鏡下放大500倍時的微觀面貌，可以直觀感受到的是，纖維改性后的鋼纖維的表面比未改性的鋼纖維表面更加粗糙。當鋼纖維從基體中拔出后，改性的鋼纖維相比未改性的鋼纖維表面的劃痕和基體的殘余物更多。更多的劃痕說明鋼纖維在脫粘后基體通道更加粗糙，在鋼纖維與基體產生相對滑移時，基體粗糙表面的突起顆粒在鋼纖維表面刻蝕出劃痕，更多的基體殘余物則說明磷酸鋅改性鋼纖維與基體間的粘接力更強。

(a)US

當放大5 000倍時，磷酸鋅處理的鋼纖維表面的磷酸鋅保護層的微觀結構能夠清晰地被觀測到，如圖11所示，相應的能譜分析見圖12。能譜分析表明鋼纖維表面的白色晶體的主要成分是磷酸鋅，可以發現磷酸鋅在鋼纖維表面主要以2種形式存在，一種是較為密集的團狀結晶，另一種是相對稀疏的針狀結晶。當磷酸鋅改性鋼纖維從UHPC基體中拔出后，能譜分析表明鋼纖維表面依然存在著部分磷酸鋅，同時也存在著一些水凝膠材料。

(a) TS鋼纖維

電鏡照和能譜分析表明，由于磷酸鋅保護層的強度更低，使得UHPC與鋼纖維之間的化學粘接力下降，而磷酸鋅同時也能提供一個更加粗糙的纖維滑移通道，從而使得鋼纖維在基體中滑移時的摩擦粘接作用更強，且基體顆粒對鋼纖維表面的劃痕也使得鋼纖維在拔出過程中會吸收更多的能量。

3 結論

根據本試驗結果及相關分析，可以得到以下結論：

a.磷酸鋅改性鋼纖維能夠顯著提升UHPC的抗拉強度和延性，但是對UHPC的抗裂強度和開裂行為影響較小。

b.磷酸鋅改性鋼纖維不僅能夠提升配筋UHPC的極限抗拉強度，也能提升配筋UHPC的初裂強度。在配筋UHPC的早期階段，磷酸鋅會降低其承載力，但隨著位移的提升，磷酸鋅會提高配筋UHPC的承載力。

c.磷酸鋅改性鋼纖維的表面相較普通鋼纖維更加粗糙，改性鋼纖維的磷酸鋅保護層一方面會減小鋼纖維與基體間的化學粘接作用，另一方面則會增大鋼纖維與基體間的摩擦粘接作用。