常溫下型鋼與超高性能混凝土基體界面粘接性能影響分析

摘 要：目前超高纖維混凝土（UHPC）多由硅酸鹽、灰石以及石英砂和型鋼纖維等材料組成，相較于傳統(tǒng)的混凝土材料，UHPC在配比的過程中剔除了粗骨料，提升了材料內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)的勻質(zhì)性，其相較普通混凝土具有更好的拉伸強度以及耐久性。為改善型鋼纖維以及UHPC之間的界面粘接性也成為國內(nèi)外的研究重點。通過添加型鋼纖維改善超高性能混凝土的力學性能，使其滿足不同的建筑工程需要，闡述了界面粘接性能測定的方法以及對常溫環(huán)境下型鋼與超高性能混凝土界面粘接性能的影響因素，旨在為超高性能混凝土基體改性和優(yōu)化應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：型鋼纖維；超高性能混凝土；粘結(jié)性能

中圖分類號：TU375;TQ437+.1 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）06-0045-03

Study of interfacial bonding properties between steel sections and ultra-high performance concrete matrix at room temperature

ZHAO Junwei

（Xian Branch of Benchmark Fangzhong Architectural Design Co.，Ltd.，Xian 710054，China）

Abstract：At present，UHPC is mainly composed of silicate，limestone，quartz sand and steel fiber. Compared with traditional concrete materials，UHPC eliminates coarse aggregate in the mixing process，and the uniformity of the molecular structure in the material is enhanced.Ultra-high performance concrete has better tensile strength and durability compared to ordinary concrete.Improving the interface adhesion between steel fiber and UHPC has also become the research focus at home and abroad. The mechanical properties of ultra-high performance concrete can be improved by adding steel fibers to meet the installation needs of construction projects.This paper introduces the method of bond determination and the factors affecting the interfacial bond between steel sections and ultra-high performance concrete at room temperature，with the aim of providing a reference for the modification and optimization of ultra-high performance concrete matrix.

Key words：steel profile fiber;ultra-high performance concrete;bonding performance

混凝土作為在建筑安裝工程中應(yīng)用廣泛的材料之一，其性能的好壞直接關(guān)系到建筑工程的可靠性以及安全性。隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們愈加關(guān)注建筑的使用年限，希望能夠不斷發(fā)揮出建筑材料的優(yōu)越性能。超高性能混凝土（UHPC）這一材料概念最早起源于1994年，其抗壓強度超過150 MPa，是一種具有極高韌性以及低孔隙率的耐用性水泥基材。在UHPC材料中加入型鋼纖維是進行混凝土基體制備的重要環(huán)節(jié)，而如何通過改善型鋼纖維以及UHPC之間的界面粘接性也成為國內(nèi)外的研究重點。本文在現(xiàn)有文獻的基礎(chǔ)上，匯總分析在常溫環(huán)境下UHPC與型鋼纖維基體界面粘接性能的影響因素，希望能夠為其實際工程應(yīng)用提供借鑒，以提升UHPC整體受力的穩(wěn)定性和協(xié)同性。

1 界面粘接性能分析

鋼纖維拔出實驗是目前探究型鋼與超高性能混凝土基體界面粘接性能的重要研究手段。為了提升混凝土整體的耐久性以及強度，盡可能的降低水泥的水化熱，選用細度較高的硅酸鹽水泥，同時在配置的過程中將粗骨料剔除，因此選用石英砂作為其唯一骨料［1］。除此之外，為改善UHPC的整體工作性能，適量添加石英粉以及其他原材，并摻入型鋼纖維，依照基體的配合比參數(shù)進行配合比確定。其次進行樣品制備以及實驗設(shè)備選擇。樣品的制備依照國標《活性粉末混凝土》進行攪拌，先將減水劑溶于水中，連續(xù)性攪拌5 min，再將其他原材混合干拌3 min，后將二者進行均勻拌合，然后放置于預先定制好的澆筑模具，并內(nèi)置型鋼纖維等待成型［2-3］。待UHPC成型后進行脫模，采用拉拔萬能實驗機進行測試對其進行拉拔，其設(shè)備如圖1所示。

拉拔過程中對數(shù)據(jù)進行記錄，并計算粘接性能（粘接應(yīng)力、粘接強度以及等效粘接強度）等指標，由此判斷型鋼與UHPC基體界面的粘接性能［4-5］。

2 漿體結(jié)構(gòu)對界面粘接性能影響

在混凝土的制備中，由于原材之間持續(xù)性的水化反應(yīng)會導致基材的性能隨著時間的變化有所改變。一般認為型鋼纖維-基體的界面過渡區(qū)會與水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)存在較大的關(guān)聯(lián)。而微觀結(jié)構(gòu)也會受到添加原材料的影響。

2.1 硅灰材料

硅灰又稱硅粉，是一種在工業(yè)電爐高溫熔煉過程中揮發(fā)出來并經(jīng)由特殊捕集裝置收集產(chǎn)生的材料。硅灰材料顆粒度極小，平均粒度分屬納米級別。作為高強度的活性摻合料，添加硅灰材料入混凝土中能夠提升混凝土基材的耐久性以及強度。樊俊江等人發(fā)現(xiàn)隨著硅灰摻量的不斷提升，UHPC基材強度有上升后轉(zhuǎn)降的趨勢，硅灰含量20%是UHPC強度變化的臨界值。這主要是由于硅灰具有一定的填充效應(yīng)，摻量過高會使得混凝土的屈服應(yīng)力以及粘度增大，基體氣孔增多進而出現(xiàn)自收縮現(xiàn)象［6］。同時硅灰材料對于型鋼與UHPC基體界面的粘結(jié)性也存在明顯的影響。一方面硅灰添加在15%左右會使得UHPC基材的拉拔峰值荷載提升，另一方面，硅灰摻量增加能夠明顯提升基材的粘接強度。

2.2 礦粉材料

礦粉材料是經(jīng)由水淬高爐礦渣，經(jīng)過干燥以及粉磨后得到的高細度以及高活性材料。依照國標，礦粉劃分為不同等級，S105、S95、S75等級的活性鈣、硅以及鋁含量依次下降。添加礦粉材料是進行UHPC基體配備的重要手段，能夠提升混凝土抗壓性，降低其生產(chǎn)成本［7-8］。礦粉的添加對于型鋼以及UHPC拉拔位移在養(yǎng)護的早期沒有明顯的影響，但隨著養(yǎng)護時間增長，基體的拉拔峰值荷載有明顯上升，后期的粘性增長尤為顯著。如在礦粉基礎(chǔ)上添加粉煤灰等材料會降低UHPC基材的界面粘接性，這主要是由于礦粉材料與基材減水劑之間的相容性降低，從而使得基材系統(tǒng)內(nèi)部的活性減弱，進而影響型鋼與UHPC界面的粘接性［9-10］。

2.3 石英粉材料

石英粉是一種具有穩(wěn)定化學性能的礦物硅酸鹽物質(zhì)，質(zhì)地堅硬、耐磨。石英粉成分SiO2，呈乳白色或半透明狀，是進行UHPC制備的活性組成部分之一，其能夠通過集料效應(yīng)改善UHPC基體的工作性能。在分析型鋼纖維與UHPC基體界面的粘接性能時，按照不同的摻量（10%、15%、20%、25%）制作了4組UHPC基體并開展型鋼纖維拉拔實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，石英粉摻量為15%時，型鋼纖維的拉拔荷載增長0.5%，其余狀態(tài)下拉拔荷載以及拉拔能均有下降，摻量為20%時，粘接性能下降最為明顯［11-12］。

2.4 納米碳酸鈣材料

納米碳酸鈣外觀成白色或淡黃色，六方晶體粉末，顆粒大小在1～100 nm，常溫性能穩(wěn)定，高溫可分解為二氧化碳和氧化鈣。納米碳酸鈣材料具有較高的親和性，與樹脂等基材結(jié)合能夠提升材料自身的韌性以及剛性。同時由于其分散均勻，能夠使得模型加工的流動性較好，不易變形［13-14］。將納米碳酸鈣材料添加至UHPC基體中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與基準的樣品相比，添加1.4%～4.2%納米碳酸鈣的UHPC基材抗壓性以及抗折能夠提升13%～30%。這主要是因為納米碳酸鈣的微填充作用能夠提升UHPC基體的堆積密實度，減少基體空隙。同時在拉拔力學實驗中，作者發(fā)現(xiàn)納米碳酸鈣材料能夠提升UHPC基體的前期以及后期的界面粘合度，形成更為緊密的化學鍵，并與氫氧化鈣進行反應(yīng)產(chǎn)生C—S—H凝膠，提升型鋼纖維與UHPC基體界面之間的拉拔性能［15］。

3 型鋼纖維類別對界面粘接性能影響

型鋼纖維與UHPC基材協(xié)同性是影響基材性能發(fā)揮的重要因素。一般情況下UHPC基材的破壞性主要體現(xiàn)為其在荷載作用下型鋼纖維拔出，從而影響UHPC基材的使用效率。常見的集中型鋼纖維添加類別及其對UHPC基材界面粘接性影響如下：

3.1 銑削型鋼纖維

銑削型鋼纖維是一種截面為月牙形，內(nèi)部弧面粗糙，呈現(xiàn)徑向扭曲的異形型鋼類型，與普通的混凝土進行組合具有粘接度高、施工方便的特點。為了探究UHPC基材與型鋼纖維界面的粘接性能，采取單纖維以及多纖維拉拔實驗方式，測定3種不同型鋼纖維（平直型鋼、勾型型鋼、銑削型鋼）與UHPC基材的界面粘接性，從型鋼纖維的埋深、養(yǎng)護條件以及纖維的端勾等方面進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著型鋼纖維埋深增加，平直、勾型型鋼的界面粘接強度有所降低，銑削型鋼的界面粘接強度上升。在恒溫蒸養(yǎng)環(huán)境下，銑削型鋼纖維的拉伸荷載能力顯著的高于其他型鋼纖維，具有更好的塑性變形能力［16］。

3.2 混雜型鋼纖維

一般情況下混雜型鋼纖維材料的UHPC基材會因為型鋼尺寸的變化而出現(xiàn)界面粘接強度的變化。當大尺寸的平直型鋼纖維被小尺寸型鋼纖維替代時，UHPC基材的界面粘接性明顯提升［17-18］。在進行型鋼纖維拔出實驗前先進行文獻查詢，發(fā)現(xiàn)短直纖維對于UHPC基材粘性的影響更好，同時端鉤狀纖維的錨固作用更為明顯。然后其選取端鉤以及平直型鋼纖維2種分析其對混則型鋼纖維UHPC基材界面粘接性能的影響。結(jié)果顯示，在型鋼纖維的摻量較低的情況下，混雜型鋼纖維對UHPC基材的拉拔峰值沒有明顯的增強作用，但隨著型鋼纖維摻量的不斷提升，當摻量超過1.5%時，平直以及端鉤型鋼纖維試件的拉拔峰值以及粘接性都明顯高于同體積摻量的單纖維型鋼試件［19-20］。這主要是因為在拉拔實驗過程中，型鋼纖維會與基體界面存在相對位移，容易導致基體損傷?；祀s纖維的分布能夠改變UHPC基材內(nèi)部的圍壓，進而提升其與基體之間的粘接強度。

4 結(jié)語

綜上結(jié)果表明，在UHPC基材中添加型鋼纖維能夠明顯的提升材料的強度以及韌性。而型鋼纖維與UHPC基材界面之間的粘接度是關(guān)系到基體力學性能的重要因素。匯總分析了有關(guān)型鋼與UHPC基材界面粘接性能影響因素，探討了混凝土基體結(jié)構(gòu)以及型鋼纖維種類對粘接性能的影響，為UHPC基材性能的改善提供積極借鑒。

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收稿日期：2023-01-23；修回日期：2023-04-27

作者簡介：趙軍衛(wèi)（1979-），男，博士，高級工程師，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)與技術(shù)設(shè)計等研究；E-mail：civilyyl@126.com。

引文格式：趙軍衛(wèi).常溫下型鋼與超高性能混凝土基體界面粘接性能影響分析[J].粘接，2023，50（6）：45-47.