硅烷涂层提升钢纤维-砂浆界面性能的试验研究

doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.01.001

硅烷涂层提升钢纤维-砂浆界面性能的试验研究

姚勇^,, 杨贞军^,, 张麒

1. 浙江大学建筑工程学院，浙江杭州 310058

2. 武汉大学土木建筑工程学院，湖北省岩土与结构安全重点实验室，湖北武汉 433000

3. 华鸿嘉信集团，浙江杭州 310000

Experiment research on improving interface performance of steel fiber and mortal by silane coatings

YAO Yong^,, YANG Zhen-jun^,, ZHANG Qi

1. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

2. Hubei Provincial Key Laboratory of Geotechnical and Structural Safety, School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 433000, China

3. Huahong Jiaxin Group, Hangzhou 310000, China

通讯作者: 杨贞军，男，教授，博导. orcid.org/0000-0003-0198-1317. E-mail： zhjyang@whu.edu.cn

收稿日期: 2020-04-10

Received: 2020-04-10

作者简介 About authors

姚勇（1992—），男，博士生，从事钢纤维混凝土的研究.orcid.org/0000-0001-5264-6813.E-mail：yyong102@zju.edu.cn , E-mail：yyong102@zju.edu.cn

摘要

为了提升钢纤维-砂浆界面的黏结性能，采用9种基于硅烷的表面处理剂对钢纤维进行浸渍处理并高温固化成膜；埋置于水泥砂浆圆柱体试块中，开展单根纤维拉拔试验，获得拉拔荷载-位移曲线. 试验结果表明，采用不同的硅烷涂层对钢纤维进行表面改性，可以不同程度地改善钢纤维-砂浆界面的黏结性能；拉拔峰值荷载最高增加5.75倍，拉拔能耗最多增加2.48倍. 硅烷Z6011和Z6020及复合涂层能够较大幅度地提升界面黏结强度，主要增加钢纤维与砂浆界面的化学黏结力；硅烷Z6030和Z6040及复合涂层对界面黏结强度的提升幅度相对较小，主要增加界面滑移摩擦力. 采用扫描电子显微镜（SEM）研究界面黏结性能的提升机理，发现硅烷涂层使得界面过渡区的微观结构更致密，显著提升了钢纤维-砂浆之间的黏结性能.

关键词： 钢纤维混凝土 ; 硅烷 ; 表面改性 ; 拉拔试验 ; 界面过渡区

Abstract

Steel fibers were impregnated in nine types of silane based solutions and dried at a high temperature to form silane coatings in order to improve the interfacial bonding properties. The treated and untreated fibers were embedded in cylindrical specimens of cementitious mortar, and a single fiber pullout test was conducted to obtain load-displacement curves. The test results showed that surfacial treatment of steel fibers with different silane coatings improved the fiber and mortar interfacial bonding properties by different extents. The peak pullout load increased by a maximum of 5.75 times, and the energy consumption increased by a maximum of 2.48 times, respectively. Silane Z6011, Z6020 and their composite coatings can greatly improve the interfacial bonding strength. These coatings mainly increase the chemical bonding force between steel fiber and mortar. Silane Z6030, Z6040 and their composite coatings improve the interfacial bonding strength relatively small, and mainly increase the interface sliding friction. The scanning electron microscope (SEM) was used to observe the surface of steel fibers and the interfacial transition zone of steel fibers and cementitious mortar. Results show that the silane based solutions can effectively form coatings on the surface of steel fibers. The silane coatings made the microstructure of the interface transitional zone denser, leading to significant improvement on the bonding behavior between steel fibers and mortar.

Keywords： steel fiber reinforced concrete ; silane ; surface modification ; pullout test ; interfacial transition zone

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本文引用格式

姚勇, 杨贞军, 张麒. 硅烷涂层提升钢纤维-砂浆界面性能的试验研究. 浙江大学学报(工学版)[J], 2021, 55(1): 1-9 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.01.001

YAO Yong, YANG Zhen-jun, ZHANG Qi. Experiment research on improving interface performance of steel fiber and mortal by silane coatings. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2021, 55(1): 1-9 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.01.001

传统混凝土材料抗拉强度低、易开裂，常导致结构承载力和耐久性降低. 将各种纤维，如钢纤维^[1-2]、聚合物纤维^[3-4]、玻璃纤维^[5]、玄武岩纤维^[6]等掺入砂浆，通过纤维桥联作用，可以有效控制裂缝的产生和发展；因此，改善纤维-砂浆界面的黏结性能，是提升纤维混凝土力学性能的重要途径之一. 例如，Li等^[7]采用油剂材料对聚乙烯醇纤维进行表面处理，将工程水泥基复合材料的极限拉应变提升至4%. Soulioti等^[8-9]采用磷酸锌对钢纤维进行表面处理，发现钢纤维与砂浆基体的黏结强度可以提高50%~390%. Miller等^[10]发现采用氧/氩等离子体对钢纤维进行表面处理，可以提高钢纤维表面能32%，提高钢纤维混凝土试件极限拉拔荷载26%，拉拔能耗34%. Griffiths等^[11]发现采用甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷对玻璃纤维进行表面改性，将玻纤聚合物混凝土的抗弯极限荷载和断裂韧度分别提高了20%和10%. 可见，对纤维进行表面处理，是改善纤维-砂浆基体界面黏结性能的一种有效方法.

硅烷作为一种表面处理剂，在金属材料中应用广泛，如氨丙基三乙氧基硅烷^[12]、缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷^[13]，被大量用于钢材、铝合金、镀锌板等的表面处理. 硅烷在混凝土材料界面改性中有一定应用，如马一平^[14]在骨料表面涂覆不同硅烷，发现水泥-骨料界面的黏结强度提高了57%~84%. 鲍玖文等^[15]利用硅烷对再生混凝土粗骨料进行改性，使得骨料取代率为50%的再生混凝土氯离子扩散系数降低了37.5%. 唐冬云等^[16]采用硅烷改性轻集料，提高了轻集料与砂浆界面过渡区的密实性和混凝土结构的力学性能. 苏达根等^[17]发现硅烷表面处理可以显著提高沥青和砂浆界面的黏结强度. 熊光晶等^[18]采用硅烷偶联剂修补新老混凝土界面，取得了较好的效果. 钟世云等^[19]用2种硅烷的混合试剂对镀铜钢纤维进行表面处理，使其从水泥基体中拔出时所做的功提升了224%. Casagrande等^[20]通过多纤维拉拔试验，发现采用四乙氧基硅烷对钢纤维表面改性，能够提高钢纤维-超高性能砂浆基体（ultra high performance concrete，UHPC）黏结强度35.6%；硅烷涂层还可以提高钢纤维-UHPC基体界面过渡区中水化硅酸钙的质量分数.

以上文献综述表明，硅烷具有改善钢纤维和砂浆界面的黏结性能的潜力. 采用硅烷改性后的钢纤维与水泥基材料界面黏结性能的研究，目前鲜有报道. 本文采用9种基于硅烷的表面处理剂，对钢纤维进行表面处理；将钢纤维埋置于水泥砂浆试块中，进行单根纤维的拉拔试验，获得拉拔荷载-位移关系曲线，对钢纤维-砂浆界面黏结性能进行对比分析，确定有效的硅烷类型. 在拉拔试验前后，采用扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM），观测钢纤维表面及钢纤维-砂浆界面过渡区的微观结构，获得硅烷界面改性对黏结性能提升机理的认识.

1. 试验介绍

1.1. 材料简介

试验采用江西某金属材料有限公司提供的直径为1 mm，长度为100 mm的钢纤维，弹性模量E_f = 200 GPa，抗拉强度σ_t = 2 200 MPa. 砂浆采用普通硅酸盐水泥P.O 42.5，w（水泥）∶w（细砂）∶w（水）=1∶1.2∶0.41，细砂粒径为0.1~0.5 mm.

试验3组硅烷表面处理剂：1）Z组（Z1~Z4）为道康宁（Dow Corning）公司生产的4种硅烷配制的水解液：氨丙基三乙氧基硅烷（牌号Z6011）、氨丙基三甲氧基硅烷（牌号Z6020）、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（牌号Z6030）、缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（牌号Z6040）；2）ZZ组（ZZ1~ZZ4）为以上4种硅烷水解液分别加入分析纯的硝酸锆晶体（Zr（NO₃）₄•5H₂O）的复合剂；3）ZH2组为Z6020水解液加入质量分数为45%的六氟锆酸水溶液（H₂ZrF₆）的复合剂，因这种复合剂对钢板表面的改性效果较好^[21]. 此外，U组中的钢纤维保持原状，未作任何表面处理.

1.2. 试件制备

硅烷改性钢纤维表面的处理包括硅烷水解液配制、钢纤维预处理和钢纤维表面涂覆3个步骤. 1）按水、甲醇、硅烷的体积比为6∶1∶1，配制硅烷水解液. 取甲醇1份，去离子水6份，混合均匀，制得甲醇水溶液. 加入1份硅烷，在常温下搅拌20 min，混合均匀，使硅烷水解. 在水解液中加入适量乙酸，调节PH至4~6，密封保存24 h，使硅烷完全水解，获得Z组（Z1~Z4）试剂. 按一定比例加入硝酸锆，混合均匀，获得硝酸锆浓度为0.01 mol/L的ZZ组（ZZ1~ZZ4）复合试剂. 待Z6020硅烷水解充分后，按一定比例加入六氟锆酸，混合均匀，获得六氟锆酸质量分数为8%的ZH2组复合试剂. 2）将钢纤维用细度为600和1500的砂纸打磨抛光，去除表面的氧化层和金属镀层，用碱性清洁剂清除表面油污和铁锈；在质量分数为20%的氢氧化钠溶液中浸泡0.5 h后取出，用去离子水冲洗，去除纤维表面残留的碱液；用无水乙醇浸泡清洗，去除钢纤维表面残留的水膜，取出后自然风干. 3）将钢纤维浸入硅烷水解液，轻轻搅拌2 min，使水解液吸附于钢纤维表面；取出钢纤维，放置于110 °C恒温箱0.5 h，使得硅烷水解液在钢纤维表面固化成膜，获得硅烷表面改性钢纤维. 取一份相同长度的原始钢纤维，不作任何表面处理，作为对照组材料备用.

按水泥砂浆的组份设计比称量水泥、细砂和水备用. 将水泥和细砂倒入Hobart搅拌机内，干拌2 min，倒入一半用水量，搅拌4 min；再加入另一半用水量，搅拌8 min. 将拌和物灌注于直径为68 mm、高136 mm的圆柱体模具中；在试块中心埋置一根钢纤维，埋深为40 mm. 将钢纤维和模具固定，在振动台上振动约1 min，振动频率为50 Hz. 待试件初凝成型后拆模，移入温度为（20±1）°C和相对湿度≥90%的养护室，养护28 d. 制备好的试件如图1（a）所示. 制作3个70.7 mm的砂浆立方块，测得28 d抗压强度平均值为43.6 MPa. 对9种硅烷改性钢纤维和未改性原钢纤维，各浇注3个试件进行拉拔试验.

图 1

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图 1 单根钢纤维拉拔试件

Fig.1 Specimen for pullout test

1.3. 拉拔试验

在拉拔试验前，为了保证外露钢纤维部分具有足够的锚固力，确保钢纤维从砂浆中拔出，将外露钢纤维端部45°弯起，埋置于（埋深为50 mm）灌满环氧树脂的铜管（外径为12 mm，内径为10 mm，长100 mm）中，如图1（b）、（c）所示. 静置24 h待环氧树脂充分固化后，在Instron试验机上进行拉拔试验（见图2）. 将试件倒置于定制钢框架上，在试件顶部和钢架顶板之间，加设小型千斤顶固定试件. 铜管从钢架底板中部的预留孔洞穿过，在铜管和底部夹头之间设置量程为10 kN、测量精度为0.5 N的力传感器，获取加载过程中的荷载. 力传感器与上部的铜管和下部的钢杆接头均通过螺纹旋转连接. 试验机的上、下端夹头分别夹持钢架和力传感器尾部的钢杆接头. 装置中各构件之间连接牢固，相对滑移可以忽略不计，纤维加载端位移通过试验机直接获得. 加载方式采用位移控制，加载速率为0.5 mm/min.

图 2

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图 2 单根钢纤维拉拔试验装置

Fig.2 Device for single steel fiber pullout test

1.4. SEM试验

采用场发射环境扫描电镜（FEG650）及能谱仪（EDAX），对所有试验组拔出试验前、后的钢纤维（截取长度为1 cm）表面进行扫描、成份及图像分析. 将U组和Z1组试件在拉拔之前，沿钢纤维和砂浆基体横截面切片，获得15 mm×15 mm×15 mm样品；将样品表面用金刚石砂盘打磨抛光后，真空封装于透明树脂中，对纤维-砂浆基体界面过渡区进行SEM扫描和分析.

2. 结果与分析

2.1. 拉拔荷载-位移曲线与拔出过程

如图3~6所示为各组3个试件完整的拉拔荷载P-位移δ曲线、均值曲线及峰值荷载附近的详图. 如图3所示为Z组硅烷改性试件结果（取Z1、Z2组为代表），如图4所示为ZZ组硅烷与硝酸锆复合改性试件结果（取ZZ1、ZZ2组为代表），如图5所示为ZH2组硅烷与六氟锆酸复合改性试件结果，如图6所示为未改性纤维试件结果. 所有拉拔荷载-位移曲线与文献[22]、[23]的试验曲线形状相符，可以采用如图7所示的三阶段曲线表示. 如图7（a）所示为全过程曲线，因峰值位移相对很小，峰值前阶段曲线单独显示于图7（b）. 拔出过程的3个阶段分别如下：1）弹性阶段，对应图7（b）的OA段；2）脱黏阶段，对应图7（b）的ABC段；3）摩擦滑移阶段，对应图7（a）的CD段.

图 3

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图 3 4种硅烷（Z组）改性钢纤维拉拔荷载-位移曲线

Fig.3 Pullout load-displacement curves of steel fibers treated by four silanes（group Z）

图 4

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图 4 4种硅烷与硝酸锆复合剂（ZZ组）改性钢纤维拉拔荷载-位移曲线

Fig.4 Pullout load-displacement curves of steel fibers treated by four silanes and zirconium nitrate（group ZZ）

图 5

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图 5 硅烷与六氟锆酸（ZH2组）改性钢纤维拉拔荷载-位移曲线

Fig.5 Pullout load-displacement curves：of steel fibers treated by Z6020 and H₂ZrF₆（group ZH2）

图 6

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图 6 原钢纤维（U组）拉拔荷载-位移曲线

Fig.6 Pullout load-displacement curves of untreated steel fibers（group U）

图 7

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图 7 单根钢纤维拉拔试验典型荷载-位移曲线^[22]

Fig.7 Typical single fiber pullout load–displacement curve

在拔出过程的第1）阶段中，纤维和基体之间保持完整的界面，界面的荷载反力主要由界面黏结力提供，且拉拔载荷与滑移曲线的线性段只占全过程的很小部分. 在临界点A，纤维加载端达到最大弹性荷载P_e，对应位移为δ_e，纤维-基体间的界面区由线弹性进入脱黏阶段. 在第2）阶段中，随着拉拔荷载的增加，纤维和基体界面的脱黏区域逐渐增加，脱黏区域中的摩擦力与黏结区域中的黏结力共同提供界面的荷载反力. 在峰值点B处，纤维加载端达到荷载峰值P_max，对应位移为δ_max，之后拉拔荷载逐渐降低；在临界点C处，纤维加载端荷载下降到初始滑移荷载P_s，对应位移为δ_s，纤维和基体之间全部脱黏^[24-25]，界面间的化学黏结力完全丧失，此后纤维进入摩擦滑移阶段. 在第3）阶段中，纤维和基体界面仅存残余摩擦力，摩擦力随着纤维在基体的剩余长度变短而逐渐降低，直至纤维被完全拔出而降低到零.

为了定量比较各种硅烷改性的效果，定义以下界面特性参数：

(1) $ {\tau _{\max }} = \frac{{{P_{\max }}}}{{{\text{π}}{d_{\rm{f}}}{L_{\rm{e}}}}}, $

(2) $ {\tau _{\rm{f}}} = \frac{{{P_{\rm{s}}}}}{{{\text{π}}{d_{\rm{f}}}{L_{\rm{e}}}}}, $

(3) $ {\tau _{\rm{c}}} = {\tau _{{\rm{max}}}} - {\tau _{\rm{f}}}, $

(4) $ G = \int_0^{{L_{\rm{e}}}} {P{\rm{d}}l} . $

式中：L_e为纤维的初始嵌入长度；d_f为钢纤维直径；τ_max为对应于峰值荷载P_max的界面剪切强度，忽略了切应力沿钢纤维轴向的不均匀分布；τ_f为对应于初始滑移荷载P_s的摩擦强度，不考虑界面粗糙度随滑移距离的变化；τ_c为界面间化学黏结强度；G为拉拔过程总耗能，等于荷载-位移曲线下的面积. 如表1所示为所有10组拉拔试验的结果（每组3个试件的均值），其中括号内的数值表示相对U组结果的提高百分比. 表1的数据显示于图8~11的直方图，开展定量对比分析.

表 1 拔出试验结果

Tab.1 Results of pullout tests

编号	处理方式	P_e/N	P_max/N	P_s/N	τ_max/MPa	τ_c/MPa	τ_f/MPa	G/J
U	未处理	70.65	99.91	41.95	0.80	0.46	0.33	1.07
Z1	Z6011	546.88	673.96	158.95	5.37	4.10	1.27	3.71
Z2	Z6020	407.25	467.10	132.35	3.72	2.67	1.05	2.43
Z3	Z6030	126.11	141.22	83.22	1.12	0.46	0.66	2.02
Z4	Z6040	233.74	260.43	138.57	2.07	0.97	1.10	2.76
ZZ1	Z6011+Zr（NO₃）₄	569.51	613.84	142.09	4.89	3.76	1.13	3.19
ZZ2	Z6020+Zr（NO₃）₄	404.70	475.95	140.37	3.79	2.67	1.12	3.56
ZZ3	Z6030+Zr（NO₃）₄	96.82	110.83	50.41	0.88	0.48	0.40	1.08
ZZ4	Z6040+Zr（NO₃）₄	174.03	186.43	108.25	1.48	0.62	0.86	2.41
ZH2	Z6020+H₂ZrF₆	522.34	587.41	156.05	4.68	3.43	1.24	3.52

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图 8

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图 8 拉拔荷载（P_e, P_max, P_s）

Fig.8 Pullout forces（P_e, P_max, P_s）

图 9

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图 9 界面黏结强度（τ_max =τ_f +τ_c）

Fig.9 Interfacial bonding strength（τ_max =τ_f +τ_c）

图 10

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图 10 各组钢纤维拔出能量

Fig.10 Pullout energy for untreated and treated steel fibers

图 11

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图 11 处理后纤维界面黏结强度及拔出能量增加量

Fig.11 Increase of interfacial bonding properties and pullout energy caused by silane coatings

2.2. 硅烷改性对界面黏结性能的影响

从表1可见，钢纤维经表面处理后的各试验组相对于原钢纤维的对照组U，所有界面的黏结性能参数都有不同程度的提升. 采用硅烷Z6011处理的试验组Z1和ZZ1的峰值荷载P_max和界面切应力τ_max比未表面处理的U组分别提高了575%和514%，Z6020组Z2、ZZ2、ZH2提高了368%~488%，Z6040组Z4和ZZ4分别提高了161%和87%，Z6030组Z3和ZZ3提高的百分比最小，但有41%和11%. 这种影响趋势体现于P_e、P_s、τ_f、τ_c和G，提高的百分比分别为37%~706%、20%~279%、20%~279%、0.1%~789%、2%~248%.

如图8所示为各试验组钢纤维从砂浆基体拔出过程中的P_e、P_max、P_s，经表面处理后的试验组的P_e、P_max、P_s均高于钢纤维未经表面处理的U组，其中Z1组测得的P_e、P_max、P_s均为所有试验组中的最大值. 从图9可以看出，U组的比值τ_c/τ_max为0.59，表明化学黏结力τ_c在界面黏结强度中占主要部分；采用硅烷Z6011和Z6020处理的试验组（Z1、Z2、ZZ1、ZZ2、ZH2）τ_c/τ_max提高到0.71~0.76，采用硅烷Z6030和Z6040改性的试验组（Z3、Z4、ZZ3、ZZ4）下降为0.41~0.55. 这表明前者主要提高了界面化学黏结力τ_c，后者主要提高了残余摩擦力τ_f.

如图10所示为各组拉拔过程总耗能. 可以看出，G与P_max有很强的相关性. 如图11所示为各改性组相对于未处理组τ_max、τ_f、τ_c及G的增长百分比Δτ_max、Δτ_f、Δτ_c、ΔG. 总体上看，硅烷Z6011（Z1、ZZ1）的改性效果最好，Z6020（Z2、ZZ2、ZH2）稍逊，Z6040（Z4、ZZ4）次之，Z6030（Z3、ZZ3组）的改性效果不佳；前两者试验组的τ_max增长幅度较大，且增长幅度τ_c > τ_max > τ_f，因此涂层主要增加了纤维与砂浆基体之间的化学黏结力；后两者τ_max增长相对较小，且增长幅度τ_f > τ_max > τ_c，因此涂层主要增加了纤维与砂浆之间的滑移摩擦力. 可以看出，混合硝酸锆的复合硅烷处理液（ZZ）的改性效果不如相应单一硅烷处理液（Z组），混合六氟锆酸的Z6020复合处理液（ZH2）的改性效果比纯Z6020硅烷处理液（Z2）更显著.

2.3. 钢纤维表面拉拔前后图像分析

拉拔试验前U、Z1和ZZ1试验组的钢纤维SEM图像及能谱（energy dispersive spectroscopy，EDS）如图12所示. 图中，C为信号强度，E为能量. 如图12（a）~（c）所示为各组钢纤维表面形貌；图12（d）~（f）所示为由EDS确定的元素组成及质量分数，分别对应图12（a）~（c）中突出显示的区域. 钢纤维在SEM试验中，反射信号强，对应像素点灰度大，亮度高；硅烷涂层相反. 从图12（a）~（c）可以看出，未经处理的钢纤维表面光滑，处理过的钢纤维的表面有涂层形成，从而增加了纤维的表面粗糙度. Z组涂层的完整性和粗糙度高于Z1组，这与表1中Z组的τ_max、τ_f均高于Z1组一致. 从图12（d）~（f）可以看出钢纤维表面的化学元素及质量分数. U组未处理钢纤维表面含有Fe和C，没有观察到Si或Zr的痕迹；Z1表面化学元素增加了Si、O、Ca；ZZ1组增加了Si、O、Zr、Ca、Si和Zr元素的出现，证明纯硅烷涂层和复合涂层有效地覆盖了钢纤维表面，不同程度提升了纤维-基体界面的黏结性能（见图8~11）.

图 12

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图 12 拉拔试验前钢纤维表面的SEM图像和EDS图谱

Fig.12 SEM micrographs and EDS spectra of steel fibers before pullout tests

如图13所示为其余试验组典型的钢纤维表面SEM图像. 与试验组U相比，处理过的钢纤维表面形貌发生了明显变化，形成了涂层. 比较图13中各组涂层的完整性和粗糙度可以看出，Z2<ZZ2<ZH2，Z3>ZZ3，Z4>ZZ4，这与表1中界面τ_max、τ_f的相对大小保持一致. 这表明纯硅烷涂层和复合涂层不同程度地增加了钢纤维表面的粗糙程度，从而不同程度地提升了界面的摩擦强度τ_f，这是导致各试验组界面剪切强度τ_max差异的原因之一（见图9）.

图 13

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图 13 拉拔试验前的钢纤维表面SEM图像

Fig.13 SEM micrographs of steel fibers before pullout tests

如图14所示为试验组U、Z1、Z2、ZZ1、ZZ2、ZH2钢纤维被拔出后的SEM图像. U组钢纤维表面光滑，有少量砂浆残余物存在. 相比于原钢纤维（U组），经涂层处理的纤维表面有大量残留砂浆颗粒物存在. 这应该是在拔出过程的滑移阶段中，表面处理后钢纤维与砂浆基体之间摩擦增强的结果. 这表明钢纤维表面上的涂层在一定程度上增强了钢纤维与砂浆基体之间的机械锚固力，可以在图8中界面摩擦力P_s的提高得到印证.

图 14

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图 14 拔出试验后的钢纤维表面SEM图像

Fig.14 SEM micrographs of steel fibers after pullout test

2.4. 钢纤维-砂浆界面过渡区分析

如图15（a）、（b）所示为未表面处理（U组）和Z6011硅烷处理（Z1组）后的钢纤维-砂浆界面过渡区的SEM图像. 可以看出，在未处理钢纤维与砂浆基体界面附近，在28 d养护充分水化反应后微观结构相对松散，存在微观裂缝（见图15（a）），这是钢纤维和砂浆的弹性模量和热膨胀系数相差过大导致的。Z1组改性钢纤维附近界面过渡区微观结构密实，微观裂缝更小（见图15（b）），这是因为硅烷涂层对砂浆的水化反应过程产生影响及对界面处砂浆收缩开裂具有抑制作用，与文献[20]、[26]的发现较吻合，是提高钢纤维-砂浆界面τ_c和τ_max的主要原因.

图 15

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图 15 钢纤维与砂浆界面过渡区SEM图像

Fig.15 SEM micrographs of fiber-matrix cross-section

当硅烷溶解在醇和水溶液中时，硅烷发生水解反应，通过共价键形成硅氧烷^[27]. 经NaOH溶液浸泡后，钢纤维表面形成较高活性的羟基. 将这些钢纤维浸入到硅烷水解液，钢纤维表面的羟基与水解后的硅烷反应，在钢纤维表面形成硅氧烷基团. 相邻的硅氧烷基团发生缩聚反应，使得硅烷吸附在钢纤维表面，通过高温脱水后，在钢纤维表面上固化，形成涂层^[28]. 涂层可以增加钢纤维的表面粗糙度，改善界面处的机械锚固作用，从而提高钢纤维滑移阶段中界面的τ_f. 经硅烷处理过的钢纤维表面具有更高的活性和亲水性，水泥基体经过水化反应过程，使得界面变得更密实，微裂缝减少，水泥基基体与钢纤维之间的黏附力得到显著改善，有助于增强界面的τ_max和τ_c. 经硅烷处理过的钢纤维从水泥基基体中拔出时，由于界面黏结强度的显著提高，很可能在水泥基体中发生破坏^[20]，导致更大的破坏面。在拔出过程结束后，部分水泥基基体附着在钢纤维表面.

仅研究硅烷对单根钢纤维与混凝土砂浆界面黏结性能的影响. 当应用硅烷对钢纤维进行表面处理时，样本较少，采用浸渍吸附后高温固化成膜的方式. 将该技术应用到实际工程时，若直接对大批量钢纤维进行硅烷浸渍处理，则容易造成钢纤维之间相互黏结的问题，须对表面处理工艺进行一定的优化. 可以采用流水线式的处理工艺，逐一对钢纤维进行硅烷吸附、固化处理，再进行机械切割成为钢纤维. 建议对不同体积分数的硅烷改性钢纤维混凝土构件的抗压、抗弯、拉伸力学性能进行进一步的研究. Zandi等^[28-29]的研究表明，硅烷涂层可以增强钢材耐腐蚀性. 在工程应用中，应进一步评估硅烷改性后钢纤维混凝土材料的耐久性.

3. 结　论

（1）对钢纤维进行表面处理，界面剪切强度提高了11%~575%，化学黏结强度τ_c提高了 0.1%~789%，滑移摩擦强度τ_f提高了 20%~279%，总耗能G 提高了2%~248%. 其中Z6010纯硅烷改性效果最好，Z6020稍逊，Z6040次之，Z6030的改性效果不佳。混合硝酸锆的复合硅烷改性效果不如相应的纯硅烷处理液，混合六氟锆酸的Z6020复合处理液的改性效果比纯硅烷处理液更显著.

（2）采用纯硅烷Z6011和Z6020及其复合涂层处理，能够较大幅度地提升界面黏结强度，涂层主要增加钢纤维与砂浆之间的化学黏结力。采用纯硅烷Z6030和Z6040及复合涂层处理，对界面黏结强度的提升幅度相对较小，增加了界面滑移摩擦力.

（3）SEM图像分析表明，纯硅烷涂层和复合涂层能够均匀有效地涂覆钢纤维表面。经表面处理的钢纤维拔出后表面残留物较多，粗糙度较大。表面处理后的钢纤维与砂浆界面过渡区的微观结构更加致密，有效提升了界面的黏结滑移性能.

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钢纤维改善混凝土力学性能和微观结构的研究

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... 硅烷作为一种表面处理剂，在金属材料中应用广泛，如氨丙基三乙氧基硅烷^[12]、缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷^[13]，被大量用于钢材、铝合金、镀锌板等的表面处理. 硅烷在混凝土材料界面改性中有一定应用，如马一平^[14]在骨料表面涂覆不同硅烷，发现水泥-骨料界面的黏结强度提高了57%~84%. 鲍玖文等^[15]利用硅烷对再生混凝土粗骨料进行改性，使得骨料取代率为50%的再生混凝土氯离子扩散系数降低了37.5%. 唐冬云等^[16]采用硅烷改性轻集料，提高了轻集料与砂浆界面过渡区的密实性和混凝土结构的力学性能. 苏达根等^[17]发现硅烷表面处理可以显著提高沥青和砂浆界面的黏结强度. 熊光晶等^[18]采用硅烷偶联剂修补新老混凝土界面，取得了较好的效果. 钟世云等^[19]用2种硅烷的混合试剂对镀铜钢纤维进行表面处理，使其从水泥基体中拔出时所做的功提升了224%. Casagrande等^[20]通过多纤维拉拔试验，发现采用四乙氧基硅烷对钢纤维表面改性，能够提高钢纤维-超高性能砂浆基体（ultra high performance concrete，UHPC）黏结强度35.6%；硅烷涂层还可以提高钢纤维-UHPC基体界面过渡区中水化硅酸钙的质量分数. ...

Energy dispersive X-ray investigation of silane coupling agent modified nickel-manganese-gallium particle surfaces

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提高水泥石-集料界面黏结强度的研究

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再生粗骨料硅烷浸渍处理对混凝土介质传输性能的影响

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再生粗骨料硅烷浸渍处理对混凝土介质传输性能的影响

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硅烷偶联剂改性轻集料及其内养护性能

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硅烷偶联剂改性轻集料及其内养护性能

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硅烷偶联剂对沥青与石料及水泥胶砂界面的作用

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2007

硅烷偶联剂改善新老混凝土修补界面层机理初探

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硅烷偶联剂改善新老混凝土修补界面层机理初探

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镀铜钢纤维表面改性及其耐腐蚀性能和黏结性能

2019

镀铜钢纤维表面改性及其耐腐蚀性能和黏结性能

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Ultra-high performance fibre-reinforced cementitious composite with steel microfibres functionalized with silane

2018

... 如图15（a）、（b）所示为未表面处理（U组）和Z6011硅烷处理（Z1组）后的钢纤维-砂浆界面过渡区的SEM图像. 可以看出，在未处理钢纤维与砂浆基体界面附近，在28 d养护充分水化反应后微观结构相对松散，存在微观裂缝（见图15（a）），这是钢纤维和砂浆的弹性模量和热膨胀系数相差过大导致的.Z1组改性钢纤维附近界面过渡区微观结构密实，微观裂缝更小（见图15（b）），这是因为硅烷涂层对砂浆的水化反应过程产生影响及对界面处砂浆收缩开裂具有抑制作用，与文献[20]、[26]的发现较吻合，是提高钢纤维-砂浆界面τ_c和τ_max的主要原因. ...

... 当硅烷溶解在醇和水溶液中时，硅烷发生水解反应，通过共价键形成硅氧烷^[27]. 经NaOH溶液浸泡后，钢纤维表面形成较高活性的羟基. 将这些钢纤维浸入到硅烷水解液，钢纤维表面的羟基与水解后的硅烷反应，在钢纤维表面形成硅氧烷基团. 相邻的硅氧烷基团发生缩聚反应，使得硅烷吸附在钢纤维表面，通过高温脱水后，在钢纤维表面上固化，形成涂层^[28]. 涂层可以增加钢纤维的表面粗糙度，改善界面处的机械锚固作用，从而提高钢纤维滑移阶段中界面的τ_f. 经硅烷处理过的钢纤维表面具有更高的活性和亲水性，水泥基体经过水化反应过程，使得界面变得更密实，微裂缝减少，水泥基基体与钢纤维之间的黏附力得到显著改善，有助于增强界面的τ_max和τ_c. 经硅烷处理过的钢纤维从水泥基基体中拔出时，由于界面黏结强度的显著提高，很可能在水泥基体中发生破坏^[20]，导致更大的破坏面.在拔出过程结束后，部分水泥基基体附着在钢纤维表面. ...

冷轧钢板表面氟锆酸盐-硅烷复合转化膜的制备与性能

2012

... 试验3组硅烷表面处理剂：1）Z组（Z1~Z4）为道康宁（Dow Corning）公司生产的4种硅烷配制的水解液：氨丙基三乙氧基硅烷（牌号Z6011）、氨丙基三甲氧基硅烷（牌号Z6020）、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（牌号Z6030）、缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（牌号Z6040）；2）ZZ组（ZZ1~ZZ4）为以上4种硅烷水解液分别加入分析纯的硝酸锆晶体（Zr（NO₃）₄•5H₂O）的复合剂；3）ZH2组为Z6020水解液加入质量分数为45%的六氟锆酸水溶液（H₂ZrF₆）的复合剂，因这种复合剂对钢板表面的改性效果较好^[21]. 此外，U组中的钢纤维保持原状，未作任何表面处理. ...

冷轧钢板表面氟锆酸盐-硅烷复合转化膜的制备与性能

2012

Optimal steel fiber strength for reinforcement of cementitious materials

1999

... 如图3~6所示为各组3个试件完整的拉拔荷载P-位移δ曲线、均值曲线及峰值荷载附近的详图. 如图3所示为Z组硅烷改性试件结果（取Z1、Z2组为代表），如图4所示为ZZ组硅烷与硝酸锆复合改性试件结果（取ZZ1、ZZ2组为代表），如图5所示为ZH2组硅烷与六氟锆酸复合改性试件结果，如图6所示为未改性纤维试件结果. 所有拉拔荷载-位移曲线与文献[22]、[23]的试验曲线形状相符，可以采用如图7所示的三阶段曲线表示. 如图7（a）所示为全过程曲线，因峰值位移相对很小，峰值前阶段曲线单独显示于图7（b）. 拔出过程的3个阶段分别如下：1）弹性阶段，对应图7（b）的OA段；2）脱黏阶段，对应图7（b）的ABC段；3）摩擦滑移阶段，对应图7（a）的CD段. ...

... 单根钢纤维拉拔试验典型荷载-位移曲线^[22] ...

The pull-out behavior of straight and hooked-end steel fiber from hybrid fiber reinforced cementitious composite: experimental study and analytical modeling

2018

Interface property and apparent strength of high-strength hydrophilic fiber in cement matrix

1998

... 在拔出过程的第1）阶段中，纤维和基体之间保持完整的界面，界面的荷载反力主要由界面黏结力提供，且拉拔载荷与滑移曲线的线性段只占全过程的很小部分. 在临界点A，纤维加载端达到最大弹性荷载P_e，对应位移为δ_e，纤维-基体间的界面区由线弹性进入脱黏阶段. 在第2）阶段中，随着拉拔荷载的增加，纤维和基体界面的脱黏区域逐渐增加，脱黏区域中的摩擦力与黏结区域中的黏结力共同提供界面的荷载反力. 在峰值点B处，纤维加载端达到荷载峰值P_max，对应位移为δ_max，之后拉拔荷载逐渐降低；在临界点C处，纤维加载端荷载下降到初始滑移荷载P_s，对应位移为δ_s，纤维和基体之间全部脱黏^[24-25]，界面间的化学黏结力完全丧失，此后纤维进入摩擦滑移阶段. 在第3）阶段中，纤维和基体界面仅存残余摩擦力，摩擦力随着纤维在基体的剩余长度变短而逐渐降低，直至纤维被完全拔出而降低到零. ...

An analytical analysis of the full-range behaviour of grouted rockbolts based on a tri-linear bond-slip model

2010

复合硅烷材料对混凝土干缩干裂的抑制效果

2019

复合硅烷材料对混凝土干缩干裂的抑制效果

2019

硅烷偶联剂在防腐涂层金属预处理中的应用研究

2005

硅烷偶联剂在防腐涂层金属预处理中的应用研究

2005

The corrosion resistance of 316L stainless steel coated with a silane hybrid nanocomposite coating

2011

... 仅研究硅烷对单根钢纤维与混凝土砂浆界面黏结性能的影响. 当应用硅烷对钢纤维进行表面处理时，样本较少，采用浸渍吸附后高温固化成膜的方式. 将该技术应用到实际工程时，若直接对大批量钢纤维进行硅烷浸渍处理，则容易造成钢纤维之间相互黏结的问题，须对表面处理工艺进行一定的优化. 可以采用流水线式的处理工艺，逐一对钢纤维进行硅烷吸附、固化处理，再进行机械切割成为钢纤维. 建议对不同体积分数的硅烷改性钢纤维混凝土构件的抗压、抗弯、拉伸力学性能进行进一步的研究. Zandi等^[28-29]的研究表明，硅烷涂层可以增强钢材耐腐蚀性. 在工程应用中，应进一步评估硅烷改性后钢纤维混凝土材料的耐久性. ...

Characterization of silane layers on modified stainless steel surfaces and related stainless steel–plastic hybrids

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