硅粉对活性粉末混凝土中钢纤维粘结特性的影响外文翻译资料

硅粉对活性粉末混凝土中钢纤维粘结特性的影响

摘要

本文介绍了硅粉对活性粉末混凝土(RPC)基体中钢纤维粘结特性的影响，包括粘结强度，拉拔能等。报道了不同条件 下钢纤维拉拔试验的实验结果。以混合比例使用0%至40%范围内的各种硅粉含量。进行纤维拉出测试以测量来自RPC基质 的钢纤维的粘结特性。发现掺入硅粉可以有效地增强纤维-基体的界面性能，特别是在纤维拉拔能方面。还得出结论，就 粘结特性而言，在实验程序条件下，最佳硅粉含量在20%至30%之间。显微组织观察证实了从纤维拉拔试验结果得出的界 面增韧机理的发现。

关键字:硅粉;微观结构复合材料;粘结强度;拔出强度;界面过渡带

1介绍

活性粉末混凝土(RPC)，也称为超高性能混凝土， 是通过用于水泥材料的微结构增强技术开发的。与 普通水泥基材料相比，RPC的主要改进包括粒度均匀 性，孔隙率和微结构。可以实现的机械性能包括200 至800 MPa的抗压强度，1200至40,000 J / m2的断裂 能以及1%量级的极限拉伸应变[1,2].这通常是通过微 观结构工程方法实现的，包括消除粗骨料，减少水 硬性材料，通过引入二氧化硅组分降低CaO-SiO2的比 例以及掺入钢纤维增强材料[3 –5].钢纤维的增强作用对于RPC在张力下的机械性能尤 为关键。在这项研究中，通过纤维拉拔试验，研究 了RPC基质中钢纤维的粘结特性。硅粉含量是实验程序的主要变量。硅粉对胶凝基体 致密化的巨大影响来自颗粒堆积密度的提高以及火 山灰反应和二氧化硅水合物转化引起的强烈化学反应。本文介绍了钢纤维-基体粘结特性的实验结果，并 讨论了硅粉含量对颗粒堆积和化学反应的影响。

2实验程序

2.1用料

这里考虑的RPC是由以下成分制备的:ASTM II型 波特兰水泥;细石英砂(大约150 – 500 Am);碎 石英粉(大约5 – 20 Am);未致密化的硅粉(约 0.1 – 0.2 Am);丙烯酸接枝-共聚物高效减水剂; 和短钢纤维(直径0.16毫米，长度13毫米，抗张强 度2600兆帕)。T中给出了该实验程序中使用的硅粉 的化学成分和物理性质1和2.

RPC在重量比中的混合比例如下表3.按照与实验室中 常规混凝土相似的顺序，将所有组件混合，浇铸和 振动。首先将颗粒和粉末干混合3分钟。然后加入一 半的水和高效减水剂并混合约5分钟。随后，添加其 余的水和高效减水剂并混合。准备浇铸RPC混合物之 前，整个混合过程大约需要15分钟。

2.2标本

狗骨形模具用于制备纤维拉出样品。如图所示图。 1，狗骨形状的标本可按AA节分为两半。九根钢纤维 均匀地排列在AA截面上，将试样的两半桥接在一起。 钢纤维的总长度为13毫米。为了确保将钢纤维固定 在一半中并从另一半中拔出，请将钢纤维弯曲以在 一端形成钩子。带有钩端的样本的一半称为固定端 一半，而另一半称为拉出一半。小心地布置纤维， 以允许在样本的拉出半部中嵌入10 mm的长度。

每个拉拔样本都安装了九根钢纤维，每根都具有 10 mm的包埋长度，这有两个原因。一种是提高总拔 出负载，另一种是消除仅使用一根光纤时可能发生 的拔出结果中的任意变化。

如图所示图。1，拔出样本中有九根钢纤维。在制 备拉出样品时，首先将钢纤维安装在一个临时固定 架上，其钩形端伸出固定端的一半。然后将矩阵浇 铸到固定端的一半中。第二天将卸下光纤安装支架。 然后对固定端半部的AA部分表面进行润滑，以防止粘附到另一半。在两半之间的界面上进行处理后，然后将基 质浇铸到拉出的一半中。然后，在拉出一半的样品后 24小时将样品脱模并固化3天。固化条件设定为恒定 在85°C和90%RH。高温固化后，将样品保持在20jC和 90%RH的环境中直至测试。拉出测试在7天时进行。

2.3. 拔出测试设置

图2 显示了拔出测试设置的样品夹具和LVDT夹具。 通过所示的夹具将两个LVDT连接到拉样上。在光纤 拉拔测试期间，拉拔负载和光纤拉拔距离将分别由 称重传感器和LVDT给出。根据测试设置，两者之间的分离标本的一半被视为纤维拉出 距离。当仅从拉出半部拉出纤维时，该假设是正确 的。由于包埋的光纤已通过钩端固定在固定端的一 半中，因此该假设在大多数情况下通常是有效的。 如果拉出模式与上述不同，则测试结果将不会用于 分析。每种情况至少有六个标本。拉拔载荷估计在150 – 300 N的范围内。此测试 中采用的称重传感器的容量为2.5 kN，分辨率为 0.1N。拉拔试验以0.3 mm / min的加载速率进行。

3，结果与讨论

3.1光纤拔出行为

对于该实验程序，在RPC的混合比例中总共使用了 四种不同的硅粉含量，如表3.每个案例测试六个单 独的样本。典型的光纤拔出结果在图。 参照图3a， 其中提供了具有不同硅粉含量的RPC拉出样品的拉出 曲线。对于特定的硅粉含量，每个拔出曲线都是典 型的。还绘制了拉拔载荷的历史记录相对于拉拔距 离的关系图3a.为了研究脱胶阶段的行为，在非常短的拔出距离 处提供了拔出曲线图3b.如图所示图3b，从初始分支 拉出曲线的弯曲对应于包埋纤维的剥离过程。与没 有二氧化硅粉(0%)的拔出曲线相比，具有不同二 氧化硅粉含量的基质中的纤维以低得多的拔出载荷 进行脱粘，除了二氧化硅粉含量为20%的情况。脱 胶后，0%硅粉含量的拉拔载荷稳定下降。换句话说， 在这种情况下的滑动减弱效果非常显着。可以看出 图3c，在硅灰含量为0%的抽出曲线中有一个明显的 下降分支，而在其他情况下，抽出曲线通常在1毫米 的抽出距离内呈现平稳状态。根据图3c，可以发现，在脱胶和拉拔过程中，掺 入硅粉会改变钢纤维-基体的界面性能。与无硅粉 (0%)的情况相比，将硅粉掺入RPC基质可能导致 早期脱胶。脱粘后，钢纤维经历拉拔过程。对于具 有各种硅粉含量的基质，拔出时的界面阻力为在不同的范围内增韧。还观察到增韧效果与硅粉含 量有关。根据图3a 在硅粉含量为20%和30%的情况 下，拔出过程的增韧效果最为明显。然而，当硅粉 含量持续增加时(例如40%的情况)，界面增韧效 果降低。图3a 表明对于界面增韧效果，最佳硅粉含 量可以在20%至30%之间。硅粉对纤维基质致密化 和纤维粘合的影响强度已有报道，包括脱胶模式[6] 和测得的粘结强度 [7].已经发现掺入硅粉已经改变了纤维的脱粘模式， 从强度型转变为断裂型[6]，这与上述实验程序中观 察到的界面增韧机制是一致的(有关各种RPC混合物 的可加工性，请参见表4).

3.2. 界面结合强度 平均粘结强度或最大剪切应力定义如下:

然后解释并总结了最大粘结应力或粘结强度表5和 图4.可以看出，粘结强度随着硅粉含量的增加而增 加，最高可达30%。这与刚刚讨论的界面增韧作用 的观察结果是一致的。然而，结合强度的增加并不 显着。另外，如果硅粉的含量太高，例如40%的情 况，则粘结强度的界面增韧作用就消失了。在这项研究中获得的平均粘结强度范围为4.8到 5.5 MPa，可与参考[6](3.5 – 4.0 MPa)，使用 相同的纤维和较少致密的水泥基基质。

3.3抽出能量

尽管通过掺入硅粉来提高粘合强度并不显着，但 是在能量方面，在基质中掺入硅粉对纤维的拉拔行 为有很大影响。拔出能量被认为是在光纤拔出过程 中消耗的机械能，可以通过积分光纤拔出曲线下的 面积来获得。在这项研究中，拉拔能量定义为结合 应力和拉拔距离的积分，该拉拔能量基于拉拔曲线 直至8.5毫米的拉拔距离。超出拔出距离8.5 mm的拔 出行为部分被排除在外，因为在拔出过程即将结束 时，下降分支中的突然变化(图3a).结果总结在表 6和图5.根据表6，由于硅粉所致的拉拔能量的增强 远比粘结强度的增强显着得多。与没有硅粉的基质 相比，抽出能量的增加比30%的硅粉的情况大将近 100%。另外，尽管粘合强度几乎没有增加，但是40% 硅粉的基质的拉拔能量比参考值(0%)高70%。这 可以归因于在这种情况下滑移减弱效果的改善。硅烟含量的40%，如在图3a. 这样定义的拉拔能量与钢纤维增强水泥基材料的断裂能具有更好的相关性。因此，证实了在基质中 掺入硅粉可以有效地增强复合材料的断裂韧性。就 硅灰含量而言，根据这项研究的结果，发现硅灰含 量在水泥含量的20%至30%之间可能会提供最佳效 果。

3.4界面微结构

观察到各种类型的矩阵。图6a 显示未受到任何磨损 的原始纤维表面。图6b 显示了从基质中抽出的无硅 粉的纤维，而图6c和d 是分别从含有30%和40%的 硅粉的基质中抽出的纤维的表面形态。从不含二氧 化硅的基质中抽出的纤维表面上，只能看到纵向划 痕，这可能是由于基质在拉拔过程中产生的磨损 (图6b).除了那些纵向划痕外，表面纹理与原始纤 维的表面纹理非常相似，如图所示。图6a.另一方面， 从硅灰含量高的基质中抽出的纤维具有明显不同的 表面微观结构。可以看出无花果 在图6c和6d中，纤 维表面富含已被部分破坏或磨蚀的胶凝材料。这可 能有助于解释硅粉样品在9 mm处观察到的显着高拉 拔载荷(图3a).粘附在纤维上的基质可能会在拉出 过程中磨损，并可能在纤维末端附近堆积。累积的 基质残留物反过来又有助于抵抗光纤拉出负载。根 据观察到的微观结构，预计纤维表面的胶结残留物 会增强摩擦和抵抗力。随着拔出距离的增加，这种 效果可能会进一步放大。因此，据信极大地提高了 抽出能量是这种机制的反映。许多研究人员研究了硅粉对水泥基复合材料力学 性能的影响。硅粉的应用优势是确认。然而，在当前的研究中，纤维-基体的界面特 性特别受到关注。本文给出的实验结果证明，在RPC 基质中掺入硅粉可以显着增强钢纤维与基质之间的粘 结特性，特别是对纤维滑爽的界面增韧作用。根据结 合强度和拉拔能测量结果(表7)，在该实验程序的 条件下，发现在20%至30%的硅灰与水泥的比例下， 硅灰的有益效果最佳。在此硅粉含量下，在所有测 试情况下，粘结强度和纤维拉拔能最高。尽管粘结 强度的增加幅度并不显着，但是当硅粉含量高于10% 时，对纤维拉拔的界面增韧效果显着。硅粉含量为 20%和30%的情况下的抽出能量几乎是对照情况 (0%)的两倍。这一结果得到了微观结构观察的支 持，即显着改善了具有各种硅粉含量的钢纤维与RPC 基质之间的粘合性。这项研究的发现为RPC的断裂机 理提供了进一步的了解。如果要通过微结构工程进 一步改善RPC，则特别有用。

4 结论

本文提出的实验结果证明，由于界面增韧作用， 将硅灰掺入RPC基质中可显着增强钢纤维-基质的粘结特性

1.根据结合强度和拔出能的结果，发现最佳的硅粉与水泥的比例为 在20%到30%之间 实验程序。在这种硅粉剂量下， 粘结强度和纤维拔出能最高在所有情况下

2.与没有二氧化硅粉尘的基质相比，由于二氧化硅 粉尘所引起的拉拔能量的提高比结合强度的提高 更为显着。在最佳硅粉剂量(30%)下，拉拔能 量提高了约100%，而粘结强度提高了14%。差异 可以归因于硅粉在拉出能量和粘结强度上的不同机理。

3.从高硅粉含量的基质中抽出的纤维的微观结构表明，大量胶结材料粘附在纤维表面。因此，胶结 材料在纤维拉出过程中有助于摩擦和阻力。因此，当掺入一定量的硅粉时，拉出能量显着提高。

水泥基复合材料的钢纤维的拉挤行为

摘要

描述了从水泥基基质中提取钢纤维的综合实验程序。使用专门设计的单 纤维拉出装置来定量确定与通过纤维增强来增韧脆性材料有关的界面性 能。研究的参数包括专门设计的高密度水泥基基体，即密实小颗粒系统 (DSP)，常规砂浆基体，纤维包埋长度和纤维体积分数。从中拉出纤维 的介质包括不含纤维的对照砂浆混合物，具有3和6%(按体积计)纤维 的砂浆混合物。结果表明:(1)与常规砂浆基质相比，致密的DSP基质 具有显着改善的界面性能。(2)增加纤维包埋长度和水泥基体中的纤维 体积分数会增加峰值拉拔载荷和拉拔功。(3)两个系统中的主要粘结机 制是摩擦滑动。C 1997爱思唯尔科学有限公司

介绍

水泥基材料是脆性的，并且在抵抗张力方面具有固有的弱点。已知它们在低水平的拉 伸应变下会破裂。长期以来，人们已经认识到，通过添加不连续纤维可以大大改善此 类材料的性能。复合材料性能的改善很大程度上归因于纤维与基质之间的粘合。

纤维-基体界面键强烈影响纤维稳定基体中裂纹扩展的能力。当允许在包含纤维 的基质中形成大裂纹时，界面处的脱胶和滑动对裂纹扩展过程中的总能量消耗有 重大影响。纤维提供的抗裂纹扩展的能力取决于基体，纤维和纤维-基体界面的机 械性能。以及纤维的长度，方向，体积含量和间距(1-5)。

通常使用拉拔测试来测量复合材料界面的强度。在此测试中，将纤维浇铸到水泥基 基质中并施加张力，直到纤维脱粘并被撤回。从水泥基基质中拉出纤维用于表征基质与纤维之间的界面结合。 使用不同的测试技术，许多研究人员进行了纤维拉拔测试，以表征纤维增强水泥基 复合材料的界面特性[Naaman等。(3)，Pinchin等。(6)，Gray等。(7)，王等。 等(8)，莫里森等。(9)，Stang等。(10)，李等。(11)，Gopalaratnam等。 (12), Banthia and Trottier, (13)).从以上研究人员获得的实验结果并不总是一致的。

这项研究的主要目的是生成一个综合的实验数据库，以表征高性能纤维增强水

泥基复合材料(如DSP)中的粘结。从这项研究中获得的结果对于更好地了解钢纤 维在改善非常高强度的脆性水泥基复合材料的拉伸性能中的作用非常重要。

实验程序

实验程序的重点是研究纤维增强水泥基复合材料中的界面键。考虑了以下参数对光 纤拉出特性的影响;纤维包埋长度，纤维体积分数，界面裂纹(缝)长度和基体强 度。测试了三种不同的光纤包埋长度，分别为6 mm，12 mm和18 mm。基质中使用了 两种不同的纤维体积分数，分别为3%

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