收稿:2011-04-25;修回:2011-07-18;基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2009A A03Z528);作者简介:邱军,男,工学博士,教授,博士研究生导师,研究方向为高性能聚合物基复合材料;E -mail :qiujun @tong ji .edu .cn .碳纳米管及碳纤维增强环氧树脂复合材料研究进展邱 军,陈典兵(同济大学材料科学与工程学院,先进土木工程材料教育部重点实验室,上海 201804) 摘要:碳纳米管与碳纤维具有优异的力学、电学等性能,广泛用做复合材料增强体,但目前碳纳米管/碳纤维/环氧树脂复合材料的研究具有一定的局限性,只考虑了两相材料间的作用,即仅对单一相进行处理而忽略了另一相的改性。
本文从碳纳米管/碳纤维协同增强环氧树脂基体复合材料的思路入手,结合自己的研究成果,综述了国内外相关研究进展。
从研究结果可以看出,将三相材料之间完全有效地联系起来,发挥三者间的协同效应,复合材料的性能可以发生质的飞跃。
关键词:碳纳米管;碳纤维;环氧树脂;三相复合材料引言日本科学家Iijim a [1]在1991年首次发现碳纳米管(CN Ts )。
碳纳米管具有着优异的力学、电性能和热性能,抗拉强度达到200GPa ,弹性模量可达1TPa ,并且具有低密度、高长径比等结构特点,因此成为聚合物复合材料的理想增强材料。
碳纤维(CF )具有十分优异的力学性能,同时耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、低热膨胀系数、导电导性、电磁屏蔽性优良等。
碳纤维复合材料同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能,广泛应用于航空航天、汽车、电子电气等领域[2]。
环氧树脂(EP )是一种高性能复合材料基体,具有优良的机械性能、绝缘性能、耐腐蚀性能、黏接性能和低收缩性能。
当前以环氧树脂为基体的高性能复合材料应用广泛,碳纳米管/环氧树脂复合材料和碳纤维/环氧树脂复合材料凸显了优异的力学和综合性能,那么如何再进一步提高这两类复合材料的性能呢?本文在简要综述碳纳米管和碳纤维对环氧树脂复合材料性能改善的前提下,进一步综述了碳纳米管/碳纤维/环氧树脂三相复合材料的研究进展,并对其可能的发展进行了预测。
DOI：10.19936/ki.2096-8000.20220528.010纳米纤维素对CFRP界面及损伤演化行为的影响杨飒123,周伟123*,姬晓龙123,刘佳123,马连华123(1.河北大学质量技术监督学院，保定071002；2•计量仪器与系统国家地方联合工程研究中心，保定071002；3.河北省能源计量与安全检测技术重点实验室(筹)，保定071002)摘要：纳米纤维素作为一种低成本的可再生资源，在复合材料的增强改性中显示出独特的优势。
本文使用纳米纤维素对碳纤维复合材料进行辅助增强，在弯曲加载下开展声发射监测实验。
基于k-means方法确定不同损伤模式的特征频率范围和累积声发射能量，并采用扫描电镜对增强后复合材料的界面强度进行表征。
结果表明：纳米纤维素增强后复合材料的损伤起始得到延缓,损伤演化过程中出现较少的声发射信号；且断裂时声发射信号的能量显著下降，基体开裂和纤维/基体脱黏的累积声发射能量分别减少了78.1%和87.6%。
扫描电镜结果表明：纳米纤维素提高了纤维/基体界面的结合强度，改善了复合材料的界面性能，从而提高了其抗弯强度。
关键词：纳米纤维素；碳纤维增强聚合物；声发射监测；纤维/基体界面；损伤演化中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：2096-8000(2022)05-0071-07Effects of cellulose nanofibers on CFRP interface and damage evolution behaviorYANG Sa1，2,3,ZHOU Wei1，2,3*,JI Xiao-long1，2,3,LIU Jia1，2,3,MA Lian-hua1，2,3(1.College of Quality and Technical Supervision,Hebei University,Baoding071002,China;2.National&Local Joint Engineering Research Center of Metrology Instrument and System,Hebei University,Baoding071002,China; 3.Hebei Key Laboratory ofEnergy Metering and Safety Testing Technology,Hebei University,Baoding071002,China) Abstract:As a low-cost renewable resource,cellulose nanofibers(CNF)have shown unique advantages in the reinforcement and modification of composite materials.In this paper,cellulose nanofibers were used to reinforce carbon fiber composites.Bending test was carried out,and acoustic emission technology was used for damage assessment.Based on k-means method,the characteristic frequency range and cumulative acoustic emission energy of different damage modes were determined,and the interface strength of reinforced composites was characterized by scanning electron microscope.Results show that the damage initiation of cellulose nanofibers reinforced composites was delayed,and less acoustic emission signals appear in damage evolution.The energy of acoustic emission signals decrease during damage,and the cumulative acoustic emission energy of matrix cracking and fibeMmatrix debonding decrease by78.1%and87.6%,respectively.Scanning electron microscope results show that cellulose nanofibers improve the interfacial properties of fibeMmatrix,consequently improving the bending strength.Key words:cellulose nanofibers;carbon fiber reinforced polymer；acoustic emission monitoring；fiber/matrix interface;damage evolution1前言环氧基碳纤维增强聚合物(CFRP)是以碳纤维为增强相,以环氧树脂为基体相的两相复合材料。
第42卷第7期2023年7月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.7July,2023硅烷偶联剂改性钢纤维水泥基复合材料弯曲性能研究孙庭超,曾德明,曹明莉(大连理工大学土木工程学院,大连㊀116024)摘要:通过硅烷偶联剂(SCA)对钢纤维进行表面改性,使用扫描电子显微镜和红外光谱仪对改性后的钢纤维进行微观表征,利用弯曲试验和单纤维拔出试验研究了两种SCA(KH560与KH550)改性钢纤维水泥基复合材料的弯曲性能和单纤维的拉拔性能㊂结果表明,KH560改性钢纤维能提高水泥基复合材料早期的弯曲强度和韧性㊁单纤维的峰值黏结应力和拔出功,而在后期,KH560劣化了钢纤维-基体界面,对弯曲性能和单纤维的拉拔性能产生了不利影响㊂KH550则呈现出与KH560相反的规律㊂KH550与KH560体积比为5ʒ5和7ʒ3的改性组能提高钢纤维水泥基复合材料早期和后期的弯曲性能,并有效改善钢纤维-基体界面黏结性能㊂复合SCA 提高了钢纤维表面的粗糙度,并能在钢纤维-SCA-基体界面实现化学键连接㊂复合SCA 有效提高了钢纤维水泥基复合材料的弯曲强度和韧性㊂关键词:硅烷偶联剂;钢纤维;弯曲性能;界面黏结性能;单纤维拔出;改性机理中图分类号:TU528.572㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)07-2326-10Flexural Properties of Silance Coupling Agents Modified Steel Fiber Cement-Based CompositesSUN Tingchao ,ZENG Deming ,CAO Mingli(School of Civil Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)Abstract :The surface of steel fiber was modified by silane coupling agent (SCA ),and the modified fiber was characterized by scanning electron microscopy and fourier transform infrared spectroscopy.The flexural properties and single-fiber pull-out properties of two SCA (KH560and KH550)modified steel fiber cement-based composites were studied by bending tests and single-fiber pull-out tests.The results show that KH560-modified steel fiber can improve the early flexural strength and toughness of cement-based composites,single-fiber peak bonding stress and single-fiber pull-out energy.However,in later stages,KH560deteriorates the steel fiber-matrix interface,which has a negative effect on flexural properties and single-fiber pull-out behavior.In contrast,KH550-modified fiber shows the opposite effect to that of KH560.The modified group with volume ratio of KH550and KH560of 5ʒ5and 7ʒ3can improve the early and late bending properties of steel fiber cement-based composites,and effectively improve the bonding performance of steel fiber-matrix interface.The composite SCA improves the roughness of steel fiber surface and facilitates chemical bonding at steel fiber-SCA-matrix interface.The composite SCA effectively improves the flexural strength and toughness of steel fiber cement-based composites.Key words :silane coupling agent;steel fiber;flexural property;interface adhesion performance;single-fiber pull-out;modification mechanism 收稿日期:2023-03-23;修订日期:2023-04-23基金项目:国家自然科学基金(51678111)作者简介:孙庭超(1996 ),男,硕士研究生㊂主要从事纤维增强水泥基复合材料性能与机理的研究㊂E-mail:1163401093@ 通信作者:曹明莉,博士,教授㊂E-mail:minglic@0㊀引㊀言现代建筑材料众多,但目前仍以水泥基材料为主要应用材料[1]㊂水泥基材料的抗压性能良好,但具有㊀第7期孙庭超等:硅烷偶联剂改性钢纤维水泥基复合材料弯曲性能研究2327脆性,通常采用掺入纤维的方式来改善水泥基材料的脆性[2]㊂在众多纤维中,钢纤维因具有高弹性模量与高强度而被广泛应用㊂钢纤维的掺入可使水泥基复合材料具有高韧性,破坏前呈现出显著的屈服和塑性变形[3-4]㊂在实际应用中,钢纤维与基体之间的界面黏结性能是影响材料性能的主要因素之一[5]㊂为提升钢纤维水泥基复合材料的宏观力学性能,研究钢纤维-基体界面黏结性能显得尤为必要㊂改善纤维-基体界面黏结性能的常用方法包含基体改性和纤维表面改性㊂Banthia[6]研究表明,向水泥基体中掺入硅灰能够在增强基体的同时增强界面黏结性能,但基体会变得更脆㊂Wu等[7]研究发现,纳米SiO2的加入可提高纤维-基体的界面黏结强度㊂改性基体时虽然也可改善界面,但难以针对性地提高纤维-基体间的界面黏结性能,而通过对纤维表面改性则可有效实现该目的㊂Li等[8]使用等离子体对聚乙烯纤维表面改性,但高昂的生产成本限制了该方法在实际工程中的广泛应用㊂Pi等[9]使用溶胶凝胶法将纳米SiO2包覆钢纤维,使钢纤维-基体界面更加密实,提高了界面黏结性能㊂与上述方法相比,化学涂层对钢纤维表面改性更容易实现㊂磷酸锌(ZnPh)作为钢纤维表面改性剂被广泛研究[10-12]㊂但是ZnPh中的磷(P)和重金属(Zn)离子会造成严重的环境问题,且改性过程消耗大量的能量,这严重限制了ZnPh的大规模应用㊂硅烷偶联剂(silane coupling agent,SCA)作为新型纤维-基体界面增强剂因不含重金属离子,可以在室温环境下使用,能满足低碳节能的目的,已逐渐受到人们的关注㊂早期SCA改性纤维的研究对象主要是表面易携带羟基的非金属纤维[13-15]㊂但后来研究[16-17]表明,经过碱处理后,钢纤维表面也可引入高密度的羟基,从而对钢纤维进行表面改性㊂Liu等[18]使用SCA(3-氨基丙基三乙氧基硅烷)改性后的钢纤维增强超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC),发现改性钢纤维增强UHPC的弯曲与抗压性能均得到了有效提高,但是单一SCA改性钢纤维增强混凝土的早期强度较低,难以满足实际工程的施工要求[19-20]㊂本文使用两种SCA复合对钢纤维进行改性,研究了单一以及复合SCA改性钢纤维增强水泥基复合材料在早期(7d)以及后期(28d)的弯曲性能,探讨了不同浓度配比对弯曲性能的影响㊂同时,为了研究两种SCA对钢纤维-基体界面黏结性能的影响,进行了系统的单纤维拔出试验,并通过SEM和FTIR光谱阐释SCA对钢纤维-基体界面的改性机理㊂1㊀实㊀验1.1㊀原材料试验所用原材料包括普通硅酸盐水泥(P㊃O42.5R)㊁硅砂㊁钢纤维㊂硅砂的细度模数为1.9,粒径范围为0.16~1.18mm㊂水泥的主要化学组成见表1,钢纤维的力学性能参数见表2㊂表1㊀水泥的主要化学组成Table1㊀Main chemical composition of cementComposition CaO SiO2Al2O3Fe2O3CO2MgO K2O SO3Na2O P2O5MnO Mass fraction/%61.1321.45 5.24 2.89 2.37 2.080.81 2.500.770.070.06表2㊀钢纤维的力学性能参数Table2㊀Mechanical property parameters of steel fiberMaterial Length/mm Aspect ratio Tensile strength/MPa Elastic modulus/GPa Density/(g㊃cm-3) Steel fiber136********~2107.8所有试样水胶比为0.35,砂胶比为1㊂改性溶液中SCA㊁离子水和无水乙醇的体积比为1ʒ2.5ʒ9[18]㊂SCA为3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560),密度分别为0.946和1.068g/cm3,化学结构式如图1所示㊂两种SCA的使用配比如表3所示㊂1.2㊀钢纤维改性钢纤维表面改性所使用的试剂包含氢氧化钠溶液㊁无水乙醇㊁去离子水㊁两种SCA㊂SCA在水中可水解形成 OH键,且当SCA的浓度较高时, OH键可能发生自缩合,形成Si O Si键[18]㊂两种反应机制如图2所示㊂2328㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图1㊀KH550和KH560的化学结构式Fig.1㊀Chemical structural formula of KH550and KH560表3㊀硅烷偶联剂体积比Table 3㊀Volume ratio of silane coupling agentSample No.10A 10H1910H3710H5510H7310H9110B V (KH550)ʒV (KH560)0ʒ101ʒ93ʒ75ʒ57ʒ39ʒ110ʒ0图2㊀SCA 的水解反应和自缩合反应Fig.2㊀Hydrolysis reaction and self-condensation reaction of SCA ㊀㊀本试验对钢纤维表面改性的流程为:1)将钢纤维浸没在质量浓度为20%的氢氧化钠溶液中2h,在钢纤维表面引入羟基,再将SCA 添加到去离子水和无水乙醇的混合物中搅拌混合2h 后改性钢纤维;2)将改性后的钢纤维放入120ħ的烘箱中,2h 后取出备用㊂钢纤维表面改性流程如图3所示㊂图3㊀钢纤维改性流程图Fig.3㊀Flow chart of steel fiber modification 1.3㊀样品制备按照配比称好原材料,先将水泥与硅砂放入搅拌机中搅拌4min,后加水搅拌4min,待混合物搅拌均匀后加入钢纤维继续搅拌5min㊂将具有良好工作性的砂浆倒入40mm ˑ40mm ˑ160mm 模具,随后移入标准养护室中24h 脱模㊂脱模后的试件分为两组,分别放入温度为(20ʃ1)ħ水浴养护箱中养护7和28d㊂单纤维拉拔测试与弯曲性能测试所用的基体相同,且成型和养护方式均保持一致㊂浇筑之前,在准备好的模具中间固定一块大小合适的PVC 片,将空间分成两部分㊂单根纤维拔出试验所用基体尺寸为70mm ˑ35mm ˑ70mm㊂将制备好的钢纤维置于PVC 板中心,在保证其垂直度的基础上小心倒入刚搅拌好的砂浆㊂第7期孙庭超等:硅烷偶联剂改性钢纤维水泥基复合材料弯曲性能研究2329㊀钢纤维的埋入深度为L E =10mm㊂单纤维拉拔试验模具和成型后试件如图4所示㊂图4㊀单纤维拉拔试验模具和成型试样示意图Fig.4㊀Schematic diagram of single-fiber pull-out test mold and molding specimen 1.4㊀测试方法1.4.1㊀弯曲试验参考‘纤维混凝土试验方法标准“(CECS 13 2009)[21],使用MTS 测试试件的弯曲性能㊂试件跨度L 为120mm,加载速率为0.5mm /min [22]㊂图5为四点弯曲试验加载图㊂如图5所示,在弯曲试验过程中,使用两个对称的线性位移传感器(LVDT)测量试件的中间变形,并得到对应的荷载-挠度曲线㊂根据日本的‘纤维增强混凝土试验方法标准“(JCI SF4)[23],弯曲韧性计算公式如式(1)所示㊂T b =ʏδ0P (σ)d σ(1)式中:T b 为弯曲韧性;δ为挠度,取2.4mm(L /50);P (σ)为弯曲荷载㊂图5㊀四点弯曲试验加载图[24]Fig.5㊀Loading diagram of four point bending test [24]1.4.2㊀单纤维拔出试验在MTS 上进行单纤维的拔出试验㊂拉拔试验装置由纤维夹具㊁试样夹具㊁MTS 变形控制伺服液压加载架和量程为2000N 的荷载传感器组成,如图6所示㊂纤维夹紧装置配有两个可平稳转动的螺钉㊂钢纤维自由端通过螺钉夹紧,以避免应力集中和意外滑动㊂试样底部是一块可移动的钢板,通过调节钢板位置,可以轻松安装试样,拔出速度设定为0.01mm /s [24]㊂本试验假设钢纤维和夹具的弹性变形足够小,根据夹具系统的垂直运动测量纤维的位移㊂1.4.3㊀微观分析使用SEM(NOVA NANOSEM450)对改性前后钢纤维以及弯曲试验后的钢纤维形貌进行观测,同时对改性钢纤维表面进行FTIR 测试,分析了SCA 对钢纤维-基体界面的改性机理,以及对钢纤维水泥基复合材料弯曲行为的作用机制㊂2330㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图6㊀单纤维拉拔试验装置示意图[24]Fig.6㊀Schematic diagram of single-fiber pull-out test device [24]2㊀结果与讨论2.1㊀弯曲性能图7㊀试样7㊁28d 的弯曲强度Fig.7㊀Flexural strength of specimens at 7and 28d 图7为钢纤维增强水泥基复合材料的7和28d弯曲强度(W0为不掺加SCA 的水泥基复合材料)㊂图8为钢纤维增强水泥基复合材料的7和28d 平均荷载-挠度曲线与弯曲韧性㊂无论是7d 还是28d,弯曲试验中改性钢纤维试验组与对照组相比,初裂荷载几乎不变㊂而初裂荷载主要由基体控制[25],这说明使用SCA 改性的钢纤维对基体的强度几乎没有影响㊂单一KH560改性钢纤维对早期水泥基复合材料的弯曲强度和韧性均有明显的增益效果,相比于对照组,分别提高了25.0%和26.4%㊂这可能是因为水泥材料提供了碱性环境,在碱性环境下KH560中的环氧基发生反应[26],释放能量,促进了钢纤维-基体界面区域水化产物的生成,试件的早期强度得到了明显提高㊂然而,10A 后期的弯曲韧性和强度相比对照组均有明显的劣化,分别降低了22.6%和23.5%,可能是因为高温促进了界面区域水泥水化产物生成,同时也加剧了后期水泥水化产物在钢纤维周围分布的不均匀性[27]㊂在外部荷载下,这种不均匀性使钢纤维-基体界面抵抗外部荷载的能力变弱㊂随着KH550含量的增加,复合SCA 改性钢纤维水泥基复合材料的早期弯曲强度和韧性逐渐下降,而后期逐渐提高㊂这主要归因于KH550和KH560的综合作用㊂KH550能够延缓钢纤维-基体界面区域处的水泥水化进程[13],劣化早期界面黏结性能,从而导致水泥基复合材料弯曲性能的早期劣化,这也解释了10B 组弯曲强度和韧性的早期劣化㊂28d 时随着KH550对水泥水化延缓作用消失[28]和其所带氨基可与水泥基建立化学键连接[18],钢纤维-基体界面黏结性能逐渐增强,水泥基复合材料的弯曲性能得到了提升㊂同时,KH560对早期弯曲性能的增强作用随其含量的降低而逐渐减弱,对后期钢纤维-基体界面的劣化效果也随KH560含量降低不再明显㊂由图7和图8可知,当只有KH550改性钢纤维时,10B 后期的弯曲强度和韧性相比对照组提高了28.5%与19.6%,但其早期弯曲强度和韧性因缺乏KH560而明显低于对照组,分别降低了17.8%和15.6%㊂复合SCA 改性组综合了单一SCA 各自的优点㊂其中10H55改性方案在保证后期性能的前提下,提升了钢纤维增强水泥基复合材料早期弯曲强度和韧性㊂10H55的弯曲强度在7㊁28d 分别提高了12.8%和3.6%,弯曲韧性提高了12.3%和1.2%㊂10H73的弯曲强度分别提高了0.6%和8.1%,弯曲韧性分别提第7期孙庭超等:硅烷偶联剂改性钢纤维水泥基复合材料弯曲性能研究2331㊀高了1.3%和5.8%㊂在实际工程应用中,为了提高结构的早期和后期抗弯能力,这两组改性方案应该被优先考虑㊂图8㊀试样7㊁28d 的荷载-挠度曲线与弯曲韧性Fig.8㊀Load-deflection curves and flexural toughness of specimens at 7and 28d 2.2㊀改性钢纤维在水泥基复合材料中的拉拔行为图9㊀试样7㊁28d 平均峰值黏结应力Fig.9㊀Average peak bonding stress of specimens at 7and 28d SCA 改性钢纤维在基体中的拉拔行为通过单纤维拔出试验进行测试㊂图9为7㊁28d 试样在单纤维拔出试验时测得的平均峰值黏结应力㊂单根SCA 改性钢纤维在7㊁28d 时的拉拔曲线与拔出功如图10所示㊂横坐标采用无量纲S /L E (S 为实际滑移距离,L E 为纤维嵌入基体的深度)表示,使用这种方法,即使在不同的纤维嵌入深度下,也可以比较纤维拔出试验曲线㊂平均黏结应力计算公式如式(2)所示㊂τav =P max πd f L E (2)式中:τav 为平均黏结应力;P max 为峰值拉拔荷载;d f 为钢纤维的直径;L E 为纤维嵌入基体深度㊂拔出功也称为拔出能,由单纤维拔出试验所获得的荷载-位移曲线进行积分求算面积所得,反映了单根钢纤维在拔出过程中的能量消耗情况,也常用来表征纤维与基体间的黏结性能[9],计算公式如式(3)所示㊂W p =ʏL E 0P (s )d s (3)式中:W p 为拔出功;P (s )为位移为s 时的荷载㊂2332㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图10㊀基体中单纤维的7㊁28d平均黏结应力曲线与拔出功Fig.10㊀Average bonding stress curves and pull-out energy of single-fiber in matrix at7and28d由图9与图10可以看出,相比对照组,10A在7d时的平均峰值黏结应力与拔出功分别提升63.1%与123.7%㊂这可能与KH560的开环放热效果加速了钢纤维-基体界面区域处水泥熟料的早期水化进程有关㊂28d时,10A的平均峰值黏结应力与拔出功相比对照组降低了62.6%和75.7%㊂KH560能够增强钢纤维-基体界面早期黏结性能,劣化后期界面黏结性能,KH550则呈现相反的趋势㊂7d时,10B的平均峰值黏结应力和拔出功分别降低了20.2%和60.5%㊂而在28d时,10B的平均峰值黏结应力和拔出功增加了71.4%与88.8%㊂这主要与KH550对早期界面区域处水泥水化进程的延滞作用,以及后期延滞作用逐渐消失有关[13,28]㊂此外,KH550在钢纤维-基体界面建立的化学键连接显著提高了界面黏结力[18]㊂随着KH560含量增加与KH550含量降低,复合SCA改性组的早期界面黏结性能呈上升趋势,后期界面黏结性能呈下降趋势㊂改性组中,10H55和10H73弥补了KH550早期界面黏结性能弱和KH560后期界面黏结性能弱的缺点,提升了早期和后期的钢纤维-基体界面黏结性能㊂10H55的平均峰值黏结应力在7㊁28d分别提高了17.9%和16.3%,拔出功分别提高了25.3%和2.2%,10H73的平均峰值黏结应力分别提升了4.8%和23.1%,拔出功分别提升了0.6%和23.4%㊂2.3㊀微观结构分析为考察复合SCA对钢纤维表观形貌的影响,对未改性组和10H73改性组的钢纤维表面进行SEM观测,观测结果如图11所示㊂未改性的钢纤维表面光滑,几乎看不到附着物㊂相比于未改性的钢纤维,改性组的钢纤维表面粗糙,有较为明显的附着物层,说明复合SCA改变了钢纤维表面的物理形貌㊂这可能是因为钢纤维表面的铜有利于SCA形成Cu O Si化学键㊂该机制的存在促进了SCA在钢纤维表面的积累,提高了钢纤维表面的粗糙度,这种改性机制有效提高了钢纤维-基体界面黏结能力,并对单纤维的峰值黏结应力㊁拔出功,以及改性钢纤维水泥基复合材料的弯曲强度和韧性产生明显的增强作用㊂此外,SCA能够发生自缩合反应[18],可能会增加SCA在钢纤维表面的积累,对钢纤维-基体界面黏结能力产生积极的影响㊂第7期孙庭超等:硅烷偶联剂改性钢纤维水泥基复合材料弯曲性能研究2333㊀图11㊀未改性和改性钢纤维的SEM 照片Fig.11㊀SEM images of unmodified and modified steel fiber 在28d 弯曲试验结束后,未改性组和10H73改性组的钢纤维形貌如图12所示㊂可以看出,未改性组钢纤维表面光滑,附着水泥基质较少,而10H73改性组的钢纤维表面相对更加粗糙且附着的水泥基质更多㊂这证明了在复合SCA 的改性作用下,28d 时钢纤维与水泥基体之间建立了更加紧密的连接㊂钢纤维与基体间黏结能力的增强显著提高了钢纤维的拉拔性能以及水泥基复合材料的弯曲性能㊂KH550中的氨基与水泥基体建立化学键连接[18],以及钢纤维表面粗糙度的增加共同促进了界面黏结性能的提高㊂图12㊀弯曲试验后未改性和改性钢纤维的SEM 照片Fig.12㊀SEM images of unmodified and modified steel fiber after bendingtest 图13㊀未改性和改性钢纤维的红外光谱Fig.13㊀FTIR spectra of unmodified and modified steel fiber 图13为未改性组与10H73改性组的FTIR 光谱㊂可以看出,在2926和1477cm -1附近出现甲基与亚甲基的伸缩振动峰,1559cm -1处出现C N 伸缩振动峰,说明钢纤维表面覆有KH550改性膜㊂KH550上的氨基与水泥基建立的化学键连接提高了钢纤维在基体中的拉拔性能,进而改善钢纤维水泥基复合材料的弯曲强度与韧性㊂1261cm -1处出现环氧基峰,说明钢纤维表面存在KH560改性膜㊂改性钢纤维水泥基复合材料早期弯曲性能的增强可能与该官能团的开环放热促进了钢纤维周围水泥水化有关㊂1001cm -1的峰与Si O Si 有关,这证明SCA 发生了自缩合反应㊂而在687cm -1处出现Cu O Si 的峰说明了SCA 膜与钢纤维表面存在化学键连接㊂在物理改性方面,这两种机制使得复合SCA 能够在钢纤维表面积累,并改善其粗糙度,进而提高钢纤维-基体界面的黏结能力㊂通过在钢纤维-SCA-基体界面区域建立化学键连接机制,进一步提高试件的弯曲强度与韧性㊂2334㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷3㊀结㊀论1)KH550和KH560复合能够提高钢纤维水泥基复合材料早期和后期的弯曲性能㊂其中,KH550与KH560体积比为5ʒ5的改性组的7㊁28d弯曲强度分别提高了12.8%和3.6%,弯曲韧性分别提高了12.3%和1.2%㊂KH550与KH560体积比为7ʒ3的改性组的7㊁28d弯曲强度分别提高了0.6%和8.1%,弯曲韧性分别提高了1.3%和5.8%㊂2)单纤维的平均峰值黏结应力和拔出功与钢纤维水泥基复合材料的弯曲试验结果一致㊂KH550与KH560体积比为5ʒ5的改性组的平均峰值黏结应力在7㊁28d分别提高了17.9%和16.3%,拔出功提高了25.3%和2.2%,KH550与KH560体积比为7ʒ3的改性组的平均峰值黏结应力在7㊁28d分别提升了4.8%和23.1%,拔出功分别提升了0.6%和23.4%㊂3)KH550和KH560复合使用提高了钢纤维表面的粗糙度,增强了钢纤维-基体界面黏结能力㊂4)复合KH550和KH560改性可以实现钢纤维-SCA-基体界面的化学键连接㊂该机制能有效提高钢纤维在基体中的拉拔性能,以及钢纤维水泥基复合材料的弯曲性能㊂参考文献[1]㊀YOO D Y,BANTHIA N,YANG J M,et al.Size effect in normal-and high-strength amorphous metallic and steel fiber reinforced concretebeams[J].Construction and Building Materials,2016,121:676-685.[2]㊀LU M Y,XIAO H G,LIU M,et al.Improved interfacial strength of SiO2coated carbon fiber in cement matrix[J].Cement and ConcreteComposites,2018,91:21-28.[3]㊀LEE M K,BARR B I G.An overview of the fatigue 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