EDTA与纳米SiO2表面处理钢纤维增强普通及高强混凝土的力学性能研究

《Results in Engineering》：MECHANICAL PERFORMANCE OF NORMAL AND HIGH-STRENGTH CONCRETES REINFORCED WITH SURFACE-TREATED FIBERS

　　

EDTA处理增强了纤维与基体间的相互作用，且未对抗压强度产生显著影响。纳米SiO₂涂层提高了普通强度混凝土（normal-strength concrete, NSC）和高强度混凝土（high-strength concrete, HSC）中的峰值拔出荷载。较高的界面粘结强度促使NSC和HSC中的破坏模式转向纤维断裂。双边缘楔形劈裂（double edge wedge splitting, DEWS）试验结果表明，表面处理改善了NSC的裂缝后性能，但在HSC中降低了裂缝后承载能力。

**研究背景与意义**
钢纤维混凝土（steel fiber-reinforced concrete, SFRC）在裂缝控制和耐久性要求较高的结构中得到广泛应用，其裂缝后力学性能主要取决于纤维-基体界面的应力传递效率。已有表面处理研究多集中于超高性能混凝土或单一粘结试验，对常规商业钢纤维在普通和高强混凝土中的系统研究仍然不足。为弥补这一空白，研究人员采用乙二胺四乙酸（EDTA）及EDTA+纳米SiO₂表面处理商业端钩钢纤维，在普通强度混凝土（NSC）和高强度混凝土（HSC）中开展研究，重点评估界面改性对拔出行为、抗压强度及裂缝后性能的影响。该研究为合理设计钢纤维表面处理策略、平衡界面粘结与纤维抗拉强度提供了试验依据。

**研究与方法概述**
研究人员基于圣保罗地铁6号线预制管片混凝土配合比进行适配，设计NSC和HSC两种基体，固定商业端钩钢纤维Dramix? 3D 65/35掺量为58 kg/m³。主要技术方法包括：采用扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）表征纤维表面形貌与元素组成；通过狗骨形试件进行多纤维拔出试验以量化粘结-滑移行为；通过圆柱试件测定抗压强度；通过立方试件进行双边缘楔形劈裂（DEWS）试验以评估裂缝后抗拉性能；统计上采用Kruskal-Wallis、Nemenyi和Mann-Whitney非参数检验进行组间比较。

**3.1 扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）**
SEM-EDS结果显示，EDTA处理使纤维表面产生空腔并减少原有沟槽，表明铁氧化物层被去除；EDTA+纳米SiO₂处理后的纤维表面出现含硅富集层，Si信号显著增强，证实纳米SiO₂成功沉积，但涂层覆盖并不完全均匀，部分Fe区域仍暴露。

**3.2 抗压强度**
抗压强度测试显示，NSC平均抗压强度为48.7 MPa，HSC为66.0 MPa；不同纤维处理组之间无显著差异，说明EDTA和纳米SiO₂处理主要作用于纤维-基体界面，而不改变基体本身强度。

**3.3 粘结-滑移行为**
多纤维拔出试验中，EDTA处理使峰值拔出荷载PL1略有提高，但多数比较未达到统计显著水平，拔出曲线更为均匀；EDTA+纳米SiO₂处理使PL1显著提高，NSC中较未处理组增加60.8%，HSC中增加29.8%，但分别导致76.5%和100%的试件发生纤维断裂而非拔出。PL2和PL3在多数比较中无显著差异，说明处理主要影响初始粘结阶段。研究将纳米SiO₂的增强作用归因于其与氢氧化钙发生火山灰反应，使界面过渡区（interfacial transition zone, ITZ）更加密实；但过高的界面粘结超过钢纤维抗拉强度（1345 MPa），导致拔出耗能机制被纤维脆断替代。

**3.4 双边缘楔形劈裂（DEWS）试验**
DEWS试验中，在NSC中EDTA+纳米SiO₂组较未处理组的基体抗拉强度（FT）提高16.2%，服务极限状态强度（FSLS）提高35.8%，表明小裂缝张口位移（crack opening displacement, COD）为0.25 mm时的裂缝控制能力增强；而在HSC中FSLS降低39.1%。极限极限状态强度（FULS）在NSC和HSC中分别降低50.8%和47.5%。EDTA单独处理对DEWS参数无显著影响。上述结果与拔出试验中纤维断裂主导的破坏模式一致。

**讨论与结论**
讨论指出，EDTA处理的增强效果有限，而纳米SiO₂通过火山灰反应可显著提高界面粘结；但当界面粘结超过纤维抗拉能力时，纤维拔出过程被纤维断裂取代，反而损害裂缝后承载性能。研究结论可归纳为：表面处理不影响基体抗压强度；EDTA处理可改善纤维表面形貌和初始粘结趋势，但统计上不显著；EDTA+纳米SiO₂处理显著增强界面粘结并改善NSC的早期裂缝响应，但过强粘结导致NSC和HSC中纤维断裂率分别达到76.5%和100%，并使HSC的FSLS和FULS显著降低。因此，优化处理时长或涂层厚度以平衡界面粘结与纤维抗拉强度是后续研究的关键方向；降低纤维掺量的可能性尚需进一步验证。