基于单宁酸表面改性的钢纤维表征及其增强混凝土研究

The use of steel fiber in concrete becomes the major research direction to prevent the concrete runway cracks and improve their durability and resistance to abrasion. This project proposes to use tannic acid to bio-functionalize the steel fibers so that the effectiveness of using steel fiber can be significantly increased. The functionalization of steel fiber using tannic acid can enhance the interface between steel fiber and matrix and improve the dispersion of steel fiber in concrete, leading to a stronger and more durable steel fiber reinforced concrete. As a result, the service life of runway can be greatly increased, and the cost of runway life cycle can be reduced..In this project, many advanced analytical tools have been employed, including TEM, XRD, MIP, FTIR, nano-indentation, CT Scan etc. to study the effect and mechanism of tannic acid functionalization on the surface properties and strength of treated steel fiber; investigate the influence of this treatment on the microstructure and cement hydration products at the interface between steel fiber and matrix and measure the bonding abilities of treated steel fiber from different scales so that the working mechanisms on how the bio-functionalization improve the bonding ability of steel fiber can be clarified; examine the effect of bio-functionalization of steel fiber on the dispersion ability of steel fiber in concrete, measure the mechanical properties and anti-corrosion ability of produced steel fiber reinforced concrete, simulate the interface between steel fiber and matrix using molecular dynamics, so that the effect of tannic acid functionalization can be optimized.

鉴于现在机场跑道易开裂，耐久性差以及不耐磨等缺点，在混凝土铺面里添加钢纤维成为了目前跑道铺面材料发展的主流方向。本项目提出使用单宁酸对钢纤维进行表面改性处理，改善钢纤维在混凝土中的分散性和提高钢纤维和水泥基材料之间的界面性能，从而增强钢纤维混凝土力学和耐腐蚀性能，达到延长机场跑道的使用寿命，降低跑道寿命周期成本的目的。.通过TEM、XRD、MIP、FTIR、纳米压痕、CT多种现代测试技术联用，研究单宁酸对钢纤维表面特征和物理性质特征的影响机理；研究单宁酸对钢纤维和水泥砂浆界面处的微结构发展和水化产物形成的影响规律，结合单宁酸对钢纤维黏结性能多尺度力学测试，揭示钢纤维表面改性对钢纤维粘结性能的作用机理；研究单宁酸表面改性对钢纤维在混凝土中分散性的作用，结合单宁酸对钢纤维混凝土力学和耐久性能的影响，使用分子动力学模拟，探索优化单宁酸处理钢纤维方法。

在水泥混凝土中掺入钢纤维可以显著提高混凝土路面的抗弯拉性能，延长混凝土路面的使用寿命。然而，钢纤维与水泥基体间单一的嵌锁效应难以充分利用钢纤维本身优良的拉伸性能，为了进一步提升钢纤维混凝土整体的力学性能，可以对钢纤维表面进行化学改性，通过提供额外的化学连接来增强钢纤维和水泥基体间的界面粘结性能。本项目采用了由生物启发的单宁酸对钢纤维表面进行改性，赋予了钢纤维表面化学活性，增强了钢纤维和水泥砂浆的界面粘结性能，显著提升了钢纤维增强混凝土的力学性能。.本项目首先围绕单宁酸改性前后的钢纤维表面特征进行研究，通过X射线光电子能谱验证了单宁酸可以通过化学吸附方式对钢纤维表面进行化学改性，同时通过表面能实验确定了最佳的浸泡时间与pH值，并为后面选择合适的处理浓度提供初步范围依据；分别通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜对钢纤维和水泥基体界面的矿物成分和微观结构进行分析，发现高浓度的单宁酸虽然抑制了水泥水化，但是可以促进钢纤维周边水泥水化的均匀性，压汞试验数据显示单宁酸改性可以降低钢纤维周边的砂浆孔隙率，使钢纤维与水泥基体界面连接处的应力薄弱处转移到周围的水泥基体之间，通过钢纤维拉拔测试发现单宁酸处理浓度从0.5%提升到1.5%的过程中，钢纤维与水泥基体间的极限粘结强度不断增强，证实了单宁酸改性可以提升钢纤维和水泥砂浆之间的粘结强度；通过电子计算机断层扫描对单宁酸改性前后的钢纤维水泥砂浆分析测试也进一步证明了单宁酸改性可以有效降低砂浆孔隙率，并且发现钢纤维在混凝土中的分布得到改善，减少了纤维密集和稀疏区域，促进钢纤维整体力学性能的提高，同时抗弯拉和抗压等宏观力学试验结果表明单宁酸改性可有效提高钢纤维砂浆的抗折强度，抗压强度和韧性指数，发现1%浓度单宁酸是最佳的钢纤维改性处理方式。最后从分子动力学角度，发现单宁酸可以通过外部的羟基与水泥水化产物形成氢键，进一步从分子角度证实了单宁酸改性可以提高钢纤维和水泥基体界面粘结性能。研究成果可以为研发基于单宁酸的高性能钢纤维混凝土提供理论依据和技术支撑，对提升道面性能，延长跑道使用寿命具有显著意义。依托项目研究，已发表学术论文6篇，获批和申请发明专利各1项，培养包括博士生、研究生、本科生共4人，参加国内外学术交流4次。