聚甲醛纤维增强混凝土抗折性能研究

刘　露，侯　帅，吴　静，王罗新



聚甲醛纤维增强混凝土抗折性能研究

刘露1，侯帅2，吴静1，王罗新1*

(1 武汉纺织大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430073；2 安徽水利开发股份有限公司，安徽 蚌埠 233010)

针对聚甲醛（POM）纤维增强混凝土的抗折性能展开研究。以PP纤维增强的混凝土作为对比，研究不同掺量和不同长度的POM/PP纤维对增强混凝土的抗折强度的影响。研究结果表明，6mm长的POM纤维在0.6kg/m3掺量时抗折性能最好，6mm长的PP纤维在1.2 kg/m3掺量时抗折性能最好。POM纤维掺量在0.9 kg/m3时，6mm和12mm长的POM纤维增强的混凝土具有较好的抗折性能，PP纤维掺量在1.3 kg/m3时，同样在6mm和12mm长的PP纤维增强的混凝土具有较好的抗折性能。不同长度的POM纤维等量混掺增强的混凝土，以3mm和6mm混掺增强的混凝土抗折性最好。

POM纤维；增强混凝土；掺量；混掺；抗折强度

POM纤维作为最近几年开发研究的高性能纤维之一，其具有高强高模、优异的耐化学品和耐溶剂性能，结晶度高，抗张强度与铁丝相仿且具有极好的分散性等特征。其优异性能使其将来作为填充材料应用到复合材料中的领域十分广阔，已有相关文献[1,2]提到将其应用到混凝土中等领域会极大的改善现有普通混凝土的性能不足等现状。现有常规混凝土存在抗拉强度低、抗裂性差和抵抗形变性能差的缺陷，即韧性比较差，材料的脆性明显[3,4]。用纤维来提高材料的抗拉强度以降低混凝土的脆性，自古有之，如稻草泥巴墙等[5]。从国外纤维增强混凝土材料的发展及应用来看，上个世纪60年代，PP、PVC和尼龙纤维已在国外作为增强纤维来提高砂浆的抗冲击性能[6]。目前合成纤维在美国，日本和加拿大等国得到广泛应用，较常用到的领域有高层建筑、预制墙板、公路路面和桥面等[7-9]。本文针以PP纤维作为对比，研究了POM纤维不同长度、不同掺量和混掺对混凝土抗折性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验材料

POM纤维：四川省纺织科学研究院提供，性能参数见表1。

PP纤维：大连金竹化工有限公司，性能参数见表1。

水泥：P.O 42.5水泥，华新水泥股份有限公司。

粉煤灰：Ⅰ级灰，阳逻电厂粉煤灰。

矿粉：45微米筛余9.5%，活性指数S95。

减水剂：聚羧酸高效减水剂，中建商品混凝土有限公司新型建材厂。

砂、石：市购，砂吸水率3.9%，饱和面干表面密度2.5g/cm3，细度模数2.67，含泥量2.36%。粒径0－5mm的碎石，其吸水率1.87%，饱和面干表观密度2.6g/cm3，含泥量0.73%。粒径20－40mm的碎石，其吸水率1.42%，饱和面干表观密度2.6，含泥量0.25%。

表1 POM纤维和PP纤维的性能

1.2 实验方法

本实验基准混凝土配合比见表2，在基准混凝土中掺加不同长度单掺及混掺的POM纤维或PP纤维，POM纤维的掺量为0.6、0.9、1.3和1.8kg/m3，PP纤维的掺量为0.6、1.3和1.8 kg/m3。

根据相关拌合序列对纤维分散性的影响的研究文献[10]，本实验拌合工艺采取如下的步骤。对不掺纤维的混凝土，将所称取的水泥、粉煤灰、矿粉、砂、石一次装入搅拌机内，干搅1min后加入水，水加完后接着加入减水剂，控制加水和加减水剂过程在30s内完成，减水剂加完后湿搅2min后出土。对掺纤维的混凝土，将所称取的水泥、粉煤灰、矿粉、砂、石一次倒入搅拌机内，干搅30s后加入纤维，加入纤维后干搅1min后相继加入水和减水剂，再湿搅3min后出土。新拌混凝土在100mm、100mm、400mm的模具中成型，成型24h拆模，放入标准养护室进行养护至等测龄期时进行混凝土抗折强度的测试。

表2 基准混凝土配合比kg/m3

1.3 测试方法

按照符合现行国家标准GB/T 50080－2002普通混凝土拌合物性能试验方法标准取样。按照GB/T 50081－2002普通混凝土力学性能试验方法标准的要求进行标准养护，测试抗折强度。抗折强度测试在武汉理工大学测试中心力学性能实验室完成，采用Instron Corporation荷载-挠度曲线测试项目，依据JG/T 3064-1999，加载速率为0.1000mm/min。

每组测试三个样取平均值。图1为所采用的Instron Corporation仪器和所采用的测试方法。

图1 采用的测试仪器和测试方法

2 结果与讨论

2.1 纤维掺量对混凝土抗折强度的影响

混凝土抗折强度计算公式：F=PL/(bhh)。

换算系数：0.85，其中P为断裂时的荷载力值，L为支座间跨度，b、h分别为试件界面的宽度和高度。

图2 POM纤维掺量对混凝土抗折强度的影响

图3 PP纤维掺量对混凝土抗折强度的影响

如图2所示为POM纤维掺量对混凝土抗折强度的影响，从图中可以看出，POM纤维增强混凝土抗折强度较素混凝土抗折强度有所增加，在POM纤维长度为6mm时，0.6kg/m3掺量的POM纤维增强的混凝土抗折强度最高。但当掺量超过0.6kg/m3时，随着POM纤维掺量的增加，POM纤维增强的混凝土抗折强度不断下降，但直至1.8kg/m3掺量下获得的最小抗折强度较素混凝土抗折强度要高。

如图3所示为PP纤维掺量对混凝土抗折强度的影响，从图中可以看出，PP纤维增强混凝土抗折强度在PP纤维6mm长度时，PP纤维增强混凝土抗折强度随着PP纤维掺量的增加而增加，在1.3kg/m3掺量时PP纤维混凝土抗折强度值最大，但当掺量达到1.8kg/m3时PP纤维混凝土抗折强度下降。当PP纤维掺量为0.6kg/m3时的PP纤维混凝土抗折强度较素混凝土抗折强度值反而要小，说明只有在合适的PP纤维长度和掺量时，PP纤维增强的混凝土才具有增强的效果。

综合分析图2和图3可发现，POM纤维增强混凝土在POM纤维较小掺量时即可较大程度的提高混凝土的抗折强度，而PP纤维增强混凝土在低掺量时对混凝土抗折强度有负效应影响。POM或PP纤维增强混凝土抗折强度随纤维掺量增加的变化趋势不同，图2中的POM纤维增强的混凝土抗折强度表现出了一定的趋势，相比图3中的PP纤维增强混凝土抗折强度不太稳定，关于其现象产生的原因还有待于展开进一步的深入研究。

2.2 纤维长度对混凝土抗折强度的影响

图4所示为POM纤维长度对混凝土抗折强度的影响，从图中可以看出，在POM纤维0.9kg/m3掺量时，POM纤维混凝土整体强度较素混凝土抗折性能提高。其中6mm和12mm长的POM纤维增强的混凝土抗折性能最好，而3mm和9mm长的POM纤维增强的混凝土抗折性能较没掺纤维的混凝土抗性能影响较小。

图4 POM纤维长度对混凝土抗折强度的影响

图5　PP纤维长度对混凝土抗折强度的影响

图5所示为PP纤维长度对混凝土抗折强度的影响，从图中可以看出，在PP纤维1.3kg/m3掺量时，当PP纤维长度小于6mm时，PP纤维增强混凝土抗折强度随着PP纤维长度增加而增加，在6mm长度时最大。当PP纤维长度超过6mm时，随着PP纤维长度增加，纤维混凝土抗折强度也有一定程度的增加，但整体抗折强度小于6mm时PP纤维混凝土的抗折强度。其中9mm长PP纤维增强的混凝土的抗折强度值较未掺PP纤维的混凝土要小，6mm和12mm长的PP纤维增强的混凝土的抗折强度值相近。

综合分析图4和图5可发现，POM或PP纤维增强的混凝土的抗折强度随纤维长度的增加展现了相同的变化趋势。两种纤维增强的混凝土均是在纤维长度为6mm和12mm时对混凝土的抗折强度有较大提升，但两种纤维增强的混凝土抗折强度几乎在同一水平时，PP纤维耗用量1.3 kg/m3较POM纤维0.9kg/m3大出许多。

2.3 不同长度POM纤维混掺对混凝土抗折强度的影响

图6所示为POM纤维混掺对混凝土抗折强度的影响，从图中可以看出，不同长度POM纤维等量混掺时，POM纤维混凝土整体抗折强度提高。但随着POM纤维平均长度的增加，POM纤维混掺增强混凝土抗折强度呈下降趋势。其中在0.9kg/m3掺量时，3、6mm长POM纤维等量混掺的混凝土抗折性能最好。比较3、6mm和3、9mm两组实验，发现平均长度较长的3、9mm这组实验所测抗折强度值较小，其可能的原因在于其相比3、6mm这组实验，其所含纤维的根数要小。另比较3、12mm和3、6、9、12mm两组实验，其具有相同的平均长度，但后者的抗折强度较前者要高，其可能的原因在于更多不同长度的纤维混掺时具有较好的协同作用。

图6 不同长度POM纤维混掺对混凝土抗折强度的影响

3 结论

（1）6mm长的POM纤维在0.6kg/m3掺量时抗折性能最好，6mm长的PP纤维在1.3kg/m3掺量时抗折性能最好。

（2）POM纤维掺量为0.9kg/m3时，长度为6mm和12mm的POM纤维增强混凝土抗折强度较高，PP纤维掺量在1.3kg/m3时，同样是在6mm和12mm的纤维长度时，增强的混凝土具有较好的抗折性能，达到同一水平抗折强度需耗用更多的PP纤维。

（3）不同长度的POM纤维等量混掺增强混凝土，以长度为3mm和6mmPOM纤维混掺增强的混凝土抗折性最好。

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Study on the Flexural Performance of Polyoxymethylene Fiber Reinforced Concrete

LIU Lu1, HOU Shuai2, WU Jing1, WANG Luo-xing1

(1 College of Materials Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China;2 AnhuiWaterResourcesDevelopmentCo.Ltd, Bengbu Anhui 233010, China)

In this work, we studied the flexural performance of polyoxymethylene(POM) fiber with different content and different length reinforced concrete. The PP fiber reinforced concrete serves as a contrast. The results show that the flexural performance of 6mm POM fibers reinforced concrete at the 0.6kg/m3content is the best and 6mm PP fibers reinforced concrete at the 1.2 kg/m3content have best flexural properties. POM fibers at the length of 6mm and 12mm reinforced concrete have good flexural properties at the content of 0.9 kg/m3. Also PP fibers at the length of 6mm and 12mm reinforced concrete have better flexural performance at the content of 1.3 kg/m3. The lengths of 3mm and 6mm equal mixing POM fibers reinforced concrete have the best flexural performance.

POMFiber; Reinforced Concrete; Mixing Amount; Mix-Fibers; Flexural Strength

TU599

A

2095－414X(2013)03－0035－04

四川省科技支撑计划项目（2011GZ0226）；湖北省教育厅优秀青年人才项目（123029）；武汉纺织大学校基金项目（113071）.

王罗新（1971-），男，副教授，博士，研究方向：高性能纤维及其复合材料.