聚甲醛纤维增强混凝土劈裂抗拉强度的研究

侯 帅，王文年，曾宪森，李小飞



聚甲醛纤维增强混凝土劈裂抗拉强度的研究

侯 帅1，王文年1，曾宪森2，李小飞1

(1 安徽水利开发股份有限公司，安徽 蚌埠 233010；2 武汉纺织大学 机械工程与自动化学院，湖北 武汉 430073)

对聚甲醛（POM）纤维增强混凝土的劈裂抗拉强度展开研究，以PP纤维增强的混凝土作为对比，研究不同长度和不同掺量POM纤维对增强混凝土的劈裂抗拉强度的影响。研究结果表明，长度为6mm 的POM和PP纤维增强的混凝土在掺量为0.9kg/m3时具有较好的抗劈拉性能。掺量为0.9 kg/m3时的POM纤维增强的混凝土中，长度为6mm的POM纤维增强混凝土具有较高的抗劈拉强度，而在掺量为1.3kg/m3时的PP纤维增强的混凝土中，PP纤维长度对混凝土强度影响较小。不同长度的POM纤维等量混掺增强的混凝土中，不同长度的等量混掺方案对混凝土的抗劈拉强度影响较小，其中以3、6、9和12mm四种长度等量混掺的混凝土抗劈拉效果最好。

POM纤维；长度；掺量；混掺；劈裂抗拉强度

纤维混凝土作为高性能混凝土之一[1]，自上个世纪60年代起，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[2]，其中英国、美国首先把聚丙烯短纤维用于增强混凝土，然后是意大利、联邦德国、丹麦等国，纤维混凝土目前已在我国工程领域广泛使用[3-5]。本文所用POM纤维为近年开发出的高性能纤维之一，具有高强高模、优异的耐磨损性、耐碱性、高的伸长回复特性。同时，POM纤维分子结构中含有大量的醚键，与无机材料有良好的相容性，结合强度高，有文献[6,7]提到将其应用到混凝土中会极大地改善现有普通混凝土的性能不足。已有的研究表明，混凝土中掺入的纤维长度、掺混量以及不同纤维的搭配对最终混凝土性能有明显影响[8-11]。因此，本文针对混凝土的抗劈拉性能展开研究，以PP纤维作为对比，研究POM纤维不同长度、不同掺量和混掺对混凝土劈拉抗裂强度的影响。

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：Ⅱ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%，饱和面干表观密度2.5g/cm3，细度模数2.67，含泥量2.36%。粒径为0－5mm的碎石，其吸水率1.87%，饱和面干表观密度2.6 g/cm3，含泥量0.73%。粒径为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

称取水泥、粉煤灰、矿粉、减水剂、纤维、砂、石和水，其中水的使用量根据现场砂、石含水率进行相应的调整，实验中采用的材料配方见表2。

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，减水剂加完后再湿搅2min后出料。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，干搅1min后相继加入水和减水剂，再湿搅3min后出料。将新拌混凝土装入150mm×150mm×150mm的模具中成型，成型24h拆模，放入标准养护室进行养护至待测龄期时进行相应的力学性能测试。

表2 每立方混凝土材料用量kg/m3

1.3 测试方法

按符合现行国家标准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，测试劈裂抗拉强度。

图1 劈裂抗拉测试仪和劈裂后的试件

劈裂抗拉强度测试在中建商品混凝土有限公司技术中心完成，试件测试采用边长为150mm、150mm、150mm的标准块，每组试件测试三次取平均值。所采用的测试仪器和劈裂后的试件如图1所示，劈裂抗拉强度值计算采用公式：

f=2F/(πA)=0.637F/A

其中F试件破坏荷载/N，A试件劈裂面面积/mm2。

2 结果与讨论

2.1 纤维掺量对劈裂抗拉强度的影响

如图2所示，往固定配合比的混凝土中掺入6mm长的POM纤维时，掺入POM纤维后的POM纤维混凝土的劈裂抗拉强度相比未掺POM纤维混凝土劈裂抗拉强度有一个提高。其中在POM纤维掺量为0.9kg/m3时，POM纤维混凝土劈裂抗拉强度提高较为明显。当POM纤维掺量超过0.9kg/m3后，随着POM纤维掺量的增加，POM纤维混凝土劈裂抗拉强度反而有一个下降，当POM纤维掺量高于1.2 kg/m3后，POM纤维掺量的增加对劈裂抗拉强度的影响较小。从此图中可以看出，POM纤维掺量越多不一定能提高POM纤维混凝土的劈裂抗拉强度，在掺量为0.9kg/m3时较为合适。

图2 POM纤维掺量对劈裂抗拉强度的影响

图3 PP纤维掺量对劈裂抗拉强度的影响

如图3所示，往固定配合比的混凝土中掺入6mm长的PP纤维时，PP纤维混凝土中PP纤维掺量在0.9kg/m3时PP纤维混凝土的劈裂抗拉强度值最大，相比未掺PP纤维混凝土劈裂抗拉强度增加。但PP纤维掺量小于0.9kg/m3时，PP纤维混凝土劈裂抗拉强度相比未掺PP纤维混凝土要低，且当PP纤维掺量大于0.9kg/m3时，随着PP纤维掺量增强，PP纤维混凝土劈裂抗拉强度随着下降，且劈裂抗拉强度值低于未掺PP纤维混凝土的劈裂抗拉强度值。综合图2和图3可明显的看出，POM纤维对混凝土的抗劈拉性能增强效果较PP纤维要好，特别是在纤维低掺量时较为明显。

2.2 纤维长度对劈裂抗拉强度的影响

如图4所示，往固定配合比的混凝土中掺入0.9kg/m3掺量的POM纤维时，在POM纤维长度为6mm时，POM纤维混凝土的劈裂抗拉强度最大。其中当POM纤维长度小于6mm时，随着POM纤维长度的增加，POM纤维混凝土的劈裂抗拉强度随着增加。当POM纤维长度大于6mm时，随着POM纤维长度的增加，POM纤维混凝土的劈裂抗拉强度逐渐减小，且当POM纤维长度为9mm和12mm时，劈裂抗拉强度值小于未掺POM纤维混凝土的劈裂抗拉强度值。

如图5所示，往固定配合比的混凝土中掺入1.3kg/m3掺量的PP纤维时，掺入PP纤维后，从不同长度的PP纤维混凝土劈裂抗拉强度整体效果看，1.3kg/m3掺量的PP纤维对混凝土的劈裂抗拉强度影响较小。随着PP纤维长度的增加，在PP纤维长度为9mm时，PP纤维混凝土劈裂抗拉强度最大。当PP纤维长度小于9mm时PP纤维混凝土劈裂抗拉强度值反而小于未掺PP纤维的混凝土，当PP纤维长度大于9mm时，相比9mm长的PP纤维混凝土劈裂抗拉强度值稍有降低。综合图4和图5发现，0.9 kg/m3低掺量的POM纤维增强的混凝土抗劈拉性能要优于1.3 kg/m3较好掺量的PP纤维增强的混凝土，且在图5中发现3mm长的PP纤维增强的混凝土抗折强度反而出现负效应。

图4 POM纤维长度对劈裂抗拉强度的影响

图5 PP纤维长度对劈裂抗拉强度的影响

2.3 不同长度POM等量混掺对劈裂抗拉强度的影响

图6为固定配合比的混凝土中不同POM纤维长度等量混掺对POM纤维混凝土的劈裂抗拉强度的影响。从图中可以看出，掺入POM纤维后的POM纤维混凝土的劈裂抗拉强度整体相比未掺POM纤维混凝土劈裂抗拉强度有一个提高。且在相同POM纤维掺量下，两种POM纤维混掺时，随着掺入的POM纤维均值长度越长，POM纤维混凝土劈裂抗拉强度随着下降。由于一定掺量下，纤维越长，则纤维根数越少，这说明纤维的根数相比纤维长度对混凝土劈裂抗拉强度的作用更为明显。当四种POM纤维混掺时，POM纤维混凝土劈裂抗拉强度相比两种POM纤维混凝土劈裂抗拉强度有一定程度提高。由于3、6、9、12四种POM纤维与3、12两种POM纤维均值长度相等，掺量相同，说明不同长度POM纤维等量混掺起到了协助作用。

图6 不同长度POM等量混掺对劈裂抗拉强度的影响

3 结论

（1）6mm长的POM和PP纤维增强的混凝土在0.9kg/m3掺量时具有较好的抗劈拉性能。

（2）在0.9 kg/m3掺量时的POM纤维增强的混凝土中，6mm长的POM纤维增强的混凝土具有较好的抗劈拉性能，而在1.3kg/m3掺量时的PP纤维增强的混凝土中，PP纤维长度对混凝土强度影响较小。

（3）不同长度的POM纤维等量混掺增强的混凝土中，不同长度的等量混掺方案对混凝土的抗劈拉强度影响较小，其中以3、6、9和12mm四种长度等量混掺的混凝土抗劈拉效果最好。

四川省纺织科学研究院王桦研究员，武汉纺织大学材料科学与工程学院的吴静博士、王罗新博士对本文的完成提供了支持，武汉纺织大学材料科学与工程学院在读研究生刘露同学对试验作了大量工作。在此，一并致谢。

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Study on Splitting Tensile Strength of Polyoxymethylene Fiber Reinforced Concrete

HOU Shuai1, WANG Wen-nian1, ZENG Xian-sen2, LI Xiao-fei1

(1AnhuiWaterResourcesDevelopmentCo.Ltd, Bengbu Auhui 233010, China;2 College of Mechanical Engineering and Atoumatic, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China;)

In this work, we studied the splitting tensile strength of polyoxymethylene(POM) fiber of different content and different length reinforced concrete. The PP fiber reinforced concrete serves as a contrast. The results show that the splitting tensile properties of 6mm POM or PP fiber reinforced concrete at the 0.9kg/m3content is the best, and 6mm POM fibers reinforced concrete has good splitting tensile properties at the 0.9kg/m3content, while little effect of PP fiber with different length reinforced concrete on the splitting tensile strength at the 1.3kg/m3content was found. The mixing schemes of mixing POM fibers with different length reinforced concrete has little effect on the splitting tensile strength, and 3, 6, 9 and 12mm four length equal mixing concrete tensile effect best.

POM Fibers; Length; Mixing Amount; Mix-fibers; Tensile Splitting Strength

TU599

A

2095－414X(2013)03－0039－04

侯帅（1981-），男，工程师，研究方向：公路与市政工程管理.

四川省科技支撑计划项目（2011GZ0226）.