聚甲醛纤维增强砂浆的力学性能和干燥收缩试验研究

2022-11-01周至阳梅军鹏李海南廖宜顺徐智东牛寅龙李雨浓

硅酸盐通报 2022年10期

周至阳，梅军鹏,2，李海南，廖宜顺,2，徐智东，牛寅龙，李雨浓

(1.武汉科技大学城市建设学院，武汉 430065；2.武汉科技大学高性能工程结构研究院，武汉 430065；3.武汉纺织大学工程造价系，武汉 430200；4.中建三局第一建设工程有限责任公司，武汉 430040)

0 引言

在水泥基材料中常用的纤维包括聚丙烯纤维、钢纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等。但聚丙烯纤维的强度和弹性模量低，分散性较差，降低了其增强效果；钢纤维的自重较大，在混凝土内常受到氯离子锈蚀；玻璃纤维在混凝土内碱性环境中会发生化学腐蚀，容易在搅拌时被折断[1]；玄武岩纤维的延性较差，搅拌较困难;聚甲醛(polyoxymethylene， POM)纤维具有高强高弹模、尺寸稳定、粘结性强、分散性佳和耐碱性强等特性，是一种综合性能良好的合成热塑性纤维。Liu等[2]研究发现POM纤维有良好的耐久性，可提高混凝土的抗渗性能。吕锦飞[3]研究发现掺入POM纤维可使混凝土的抗压强度降低，劈拉强度和抗折强度显著增强，但掺量过大时，增强效果减弱。田国峰等[4]比较聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维和POM纤维对砂浆力学性能和抗冻性的影响，发现POM纤维试样具有更好的韧性和抗冻性。张丽辉等[5]通过平板约束法对比研究了POM纤维、聚丙烯纤维砂浆的抗裂性能，发现POM纤维提高砂浆抗塑性开裂性能的效果最好。

目前对POM纤维增强砂浆力学性能研究较多，但所选纤维的长度较单一，同时对POM纤维增强砂浆弯曲韧性和干燥收缩研究较少，而研究纤维对砂浆缺陷(如韧性差和易干缩开裂等)的改善对提高混凝土结构的耐久性和安全性有重要作用。本文通过将不同长度POM纤维单掺和混掺，研究其对砂浆流动度、抗折强度、抗压强度、弯曲韧性及干燥收缩的影响规律，并选取力学性能优良、纤维掺量最佳的试样，利用扫描电镜对破坏截面进行观测分析。

1 实验

1.1 原材料

水泥：华新水泥公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥(ordinary Potland cement, OPC)。砂：厦门艾思欧标准砂有限公司生产的ISO标准砂。纤维：重庆云天化天聚新材料有限公司生产的POM纤维，密度1.42 g/cm3，抗拉强度800 MPa，弹性模量10 GPa，断裂伸长率30%，长度分别为6 mm、12 mm。

1.2 配合比及试件制备

POM纤维增强砂浆配合比及编号见表1。制备试块时，加入水泥和标准砂低速搅拌30 s，随后加入POM纤维低速搅拌1.5 min，最后加入水高速搅拌3 min。搅拌结束后，分两层在模具中浇筑成型，在振动台振捣密实。试样成型后置于温度(20±1) ℃、相对湿度>90%的标准养护箱中养护24 h。

表1 POM纤维增强砂浆配合比Table 1 Mix proportion of POM fiber reinforced mortar

1.3 试验方法

参照《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419—2005)测定砂浆的流动度；参照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)，采用YAW-200/300型全自动压力测试机测定龄期为7 d、28 d试样的抗压强度和抗折强度，试样的尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，养护条件为温度(20±1) ℃，相对湿度>90%；参照ASTM-C 1018—98标准，采用WD-P6305微机控制电子万能试验机进行三点弯曲加载方式测定龄期为28 d试样的荷载-挠度曲线，净跨为120 mm，等速位移为0.2 mm/min，试样尺寸和养护条件同力学强度试验；参照《水泥胶砂干缩实验方法》(JC/T 603—2004)测定1 d、3 d、7 d、14 d、21 d、28 d、45 d、60 d、90 d试样的干燥收缩，试样的尺寸为25 mm×25 mm×280 mm，养护条件为温度(20±3) ℃，相对湿度(50±3)%；采用日本JSM-6610型电子扫描电镜在真空环境下对试样断面形貌进行观察。

2 结果与讨论

2.1 流动度

POM纤维试样的流动度随纤维长度与掺量变化情况如图1所示。从图1可见，随纤维掺量增加，砂浆的流动度呈下降趋势[6]。这是因为当掺量增大，纤维之间间距减小，互相更易搭接，形成网状结构，同时更多浆体包裹在纤维表面，使浆体起到的润滑作用减弱，阻碍砂浆流动[7]。

图1 纤维长度与掺量对砂浆流动度的影响Fig.1 Effects of fiber length and content on fluidity of cement mortar

相同掺量时，6 mm POM纤维试样的流动度始终大于12 mm纤维试样的流动度。纤维长度越长，砂浆的流动度越差，纤维长度与流动度呈负相关关系。这是因为长纤维比短纤维更易相互搭接，形成的网状结构更紧密[8]。混掺POM纤维试样的流动度始终大于单掺纤维试样的流动度，这是因为水泥基材料是由水泥浆体、集料及其界面组成的多层次、多结构、多组分的非均质复合材料，掺入单一长度的纤维，仅能适配某一层次、某一结构、某一组分，而不同长度纤维的混掺可以使水泥基材料的结构级配更加合理[9]。

纤维掺量增加时，试样流动度的下降趋势放缓。掺量较小时，12 mm POM纤维比6 mm使砂浆的流动度下降更明显，随掺量增加，两者的流动度差距逐渐缩小。这可能是掺量小于0.6%时，纤维形成的网状结构对流动性的影响起主要作用，12 mm纤维形成网状结构更紧密。当掺量超过0.6%时，纤维之间间距变化不大，形成的网状结构紧密程度相似，纤维与砂浆间的摩擦力对流动度的影响变大[10]，6 mm POM纤维有更大的表面积，从而与砂浆摩擦力更大。

2.2 力学性能

7 d、28 d龄期POM纤维增强砂浆的抗折强度、抗压强度随纤维长度与掺量变化情况如图2、图3所示。

由图2可见，POM纤维对砂浆的抗折强度有明显的增强效果。单掺纤维试样的抗折强度随掺量的增加先增大后降低，纤维掺量为0.6%时，7 d龄期6 mm和12 mm纤维试样抗折强度分别提高16.12%、12.90%，28 d龄期分别提高14.67%、13.33%。掺量为0.8%时，单掺纤维试样的抗折强度降低，混掺POM纤维对抗折强度仍存在增强效果，7 d和28 d龄期分别增加16.13%、13.13%。当试样承受荷载时纤维的桥接作用能抑制裂缝的产生和扩大，纤维从砂浆中拔出或破坏，也能消耗部分能量[11]，从而提高砂浆的抗折强度。当掺量过高，纤维的桥接作用得到增强，但纤维分布不均匀的问题会更加显著，使得基体的孔隙和初始缺陷增多[12-13]，同时也导致纤维包裹的胶凝材料减少，影响粘结强度。当一系列的不利效果超过有利效果，抗折强度便会降低[14]。

图2 纤维长度与掺量对砂浆抗折强度的影响Fig.2 Effects of fiber length and content on flexural strength of mortar

由图3可见，在试样中掺入POM纤维后抗压强度都降低，这是因为纤维的弹性模量比砂浆低，掺入纤维后整体的抗压强度会降低[15]。掺量为0.2%、0.4%、0.6%和0.8%的混掺纤维试样的抗压强度相较参照组在7 d龄期时分别降低2.79%、4.58%、4.96%、7.75%，28 d龄期时分别降低1.87%、2.94%、4.29%、5.56%，试样抗压强度的降低幅度随龄期的增长呈下降趋势。这是因为纤维和砂浆共同承担荷载，随龄期的增长及水化程度的加深，砂浆的强度和弹性模量逐渐增大，纤维对整体抗压强度的影响降低[16]。

图3 纤维长度与掺量对砂浆抗压强度的影响Fig.3 Effects of fiber length and content on compressive strength of mortar

2.3 弯曲韧性

图4为28 d龄期不同长度和掺量POM纤维增强砂浆的荷载-挠度曲线。单掺纤维试样峰值荷载均随掺量增加先增大后降低，与未掺纤维试样相比，掺6%长度为6 mm和12 mm纤维试样的荷载峰值从2.32 kN分别增加到2.62 kN、2.69 kN，增加了13.30%、16.23%，掺量0.8%时，6 mm和12 mm纤维试样峰值荷载分别降至2.45 kN、2.462 kN，仍高于未掺纤维试样的峰值荷载；混掺纤维试样峰值荷载随掺量增加而增大，纤维的掺量从0%增加到0.8%，混掺纤维试样的峰值荷载从2.316 kN增加到2.564 kN，增加了10.71%。这与试样抗折强度的规律相同。从图中还可看出试样在达到峰值荷载时挠度也随纤维掺量增加呈先增大后减小的趋势，与未掺纤维试样相比，当掺量为0.6%时，6 mm、12 mm和混掺纤维试样的峰值荷载时的挠度最大，分别为0.50 mm、0.63 mm和0.48 mm，增加了38.12%、74.00%和32.60%，大大提高了试样的变形能力。

图4 不同长度和掺量纤维增强砂浆的荷载-挠度曲线Fig.4 Load-deflection curves of different length and content fiber reinforced mortar

同时未掺纤维试样在达到峰值荷载后曲线突然下降，纤维试样在达到峰值荷载后曲线也突然下降，下降到一定程度后又能承受荷载，曲线下降趋势变平缓，POM纤维试样存在残余强度，且随纤维掺量和长度的增大而一直提高。

砂浆弯曲韧性采用日本JCI弯曲韧度系数法，图5为POM纤维试样的弯曲韧度指数相较未掺纤维试样的增加幅度。图中数据表明随纤维掺量的增加，试样的弯曲韧性逐渐提高，12 mm POM纤维的增强效果更优，POM12-0.8的弯曲韧性提高最大，为49.43%。这是因为当试样承受荷载发生开裂，宏观裂缝处的纤维通过与基体的粘结力将荷载和变形引起的应力传递到裂缝外的基体，阻碍裂缝的扩展使得试样继续承受荷载和变形[17]。

图5 纤维增强砂浆弯曲韧度指数的增加幅度Fig.5 Rate of improvement of flexural toughness index of fiber reinforced mortar

2.4 干燥收缩

纤维长度及掺量对砂浆干燥收缩的影响如图6所示。由图6可知，纤维试样的干燥收缩率均小于未掺纤维试样，6 mm纤维试样的收缩率随掺量的增加先减小后增大，最佳掺量为0.6%，90 d的收缩率较未掺纤维试样降低27.39%；12 mm纤维试样的收缩率随掺量增加而增大，最佳掺量为0.2%，90 d的收缩率较未掺纤维试样降低17.74%；混掺试样的收缩率随掺量增加一直减小，最佳掺量为0.8%，90 d的收缩率较未掺纤维试样降低21.83%。这是因为POM纤维和基体的粘结力限制了试块的收缩，纤维本身也分担一部分收缩应力，起到了抑制收缩的作用[18]。此外纤维阻碍基体内部水分溢出的通道，增大了水分流失通道的曲折性，从而减少毛细管中水分损失[19]。但纤维掺量过多，砂浆的流动度降低和纤维分布的不均匀导致缺陷和孔隙增多，加速水分损失，造成了收缩率增大。

图6 纤维长度及掺量对砂浆干燥收缩的影响Fig.6 Effects of fiber length and content on drying shrinkage of mortar

2.5 SEM分析

图7为POM纤维试样断裂区域的SEM照片。由图7(a)、(c)可观察到试样破坏断裂面上POM纤维拔出留下的痕迹，POM纤维大多整体完整，端部没有颈缩，主要是被拔出破坏，说明POM纤维自身强度能承受桥接应力。试样达到最大承载力后，断裂界面处桥接基体的POM纤维在裂缝扩展时挣脱化学粘结力而发生滑移拔出，故试样的承载力急剧下降。而后在纤维滑移过程中，较小的摩擦粘结力能继续桥接裂缝，使试样存在残余强度且承载力曲线下降趋势缓慢[20]。由图7(c)、(e)可见，试样断裂区域内未发现12 mm POM纤维出现明显的纤维团聚现象，观察到纤维形成的网状结构，起到桥联搭接作用，改善应力分布，可以显著增强砂浆的强度，减小收缩变形，对裂缝的产生和发展都有抑制作用。

由图7(b)、(d)、(f)观察到POM纤维与基体粘结紧密，纤维表面存在水泥水化产物，这是因为POM纤维分子结构存在大量醚键，与无机材料具有良好的相容性。POM纤维根部与基体存在微裂缝，砂浆受到外部荷载作用，会在薄弱处产生应力集中后出现微裂缝，随着裂缝的不断扩大而最后破坏，当纤维掺量过大时，微裂缝的增多造成强度下降。

图7 纤维增强砂浆断裂区域的SEM照片Fig.7 SEM images of fracture area of fiber reinforced mortar

2.6 试验结果讨论

6 mm POM更有利于提高砂浆的抗折强度和减小砂浆的干燥收缩，12 mm POM纤维更有利于提高砂浆的峰值荷载、残余强度和弯曲韧性，这是因为当试样受到荷载或干燥收缩时，内部的微裂缝开始增加，纤维桥接微裂缝并抑制其扩展，在相同的纤维掺量和直径的条件下，6 mm POM纤维的数量远少于12 mm纤维，它们桥接微裂缝的概率更大，因而此阶段6 mm POM纤维的增强效果更好，其试样的抗折强度更大，干燥收缩更小；当微裂缝继续增加，聚集合并成宏观裂缝，6 mm POM纤维因长度较小，容易被拔出或滑动，12 mm POM纤维能产生更有效的桥接作用，所以其试样的峰值荷载、残余强度和弯曲韧性更大[21]。对于混掺POM纤维，不同长度的纤维对不同尺度的裂缝都能起到很好的桥接作用[22]，但对于某一尺度裂缝起到的桥接作用效果会介于6 mm和12 mm POM纤维之间。当掺量在0.6%以内时，POM纤维对砂浆增强的有利效果大于不利效果，混掺纤维试样的强度、韧性和干燥收缩值在6 mm和12 mm 纤维试样之间。当掺量为0.8%时，混掺纤维试样的流动度远高于单掺纤维试样的流动度，分散更均匀，对砂浆造成缺陷和孔隙更少，使混掺纤维对砂浆仍存在有利作用，且试样的各项性能达到掺量为0.6%的单掺纤维试样的性能。