聚甲醛纤维对超高性能混凝土（UHPC）工作性、力学性能的影响

王宇杰

（中国机械工业建设集团有限公司，北京100045）

1 引言

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）也称作活性粉末混凝土，是过去30 年中最具创新性的水泥基工程材料之一，作为20 世纪后期诞生的新一代建筑材料，其具有超高强、高韧性、高耐久性等优异性能，UHPC 在工程领域的广泛应用实现了土木工程材料性能的大跨越。UHPC同时也是一种力学性能优越的纤维增强水泥基复合材料，已逐渐应用于各类工程中，并拥有广阔的应用前景和发展空间[1-3]。

由于UHPC 生产成本高昂，其大范围的推广应用备受限制。现行UHPC 在配制的过程中掺入的纤维原材料主要为钢纤维，这也是UHPC 生产成本较高的原因之一，而关于其他纤维类制品在UHPC 中应用效果的相关研究还较少。因此，在原材料上找到降本增效之路，积极探索研究其他纤维类制品在UHPC 中的应用，对降低UHPC 成本和今后UHPC 进一步的推广与应用具有重要意义[4-5]。

聚甲醛是一种高密度、高结晶的线形高聚物，具有优异的综合性能。用其制备的纤维能够继承聚甲醛的大部分优点并能发挥聚甲醛潜在的优势，具有高密度、高模量以及优异的尺寸稳定性[6]。并且，聚甲醛纤维的摩擦系数小，与钢纤维相比，其质量较轻，耐久性十分优异[7]。为探索除钢纤维外的其他纤维制品在超高性能混凝土中的应用效果，本文采用了不同掺量聚甲醛纤维配制UHPC 试件，研究了聚甲醛纤维对UHPC 工作性和力学性能的影响，对聚甲醛纤维在UHPC 中的广泛应用具有重要意义。

2 原材料及配合比设计

试验过程中采用重庆云天化天聚新材料有限公司生产的聚甲醛纤维，按照厂家的建议掺量为0.9 kg/m3，本文试验过程中选取了厂家提供聚甲醛纤维建议掺量的0 倍、0.5 倍、1.0 倍、1.5 倍和2 倍分别制备相关不同的UHPC 试样。试验所用的胶凝材料分别是华润水泥（阳春）有限公司生产的P·O 52.5 水泥，河北金泰成公司的I 级粉煤灰以及成都东蓝星有限公司生产的硅灰，骨料是选取了0～0.6 mm 的石英砂和0.6～1.25 mm的标准砂。试验所用减水剂为高性能减水剂，减水率35%，固含量26%。为保证UHPC 在高强度、高韧性的基础上还具有良好的工作性，试验中统一采用水胶比0.18，并严格控制外加剂用量一致。通过试配确定实验配合比如表1 所示。

表1 实验配合比kg/m3

3 实验方法

UHPC 试样的制备按GB/T 17671—2021《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》中有关规定进行，在实验前，应将各种原材料分批称量好后倒入搅拌机中搅拌，在机器搅拌过程中将聚甲醛纤维均匀撒入，待试样搅拌完毕后装入试模中振捣成型。而后装入试模，待试件成型后，统一放置标准养护室养护，到规定龄期进行相关试验。在试验过程中，UHPC 流动度的测定采用坍落度法，按GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》中的截锥金属圆模进行。在测定流动度的试验过程中，按照规范要求，将试样放置于振动台振动，控制好每组试样过程所用时间和所采取操作的一致性，避免人为因素导致的试验误差出现。抗压强度和抗折强度的测定按GB/T 17671—2021《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》进行，采用40 mm×40 mm×160 mm 试件，测试试样的标准养护7 d、14 d、28 d 抗压强度值和抗折强度值。在试验过程中利用秒表计时控制每组试件在配制过程中的搅拌时间一致。

4 实验结果与讨论

4.1 工作性能

不同体积掺量的聚甲醛纤维对超高性能混凝土（UHPC）工作性的影响如表2 所示。

表2 聚甲醛纤维对超高性能混凝土（UHPC）工作性的影响

从表2 中可以看出，随着聚甲醛纤维掺量的增大，UHPC的流动度不断变化，总的来看，聚甲醛纤维对超高性能混凝土的工作性有明显的改善作用。其中，当聚甲醛纤维掺量为0.45 kg/m3时，UHPC 的工作性最好。分析原因是当聚甲醛纤维掺量在0.45 kg/m3时，UHPC 整个体系的均匀性最好，内部的黏聚性有一定程度的降低，从而工作性最好。当掺量过大时，UHPC 体系内部的黏聚性增加，导致工作性变差。从而也能看出，当聚甲醛纤维在超高性能混凝土中的掺量适宜时，UHPC 的工作性能得到一定程度的改善，从而有利于施工。

4.2 力学性能

不同体积掺量的聚甲醛纤维对超高性能混凝土（UHPC）力学性能（抗压强度、抗折强度）的影响分别如表3 和表4所示。

表4 聚甲醛纤维对超高性能混凝土（UHPC）抗折强度的影响

从表3 可以看出，随着聚甲醛纤维掺量的变化，UHPC 的抗压强度值变化很小，说明聚甲醛纤维对超高性能混凝土的抗压强度作用不大。分析原因是聚甲醛纤维掺入后，在UHPC受压破坏过程中不能起到有效的阻抗作用，从而导致其抗压强度变化不大。

表3 聚甲醛纤维对超高性能混凝土（UHPC）抗压强度的影响

从表4 中可以看出，聚甲醛纤维对超高性能混凝土的抗折强度具有明显的改善作用。其中，与工作性相似，当聚甲醛纤维的掺量为0.45 kg/m3时，UHPC 的抗折强度最高。说明聚甲醛纤维在UHPC 中能发挥增强、增韧和阻裂的效果[8-10]。当UHPC受到抗折破坏的过程中，能观察和听到UHPC 中聚甲醛纤维拉断的声响，说明体系内部的聚甲醛纤维能协同体系一起承担拉应力，从而在一定程度上提高了UHPC 的抗折强度。

5 结论

为探索聚甲醛纤维对超高性能混凝土工作性和力学性能的影响，为聚甲醛纤维在超高性能混凝土中的应用提供参考，本文通过实验验证，得出了相关结论如下：

1）聚甲醛纤维对超高性能混凝土的工作性有明显的改善作用，并且，当聚甲醛纤维掺量为0.45 kg/m3时，UHPC 的工作性最好；

2）聚甲醛纤维对超高性能混凝土的抗压强度作用不大；

3）聚甲醛纤维对超高性能混凝土的抗折强度具有明显的改善作用，与工作性相似，当聚甲醛纤维的掺量为0.45 kg/m3时，UHPC 的抗折强度最高。

总的来看，聚甲醛纤维对改善UHPC 的工作性和力学性能具有重要意义，聚甲醛纤维能在一定程度上替代钢纤维在UHPC 的应用，从而起到降低超高性能混凝土生产成本和促进超高性能混凝土进一步推广应用的作用。