聚甲醛纖維增強(qiáng)混凝土抗折性能研究

劉　露，侯　帥，吳　靜，王羅新

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聚甲醛纖維增強(qiáng)混凝土抗折性能研究

劉露1，侯帥2，吳靜1，王羅新1*

(1 武漢紡織大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430073；2 安徽水利開發(fā)股份有限公司，安徽 蚌埠 233010)

針對(duì)聚甲醛（POM）纖維增強(qiáng)混凝土的抗折性能展開研究。以PP纖維增強(qiáng)的混凝土作為對(duì)比，研究不同摻量和不同長(zhǎng)度的POM/PP纖維對(duì)增強(qiáng)混凝土的抗折強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果表明，6mm長(zhǎng)的POM纖維在0.6kg/m3摻量時(shí)抗折性能最好，6mm長(zhǎng)的PP纖維在1.2 kg/m3摻量時(shí)抗折性能最好。POM纖維摻量在0.9 kg/m3時(shí)，6mm和12mm長(zhǎng)的POM纖維增強(qiáng)的混凝土具有較好的抗折性能，PP纖維摻量在1.3 kg/m3時(shí)，同樣在6mm和12mm長(zhǎng)的PP纖維增強(qiáng)的混凝土具有較好的抗折性能。不同長(zhǎng)度的POM纖維等量混摻增強(qiáng)的混凝土，以3mm和6mm混摻增強(qiáng)的混凝土抗折性最好。

POM纖維；增強(qiáng)混凝土；摻量；混摻；抗折強(qiáng)度

POM纖維作為最近幾年開發(fā)研究的高性能纖維之一，其具有高強(qiáng)高模、優(yōu)異的耐化學(xué)品和耐溶劑性能，結(jié)晶度高，抗張強(qiáng)度與鐵絲相仿且具有極好的分散性等特征。其優(yōu)異性能使其將來(lái)作為填充材料應(yīng)用到復(fù)合材料中的領(lǐng)域十分廣闊，已有相關(guān)文獻(xiàn)[1,2]提到將其應(yīng)用到混凝土中等領(lǐng)域會(huì)極大的改善現(xiàn)有普通混凝土的性能不足等現(xiàn)狀。現(xiàn)有常規(guī)混凝土存在抗拉強(qiáng)度低、抗裂性差和抵抗形變性能差的缺陷，即韌性比較差，材料的脆性明顯[3,4]。用纖維來(lái)提高材料的抗拉強(qiáng)度以降低混凝土的脆性，自古有之，如稻草泥巴墻等[5]。從國(guó)外纖維增強(qiáng)混凝土材料的發(fā)展及應(yīng)用來(lái)看，上個(gè)世紀(jì)60年代，PP、PVC和尼龍纖維已在國(guó)外作為增強(qiáng)纖維來(lái)提高砂漿的抗沖擊性能[6]。目前合成纖維在美國(guó)，日本和加拿大等國(guó)得到廣泛應(yīng)用，較常用到的領(lǐng)域有高層建筑、預(yù)制墻板、公路路面和橋面等[7-9]。本文針以PP纖維作為對(duì)比，研究了POM纖維不同長(zhǎng)度、不同摻量和混摻對(duì)混凝土抗折性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

POM纖維：四川省紡織科學(xué)研究院提供，性能參數(shù)見表1。

PP纖維：大連金竹化工有限公司，性能參數(shù)見表1。

水泥：P.O 42.5水泥，華新水泥股份有限公司。

粉煤灰：Ⅰ級(jí)灰，陽(yáng)邏電廠粉煤灰。

礦粉：45微米篩余9.5%，活性指數(shù)S95。

減水劑：聚羧酸高效減水劑，中建商品混凝土有限公司新型建材廠。

砂、石：市購(gòu)，砂吸水率3.9%，飽和面干表面密度2.5g/cm3，細(xì)度模數(shù)2.67，含泥量2.36%。粒徑0－5mm的碎石，其吸水率1.87%，飽和面干表觀密度2.6g/cm3，含泥量0.73%。粒徑20－40mm的碎石，其吸水率1.42%，飽和面干表觀密度2.6，含泥量0.25%。

表1 POM纖維和PP纖維的性能

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)混凝土配合比見表2，在基準(zhǔn)混凝土中摻加不同長(zhǎng)度單摻及混摻的POM纖維或PP纖維，POM纖維的摻量為0.6、0.9、1.3和1.8kg/m3，PP纖維的摻量為0.6、1.3和1.8 kg/m3。

根據(jù)相關(guān)拌合序列對(duì)纖維分散性的影響的研究文獻(xiàn)[10]，本實(shí)驗(yàn)拌合工藝采取如下的步驟。對(duì)不摻纖維的混凝土，將所稱取的水泥、粉煤灰、礦粉、砂、石一次裝入攪拌機(jī)內(nèi)，干攪1min后加入水，水加完后接著加入減水劑，控制加水和加減水劑過(guò)程在30s內(nèi)完成，減水劑加完后濕攪2min后出土。對(duì)摻纖維的混凝土，將所稱取的水泥、粉煤灰、礦粉、砂、石一次倒入攪拌機(jī)內(nèi)，干攪30s后加入纖維，加入纖維后干攪1min后相繼加入水和減水劑，再濕攪3min后出土。新拌混凝土在100mm、100mm、400mm的模具中成型，成型24h拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)至等測(cè)齡期時(shí)進(jìn)行混凝土抗折強(qiáng)度的測(cè)試。

表2 基準(zhǔn)混凝土配合比kg/m3

1.3 測(cè)試方法

按照符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50080－2002普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)取樣。按照GB/T 50081－2002普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，測(cè)試抗折強(qiáng)度。抗折強(qiáng)度測(cè)試在武漢理工大學(xué)測(cè)試中心力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)室完成，采用Instron Corporation荷載-撓度曲線測(cè)試項(xiàng)目，依據(jù)JG/T 3064-1999，加載速率為0.1000mm/min。

每組測(cè)試三個(gè)樣取平均值。圖1為所采用的Instron Corporation儀器和所采用的測(cè)試方法。

圖1 采用的測(cè)試儀器和測(cè)試方法

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維摻量對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

混凝土抗折強(qiáng)度計(jì)算公式：F=PL/(bhh)。

換算系數(shù)：0.85，其中P為斷裂時(shí)的荷載力值，L為支座間跨度，b、h分別為試件界面的寬度和高度。

圖2 POM纖維摻量對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

圖3 PP纖維摻量對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

如圖2所示為POM纖維摻量對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響，從圖中可以看出，POM纖維增強(qiáng)混凝土抗折強(qiáng)度較素混凝土抗折強(qiáng)度有所增加，在POM纖維長(zhǎng)度為6mm時(shí)，0.6kg/m3摻量的POM纖維增強(qiáng)的混凝土抗折強(qiáng)度最高。但當(dāng)摻量超過(guò)0.6kg/m3時(shí)，隨著POM纖維摻量的增加，POM纖維增強(qiáng)的混凝土抗折強(qiáng)度不斷下降，但直至1.8kg/m3摻量下獲得的最小抗折強(qiáng)度較素混凝土抗折強(qiáng)度要高。

如圖3所示為PP纖維摻量對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響，從圖中可以看出，PP纖維增強(qiáng)混凝土抗折強(qiáng)度在PP纖維6mm長(zhǎng)度時(shí)，PP纖維增強(qiáng)混凝土抗折強(qiáng)度隨著PP纖維摻量的增加而增加，在1.3kg/m3摻量時(shí)PP纖維混凝土抗折強(qiáng)度值最大，但當(dāng)摻量達(dá)到1.8kg/m3時(shí)PP纖維混凝土抗折強(qiáng)度下降。當(dāng)PP纖維摻量為0.6kg/m3時(shí)的PP纖維混凝土抗折強(qiáng)度較素混凝土抗折強(qiáng)度值反而要小，說(shuō)明只有在合適的PP纖維長(zhǎng)度和摻量時(shí)，PP纖維增強(qiáng)的混凝土才具有增強(qiáng)的效果。

綜合分析圖2和圖3可發(fā)現(xiàn)，POM纖維增強(qiáng)混凝土在POM纖維較小摻量時(shí)即可較大程度的提高混凝土的抗折強(qiáng)度，而PP纖維增強(qiáng)混凝土在低摻量時(shí)對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度有負(fù)效應(yīng)影響。POM或PP纖維增強(qiáng)混凝土抗折強(qiáng)度隨纖維摻量增加的變化趨勢(shì)不同，圖2中的POM纖維增強(qiáng)的混凝土抗折強(qiáng)度表現(xiàn)出了一定的趨勢(shì)，相比圖3中的PP纖維增強(qiáng)混凝土抗折強(qiáng)度不太穩(wěn)定，關(guān)于其現(xiàn)象產(chǎn)生的原因還有待于展開進(jìn)一步的深入研究。

2.2 纖維長(zhǎng)度對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

圖4所示為POM纖維長(zhǎng)度對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響，從圖中可以看出，在POM纖維0.9kg/m3摻量時(shí)，POM纖維混凝土整體強(qiáng)度較素混凝土抗折性能提高。其中6mm和12mm長(zhǎng)的POM纖維增強(qiáng)的混凝土抗折性能最好，而3mm和9mm長(zhǎng)的POM纖維增強(qiáng)的混凝土抗折性能較沒摻纖維的混凝土抗性能影響較小。

圖4 POM纖維長(zhǎng)度對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

圖5　PP纖維長(zhǎng)度對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

圖5所示為PP纖維長(zhǎng)度對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響，從圖中可以看出，在PP纖維1.3kg/m3摻量時(shí)，當(dāng)PP纖維長(zhǎng)度小于6mm時(shí)，PP纖維增強(qiáng)混凝土抗折強(qiáng)度隨著PP纖維長(zhǎng)度增加而增加，在6mm長(zhǎng)度時(shí)最大。當(dāng)PP纖維長(zhǎng)度超過(guò)6mm時(shí)，隨著PP纖維長(zhǎng)度增加，纖維混凝土抗折強(qiáng)度也有一定程度的增加，但整體抗折強(qiáng)度小于6mm時(shí)PP纖維混凝土的抗折強(qiáng)度。其中9mm長(zhǎng)PP纖維增強(qiáng)的混凝土的抗折強(qiáng)度值較未摻PP纖維的混凝土要小，6mm和12mm長(zhǎng)的PP纖維增強(qiáng)的混凝土的抗折強(qiáng)度值相近。

綜合分析圖4和圖5可發(fā)現(xiàn)，POM或PP纖維增強(qiáng)的混凝土的抗折強(qiáng)度隨纖維長(zhǎng)度的增加展現(xiàn)了相同的變化趨勢(shì)。兩種纖維增強(qiáng)的混凝土均是在纖維長(zhǎng)度為6mm和12mm時(shí)對(duì)混凝土的抗折強(qiáng)度有較大提升，但兩種纖維增強(qiáng)的混凝土抗折強(qiáng)度幾乎在同一水平時(shí)，PP纖維耗用量1.3 kg/m3較POM纖維0.9kg/m3大出許多。

2.3 不同長(zhǎng)度POM纖維混摻對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

圖6所示為POM纖維混摻對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響，從圖中可以看出，不同長(zhǎng)度POM纖維等量混摻時(shí)，POM纖維混凝土整體抗折強(qiáng)度提高。但隨著POM纖維平均長(zhǎng)度的增加，POM纖維混摻增強(qiáng)混凝土抗折強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。其中在0.9kg/m3摻量時(shí)，3、6mm長(zhǎng)POM纖維等量混摻的混凝土抗折性能最好。比較3、6mm和3、9mm兩組實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)平均長(zhǎng)度較長(zhǎng)的3、9mm這組實(shí)驗(yàn)所測(cè)抗折強(qiáng)度值較小，其可能的原因在于其相比3、6mm這組實(shí)驗(yàn)，其所含纖維的根數(shù)要小。另比較3、12mm和3、6、9、12mm兩組實(shí)驗(yàn)，其具有相同的平均長(zhǎng)度，但后者的抗折強(qiáng)度較前者要高，其可能的原因在于更多不同長(zhǎng)度的纖維混摻時(shí)具有較好的協(xié)同作用。

圖6 不同長(zhǎng)度POM纖維混摻對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

（1）6mm長(zhǎng)的POM纖維在0.6kg/m3摻量時(shí)抗折性能最好，6mm長(zhǎng)的PP纖維在1.3kg/m3摻量時(shí)抗折性能最好。

（2）POM纖維摻量為0.9kg/m3時(shí)，長(zhǎng)度為6mm和12mm的POM纖維增強(qiáng)混凝土抗折強(qiáng)度較高，PP纖維摻量在1.3kg/m3時(shí)，同樣是在6mm和12mm的纖維長(zhǎng)度時(shí)，增強(qiáng)的混凝土具有較好的抗折性能，達(dá)到同一水平抗折強(qiáng)度需耗用更多的PP纖維。

（3）不同長(zhǎng)度的POM纖維等量混摻增強(qiáng)混凝土，以長(zhǎng)度為3mm和6mmPOM纖維混摻增強(qiáng)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

四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011GZ0226）；湖北省教育廳優(yōu)秀青年人才項(xiàng)目（123029）；武漢紡織大學(xué)?；痦?xiàng)目（113071）.

王羅新（1971-），男，副教授，博士，研究方向：高性能纖維及其復(fù)合材料.