聚甲醛纖維增強(qiáng)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的研究

侯 帥，王文年，曾憲森，李小飛

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聚甲醛纖維增強(qiáng)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的研究

侯 帥1，王文年1，曾憲森2，李小飛1

(1 安徽水利開(kāi)發(fā)股份有限公司，安徽 蚌埠 233010；2 武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430073)

對(duì)聚甲醛（POM）纖維增強(qiáng)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度展開(kāi)研究，以PP纖維增強(qiáng)的混凝土作為對(duì)比，研究不同長(zhǎng)度和不同摻量POM纖維對(duì)增強(qiáng)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果表明，長(zhǎng)度為6mm 的POM和PP纖維增強(qiáng)的混凝土在摻量為0.9kg/m3時(shí)具有較好的抗劈拉性能。摻量為0.9 kg/m3時(shí)的POM纖維增強(qiáng)的混凝土中，長(zhǎng)度為6mm的POM纖維增強(qiáng)混凝土具有較高的抗劈拉強(qiáng)度，而在摻量為1.3kg/m3時(shí)的PP纖維增強(qiáng)的混凝土中，PP纖維長(zhǎng)度對(duì)混凝土強(qiáng)度影響較小。不同長(zhǎng)度的POM纖維等量混摻增強(qiáng)的混凝土中，不同長(zhǎng)度的等量混摻方案對(duì)混凝土的抗劈拉強(qiáng)度影響較小，其中以3、6、9和12mm四種長(zhǎng)度等量混摻的混凝土抗劈拉效果最好。

POM纖維；長(zhǎng)度；摻量；混摻；劈裂抗拉強(qiáng)度

纖維混凝土作為高性能混凝土之一[1]，自上個(gè)世紀(jì)60年代起，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[2]，其中英國(guó)、美國(guó)首先把聚丙烯短纖維用于增強(qiáng)混凝土，然后是意大利、聯(lián)邦德國(guó)、丹麥等國(guó)，纖維混凝土目前已在我國(guó)工程領(lǐng)域廣泛使用[3-5]。本文所用POM纖維為近年開(kāi)發(fā)出的高性能纖維之一，具有高強(qiáng)高模、優(yōu)異的耐磨損性、耐堿性、高的伸長(zhǎng)回復(fù)特性。同時(shí)，POM纖維分子結(jié)構(gòu)中含有大量的醚鍵，與無(wú)機(jī)材料有良好的相容性，結(jié)合強(qiáng)度高，有文獻(xiàn)[6,7]提到將其應(yīng)用到混凝土中會(huì)極大地改善現(xiàn)有普通混凝土的性能不足。已有的研究表明，混凝土中摻入的纖維長(zhǎng)度、摻混量以及不同纖維的搭配對(duì)最終混凝土性能有明顯影響[8-11]。因此，本文針對(duì)混凝土的抗劈拉性能展開(kāi)研究，以PP纖維作為對(duì)比，研究POM纖維不同長(zhǎng)度、不同摻量和混摻對(duì)混凝土劈拉抗裂強(qiáng)度的影響。

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(jiàn)表1。

PP纖維：大連金竹化工有限公司，性能參數(shù)見(jiàn)表1。

水泥：P.O 42.5水泥，華新水泥股份有限公司。

粉煤灰：Ⅱ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%，飽和面干表觀密度2.5g/cm3，細(xì)度模數(shù)2.67，含泥量2.36%。粒徑為0－5mm的碎石，其吸水率1.87%，飽和面干表觀密度2.6 g/cm3，含泥量0.73%。粒徑為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

稱(chēng)取水泥、粉煤灰、礦粉、減水劑、纖維、砂、石和水，其中水的使用量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)砂、石含水率進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，實(shí)驗(yàn)中采用的材料配方見(jiàn)表2。

對(duì)不摻纖維的混凝土，將所稱(chēng)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，減水劑加完后再濕攪2min后出料。對(duì)摻纖維的混凝土，將所稱(chēng)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，干攪1min后相繼加入水和減水劑，再濕攪3min后出料。將新拌混凝土裝入150mm×150mm×150mm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)至待測(cè)齡期時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能測(cè)試。

表2 每立方混凝土材料用量kg/m3

1.3 測(cè)試方法

按符合現(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)試劈裂抗拉強(qiáng)度。

圖1 劈裂抗拉測(cè)試儀和劈裂后的試件

劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試在中建商品混凝土有限公司技術(shù)中心完成，試件測(cè)試采用邊長(zhǎng)為150mm、150mm、150mm的標(biāo)準(zhǔn)塊，每組試件測(cè)試三次取平均值。所采用的測(cè)試儀器和劈裂后的試件如圖1所示，劈裂抗拉強(qiáng)度值計(jì)算采用公式：

f=2F/(πA)=0.637F/A

其中F試件破壞荷載/N，A試件劈裂面面積/mm2。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維摻量對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

如圖2所示，往固定配合比的混凝土中摻入6mm長(zhǎng)的POM纖維時(shí)，摻入POM纖維后的POM纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度相比未摻POM纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度有一個(gè)提高。其中在POM纖維摻量為0.9kg/m3時(shí)，POM纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度提高較為明顯。當(dāng)POM纖維摻量超過(guò)0.9kg/m3后，隨著POM纖維摻量的增加，POM纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度反而有一個(gè)下降，當(dāng)POM纖維摻量高于1.2 kg/m3后，POM纖維摻量的增加對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響較小。從此圖中可以看出，POM纖維摻量越多不一定能提高POM纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，在摻量為0.9kg/m3時(shí)較為合適。

圖2 POM纖維摻量對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

圖3 PP纖維摻量對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

如圖3所示，往固定配合比的混凝土中摻入6mm長(zhǎng)的PP纖維時(shí)，PP纖維混凝土中PP纖維摻量在0.9kg/m3時(shí)PP纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度值最大，相比未摻PP纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度增加。但PP纖維摻量小于0.9kg/m3時(shí)，PP纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度相比未摻PP纖維混凝土要低，且當(dāng)PP纖維摻量大于0.9kg/m3時(shí)，隨著PP纖維摻量增強(qiáng)，PP纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨著下降，且劈裂抗拉強(qiáng)度值低于未摻PP纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度值。綜合圖2和圖3可明顯的看出，POM纖維對(duì)混凝土的抗劈拉性能增強(qiáng)效果較PP纖維要好，特別是在纖維低摻量時(shí)較為明顯。

2.2 纖維長(zhǎng)度對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

如圖4所示，往固定配合比的混凝土中摻入0.9kg/m3摻量的POM纖維時(shí)，在POM纖維長(zhǎng)度為6mm時(shí)，POM纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度最大。其中當(dāng)POM纖維長(zhǎng)度小于6mm時(shí)，隨著POM纖維長(zhǎng)度的增加，POM纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著增加。當(dāng)POM纖維長(zhǎng)度大于6mm時(shí)，隨著POM纖維長(zhǎng)度的增加，POM纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸減小，且當(dāng)POM纖維長(zhǎng)度為9mm和12mm時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度值小于未摻POM纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度值。

如圖5所示，往固定配合比的混凝土中摻入1.3kg/m3摻量的PP纖維時(shí)，摻入PP纖維后，從不同長(zhǎng)度的PP纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度整體效果看，1.3kg/m3摻量的PP纖維對(duì)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度影響較小。隨著PP纖維長(zhǎng)度的增加，在PP纖維長(zhǎng)度為9mm時(shí)，PP纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度最大。當(dāng)PP纖維長(zhǎng)度小于9mm時(shí)PP纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度值反而小于未摻PP纖維的混凝土，當(dāng)PP纖維長(zhǎng)度大于9mm時(shí)，相比9mm長(zhǎng)的PP纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度值稍有降低。綜合圖4和圖5發(fā)現(xiàn)，0.9 kg/m3低摻量的POM纖維增強(qiáng)的混凝土抗劈拉性能要優(yōu)于1.3 kg/m3較好摻量的PP纖維增強(qiáng)的混凝土，且在圖5中發(fā)現(xiàn)3mm長(zhǎng)的PP纖維增強(qiáng)的混凝土抗折強(qiáng)度反而出現(xiàn)負(fù)效應(yīng)。

圖4 POM纖維長(zhǎng)度對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

圖5 PP纖維長(zhǎng)度對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

2.3 不同長(zhǎng)度POM等量混摻對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

圖6為固定配合比的混凝土中不同POM纖維長(zhǎng)度等量混摻對(duì)POM纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。從圖中可以看出，摻入POM纖維后的POM纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度整體相比未摻POM纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度有一個(gè)提高。且在相同POM纖維摻量下，兩種POM纖維混摻時(shí)，隨著摻入的POM纖維均值長(zhǎng)度越長(zhǎng)，POM纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨著下降。由于一定摻量下，纖維越長(zhǎng)，則纖維根數(shù)越少，這說(shuō)明纖維的根數(shù)相比纖維長(zhǎng)度對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的作用更為明顯。當(dāng)四種POM纖維混摻時(shí)，POM纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度相比兩種POM纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度有一定程度提高。由于3、6、9、12四種POM纖維與3、12兩種POM纖維均值長(zhǎng)度相等，摻量相同，說(shuō)明不同長(zhǎng)度POM纖維等量混摻起到了協(xié)助作用。

圖6 不同長(zhǎng)度POM等量混摻對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

（1）6mm長(zhǎng)的POM和PP纖維增強(qiáng)的混凝土在0.9kg/m3摻量時(shí)具有較好的抗劈拉性能。

（2）在0.9 kg/m3摻量時(shí)的POM纖維增強(qiáng)的混凝土中，6mm長(zhǎng)的POM纖維增強(qiáng)的混凝土具有較好的抗劈拉性能，而在1.3kg/m3摻量時(shí)的PP纖維增強(qiáng)的混凝土中，PP纖維長(zhǎng)度對(duì)混凝土強(qiáng)度影響較小。

（3）不同長(zhǎng)度的POM纖維等量混摻增強(qiáng)的混凝土中，不同長(zhǎng)度的等量混摻方案對(duì)混凝土的抗劈拉強(qiáng)度影響較小，其中以3、6、9和12mm四種長(zhǎng)度等量混摻的混凝土抗劈拉效果最好。

四川省紡織科學(xué)研究院王樺研究員，武漢紡織大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的吳靜博士、王羅新博士對(duì)本文的完成提供了支持，武漢紡織大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院在讀研究生劉露同學(xué)對(duì)試驗(yàn)作了大量工作。在此，一并致謝。

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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

侯帥（1981-），男，工程師，研究方向：公路與市政工程管理.

四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011GZ0226）.