聚甲醛纖維增強地聚物再生混凝土的力學性能研究

楊富花，石宵爽，欒晨晨，張寬裕，代金芯，王清遠，3

（1.深地科學與工程教育部重點實驗室，四川大學 建筑與環境學院，四川 成都 610065；2.破壞力學與工程防災減災四川省重點實驗室，四川大學 建筑與環境學院，四川 成都 610065；3.成都大學 機械工程學院，四川 成都 610106）

聚甲醛（Polyoxymethylene，POM）纖維具有高強度、高模量及優異的尺寸穩定性、熱穩定性和耐腐蝕、耐光、耐磨等性能，是一種綜合性能優異的有機合成纖維，其分子結構中含有大量醚鍵，與無機材料具有良好的相容性，可用于混凝土的增韌阻裂[1-2]。有研究表明[3-5]，將POM纖維應用于普通混凝土中會極大地改善混凝土的性能。目前，較為常用的混凝土增強纖維有鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維等。與鋼纖維相比，POM纖維密度小，在混凝土中的分散性好，價格低；與玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維相比，POM纖維具有一定的延性；與聚丙烯纖維相比，POM纖維的抗拉強度和彈性模量更高[6-7]。

地聚物再生混凝土是利用地聚物替代水泥作為膠凝材料，同時利用再生骨料全部或部分替代天然骨料制成的一種新型綠色混凝土材料。有研究表明[8-9]，將再生骨料應用于地聚物混凝土中，舊砂漿的堿性成分對地聚物有堿激發的作用，可以有效改善界面過渡區，使其更密實，力學性能也比普通再生混凝土好。但和普通混凝土一樣，地聚物再生混凝土存在脆性大、抗拉強度低、體積不穩定等缺點。然而聚甲醛纖維增強地聚物再生混凝土（Polyoxymethylene fiber reinforced geopolymer recycled concrete，PRGRC）的性能尚不清楚，因此，本試驗研究了POM纖維對PRGRC坍落度、抗壓強度、抗折強度及彎曲韌性的影響，并通過掃描電鏡對微觀結構進行分析。

1 試驗

1.1 原材料

粗骨料：再生粗骨料，將建筑廢棄混凝土用大型機械破碎后再在實驗室中篩分得到，選取5～20mm連續級配，測得其堆積密度為1435kg/m3、表觀密度為2715kg/m3、含水率為1.68%、壓碎指標為13.03%，符合GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》Ⅱ級要求；細骨料：河砂，細度模數2.3，最大粒徑4mm。

膠凝材料：F級低鈣粉煤灰，天津筑成新材料有限公司提供，由JL-6000型激光粒度分析儀測得其平均粒徑為1.201 μm，采用EDS測試粉煤灰的主要化學成分如表1所示。

表1 粉煤灰的主要化學成分 %

堿激發溶液：由硅酸鈉（Na2SiO3）溶液和純度為98%的氫氧化鈉（NaOH）加純水配制而成。Na2SiO3溶液由佛山中發水玻璃廠提供，為淡黃色膠狀液體，模數為3.13；氫氧化鈉由科龍化工試劑廠提供。堿激發溶液需在試驗前一天配制準備。

POM纖維：重慶云天化天聚新材料有限公司提供，密度1.42 g/cm3，抗拉強度800 MPa，彈性模量10 GPa，斷裂伸長率30%，長度分別為6、12 mm。

1.2 試件制備

PRGRC的基準配合比（kg/m3）為：m（再生粗骨料）∶m（細骨料）∶m（粉煤灰）∶m（Na2SiO3）∶m（NaOH）∶m（水）=1200∶540∶460∶133.4∶20.94∶45.76，研究POM纖維長度（6、12 mm）和體積摻量（0、0.25%、0.50%、0.75%、1.00%）對PRGRC坍落度、抗壓和抗折強度、彎曲韌性的影響。

制備試件時，先將粉煤灰與粗、細骨料攪拌3 min，然后加入POM纖維攪拌2 min，最后加入堿激發溶液攪拌均勻，在模具中澆筑成型后在振動臺上振搗密實，試件澆筑完成后蓋上塑料薄膜防止水分蒸發，放入溫度為80℃的HN101-4A型鼓風干燥箱中養護24 h后取出脫模，編號后再放入溫度為20℃的HBY-40A型標準養護箱中繼續養護至28 d齡期。抗壓強度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗折強度試件尺寸為100 mm×100mm×400 mm。

1.3 試驗方法

根據GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》和GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》測試新拌混凝土的坍落度及28 d齡期標準試件的抗壓和抗折強度。采用AW-5000型電液伺服壓力試驗機進行立方體抗壓試驗，加載過程采用荷載控制，加載速率為0.5MPa/s。采用M-4300型萬能試驗機進行四點彎曲試驗，加載過程采用位移控制，加載速率為0.2 mm/min。采用四川大學分析測試中心SU3500型號掃描電子顯微鏡（SEM）進行微觀結構觀測。

2 結果與討論

2.1 POM纖維對PRGRC坍落度的影響（見圖1）

圖1 POM纖維對PRGRC坍落度的影響

由圖1可見，隨著POM纖維摻量的增加，PRGRC的坍落度降低，其中長度為12 mm的POM纖維對PRGRC坍落度的影響更顯著。當POM纖維長度為6 mm時，摻量分別為0.25%、0.50%、0.75%、1.00%的PRGRC坍落度較對照組分別減小了10%、25%、40%、55%；當POM纖維長度為12 mm時，摻量分別為0.25%、0.50%、0.75%、1.00%的PRGRC坍落度較對照組分別減小了60%、75%、80%、80%。亂向分布的纖維取向趨于垂直流動方向，且纖維長徑比越大，取向更易趨于垂直流動方向，降低了混凝土的流動性[10]，所以摻加了長度為12 mm POM纖維的PRGRC坍落度更小。隨POM纖維摻量的增加，更多的漿體包裹在纖維表面，使得包裹骨料以及起潤滑作用的漿體相應變少，同時POM纖維可以很好地分散在混凝土中形成網狀結構，限制了新拌混凝土的流動性，從而導致PRGRC的坍落度減小。所以為了保證PRGRC的工作性能，應選擇長度為6 mm的POM纖維，且摻量不宜大于0.75%。

2.2 POM纖維對PRGRC抗壓強度的影響

2.2.1 破壞形態

PRGRC試件的抗壓破壞形態如圖2所示，圖2（a）為對照組試件，圖2（b）為POM纖維長度6 mm、摻量為1.00%組。

圖2 PRGRC試件的抗壓破壞形態

由圖2可見，與對照組相比，摻加POM纖維的PRGRC試件表面混凝土無明顯的剝落現象，試件在受壓破壞后仍然保持較好的整體性。這是因為POM纖維在混凝土基體中的橋接作用，抑制了裂縫的產生和發展，提高了混凝土的韌性[11]，降低了混凝土的損傷破壞程度，有效提高了混凝土的抵抗變形能力。

2.2.2 抗壓強度

POM纖維對PRGRC抗壓強度的影響如表2所示。

表2 POM纖維對PRGRC抗壓強度的影響

由表2可見，隨著POM纖維摻量的增加，PRGRC的抗壓強度先提高后降低。長度為6 mm和12 mm的POM纖維最優摻量分別為0.75%和0.50%，最高抗壓強度分別為60.48、54.62 MPa，較對照組分別提高了16.28%、5.02%，長度為6 mm的POM纖維增強效果更優。根據以斷裂力學為基礎的纖維阻裂理論[12-13]，加載過程中試件縱向受壓，由于泊松效應體積橫向膨脹，均勻分布在混凝土中的POM纖維形成網狀結構，有一定的阻裂作用，抑制了混凝土的橫向變形；當POM纖維摻量繼續增大時，包裹骨料的膠凝材料相應變少，且過量纖維容易使混凝土產生微裂縫，所以PRGRC試件的抗壓強度開始逐漸降低。對于長度為6 mm的纖維增強效果優于長度為12 mm的纖維的現象，一方面是因為相同體積摻量下，纖維的根數隨長度的增大而減少，抗壓強度也隨之降低，另一方面，PRGRC的流動性隨纖維長度的增大而降低，導致試件內部氣孔增多，抗壓強度降低。

2.3 抗彎性能

2.3.1 破壞形態及荷載-撓度曲線

PRGRC試件的抗折破壞形態如圖3所示，荷載-撓度曲線如圖4所示。

圖3 PRGRC試件的抗折破壞形態

圖4 PRGRC試件的荷載-撓度曲線

由圖4可見，對照組試件在達到極限荷載之前，荷載-撓度曲線呈線性，這一階段的荷載-撓度關系服從胡克定律，為彈性變形階段，在達到極限荷載之后，試件瞬間失去承載能力。由圖3可知，對照組試件在達到極限荷載后直接斷裂成兩部分，表現出明顯的脆性破壞。摻加了POM纖維的PRGRC試件在加載過程中表現為3個階段[14]：彈性變形階段、應變急速軟化階段和破壞階段。達到極限荷載之前荷載-撓度曲線呈線性，為彈性變形階段，此時混凝土基體與纖維共同受力。達到極限荷載之后，試件出現宏觀裂縫，橋接在裂縫中間的纖維約束了裂縫的發展，并且將荷載傳遞給了混凝土基體，試件仍具有一定承載力，隨著裂縫繼續發展，中和軸以下受拉區纖維被不斷撥出，中和軸上移，試件承載力隨之下降，表現為延性破壞。PRGRC的極限承載力與對照組相比顯著提高，而且荷載-撓度曲線包圍的面積也增大，POM纖維增強了PRGRC的抗折強度和韌性。

2.3.2 抗折強度

POM纖維對PRGRC抗折強度的影響如表3所示。

表3 POM纖維對PRGRC抗折強度的影響

由表3可見，POM纖維對PRGRC試件抗折強度的增強效果顯著，隨著POM纖維摻量的增加，抗折強度先提高后降低。長度為6 mm和12 mm的POM纖維最優摻量分別為0.50%和0.25%，最高抗折強度分別為6.16、5.13 MPa，較對照組分別提高了51.35%和26.04%，長度為6 mm的POM纖維增強效果更優。POM纖維的摻入可以減少由收縮形成的微裂縫，在試件加載過程中POM纖維在骨料之間起到橋接作用，抑制了裂縫的出現和發展，同時纖維的拉斷和撥出分攤了部分能量，從而提高了混凝土的抗折強度[11]。然而，當POM纖維摻量過高時，雖然增強了纖維對混凝土的橋接作用，但同時過多的纖維造成更多微裂縫的產生，初始缺陷造成的不利效果超過纖維橋接的有利效果，抗折強度隨之降低。長度為6 mm纖維的增強效果優于長度為12 mm纖維的原因與抗壓強度的一致，一方面是纖維的根數隨長度的增大而減少，另一方面是初始缺陷隨長度的增大而增多，導致抗折強度降低。

2.3.3 彎曲韌性

彎曲韌性是纖維混凝土的重要特性，用于考察纖維對混凝土開裂后的增韌效果。目前計算纖維混凝土彎曲韌性指標的常用方法是測試混凝土試件在彎曲過程中的荷載-撓度曲線，并對該曲線積分求得混凝土在破壞過程中所吸收的能量，然后基于該能量計算彎曲韌性指標，依據的標準主要有美國材料協會的ASTMC1018標準、日本的JSCE-SF4標準以及CECS13—2009《纖維混凝土試驗方法標準》。根據CECS13—2009計算抗折初裂強度fcr、彎曲韌性指數I5和I10、等效彎曲強度fe及彎曲韌性比Re，結果如表4所示。

由表4可知：

（1）抗折初裂強度反映混凝土抵御初期裂縫荷載的能力，POM纖維對抗折初裂強度fcr的增強效果顯著，長度為6 mm和12 mm的POM纖維最優摻量分別為0.50%和0.25%，最高抗折初裂強度分別為7.25、6.04 MPa，較對照組分別提高了51.04%和25.83%。

表4 PRGRC的彎曲韌性指標

（2）彎曲韌性指數為混凝土試件在指定撓度時吸收的能量與試件初裂時吸收能量的比值，充分反映試件開裂后的耗能大小，彎曲韌性指數越大說明試件的韌性越好。摻入POM纖維可以提高PRGRC的彎曲韌性，長度為6mm的POM纖維最佳摻量為0.50%，彎曲韌性指數I5和I10分別為對照組的4.44倍和4.79倍；長度為12 mm的POM纖維最佳摻量為1.00%，彎曲韌性指數I5和I10分別為對照組的2.84倍和3.37倍。

（3）等效彎曲強度和彎曲韌性比可以用來評價混凝土的彎曲韌性和能量吸收能力，POM纖維對等效彎曲強度及彎曲韌性比的增強效果顯著，長度為6 mm和12 mm的POM纖維最優摻量均為1.00%，等效彎曲強度分別為對照組的3.96倍和2.78倍，彎曲韌性比均為對照組的2.64倍。

關于POM纖維增強彎曲韌性的機理，有研究表明[15]，POM纖維不會與地聚物發生反應生成新的物質。纖維的拔出、斷裂與剝離消耗了部分能量，而且纖維在斷裂處出現了扭曲和縮頸行為，這是因為POM纖維和基體之間的相容性很好，試件內部的纖維在外力作用下撥出時發生了取向變形，消耗了一部分斷裂能，從而達到了增韌的效果[16]。另一方面，當試件發生破壞時，POM纖維會因為形成了無規則網狀結構，而發生橋聯搭接作用，降低裂紋處的應力并且阻止裂紋繼續擴張，從而提高試件的彎曲韌性[15]。POM纖維的橋聯搭接作用與其長度及含量有關，纖維長度越長、摻量越大時形成的橋聯搭接越多，但是隨著纖維長度和摻量的增加，試件中的初始缺陷增多，所以PRGRC的彎曲韌性并不與纖維長度及摻量成正比。本試驗條件下，長度為6 mm的POM纖維的增強效果優于長度為12 mm的POM纖維，最佳體積摻量為0.50%，其彎曲韌性指標為對照組的1.25～4.47倍。

2.4 PRGRC的微觀結構分析（見圖5）

圖5 PRGRC的SEM照片

由圖5（a）和圖5（b）可見，混凝土基體結構致密，反應產物主要為N-A-S-H凝膠，凝膠排列緊密，有未反應的表面光滑的粉煤灰（FA）顆粒填充在基體孔隙中，再生骨料與基體之間的界面過渡區（ITZ）仍然密實地分布了N-A-S-H凝膠，混凝土受外部荷載時，致密的內部結構會延緩裂縫的產生，提高混凝土強度。由圖5（c）和圖5（d）可見，POM纖維與混凝土基體粘結緊密，POM纖維與基體之間的界面過渡區結構密實，微裂縫和孔洞較少，這是因為POM纖維分子結構中含有大量醚鍵，與混凝土基體的相容性很好。由圖5（e）和圖5（f）可以觀察到均勻分布在混凝土中的POM纖維形成了網狀結構，起到橋聯搭接的作用，可以有效抑制混凝土塑性收縮變形引起的收縮應力和內部拉應力，而且POM纖維有拔出、斷裂及剝離的現象，纖維的拔出、斷裂與剝離可以消耗施加在混凝土上的作用力的斷裂能，進而達到增強混凝土的效果。由圖5（g）和圖5（h）可見，POM纖維可以阻止混凝土基體中的裂紋繼續擴張，延緩破壞過程，進而提高試件的彎曲韌性。

混凝土基體承受外部荷載時，薄弱區域會發生應力集中現象，出現裂縫，裂縫不斷擴展，最終發生破壞。而在PRGRC中，骨料和網狀結構的POM纖維構成一個新的支撐體系，有效限制了微裂縫的產生與擴展，從而更高效的發揮阻裂效果，宏觀上表現為混凝土的抗壓強度、抗折強度和彎曲韌性提高。當纖維摻量過大時，內部孔隙與微裂縫增多，混凝土密實性降低，宏觀表現為強度降低。

3 結論

（1）PRGRC的坍落度隨著POM纖維摻量和長度的增加而減小，為了保證工作性能，應選擇長度為6 mm的POM纖維，且摻量不宜大于0.75%。

（2）PRGRC的抗壓和抗折強度隨纖維摻量的增加均呈先提高后降低的趨勢，長度為6mm的POM纖維的增強效果更優，最佳摻量為0.50%，抗壓和抗折強度較對照組分別提高了16.28%和51.35%。

（3）POM纖維對PRGRC彎曲韌性的提升效果顯著，長度為6mm的POM纖維增強效果更優，最佳摻量為0.50%，彎曲韌性指數I5、I10、等效彎曲強度和彎曲韌性比分別為對照組的4.44倍、4.79倍、3.25倍和2.21倍。

（4）POM纖維的抗拉強度、彈性模量和斷裂伸長率均較高，在混凝土中形成網狀結構，受到外力作用時發生拔出、斷裂、剝離等行為，有效分散作用力，控制裂紋的出現和擴展，從而提高PRGRC的力學性能。