聚甲醛纖維增強砂漿塑性抗開裂性能的研究

張麗輝 ，周華新 ，劉建忠 ，陽知乾 ，田擴展

（1.高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇 南京 210008；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103）

聚甲醛（POM）纖維具有高強高模、耐磨抗堿和長期使用穩(wěn)定性等特征，且其分子結(jié)構(gòu)中含有大量醚鍵，與無機材料的粘結(jié)強度高，是一種綜合性能十分優(yōu)異的高性能纖維，前景良好，可廣泛用于水泥基材料增韌阻裂，其增強效果優(yōu)于目前廣泛使用的聚丙烯（PP）等纖維[1-5]。劉露等[1，6]和侯帥等[7]的研究表明，POM纖維耐堿不耐酸，在一定粘度的分散液中，POM纖維相較PP纖維的分散性能更好，摻入POM和PP纖維后雖然降低了混凝土的抗壓強度，但是卻提高了其抗折強度、劈裂抗拉強度和塑性抗開裂性能。且當POM、PP纖維長度相同時，增強的混凝土達到相同抗折強度時需要耗用更多的PP纖維。此外，POM纖維對混凝土劈拉強度的提高作用較PP纖維要好，特別是低纖維摻量時較為明顯。徐德根等[8]的研究表明，隨著POM纖維長度的增加和纖維摻量的增大，C50混凝土的抗壓強度有所降低，但后期抗壓強度與基準混凝土相比下降幅度不大，且在混凝土配合比設計時可考慮摻入適量消泡劑，以消除由于纖維引氣所導致的纖維混凝土抗壓強度的降低。

目前，研究POM纖維對混凝土塑性抗開裂性能的影響方面尚屬空白，而混凝土早期塑性抗開裂性能對混凝土結(jié)構(gòu)的長期服役性能至關(guān)重要[9]。本文以PP纖維為對比樣，系統(tǒng)研究POM、PP纖維長度與摻量對不同強度等級砂漿塑性抗開裂性能的影響，以初裂時間、開裂總面積和平均裂縫寬度作為砂漿塑性抗開裂性能的評價指標，并從POM、PP纖維在砂漿中的分散性能和纖維/砂漿基體界面性能出發(fā)揭示POM、PP纖維對砂漿塑性抗開裂性能影響的機理，以期為POM纖維在混凝土中的推廣應用提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：P·Ⅱ52.5 水泥，密度 3.17 g/cm3，比表面積 388 m2/kg，初、終凝時間分別為 150、220 min，28 d 抗壓強度 57.6 MPa，江南小野田水泥有限公司提供，主要化學成分見表1。

（2）礦粉：密度 2.84 g/cm3，比表面積 404 m2/kg，符合 S95級礦粉的要求，江南礦粉有限公司提供，主要化學成分見表1。

（3）硅灰：密度 2.09 g/cm3，比表面積 22 000 m2/kg，甘肅三遠硅材料有限公司提供，主要化學成分見表1。

（4）粉煤灰：密度 2.33 g/cm3，比表面積 415 m2/kg，南京熱電廠提供，主要化學成分見表1。

表1 水泥、礦粉、硅灰和粉煤灰的主要化學成分 %

（5）砂：天然河砂，細度模數(shù)2.6，表觀密度2.64 g/cm3；

（6）水：自來水；

（7）聚羧酸高性能減水劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)，固含量40%，減水率約為40%；

（8）POM纖維和PP纖維：均由江蘇蘇博特新材料股份有限公司提供，主要性能指標見表2。

表2 POM、PP纖維的物理力學性能指標

1.2 試驗配比和制備

M30、M60基準砂漿的配合比見表3。先將干粉料（水泥、硅灰、礦粉）和砂倒入JJ-5型水泥膠砂攪拌機中干拌1 min，加入纖維后再攪拌1 min，最后加入水和減水劑再攪拌3 min，直至形成均勻漿體。待攪拌結(jié)束后，分2層澆筑40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件，24 h后拆模，在溫度（60±1）℃、相對濕度大于95%的蒸養(yǎng)箱中養(yǎng)護72 h。

表3 M30和M60基準砂漿的配合比 kg/m3

1.3 試驗方法

參照文獻[10]，采用平板約束法研究POM、PP纖維對不同強度等級砂漿塑性抗開裂性能的影響。攪拌結(jié)束后先將砂漿立即裝入模具中，然后將含砂漿的模具置于溫度（34±1）℃、相對濕度（31±1）%的房間內(nèi)。記錄砂漿試樣的初裂時間（從加水時間開始計），并采用佳能5D markⅡ相機及EF 100mm微距鏡頭獲取成型6 h后砂漿試樣的開裂圖像，最后基于圖像分析軟件，獲得樣品的裂縫總面積和裂縫平均寬度，并結(jié)合所記錄的初裂時間，對POM、PP纖維增強砂漿的塑性抗開裂性能進行定量評價。

根據(jù)熒光分析技術(shù)[11-13]，采用體式熒光顯微鏡觀察并獲取樣品（自60℃蒸養(yǎng)72 h后并冷卻至室溫的試件中取樣）的熒光圖片，再基于圖像分析軟件對所獲得的熒光圖片進行分析，采用纖維分散系數(shù)和纖維有效利用率2個指標對POM、PP纖維在砂漿中的分散性能進行定量評價。

纖維分散系數(shù) α[13]按式（1）計算：

式中：Xi——樣品切割面上第i張圖片里的纖維根數(shù)；

X——采集的所有熒光圖像中纖維根數(shù)的平均值；

n——樣品某切割面上所采集的二維熒光圖片張數(shù)，本研究取60。

纖維有效利用率η按式（2）計算：

式中：A、T——分別為單位面積內(nèi)纖維實際根數(shù)和理論根數(shù)。

T 按式（3）計算[14]：

式中：C——纖維取向系數(shù)，本研究取0.5；

Vf——纖維體積分數(shù)；

Af——單根纖維的截面積

采用短切單根纖維拔出試驗[15]測試POM、PP纖維/水泥基體界面粘結(jié)性能，其中水泥基體配合比為：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（水）=1∶1∶0.7。界面剪切強度按式（4）計算：

式中：τf——界面剪切強度，MPa；

Pm——最大力，N；

df——纖維直徑，mm；

le——纖維埋入深度，本研究取5 mm。

2 試驗結(jié)果與分析

POM、PP纖維長度和摻量對M30、M60砂漿塑性抗開裂性能的影響見表4。

表4 POM、PP纖維長度和摻量對M30、M60砂漿塑性抗開裂性能的影響

2.1 POM、PP纖維對不同強度等級砂漿塑性開裂初裂時間的影響

從表4可以看出：

（1）在M30和M60砂漿中摻入POM、PP纖維均能延遲砂漿的初裂時間。原因分析為：砂漿在塑性階段，彈性模量很低，力學性能尤其是抗拉性能差，在試驗所處低濕高溫環(huán)境下，若砂漿表層毛細管失水收縮產(chǎn)生的拉應力大于其塑性抗拉強度，則表層將會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，一方面，POM、PP纖維摻入砂漿中，砂漿的塑性抗拉強度提高，且纖維摻量越大，塑性抗拉強度越高；另一方面，摻入纖維使得砂漿體系中的失水面積減小，進而減小了毛細管失水收縮應力。以上2個因素使得POM、PP纖維增強砂漿的初裂時間延長。

（2）當纖維種類、長度和摻量相同時，強度等級為M60的砂漿初裂時間比M30的砂漿初裂時間更短。如當POM纖維長度為 12 mm，摻量為 0、0.45、0.90、1.35 kg/m3時，M60 砂漿初裂時間比M30砂漿的初裂時間分別縮短了29.6%、22.5%、19.5%和17.3%。原因分析為：砂漿強度等級越高，水膠比越低，早期水化消耗的水量越多，可蒸發(fā)的自由水越少，使得毛細管凹液面收縮應力也相應加大，使得砂漿更容易開裂，進而縮短砂漿初裂時間。

（3）當砂漿強度等級、纖維摻量和長度相同時，POM纖維砂漿的初裂時間相較PP纖維砂漿的初裂時間越長。原因分析為：根據(jù)POM、PP纖維直徑和密度，當纖維長度和摻量相同時，砂漿中POM纖維的根數(shù)約為PP纖維的1.3倍，且POM纖維分子鏈上有醚鍵，使POM纖維和砂漿基體間緊密的粘接在一起，達到更好地延遲開裂時間的作用。

（4）當砂漿強度等級、纖維種類和摻量相同時，纖維長度越長，砂漿的塑性開裂初裂時間越短。原因分析為：結(jié)合纖維本身物理力學性能指標，纖維種類和摻量相同時，砂漿中纖維的有效根數(shù)將減小，纖維平均間距增大，一定程度上降低了纖維的橋聯(lián)作用。

（5）當纖維種類和長度相同時，M60砂漿要獲得和M30砂漿相當?shù)某趿褧r間，M60砂漿中纖維的摻量要高。如M60砂漿中摻入1.35 kg/m3、長度為12 mm的POM纖維的初裂時間（105min）和M30砂漿中摻入0.45kg/m3、長度為12mm的POM纖維的初裂時間（102 min）差不多。原因分析為：砂漿強度等級越高越容易發(fā)生開裂，纖維摻量越大越有利于提高砂漿的塑性抗拉強度和減少收縮應力，進而延長砂漿的初裂時間。

綜上，當POM纖維長度為12 mm、摻量為1.35 kg/m3時，POM增強砂漿的初裂時間最長，相較基準1#和14#試樣，在M30和M60中延遲率分別高達56.8%和84.2%。

2.2 POM、PP纖維對不同強度等級砂漿塑性開裂裂縫總面積的影響

從表4可以看出：

（1）砂漿強度等級、纖維種類、長度及摻量均對砂漿的塑性開裂裂縫總面積產(chǎn)生影響。當纖維種類、長度和摻量相同時，砂漿強度等級越高，塑性開裂裂縫總面積越大。原因分析為：砂漿強度等級越高越容易發(fā)生開裂。

（2）在不同強度等級砂漿中摻入POM、PP纖維均會減小砂漿塑性開裂的裂縫總面積，且當砂漿強度等級、纖維長度和摻量相同時，POM纖維比PP纖維更能有效提高砂漿的抗塑性開裂能力。原因分析為：一方面，結(jié)合POM和PP纖維的物理力學性能指標，基于纖維間距理論，在纖維長度和摻量相同時，在砂漿中的纖維有效根數(shù)越多，纖維間距越小，對砂漿的增韌阻裂效果就越明顯，同時POM纖維的彈性模量和抗拉強度均大于PP纖維的，在攪拌過程中越不容易發(fā)生卷曲和成團，也更能有效發(fā)揮POM纖維的橋接阻裂作用；另一方面，POM纖維分子鏈上有醚鍵，與砂漿有良好的相容性，結(jié)合強度高，使POM纖維和砂漿基體更緊密的粘接在一起，達到更好的抗裂效果。

（3）當砂漿強度等級、纖維種類和摻量相同時，纖維長度越長，砂漿塑性開裂裂縫總面積略有增加，不過纖維摻量越大，由于纖維長度引起塑性開裂裂縫總面積增加的趨勢越不顯著。原因分析為：當纖維體積摻量為0.45 kg/m3時，纖維越短，砂漿中的有效纖維根數(shù)越多，抗開裂效果比長纖維顯著，但是當體積摻量達到臨界值時，短纖維失去了根數(shù)較多的優(yōu)勢，而長纖維由于較長，一方面，增大了纖維與砂漿基體間的界面粘結(jié)性能，促進了裂縫尖端處應力的有效傳遞，進而減少了應力集中，提高抗開裂能力，另一方面，由于合成纖維柔性大，纖維長度過長會使纖維互相纏繞團聚，影響纖維分散，降低纖維的抗開裂效果。

（4）當砂漿強度等級、纖維種類和長度相同時，隨著纖維摻量越大，砂漿開裂總面積越小，但是隨著纖維摻量增大，砂漿開裂總面積降低速率減小。以12 mm的POM纖維加入M30砂漿中為例，當纖維摻量為0.45、0.90、1.35 kg/m3時，相較未摻纖維的砂漿，裂縫總面積分別減小了32.9%、63.6%、71.6%。原因分析為：纖維摻量越大可能導致纖維在砂漿中分散性能的降低，在一定程度上降低纖維的有效利用率。

綜上，當POM纖維長度為12 mm、摻量為1.35 kg/m3時，M30和M60的塑性開裂裂縫總面積最小，相較1#和14#基準試樣，分別減小了71.6%和68.3%。

2.3 POM、PP纖維對不同強度等級砂漿塑性開裂裂縫平均寬度的影響

從表4可以看出：

（1）當纖維種類、摻量和長度相同時，高強度等級砂漿的塑性開裂裂縫平均寬度更大。以2#和15#試樣為例，M60砂漿的裂縫寬度較M30砂漿的裂縫寬度增大了4.9%。

（2）當砂漿強度等級、纖維長度和摻量相同時，POM纖維增強砂漿的裂縫平均寬度比PP纖維增強砂漿的要小。以2#和8#試樣為例，相較1#試樣，POM、PP纖維增強砂漿的裂縫平均寬度分別減小了34.0%和27.0%。

（3）當砂漿強度等級、纖維種類和摻量相同時，纖維長度越長漿塑性開裂裂縫平均寬度越大。當砂漿強度等級為M30，相較1#試樣，POM纖維摻量為0.45 kg/m3時，纖維長度為12、19 mm砂漿的塑性開裂裂縫平均寬度分別減小了34.0%和30.8%；纖維摻量為0.90 kg/m3時，纖維長度為12、19 mm砂漿的塑性開裂裂縫平均寬度分別減小了49.2%和46.5%；纖維摻量為1.35 kg/m3時，纖維長度為12、19 mm砂漿的塑性開裂裂縫平均寬度分別減小了69.7%和64.9%。

（4）當砂漿強度等級、纖維種類和長度相同時，M30和M60砂漿的裂縫平均寬度隨著纖維的摻入而明顯減小，且纖維摻量越大，砂漿的裂縫平均寬度越小。以2#～4#試樣為例，當纖維摻量分別為0.45、0.90、1.35 kg/m3時，相較未摻纖維的1#試樣，裂縫平均寬度分別減小了34.0%、49.2%、69.7%。

綜上，當POM纖維長度為12 mm、摻量為1.35 kg/m3時，M30和M60的塑性開裂裂縫平均寬度最小，相較1#和14#基準試樣，分別減小了69.7%和67.3%。

3 機理分析

在不同強度等級砂漿中摻入POM纖維對砂漿塑性抗開裂性能的提高效果優(yōu)于摻PP纖維，本文從POM、PP纖維分散性能以及與砂漿基體界面剪切強度出發(fā)，揭示POM纖維提高砂漿抗塑性開裂能力的機理。

3.1 POM、PP纖維在砂漿中的分散性能

以表2中3#、9#試樣為研究對象，通過熒光分析技術(shù)對比分析POM、PP纖維在M30砂漿中的分散性能，試驗結(jié)果見表5。

表5 POM、PP纖維在M30砂漿中的分散性能

從表5可以看出，POM纖維比PP纖維在砂漿中的分散系數(shù)和有效利用率分別提高了5.2%和7.1%。POM纖維在砂漿中的分散性能優(yōu)于PP纖維在砂漿中的分散性能，更能有效降低砂漿體系中的塑性沉降和減小毛細管負壓，進而使得POM纖維增強砂漿具有更為優(yōu)異的塑性抗開裂性能。

3.2 POM、PP纖維與砂漿的界面性能

水泥基體標準養(yǎng)護[溫度（20±1）℃、相對濕度≥95%]1 d后，采用短切單根纖維拔出試驗，POM、PP纖維與水泥基體間界面剪切強度分別為0.401、0.383 MPa，POM纖維與砂漿界面剪切強度比PP纖維與砂漿界面剪切強度提高了4.7%。POM纖維/砂漿基體界面剪切強度的提高，可使得其增強砂漿中微裂縫的發(fā)展得到有效控制，進而使得POM纖維增強砂漿相較PP纖維增強砂漿具有更優(yōu)異的塑性抗開裂性能。

4 結(jié)論

（1）當纖維種類、長度和摻量相同時，砂漿強度等級越高，砂漿的塑性抗開裂性能越差，開裂風險越大，若要達到與低強度等級砂漿相當?shù)乃苄钥归_裂性能有必要適當提高纖維的體積摻量。

（2）不同強度等級砂漿中摻入POM或PP纖維均能有效延遲砂漿塑性開裂初裂時間、減小裂縫總面積和平均寬度。當POM纖維長度為12 mm、摻量為1.35 kg/m3時，相較1#和14#基準試樣，M30和M60的初裂時間延長了56.8%和84.2%，裂縫總面積減小了71.6%和68.3%，裂縫平均寬度減小了69.7%和67.3%。

（3）當砂漿強度等級、纖維長度和摻量相同時，POM纖維比PP纖維更能有效提高砂漿的抗塑性開裂性能，主要是由于POM纖維在砂漿中的有效根數(shù)越多，且纖維分散系數(shù)、纖維有效利用率及與砂漿基體的界面剪切強度分別比PP纖維的提高了5.2%、7.1%和4.7%。