聚甲醛纤维对自密实混凝土工作性能和力学性能影响

刘恒; 贺晶晶; 冯兴国; 崔海鹏; LIU Heng; HE Jing-jing; FENG Xing-guo; CUI Hai-peng

doi:10.12396/znsd.240748

中国农村水利水电 ›› 2025 ›› (3) : 166-171. DOI: 10.12396/znsd.240748

水利工程

聚甲醛纤维对自密实混凝土工作性能和力学性能影响

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Influence of Polyoxymethylene Fiber on Workability and Mechanical Properties of Self-Compacting Concrete

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摘要

针对聚甲醛（POM）纤维自密实混凝土开展性能试验研究，分析纤维几何特性、纤维掺量对自密实混凝土（SCC）的工作性能的与力学性能的影响规律及机理。研究表明：纤维长度一定时，掺量在0.8~2.4 kg/m³范围内增加时，SCC坍落扩展度下降，SCC的力学性能呈先增后减的趋势；纤维掺量一定时，纤维长度6~20 mm范围内增大时，SCC坍落扩展度变化不大，SCC力学性能呈先增后减的趋势。掺量1.6 kg/m³、长度12 mm的圆柱状纤维对SCC抗压强度提升幅度最大，较素SCC的28 d强度提升了3.6%；长度12 mm扁平状纤维与长度6 mm圆柱状纤维混杂，掺量为1.6 kg/m³时，SCC的28 d劈裂抗拉强度提高14.52%。POM的掺入，使得对SCC微观结构更为密实，纤维与胶凝体紧密结合可有效吸收破坏产生能量，实现宏观力学性能提升。研究结论可为POM纤维自密实混凝土工程应用提供参考。

Abstract

The performance test of polyoxymethylene （POM） fiber self-compacting concrete（SCC） was carried out， and the influence law and mechanism of fiber geometric characteristics and fiber content on the working performance and mechanical properties of SCC were analyzed. The results show that when the fiber length is constant and the content is increased in the range of 0.8~2.4 kg/m³， the slump spread of SCC decreases， and the mechanical properties of SCC increase first and then decrease. When the fiber content is constant and the fiber length increases within the range of 6~20 mm， the slump spread of SCC does not change much， and the mechanical properties of SCC increase first and then decrease. The cylindrical fibers with a dosage of 1.6 kg/m³ and a length of 12 mm has the largest improvement on the compressive strength of SCC， which is 3.6% higher than that of plain SCC at 28 d. The 28 d splitting tensile strength of SCC is increased by 14.52% when the flat fiber with a length of 12 mm and the cylindrical fiber with a length of 6mm are mixed， and the dosage is 1.6 kg/m³. The addition of POM makes the microstructure of SCC more compact， and the close combination of fiber and gel can effectively absorb the energy generated by damage and improve the macro-mechanical properties. The research conclusion can provide a reference for the engineering application of POM fiber self-compacting concrete.

关键词

自密实混凝土 / 聚甲醛纤维 / 坍落扩展度 / 抗压强度 / 劈裂抗拉强度 / 微观结构

Key words

self-compacting concrete / polyoxymethylene fiber / slump-flow / compressive strength / splitting tensile strength / SEM

基金

国家自然科学基金资助项目(5207090694)

陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2021JQ-983)

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刘恒 , 贺晶晶 , 冯兴国 , 崔海鹏. 聚甲醛纤维对自密实混凝土工作性能和力学性能影响[J].中国农村水利水电, 2025(3): 166-171 https://doi.org/10.12396/znsd.240748

LIU Heng , HE Jing-jing , FENG Xing-guo , CUI Hai-peng. Influence of Polyoxymethylene Fiber on Workability and Mechanical Properties of Self-Compacting Concrete[J].China Rural Water and Hydropower, 2025(3): 166-171 https://doi.org/10.12396/znsd.240748

0 引言

聚甲醛（简称POM），在国外有“夺钢”、“超钢”之称，另名聚缩醛，是一种无支链、高密度、高结晶的线性聚合物。POM纤维具有强度大、模量高、伸长率适中、尺寸稳定、握裹力好、水分散性佳和耐碱性强等特点。吕锦飞、安宇坤等^［1-3］研究得出：POM纤维混凝土抗硫酸盐侵蚀能力、密实性及抗渗性能更佳。张丽辉^［4］对比了聚丙烯（PP）纤维和POM纤维，发现POM纤维混凝土的新拌性能、抗压强度及劈裂抗拉强度更为优异。刘露、侯帅等^［5，6］研究表明：POM纤维掺量在0.9 kg/m³时，长度为6 mm和12 mm的POM纤维增强混凝土抗折性能较好。何越骁等^［7］研究了掺入6、8、12 mm POM纤维的UHPC高温后残余力学性能，结果表明：POM纤维长度和温度的增加，UHPC 基体内孔隙率和孔径尺寸增大；UHPC混掺8 mm POM纤维与钢纤维高温后残余力学性能较优。

上述POM纤维掺入混凝土研究表明，POM在提升普通混凝土的抗折、韧性及劈裂抗拉等性能方面，较其他纤维有自身的优势和特点，能有效改善混凝土综合性能。尽管如此，不同形状尺寸POM纤维及混杂POM纤维对比较少，POM纤维SCC相关性能研究不足，鉴于此，本文以粉煤灰取代20%水泥配制的SCC为基准混凝土，通过掺入不同形状、掺量及长度POM纤维，对不同组SCC进行工作性能及力学性能分析，为POM纤维增强SCC的研究和应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 原材料

原材料中水泥品种为海螺牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥，物理性能见表1。采用大唐宝鸡热电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，活性指数74%，SO₃含量1.01%，其主要组成见表2。粗骨料采用粒径为5~10 mm的人工破碎米石，表观密度为2 680 kg/m³，堆积密度为1 630 kg/m³。细骨料采用细度模数为2.75的人工砂，石粉含量15.4%，表观密度2 546 kg/m³，堆积密度1 528 kg/m³。POM纤维密度为1.41 g/cm³，直径为0.2 mm，长度分别为6、12、20 mm，熔点165 ℃，抗拉强度≥1 250 MPa，断裂强度≥1 000 MPa，断裂伸长率≤16%，纤维如图1。外加剂采用中国电建西北院自主研发粉末状复合剂，减水率约为28.8％的凯迪405粉体聚羧酸高性能减水剂。

表1 水泥物理性能

Tab.1 Cement physical properties

密度ρ/（g·cm^-3）	标准稠度用水量/%	凝结时间/min		抗压强度/MPa		抗折强度/MPa
密度ρ/（g·cm^-3）	标准稠度用水量/%	Initial set	Final set	3 d	28 d	3 d	28 d
3.05	27.9	173	227	28.5	51.0	6.2	8.6

表2 粉煤灰化学组成 (%)

Tab.2 Chemical composition of fly ash

化学组成
SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	CaO	SO₃	Cl^-	K₂O	Na₂O
51.19	20.49	8.05	10.76	2.50	0.94	1.01	0.013	1.35	1.38

图1 不同形状尺寸的POM纤维

Fig.1 POM fibers with different shapes and sizes

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1.2 配合比设计

结合国内外自密实混凝土相关文献及实际工程配比思路，参考JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》，采用绝对体积法进行C40自密实混凝土配合比设计。C40自密实混凝土配合比见表3，掺入纤维情况见表4。

表3 SCC配合比

Tab.3 Mixture proportion of SCC

配合比/（kg $\cdot$ m^-3）						水胶比
水	水泥	粉煤灰	砂	石	减水剂	水胶比
180	411	103	832	854	0.93	0.35

表4 不同组SCC掺入纤维情况 (kg/m³)

Tab.4 Situation of different groups of SCC mixed with fiber

组	F-POM	C-POM	混杂POM	混杂比
JZ	-	-	-	-
F-POM-6	0.8/1.6/2.4	-	-	-
F-POM-12	0.8/1.6/2.4	-	-	-
F-POM-20	0.8/1.6/2.4	-	-	-
C-POM-6	-	0.8/1.6/2.4	-	-
C-POM-12	-	0.8/1.6/2.4	-	-
C-POM-20	-	0.8/1.6/2.4	-	-
F-C-12-6	-	-	0.8/1.6/2.4	1∶1
F-C-20-6	-	-	0.8/1.6/2.4	1∶1
F-C-20-12	-	-	0.8/1.6/2.4	1∶1

1.3 试验方法

1.3.1 POM纤维SCC工作性能测试

POM纤维SCC的工作性能由坍落扩展度（mm）、扩展度达到500 mm的时间（

T_{500}

）表征，如图2所示，工作性能试验参照JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》进行。

图2 工作性能试验

Fig.2 Working performance test

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1.3.2 POM纤维SCC力学性能试验

POM纤维增强SCC的抗压强度试块尺寸为100 mm立方体、劈裂抗拉强度试块尺寸为150 mm立方体，参照GB/T 50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》相关规定，进行基本力学性能测试，每组试块数量均为3个，结果取平均值。使用上海华龙测试仪器有限公司生产的微机控制电液伺服压力试验机（CLY-2000）进行测试。

2 试验结果与分析

2.1 POM纤维SCC工作性能

SCC坍落扩展度若过低，则不能满足浇筑后的流动性要求。若SCC坍落扩展度太大，则易在运输、浇筑等过程中产生离析，导致混凝土产生蜂窝、麻面，故保证SCC抗离析性和均匀稳定能力尤为关键^［8，9］。

单掺扁平状POM纤维（F-POM）、圆柱状POM纤维（C-POM）及混杂POM纤维（F-C-POM）对SCC工作性能的影响如图3所示。

图3 SCC不同POM纤维长度、掺量及形状下坍落扩展度变化

Fig.3 Changes of slump fiow under different length， content and shape of POM fiber in SCC

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通过调整基准配比砂率，POM纤维SCC拌合状态的黏聚性提高，改善了拌合物的离析程度^［10］。由图3可知，对照基准组，随着纤维掺量的增加，SCC的坍落扩展度均呈现下降的趋势，T500值增大，流动性损失逐渐提高。在POM纤维SCC工作性能试验中发现，不同组拌合物扩展度达到最大时，部分组边缘轻微泌水，产生这种原因与POM纤维材料自身的性能及纤维在SCC中的分布情况有关。初步分析为，当纤维掺量超过1.6 kg/m³后，拌和过程、POM纤维分散性等方面因素产生的上述问题。

同等掺量下，图3（a） FP组单掺不同长度（6、12及20 mm）的F-POM对SCC工作性能的影响不大，坍落扩展度最大下降30 mm，T ₅₀₀最大增加1.5 s。单掺F-POM掺量较高时，长度大的POM纤维对SCC工作性能负面影响较明显，且由图曲线可以看出，坍落扩展度和扩展时间斜率变大；而图3（b） CP组单掺C-POM长度增加对SCC的坍落扩展度及T ₅₀₀影响增大；同等长度下，单掺C-POM掺量的增加，SCC的坍落扩展度均会有所下降，T ₅₀₀值上升，长度较大的C-POM对SCC流动性影响更加突出。坍落扩展度最大降低45 mm，T ₅₀₀最大增长2.5 s，相比单掺F-POM影响更甚。图3（c） XP组不同混杂纤维掺入下，SCC流动性损失影响：扁平状12 mm与圆柱状6 mm混杂<扁平状20 mm与圆柱状6 mm混杂<扁平状20 mm与圆柱状12 mm混杂；相比素SCC坍落扩展度降低40 mm，T ₅₀₀增加1.75 s。综上，随着纤维掺量和长度的增加，坍落扩展度损失及T ₅₀₀升高幅度逐渐增大，也说明POM纤维的加入在一定程度上降低了SCC的填充性和流动性。

可见，无论是单掺POM纤维或是混杂POM纤维，SCC流动性会随着POM纤维掺量的提高逐渐丧失。原因在于，F-POM表面光滑，分散性较好且不易缠绕或打结。因此，相同掺量下的不同长度F-POM对SCC流动度影响不大。C-POM比表面积较大，纤维表面为一部分水泥浆体包覆，且纤维添加越多，包裹纤维的浆体愈多，相应的用于包覆骨料以及润滑作用的水泥浆体逐渐减少，并且POM纤维在SCC拌合物中呈现无规分布状态，形成三维网络结构，阻碍浆体自由流动，SCC黏聚性提高，故而流动性下降，宏观表现为坍落扩展度下降，T ₅₀₀值升高。

2.2 POM纤维SCC力学性能

2.2.1 抗压强度

不同掺量、尺寸及形状纤维对SCC 的28 d、180 d抗压强度试验结果如图4所示，由图4两组龄期可发现，普通SCC与POM纤维SCC在28 d时便能够达到足够高的强度。

图4 SCC 28 d不同POM纤维长度、纤维掺量及纤维形状下抗压强度变化

Fig.4 Changes of 28-day compressive strength of SCC under different POM fiber length， fiber content and fiber shape

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由图4（a） FP组可以看出，单掺F-POM过长或过短，掺量的增加在一定程度上均削弱了SCC的抗压强度，纤维掺量不宜超过1.6 kg/m³。F-POM对28 d、180 d SCC抗压强度影响范围分别为-4.50% ~ 1.62%与-8.23% ~ 2.74%，掺量为1.6 kg/m³的12 mm F-POM和0.8 kg/m³的20 mm F-POM 28 d效果较优。相比F-POM的掺入，由图4（b） CP组可知，相比基准组C-POM的掺入，28 d时SCC抗压强度增长为-6.49% ~ 3.60%，180d时SCC抗压强度增长为-4.84%~10.65%，最优组为1.6 kg/m³的12 mm圆柱状。C-POM长度愈长，纤维掺量的提高对SCC抗压强度的削减愈加明显。图4（c） XP，F-C-20-6组及F-C-20-12组随着纤维掺量的增加，抗压强度有下降的趋势，F-C-12-6组最优掺量为1.6 kg/m³，混杂纤维SCC 的28 d、180 d抗压强度分别提高-5.95%~1.08%、-8.55%~0.65%。总体而言，无论是单掺POM纤维亦或混掺POM纤维，掺量在1.6 kg/m³内，对SCC抗压强度的变化影响不大，掺量过高会导致强度降低。

2.2.2 劈裂抗拉强度

不同纤维掺量及尺寸掺入下的自密实混凝土抗压强度试验结果如图5所示。

图5 SCC 28d不同POM纤维长度、纤维掺量及纤维形状下劈裂抗拉强度变化

Fig.5 Changes 28-day of splitting tensile strength of SCC under different POM fiber length， fiber content and fiber shape

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由图5（a） FP组可以看出，单掺6 mm及20 mm的F-POM，掺量的增大一定程度上削弱了SCC的劈裂抗拉强度，应证抗压强度试验图4（a） FP组曲线变化趋势。同等掺量下，随着F-POM长度的增大，SCC的劈拉强度先增大后减小；掺入12mm F-POM，SCC劈拉强度先增加后减小，F-POM组SCC劈裂抗拉强度影响范围为-5.84% ~ 6.68%，最优组为掺入1.6 kg/m³的12 mm F-POM。单掺C-POM，SCC劈裂抗拉强度相对于基准强度提高 -6.51 % ~ 7.68 %，且由图5（b） CP可见，长度12 mm及掺量1.6 kg/ m³组提高SCC劈裂抗拉强度最大，C-POM对SCC劈裂抗拉强度的提升和削弱均略微强于F-POM。相比于单掺POM纤维，混杂纤维提高劈裂抗拉强度更为显著，如图5（c） XP；最优组为1.6 kg/m³ F-C-12-6，这也对应图4（c） XP组抗压强度，相对于基准强度提高-2.67 %~14.52 %。

2.2.3 破坏形态及微观机理

力学试验结束后，取破坏试件进行分析，部分破坏试件如图6所示。相比素SCC试件的受压破坏形态呈劈裂式，POM纤维SCC试件受压破坏形态呈断裂式。在试件逐渐丧失承载力直至破坏过程中，POM纤维在破裂面上脱黏拔出、撕裂变形或少量拉断，使得SCC由脆性破环变成延性破坏。然而，不同尺寸、掺量的纤维材料会对SCC的力学性能产生不同程度的影响。同等掺量下，短状纤维比表面积大，水泥基材料内部的黏结界面增大，随着掺量的增加，SCC的抗压强度随之减小；随着纤维长度的增加，纤维与水泥基材料的黏结咬合、桥接效应才渐显，抵消了试件破坏时所受的能量与冲击，因此力学性能升高。

图6 试件破坏形态

Fig.6 Failure mode of specimen

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对于扁平状POM纤维，在断裂面处是被拔出、撕裂（Tear）的；扁平状POM纤维表面光滑，与SCC黏结力较弱，这也导致力学强度弱于单掺圆柱状POM纤维和混杂POM纤维。对于圆柱状POM纤维，较短的在断裂面处是拔出（Pull out）、磨损；而较长圆柱状POM纤维在断裂面处少数变形、断裂（Fracture）及拔出；随着纤维掺量的增加，圆柱状POM纤维在混凝土中更易弯折或者成团（C-POM clumping），改变了SCC基体内部结构的均匀性和致密程度，增加了内部有害孔洞（Holes）与裂缝（Crack），从而使混凝土内部应力集中破坏点更容易出现，如图7所示。

图7 SCC内部形态

Fig.7 Internal morphology of POM fiber reinforced SCC after failure

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此外，过多的POM纤维掺入会明显影响SCC和易性，POM纤维之间形成互相干扰，导致水泥基材料之间形成微小空隙，增加了其内部的薄弱区域，致使SCC强度降低，严重时会导致离析泌水现象，这在圆柱状POM纤维SCC工作性能试验及力学性能试验中均有体现。

同等掺量下，随着纤维长度的增加，纤维根数减少，纤维与水泥基材料的黏结咬合也渐显，抵消了试件破坏时所受的能量与冲击，因此劈拉强度升高；长度过长会导致乱向搭接，纤维根数也会减少，减小与基体截面黏结面积，降低了SCC与纤维的黏结性能。POM纤维不管是被拔出还是被拉断，SCC试件开裂后尚能保持一定的承载力及整体性。试验观察及分析表明：POM纤维SCC的破坏机理与素SCC不同，这显示了POM纤维在SCC中的有效性和实用性，POM纤维的加入使SCC强度得到提升。

为了探究POM纤维增强SCC机理，在力学试验结束后，选取破碎试样进行SEM微观图像分析。图8为具有代表意义的普通SCC内部微观形态图。由图8（a）可以看出，SCC内部存在一些初始裂缝，SCC部分水泥浆体与粗骨料（Coarse aggregate）界面过渡区（ITZ）可见明显的裂纹，裂纹最先在界面处出现并极易从界面过渡区向周边基体延伸和扩展。骨料与水泥石的黏结较为紧密，整体性与密实度良好。大量水化产物，如絮状的水化硅酸钙（C-S-H）凝胶、水化铝酸钙（C-A-S-H）凝胶、片状的氢氧化钙（C-H）与粉煤灰颗粒（FA）分散于SCC内部，界面过渡区存在初始微裂缝（Micro Cracks）裂缝与诸多孔洞（Holes），如图8（b），这使得SCC内部应力集中破坏点更容易出现，宏观上表现为强度降低。

图8 普通SCC内部微观形态

Fig.8 Internal morphology of SCC

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如图9为F-POM与SCC基质的黏结情况，图9（a）、9（b）及9（c）为逐渐放大图，图9（d）为图9（c）中点1处EDS能谱。图9（a）为F-POM纤维在拉拔后SEM微观图像，可以看出F-POM纤维与砂浆和粗骨料黏结良好，ITZ和纤维-ITZ周边未见明显裂缝。图9（b）纤维附近堆积大量呈絮状和大颗粒状的C-（A）-S-H凝胶，并伴随诸多FA颗粒分布，如图9（c）、9（d）。F-POM纤维表面存在些许划痕，归因于F-POM纤维与C-S-H等水化产物的机械咬合^［11］，在基体破坏过程抵抗F-POM纤维的拉拔，使纤维表面发生一定的塑性变形，宏观上F-POM纤维分叉撕裂及拔出。

图9 扁平状POM纤维（F-POM）SCC内部微观形态

Fig.9 Internal morphology of flat POM fiber reinforced SCC

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同图9倍数放大图及EDS能谱图，图10为C-POM纤维SCC内部微观形态。如图10（a），纤维周边分布大量水化产物，纤维ITZ不明显。C-POM与SCC基体的良好结合，使得C-POM纤维具有较大的拔出荷载。图10（b）中可见，C-POM纤维与水泥基质之间具有良好的亲和力，纤维与界面黏结附近的少量微裂缝代表纤维可以有效地传递力，并且能够阻碍微裂缝的延伸扩展^［12］。纤维表面的水化水泥颗粒（C-S-H凝胶、C-H晶体及FA颗粒等）如图10（c）、10（d），表明基质与纤维之间存在化学附着力。C-POM通过拔出、弯折、撕裂及断裂吸收破坏带来的冲击能量^［13］。

图10 圆柱状POM纤维（C-POM）SCC内部微观形态

Fig.10 Internal morphology of cylindrical POM fiber reinforced SCC

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3 结论

通过对普通自密实混凝土和聚甲醛（POM）纤维自密实混凝土的工作性能及力学性能试验分析，可得出如下结论。

（1）随着POM纤维掺量的增加，SCC的坍落扩展度均呈现下降的趋势，坍落扩展时间（T ₅₀₀）增加，流动性损失逐渐增大，较长的圆柱状POM纤维对SCC坍落扩展度影响更加突出。

（2） POM纤维的掺入对SCC的抗压强度影响不显著，当掺入1.6 kg/m³的12 mm圆柱状POM时，SCC相对其他组28 d抗压强度提升最佳。

（3）由于POM纤维的掺入，SCC的劈裂抗拉强度均有不同程度的提高，劈拉强度效果为：混杂POM纤维>单掺圆柱状POM>单掺扁平状POM纤维，最佳组合为扁平状12 mm POM纤维+圆柱状6 mm POM纤维，掺量为1.6 kg/m³。

（4）纤维长度较短或掺量较低，纤维与水泥基材料的桥接效应不显著；同等掺量下，纤维越长，纤维根数越少，纤维与基体的黏结面积较小；然过多的POM纤维会影响SCC和易性，POM纤维之间形成互相干扰，导致工作性能试验和力学性能降低。

（5）普通SCC存在初始裂缝与孔洞，易出现应力集中现象；扁平状POM纤维与SCC基体的机械咬合使得纤维表面出现划痕及损伤；圆柱状POM纤维与基体黏结较优，四周围绕大量水化产物，纤维通过断裂变形有效地传递和吸收破坏荷载。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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关键词
Key words
基金
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0 引言
1 材料与方法
1.1 原材料
表1 水泥物理性能
表2 粉煤灰化学组成 (%)
图1 不同形状尺寸的POM纤维
1.2 配合比设计
表3 SCC配合比
表4 不同组SCC掺入纤维情况 (kg/m3)
1.3 试验方法
1.3.1 POM纤维SCC工作性能测试
图2 工作性能试验
1.3.2 POM纤维SCC力学性能试验
2 试验结果与分析
2.1 POM纤维SCC工作性能
图3 SCC不同POM纤维长度、掺量及形状下坍落扩展度变化
2.2 POM纤维SCC力学性能
2.2.1 抗压强度
图4 SCC 28 d不同POM纤维长度、纤维掺量及纤维形状下抗压强度变化
2.2.2 劈裂抗拉强度
图5 SCC 28d不同POM纤维长度、纤维掺量及纤维形状下劈裂抗拉强度变化
2.2.3 破坏形态及微观机理
图6 试件破坏形态
图7 SCC内部形态
图8 普通SCC内部微观形态
图9 扁平状POM纤维（F-POM）SCC内部微观形态
图10 圆柱状POM纤维（C-POM）SCC内部微观形态
3 结论
参考文献

收稿日期	接受日期	出版日期
2024-05-11	2024-06-17	2025-03-15
发布日期
2025-03-25

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