Mechanical Properties of Ferroaluminate Cement-Based Materials Reinforced by Hybrid Fiber

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1007

Abstract

Abstract:

To enhance the toughness of ferroaluminate cement-based materials， this research presented the design of a multi-scale hybrid fiber composite system through the incorporation of polyoxymethylene （POM） fiber and polypropylene （PP） fiber. The impact of this system on the fundamental mechanical properties of ferroaluminate cement mortar， including fluidity， flexural strength， compressive strength， ultimate tensile strength， and bending strength was examined. Furthermore， scanning electron microscopy was employed to examine its microstructure. The results indicate that the impact of hybrid fibers on the fluidity of ferroaluminate cement is less significant than that of single type fiber. POM fiber can significantly enhance the flexural strength of cement when two types of fiber are mixed. Both single and composite fiber incorporations can markedly enhance the deflection capacity of ferroaluminate cement-based materials. When the volume fractions of PP fiber and POM fiber are both 0.3%（mass fraction）， the hybrid fiber system demonstrates a remarkable “positive hybrid effect”， resulting in the maximum enhancement of equivalent bending strength. Microscopic examination reveals that POM fiber and PP fiber can synergistically operate across various dimensional scales to collectively impede fracture propagation， thereby enhancing the toughness of ferroaluminate cement-based materials.

Key words: hybrid fiber, polyoxymethylene fiber, polypropylene fiber, ferroaluminate cement, toughness

CLC Number:

TU528

LIU Zhan, MEI Junpeng, DU Yonghui, GUO Hanyu, YANG Shilin. Mechanical Properties of Ferroaluminate Cement-Based Materials Reinforced by Hybrid Fiber[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(5): 1527-1535.

Figures/Tables 16

Table 1 Chemical composition of FAC

Composition	SiO₂	SO₃	CaO	TiO₂	Fe₂O₃	LOI	MgO	Al₂O₃
Mass fraction/%	7.02	16.07	40.97	1.11	5.55	4.18	1.44	22.93

Table 2 Main performance parameters of fiber

Fiber type	Modulus of elasticity/GPa	Tensile strength/MPa	Elongation at break/%	Density/（g·cm^-3）	Length/mm
PP	6.8	400	29.8	0.91	6
POM	10.0	800	30.0	1.42	6，12

Table 3 Mix proportion of FRCC

Sample	Mass fraction/%			Mass/g
	POM fiber		PP fiber	Cement	Water	Sand	PCE
	6 mm	12 mm	6 mm	Cement	Water	Sand	PCE
Control	—	—	—	450	225	1 350	0.225
P60	—	—	0.60	450	225	1 350	0.225
P45MS15	0.15	—	0.45	450	225	1 350	0.225
P30MS30	0.30	—	0.30	450	225	1 350	0.225
P15MS45	0.45	—	0.15	450	225	1 350	0.225
P45ML15	—	0.15	0.45	450	225	1 350	0.225
P30ML30	—	0.30	0.30	450	225	1 350	0.225
P15ML45	—	0.45	0.15	450	225	1 350	0.225

Fig.1 Macroscopic morphology of PP fiber before and after dispersion

Fig.2 Effect of hybrid fiber on fluidity of FAC

Fig.3 Flexural strength of hybrid fiber-reinforced FAC

Fig.4 Compressive strength of hybrid fiber-reinforced FAC

Fig.5 Direct tensile load-elongation curves of 7 d hybrid fiber-reinforced FAC

Fig.6 Ultimate tensile strength of 7 d hybrid fiber-reinforced FAC

Fig.7 Direct tensile load-elongation curves of 28 d hybrid fiber-reinforced FAC

Fig.8 Ultimate tensile strength of 28 d hybrid fiber-reinforced FAC

Fig.9 Load-deflection curves of 7 d hybrid fiber-reinforced FAC

Fig.10 Load-deflection curves of 28 d hybrid fiber-reinforced FAC

Fig.11 Equivalent bending strength of 7 d hybrid fiber-reinforced FAC

Fig.12 Equivalent bending strength of 28 d hybrid fiber-reinforced FAC

Fig.13 SEM images of fracture surface of hybird fiber-reinforced FAC specimens

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