鋼纖維混凝土超聲－回彈測(cè)強(qiáng)曲線的建立

陳華艷， 畢賢順

(福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，福州 350108)

粉煤灰和礦渣是目前混凝土中常用的摻和料，一般是當(dāng)?shù)厝〔?，就近使用，不僅保護(hù)環(huán)境、節(jié)約成本，而且可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)改善混凝土的性能，具有良好的市場(chǎng)前景[1]。

鋼纖維混凝土是由短鋼纖維、砂、石子、水泥、水以及外加劑按比例配制，經(jīng)凝結(jié)硬化后形成的。與普通混凝土相比，鋼纖維混凝土的抗彎、抗拉特性以及抗剪強(qiáng)度均有普遍提高，其抗疲勞、抗沖性、開(kāi)裂后韌性和耐久性也有較大程度地改善[2]。超聲－回彈綜合法檢測(cè)普通混凝技術(shù)已經(jīng)十分成熟[3－5]，但其在鋼纖維混凝土中的應(yīng)用尚不常見(jiàn)[6－9]。筆者結(jié)合廈門至昆明國(guó)家重點(diǎn)公路干線的施工情況，配制一批不同齡期的摻粉煤灰、礦渣的C40鋼纖維混凝土試件，并利用超聲測(cè)試技術(shù)、回彈測(cè)試技術(shù)對(duì)鋼纖維混凝土進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，探討抗壓強(qiáng)度、超聲波聲速、回彈值三者之間的相關(guān)關(guān)系，以期為不同類型鋼纖維混凝土的無(wú)損檢測(cè)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

水泥采用42.5 MPa的普通硅酸鹽水泥;粗骨料是級(jí)配良好的碎石，粒徑為5～20 mm，表觀密度ρ0=2.73 g/cm3，堆積密度ρ'0=1 422 kg/m3;細(xì)骨料采用級(jí)配良好的中砂，表觀密度ρ0=2.65 g/cm3，堆積密度ρ'0=1 334 kg/m3;鋼纖維采用剪切型的，密度為7 800 kg/m3，長(zhǎng)徑比為33;減水劑采用NFJ－1型萘系高效減水劑;粉煤灰為熱電廠干排的二級(jí)粉煤灰，經(jīng)粉磨后的比表面積為6 000 cm2/g，密度 ρ0f=2.1 g/cm3;礦渣為冶金渣廠磨細(xì)的?；郀t礦渣，比表面積為4 500 cm2/g，密度ρ0k=2.35 g/cm3。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用上述材料，以不同鋼纖維摻量配制水灰比為0.41，齡期為 7、14、28、60 d 的 C40 鋼纖維混凝土。混凝土制作采用機(jī)械攪拌、機(jī)械振搗成型，要求外觀質(zhì)量良好，棱角完整，表面無(wú)明顯的缺陷。成型后的試件采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

到齡期的混凝土試件，首先按照CECS 02:2005《超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》[9]進(jìn)行超聲和回彈實(shí)驗(yàn)，然后按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]進(jìn)行抗壓實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋼纖維摻量對(duì)聲速、回彈值、抗壓強(qiáng)度的影響

2.1.1 普通鋼纖維混凝土

圖1表示不同齡期的鋼纖維混凝土中鋼纖維摻量(w)與超聲波聲速(c)、回彈值(R)、抗壓強(qiáng)度(σc)之間的關(guān)系曲線。從三組曲線變化趨勢(shì)可以看出:當(dāng)鋼纖維摻量從0增加至1.4%時(shí)，由于鋼纖維與混凝土之間的良好黏結(jié)作用，極大地減少了混凝土的孔隙率，提高了混凝土的密實(shí)度，從而使得混凝土的超聲波聲速、回彈值和抗壓強(qiáng)度均增大;但當(dāng)鋼纖維摻量在1.4%～2.0%之間時(shí)，隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土和易性會(huì)變差，從而使硬化后的混凝土密實(shí)度降低，超聲波聲速、回彈值和抗壓強(qiáng)度降低。文中設(shè)計(jì)的鋼纖維混凝土，鋼纖維摻量宜控制在1.0%～1.4%之間。

圖1 鋼纖維摻量與超聲波聲速、回彈值、抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between steel fiber concrete volume and ultrasonic velocity，rebound value，compression strength

另外，在混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，普通混凝土的破壞通常屬于脆性破壞，斷裂是突然的，而鋼纖維混凝土破壞時(shí)就沒(méi)有明顯的斷裂，基本保持原有的外形。這是因?yàn)樵诨炷林袚饺肓虽摾w維后，鋼纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用，能阻止裂縫的進(jìn)一步開(kāi)裂，因此，適當(dāng)?shù)匿摾w維摻量改變了普通混凝土的脆性破壞形式，提高了混凝土的密實(shí)度，從而使鋼纖維混凝土的聲速、回彈值和抗壓強(qiáng)度均比相同等級(jí)的普通混凝土有相應(yīng)的提高。

2.1.2 摻粉煤灰的鋼纖維混凝土

用15%粉煤灰代替水泥，不同齡期的鋼纖維混凝土鋼纖維摻量與超聲波聲速、回彈值、抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線如圖2所示。三組關(guān)系曲線的變化趨勢(shì)與圖1基本一致，同樣說(shuō)明用15%粉煤灰代替水泥的鋼纖維混凝土，鋼纖維摻量宜控制在1.0% ～1.4%之間。

在混凝土中摻入粉煤灰，不僅可以節(jié)約水泥，更重要的是可以改善混凝土的性能。摻入粉煤灰后，受粉煤灰的活性效應(yīng)和微集料效應(yīng)影響，鋼纖維混凝土與基體界面的微觀結(jié)構(gòu)得到了相應(yīng)的改善，鋼纖維的增強(qiáng)作用進(jìn)一步加強(qiáng)，從而使聲速、回彈值和抗壓強(qiáng)度普遍提高。另外，粉煤灰良好的保水性能降低了鋼纖維混凝土的水灰比，減少了混凝土的孔隙率，提高了混凝土的密實(shí)度，因而混凝土抗壓強(qiáng)度提高，回彈值與聲速也隨之提高[11]。

2.1.3 摻粉煤灰、礦渣的鋼纖維混凝土

當(dāng)粉煤灰摻量為10%、礦渣摻量為15%時(shí)，不同齡期雙摻鋼纖維混凝土鋼纖維摻量與超聲波聲速、回彈值、抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖2 摻粉煤灰混凝土鋼纖維摻量與超聲波聲速、回彈值、抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between steel fiber concrete volume and ultrasonic velocity，rebound value，compression strength of steel fiber concrete with fly ash

圖3 雙摻鋼纖維混凝土鋼纖維摻量與超聲波聲速、回彈值、抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between steel fiber concrete volume and ultrasonicvelocity， rebound value，compression strength of steel fiber concrete with fly ash and slay

三組關(guān)系曲線的變化趨勢(shì)與圖1、2的基本一致，再次說(shuō)明文中設(shè)計(jì)的鋼纖維混凝土鋼纖維摻量宜控制在1.0%～1.4%之間。

混凝土中粗骨料和細(xì)骨料之間存在大量的空隙，普通混凝土的這些空隙是由水泥顆粒來(lái)填充的，而鋼纖維混凝土中摻入粉煤灰和礦渣后，由于粉煤灰、礦渣與水泥之間的相互作用，進(jìn)一步填充水泥顆粒間的空隙，使混凝土密實(shí)度提高，因此，鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度得到提高，隨之超聲波聲速值和回彈值也都提高，這與普通混凝土中得到的結(jié)論是一致的。

2.2 超聲波聲速、回彈值、抗壓強(qiáng)度間關(guān)系

采用MATLAB數(shù)學(xué)軟件編制程序，繪制不同類型鋼纖維混凝土的超聲波聲速、回彈值、抗壓強(qiáng)度的三維圖形，如圖4所示。

圖4 超聲波聲速、回彈值、抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between ultrosonic velocity，rebound value and compression strength

從圖中可以看出，摻入粉煤灰、礦渣的鋼纖維混凝土與普通鋼纖混凝土的c、R、σc大多處于同一平面內(nèi)，說(shuō)明三種類型鋼纖維混凝土的超聲波聲速、回彈值和抗壓強(qiáng)度之間有著良好的相關(guān)性。

3 回歸方程

采用MATLAB數(shù)學(xué)軟件編制程序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，擬合相關(guān)公式和相應(yīng)回歸函數(shù)曲線。參考CECS02:2005[9]中推薦的回歸方程式:

采用相對(duì)誤差xer和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差δ確認(rèn)回歸方程的有效性。實(shí)驗(yàn)所得回歸方程見(jiàn)表1。

表1 回歸方程及其相對(duì)誤差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差Table 1 Regression equation and its relative error and relative standard deviation

相對(duì)誤差是回歸值對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)測(cè)值的誤差范圍，它揭示了方程規(guī)律性的強(qiáng)弱，其值越小，說(shuō)明利用回歸方程進(jìn)行預(yù)報(bào)的強(qiáng)度值就越精確;相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差定義為各測(cè)量值誤差的平方和的平均值的平方根，是一組數(shù)據(jù)平均值分散程度的度量，其值越小，說(shuō)明越接近于平均值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的回歸方程，相對(duì)誤差與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差均小于1%，說(shuō)明利用此次實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)建立的回歸方程是可靠的。

4 結(jié)論

結(jié)合廈門至昆明國(guó)家重點(diǎn)公路干線的施工情況，配制了一批不同齡期的摻入粉煤灰、礦渣的C40鋼纖維混凝土試件，并利用超聲測(cè)試技術(shù)和回彈測(cè)試技術(shù)對(duì)不同類型鋼纖維混凝土性能進(jìn)行檢測(cè)，得到如下結(jié)論:

(1)隨著鋼纖維摻量的增加，三種鋼纖維混凝土的超聲波聲速、回彈值、抗壓強(qiáng)度均呈先增大后減小的趨勢(shì)。文中所研究的C40鋼纖維混凝土鋼纖維摻量宜控制在1.0%～1.4%之間。

(2)受粉煤灰和礦渣微粉的活性集料效應(yīng)影響，用15%粉煤灰或10%粉煤灰、15%礦渣取代水泥的鋼纖維混凝土密實(shí)度得到提高，從而使得超聲波聲速、回彈值和混凝土抗壓強(qiáng)度都得到提高。這與在普通混凝土中得到的結(jié)論是一致的。

(3)采用MATLAB數(shù)學(xué)軟件編制程序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，建立了鋼纖維混凝土超聲波聲速、回彈值與抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)關(guān)系曲線?？箟簭?qiáng)度與聲速和回彈值之間存在著很好的相關(guān)性，證明運(yùn)用超聲－回彈綜合法對(duì)鋼纖維混凝土進(jìn)行檢測(cè)是可行的。

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