配套使用電感試驗(yàn)和抗折試驗(yàn)對(duì)鋼纖維混凝土力學(xué)特性及纖維分布的研究*

申俊敏

(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201804； 2.山西交通控股集團(tuán)有限公司 太原 030006)

在過(guò)去的幾十年里，鋼纖維混凝土(SFRC)的應(yīng)用研究得到了快速發(fā)展。在混凝土中加入鋼纖維可增強(qiáng)混凝土構(gòu)件的抗疲勞能力及開(kāi)裂后的承載力等。鑒于鋼纖維混凝土的這些優(yōu)良性能，使得用鋼纖維部分甚至全部取代傳統(tǒng)鋼筋作為混凝土的加強(qiáng)筋成為了一種可能。隨著建筑行業(yè)熟練工人的逐步減少，要建設(shè)高質(zhì)量的混凝土結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越難，為解決這些棘手的問(wèn)題，自密實(shí)混凝土(SCC)于1988年在日本應(yīng)運(yùn)而生[1]。鑒于其在人力成本，安全性能及噪音污染等方面的顯著優(yōu)勢(shì)，SCC自發(fā)明以來(lái)就受到了世界各國(guó)專(zhuān)家學(xué)者的青睞。在SCC里加入鋼纖維形成鋼纖維自密實(shí)混凝土(SFRSCC)，可以同時(shí)具備SFRC和SCC的共同優(yōu)點(diǎn)，因此，關(guān)于SFRSCC的研究自其第一次在實(shí)際工程中應(yīng)用以來(lái)，就一直進(jìn)行中[2]。為了確保SFRC的質(zhì)量，對(duì)于鋼纖維混凝土的裂后性能及纖維含量的評(píng)估是十分重要的。通常情況下，SFRC的裂后性能使用三點(diǎn)或四點(diǎn)抗折試驗(yàn)結(jié)果表征；另一方面，纖維含量是根據(jù)規(guī)范UNE-EN 14721[3]所使用的方法來(lái)進(jìn)行的。然而，在所用方法中，要測(cè)得鋼纖維的含量，必須碾碎SFRC試件或?qū)π掳杌炷吝M(jìn)行清洗，從而分離出纖維來(lái)進(jìn)行稱(chēng)重。完成這些流程，不僅程序繁瑣而且價(jià)格昂貴，單位時(shí)間試件測(cè)試數(shù)量受到嚴(yán)重限制，不能很好地為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠詳實(shí)的數(shù)據(jù)。

本文的研究目的在于，結(jié)合電感試驗(yàn)和三點(diǎn)抗折試驗(yàn)結(jié)果，提出一種鋼纖維混凝土質(zhì)量控制更有效的替代方法。首先，對(duì)普通鋼纖維混凝土(CSFRC)和鋼纖維自密實(shí)混凝土(SFRSCC)進(jìn)行三點(diǎn)抗折試驗(yàn)以表征其裂后性能；然后，利用電感試驗(yàn)對(duì)澆筑的立方試件和從小梁切割出來(lái)的立方體試件進(jìn)行纖維含量及纖維分布的評(píng)估。最后，進(jìn)一步分析以上試驗(yàn)結(jié)果，從而對(duì)所測(cè)試?yán)w維混凝土材料性能給出客觀的評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)概述

1.1 傳統(tǒng)鋼纖維混凝土和自密實(shí)鋼纖維混凝土配比

試驗(yàn)擬制備C60混凝土試件若干，CSFRC和SFRSCC的材料配合比如表1所示，其中GLENIUM TC1425是活性減水劑，X-SEED為早強(qiáng)劑。試驗(yàn)所采用的鋼纖維為Master Fiber502，其抗拉強(qiáng)度不小于1 000 MPa，長(zhǎng)度為(50±1) mm，長(zhǎng)徑比為50。

表1 CSFRC和SFRSCC的配合比 kg/m3

1.2 試驗(yàn)測(cè)試

分別制作3組纖維含量為30,45和60 kg/m3的CSFRC和SFRSCC試件若干(分別標(biāo)記為CSFRC-30、CSFRC-45、CSFRC-60和SFRSCC-30、SFRSCC-45、SFRSCC-60)。在試件進(jìn)行28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)以后，根據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)硬化混凝土進(jìn)行如表2中的試驗(yàn)測(cè)試[4-5]。最終測(cè)試結(jié)果均取平均值。

表2 硬化混凝土試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目

1.3 電感試驗(yàn)

電感試驗(yàn)由Torrents等人發(fā)明并被Cavalaro等人優(yōu)化，通過(guò)該試驗(yàn)可以初步判定鋼纖維在混凝土試件內(nèi)的分布及纖維數(shù)量，其測(cè)試所需時(shí)間短，可靠度高，能夠在短時(shí)間里測(cè)試大量試件，進(jìn)而更準(zhǔn)確地掌握材料屬性[6-7]。

該測(cè)試設(shè)備見(jiàn)圖1a)，它包含由絕緣銅線繞制而成的螺旋管及LCR阻抗分析儀。試驗(yàn)時(shí)，通電螺旋管會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生電磁場(chǎng)，當(dāng)放入SFRC試件以后，由此所引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變量可通過(guò)LCR儀轉(zhuǎn)化為電感強(qiáng)度值顯示出來(lái)，進(jìn)而判斷出鋼纖維在空間不同方向的分布。

在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)2類(lèi)邊長(zhǎng)為150 mm的立方體試件進(jìn)行了電感試驗(yàn)。其中一類(lèi)為150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體澆筑試件；另一類(lèi)為小梁三點(diǎn)抗折之后進(jìn)行切割出來(lái)的立方體試件，見(jiàn)圖1b)。之所以要把小梁兩邊75 mm混凝土切掉，主要是為了排除鋼纖維混凝土“邊墻效應(yīng)”的干擾。對(duì)于每一組試件，共8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊和6個(gè)切割塊進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備及試件(單位:mm)

電感試驗(yàn)的X,Y及Z軸方向測(cè)試結(jié)果的平均值反映了該軸方向的纖維含量及纖維分布比例。根據(jù)Cavalaro的研究表明，SFRC試件的纖維含量和其電感值呈線性關(guān)系，因此，可以通過(guò)破碎少量試件來(lái)得到纖維含量和電感值的關(guān)系以進(jìn)一步預(yù)測(cè)纖維含量。為進(jìn)一步校核測(cè)試結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)束后任意選取4個(gè)測(cè)試試件進(jìn)行破碎，篩選鋼纖維稱(chēng)重并精確到0.000 1 kg。采用最小二乘法擬合可得電感強(qiáng)度(L)-纖維含量(Cf)的線性關(guān)系，見(jiàn)圖2。由圖中線性回歸系數(shù)可以看出，電感試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果能夠很好地預(yù)測(cè)SFRC中鋼纖維的含量。

圖2 電感強(qiáng)度-纖維含量擬合關(guān)系圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

抗壓試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表可見(jiàn)，CSFRC 28 d的平均抗壓強(qiáng)度為64.7 MPa，SFRSCC的為67.5 MPa，比前者稍高。

同時(shí)，還可以得出，鋼纖維的含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響并不明顯；而且纖維含量對(duì)測(cè)試結(jié)果的離散性影響也在可接受范圍內(nèi)(CSFRC 和 SFRSCC分別為1.13 MPa，2.65 MPa)。

表3 SFRC抗壓強(qiáng)度平均值和變異系數(shù)

2.2 剩余抗折強(qiáng)度

為了探究SFRC的彎曲性能，根據(jù)規(guī)范EN 14651∶2005所推薦的方法，對(duì)SFRC梁進(jìn)行了三點(diǎn)抗折試驗(yàn)。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，試驗(yàn)過(guò)程需要記錄峰值荷載fLOP， 開(kāi)口位移CMOD分別為0.5，1.5，2.5，3.5 mm時(shí)試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的荷載強(qiáng)度值F0.5，F(xiàn)1.5，F(xiàn)2.5，F(xiàn)3.5，見(jiàn)圖2～圖5?；炷恋谋壤龢O限強(qiáng)度f(wàn)LOP及其殘余抗彎拉強(qiáng)度f(wàn)R,j可以根據(jù)公式(1)計(jì)算得到。三點(diǎn)抗折試驗(yàn)結(jié)果F(荷載)-CMOD(開(kāi)口位移)曲線關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 抗折試驗(yàn)測(cè)試F-CMOD關(guān)系圖

由圖3可見(jiàn)，荷載強(qiáng)度達(dá)到峰值之前，所有試件F-CMOD均表現(xiàn)為線性關(guān)系；接著由于試件剛度的突然降低，峰值荷載急劇下降。在SFRC試件開(kāi)裂后，分散其中的鋼纖維開(kāi)始參與工作，以提升試件的剩余抗折強(qiáng)度。從圖3可以看出，SFRSCC總體上比CSFRC表現(xiàn)出更好的裂后性能，在纖維含量為60 kg/m3表現(xiàn)的更加明顯。

(1)

式中：b,h分別為試件截面的寬度和高度，均為150 mm；hsp為試件割縫頂?shù)巾斆娴母叨?125±1) mm；L為試驗(yàn)時(shí)試件的跨距，500 mm；F為試驗(yàn)時(shí)的荷載強(qiáng)度，kN。

從表4中可見(jiàn)，除了纖維含量為30 kg/m3系列外，所有試件的峰值強(qiáng)度(fLOP)差別不大，但是纖維使用量與其峰值強(qiáng)度大小成正相關(guān)。另外，SFRSCC比CSFRC具有更好的裂后性能(fR,2,fR,3和fR,4)，這樣的趨勢(shì)隨著纖維含量的增加表現(xiàn)地愈加明顯。出現(xiàn)這樣的結(jié)果，主要?dú)w咎于SFRSCC良好的流動(dòng)性會(huì)引導(dǎo)鋼纖維更多地分布在試件開(kāi)裂的垂直方向。相反地，CSFRC也許由于其流動(dòng)性較差原因，不能為纖維分布創(chuàng)造良好的流動(dòng)環(huán)境，故其在混凝土內(nèi)的分布趨向性不明顯。

表4 三點(diǎn)抗折平均值和變異系數(shù)

2.3 電感試驗(yàn)結(jié)果

鋼纖維的摻入很容易降低混凝土的流動(dòng)性。然而，迄今為止也尚不明確鋼纖維的增加是否會(huì)導(dǎo)致纖維在混凝土內(nèi)的分布改變。所以，了解纖維含量與纖維分布關(guān)系的具體信息對(duì)了解和掌握SFRC的性能至關(guān)重要。圖4為鋼纖維不同方向分布關(guān)系。其橫坐標(biāo)代表試件的3個(gè)軸方向，縱坐標(biāo)代表各個(gè)方向電感值在3個(gè)軸所占的比例。

圖4 鋼纖維不同方向分布關(guān)系圖

由圖4可知，對(duì)于澆筑的標(biāo)準(zhǔn)試件而言，X和Y軸方向擁有相似的纖維分布量，且纖維分布數(shù)量總是比Z軸大。值得一提的是三者維持在一個(gè)基本恒定的比例，即X∶Y∶Z=4∶4∶2。從圖4還可知，對(duì)于從小梁切割出來(lái)的立方體試件而言，X軸方向纖維分布比Y軸略大，兩者同時(shí)也都大于Z軸方向的纖維分布。三軸方向纖維分布比例也基本為一恒定值，即X∶Y∶Z=4.5∶3.5∶2。綜上所述可知，纖維含量的多少不影響纖維在混凝土內(nèi)部的分布規(guī)律。

3 結(jié)論

1) 鋼纖維的加入有效增加了混凝土的韌性，且SFRC的剩余抗折強(qiáng)度與鋼纖維含量成正比。

2) 在鋼纖維含量相同的情況下，SFRSCC一般均比CSFRC具有更好的裂后性能。

3) 配套使用三點(diǎn)抗折試驗(yàn)和電感試驗(yàn)分析結(jié)果，可以很好地分析SFRC的材料屬性及力學(xué)性能。

4) 通過(guò)電感試驗(yàn)得到的電感值和纖維含量的關(guān)系中R2接近于1，表明電感試驗(yàn)對(duì)預(yù)測(cè)鋼纖維的分布及纖維含量的評(píng)估等方面具有明顯效果。

5) 電感試驗(yàn)測(cè)得纖維方向系數(shù)在X、Y、Z軸方向上的比例大致保持恒定，其與纖維含量關(guān)系不大。