既有鋼纖維混凝土超聲回彈綜合法的試驗(yàn)研究

陳 瑜, 孫 補(bǔ)

(山西大學(xué)土木工程系， 山西太原 030013)

鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入適量短鋼纖維而形成的一種新型復(fù)合材料，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到迅速發(fā)展。它克服了混凝土抗拉強(qiáng)度低、極限延伸率小、性脆等缺點(diǎn)，具有優(yōu)良的抗拉、抗彎、抗剪、阻裂、耐疲勞、高韌性等性能，已在水工、路橋、建筑等工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。超聲回彈綜合法是目前非破損實(shí)體檢測(cè)混凝土強(qiáng)度的常用方法，相比傳統(tǒng)的鉆芯法和回彈法，此方法較好地綜合了混凝土的內(nèi)部及外部的因素，在混凝土強(qiáng)度的反映上互相補(bǔ)充，可大幅度提高混凝土強(qiáng)度的檢測(cè)精度，通過(guò)超聲法的聲速值v和回彈法的回彈值R，利用相對(duì)應(yīng)測(cè)強(qiáng)曲線來(lái)間接測(cè)定混凝土的強(qiáng)度。超聲回彈綜合法測(cè)定普通混凝土強(qiáng)度的技術(shù)已十分成熟，但其在鋼纖維混凝土中的應(yīng)用及研究甚少，目前一些國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)不同材料樣本對(duì)混凝土超聲回彈法測(cè)強(qiáng)的影響以及曲線的建立進(jìn)行了為數(shù)不多的試驗(yàn)研究[2]-[7]；而針對(duì)長(zhǎng)齡期不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)摻量的測(cè)強(qiáng)曲線有待進(jìn)一步深入探討。本研究采用5種不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土和5種不同體積分?jǐn)?shù)摻量的鋼纖維，按標(biāo)準(zhǔn)方法共設(shè)計(jì)制作了25組混凝土試件，通過(guò)超聲回彈法測(cè)強(qiáng)及混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、回彈值、聲速值三者的相關(guān)性，并探討建立既有鋼纖維混凝土的測(cè)強(qiáng)曲線，為不同體積分?jǐn)?shù)摻量的鋼纖維混凝無(wú)損檢測(cè)提供參考。

1 試驗(yàn)用原材料

水泥：太原獅頭水泥集團(tuán)公司，P.O 42.5，28 d抗壓強(qiáng)度46.8 MPa，抗折強(qiáng)度8.2 MPa；粉煤灰：大唐太原第二熱電廠，Ⅱ級(jí)粉煤灰；細(xì)骨料：山西忻州豆羅砂，細(xì)度模數(shù)2.65；粗骨料：山西太原北郊碎石，級(jí)配5-25；外加劑：山西山大合盛新材料股份有限公司，聚羧酸高性能減水劑(水劑)，摻量2.5 %，減水率25 %以上；鋼纖維：武漢市中鼎經(jīng)濟(jì)發(fā)展有限公司生產(chǎn)，種類為端勾型，長(zhǎng)度為35 mm，直徑0.55 mm，長(zhǎng)徑比64，抗拉強(qiáng)度1 120 MPa，每公斤根數(shù)14 500根，鋼纖維照片見圖1。

圖1 鋼纖維

2 試驗(yàn)配合比及試件的制作

2.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

混凝土配合比的設(shè)計(jì)按照J(rèn)GJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[8]及JG/T472-2015《鋼纖維混凝土》[9]進(jìn)行，分別配制5種不同等級(jí)的混凝土為基準(zhǔn)配合比，坍落度為180±20 mm,在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上分別摻入體積分?jǐn)?shù)摻量為0.5 %、1.0 %、1.5 %及2.0 %的鋼纖維制成不同配合比的混凝土，其基準(zhǔn)配合比見表1。

2.2 試件的制作

按基準(zhǔn)配合比，將稱量好的干料水泥、粉煤灰、砂、碎石、鋼纖維一次投入30 L強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)，干拌2 min后加水及外加劑繼續(xù)攪拌3 min，攪拌完成后測(cè)定混凝土的流動(dòng)性，每個(gè)編號(hào)的配合比分別制作150 mm×150 mm×150 mm不同鋼纖維體積分?jǐn)?shù)摻量的立方體試件各一組，共計(jì)25組試件。按標(biāo)準(zhǔn)方法成型養(yǎng)護(hù)28 d后，再在室內(nèi)自然條件下放置到1 a，測(cè)定其回彈值及聲速值，并對(duì)其抗壓強(qiáng)度力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，分析不同摻量鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度、回彈值、聲速值之間的相關(guān)性。

表1 試驗(yàn)用混凝土基準(zhǔn)配合比 kg·m-3

3 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 混凝土聲速值的測(cè)定

混凝土聲速值的測(cè)定按照CECS 02-2005《超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》[10]進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)儀器為ZBL-U520非金屬超聲檢測(cè)儀，聲時(shí)測(cè)讀精度為±0.05 us。測(cè)試前將被測(cè)試件四個(gè)澆筑側(cè)面上的塵土、污物等擦拭干凈，以同纖維摻量及同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的3個(gè)試件作為一組，依次編號(hào)，取試塊澆筑方向的側(cè)面為測(cè)試面, 在兩個(gè)相對(duì)測(cè)試面上分別畫出相對(duì)應(yīng)的3 個(gè)測(cè)點(diǎn)見圖2。

圖2 聲時(shí)測(cè)量測(cè)點(diǎn)布置示意

測(cè)距為150 mm，在試件兩個(gè)測(cè)試面的對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置涂抹耦合劑, 將一對(duì)發(fā)射和接收換能器耦合在對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)上，并始終保持兩個(gè)換能器的軸線在同一直線上，逐點(diǎn)測(cè)讀聲時(shí)讀數(shù)，分別計(jì)算3個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲速值vi并取3個(gè)測(cè)點(diǎn)平均值為該塊混凝土聲速代表值,取一組3塊測(cè)點(diǎn)聲速的平均值作為該編號(hào)試件的混凝土聲速代表值v，不同體積分?jǐn)?shù)摻量鋼纖維混凝土聲速關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同摻量鋼纖維混凝土聲速關(guān)系

3.2 混凝土回彈值的測(cè)定

混凝土回彈值的測(cè)定按照J(rèn)GJT 23-2011《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》[11]進(jìn)行，回彈測(cè)試時(shí)，首先選擇混凝土澆筑方向的側(cè)面進(jìn)行測(cè)試，應(yīng)始終保持回彈儀的軸線垂直于混凝土測(cè)試面，回彈值的測(cè)定在試件超聲波的發(fā)射和接收的另一對(duì)測(cè)試面完成，將試件置于壓力機(jī)上下承壓板之間，加壓至30～50 kN并保持此壓力，分別在每個(gè)測(cè)試面上各彈擊8個(gè)點(diǎn)，兩個(gè)測(cè)試面共測(cè)定16個(gè)回彈值，16個(gè)回彈值中的3個(gè)較大值和3個(gè)較小值剔除，余下的10個(gè)回彈值取平均值作為該試件的回彈值Ri，精確至1，取一組3塊測(cè)點(diǎn)回彈的平均值作為該編號(hào)試件的混凝土回彈代表值R，不同體積分?jǐn)?shù)摻量鋼纖維混凝土回彈值關(guān)系見圖4。

圖4 不同摻量鋼纖維混凝土回彈值關(guān)系

3.3 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]要求進(jìn)行，回彈值測(cè)試完畢后，卸荷并將混凝土回彈測(cè)試面放置于壓力機(jī)承壓板正中，在混凝土試件進(jìn)行試壓過(guò)程中，荷載應(yīng)連續(xù)均勻地加載，不得有沖擊，加荷速度為5 kN/s,試件接近破壞而開始急劇變形時(shí)，應(yīng)停止調(diào)整試驗(yàn)機(jī)油門，直至破壞，然后記錄破壞荷載。按立方體抗壓強(qiáng)度公式fcu=f/A分別計(jì)算其抗壓強(qiáng)度，3個(gè)試件測(cè)值的算術(shù)平均值為該組試件的強(qiáng)度代表值，不同體積分?jǐn)?shù)摻量鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度關(guān)系見圖5。

圖5 不同摻量鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度關(guān)系

3.4 立方體抗壓強(qiáng)度(fcu)、回彈值(R)、聲速值(V)相關(guān)分析

圖2、圖4及圖5分別給出了不同鋼纖維體積分?jǐn)?shù)摻量下不同混凝土等級(jí)的抗壓強(qiáng)度(fcu)、超聲波聲速(v)、回彈值(R)之間的關(guān)系曲線。由圖可以看出：5個(gè)不同等級(jí)的鋼纖維混凝土，隨著纖維體積分?jǐn)?shù)摻量的增加，其fcu、v及R變化趨勢(shì)趨于相同，當(dāng)鋼纖維摻量一定時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，其抗壓強(qiáng)度、超聲波聲速值、回彈值越大。這是由于隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，混凝土的密實(shí)度相應(yīng)越大，超聲波在混凝土傳播速度越大，聲速值也就越大；混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和表面硬度之間有一定相關(guān)性，混凝土強(qiáng)度越高，表面硬度也越高，彈簧驅(qū)動(dòng)彈擊錘并通過(guò)彈擊桿彈擊混凝土表面所產(chǎn)生的能量也越大，使彈擊錘帶動(dòng)指針彈回并指示出彈回的距離越遠(yuǎn)，所以回彈值就會(huì)越高。不同等級(jí)的混凝土隨著鋼纖維摻量的增大，混凝土抗壓強(qiáng)度、聲速值、回彈值三者都呈現(xiàn)先遞增后減小的趨勢(shì)，在鋼纖維摻量為1.5 %時(shí)呈峰值；這是由于在普通混凝土中加入亂向分布的鋼纖維，在混凝土內(nèi)起到了一定的橋接作用，且鋼纖維與混凝土之間的良好黏結(jié)性，極大地減少了混凝土的孔隙率，提高了混凝土的密實(shí)度，但當(dāng)鋼纖維摻量在 1.5 % ～2. 0 % 之間時(shí)，隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土攪拌均勻困難，混凝土拌合物和易性變差，甚至有少量結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，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；在混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程中可以看出，素混凝土的破壞屬于脆性破壞，破壞是突然的，混凝土破壞的較為徹底，而鋼纖維混凝土的破壞呈延性破壞，隨著纖維摻量越大，延性越高，破壞試件表面呈微小的裂紋或裂縫，試件形狀基本完整。

3.5 回歸方程的建立

根據(jù)以上分析結(jié)果，混凝土強(qiáng)度與混凝土回彈值及超聲波聲速有一定的相關(guān)性，這種相關(guān)性可以用函數(shù)曲線來(lái)表示。選用3種函數(shù)形式，利用Spass軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法回歸分析，確定函數(shù)中的參數(shù)及相關(guān)系數(shù)[13]，采用Excel軟件計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差er，實(shí)驗(yàn)所得回歸分析結(jié)果見表2。通過(guò)表2的回歸分析可以看出，所有函數(shù)模型的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差er≤12%，滿足專用或地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差的要求，相關(guān)系數(shù)均接近于1.0，鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度與超聲波聲速、回彈值之間存在著良好的相關(guān)性，選用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差較小，相關(guān)系數(shù)較大的函數(shù)作為最優(yōu)擬合方程，結(jié)合相關(guān)系數(shù)R2和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差er選擇冪函數(shù)fcu=0.00825R1.031V3.118作為既有鋼纖維混凝土超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線是可行的。

表2 回歸方程及其相關(guān)系數(shù)、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差

4 結(jié)論

(1)當(dāng)鋼纖維摻量一定時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，其抗壓強(qiáng)度、超聲波聲速值、回彈值越大；隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，混凝土的密實(shí)度越大，超聲波在混凝土傳播速度越大，聲速值也就越大。

(2)不同等級(jí)的混凝土隨著鋼纖維摻量的增大，變化趨勢(shì)趨于相同，呈現(xiàn)先遞增后減小的趨勢(shì)，在鋼纖維摻量為1.5 %時(shí)呈峰值；當(dāng)鋼纖維摻量在 1.5 % ～2.0 % 之間時(shí)，隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土攪拌均勻困難，混凝土拌合物和易性變差，甚至有少量結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，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。

(3)鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度與超聲波聲速、回彈值之間存在著良好的相關(guān)性 ,選用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差較小，相關(guān)系數(shù)較大的函數(shù)作為最優(yōu)擬合方程，結(jié)合相關(guān)系數(shù)R2和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差er選擇冪函數(shù)fcu=0.00825R1.031V3.118作為鋼纖維混凝土超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線是可行的。