鋼纖維混凝土彎曲性能和纖維分布試驗研究

趙 健, 廖 霖, 張 帆, 劉冠志, 王 梅

(太原理工大學 礦業(yè)工程學院, 山西 太原 030024)

鋼纖維混凝土(steel fiber reinforced concrete,SFRC)是一種新型水泥基復合材料,因具有良好的性能而被廣泛應用于工業(yè)、民用和軍事等重大結構[1-2].由于SFRC具有顯著的增強和阻裂效應,在一定程度上可以延緩基體自身微裂紋的生長和微空洞的塌陷,從而使其抗拉、抗彎、抗剪強度等較普通混凝土有顯著提高,其抗沖擊、抗疲勞、裂后韌性和耐久性也有較大改善[3-4].SFRC的力學性能主要取決于分布在基體中的纖維含量和方向[5].隨著纖維含量的增加,SFRC破壞截面處的鋼纖維數量也在增加[6];纖維分布方向決定了纖維與SFRC破壞截面間的角度,當纖維與破裂面之間的角度為30°～45°時,纖維在基體中的錨固黏結力最大,對混凝土的增韌效果也最明顯[7].影響纖維分布方向的因素有很多,例如纖維的形狀和含量、混凝土配合比和澆筑方式等[8-9].此外,國外許多規(guī)范將纖維分布的方向系數考慮進了混凝土結構設計中.在《Fib model code for concrete structures 2010/International federation for structural concrete(fib)》中,引入纖維方向系數K來表示纖維分布方向對混凝土結構設計強度的影響：當K=1時,認為纖維等方向分布;當K<1和K>1時,則認為纖維沿不利和有利的方向分布.德國混凝土規(guī)范《Guideline for steel-fibre-reinforced concrete》中,纖維方向系數Kf被引入到混凝土構件峰后強度的計算中,一般情況下,Kf取為0.5;當纖維與受彎構件的縱向平行時,Kf取為1.0.挪威和瑞典的SFRC設計規(guī)范《Forslag til retningslinjer for dimensjonering, utfrelse og kontroll av fiberarmerte betongkonstruksjoner,proposed guidelines for design, execution and control of fibre reinforced concrete structures》、《Design of fibre concrete structures》中,直接將SFRC殘余強度與纖維方向系數相關聯,并提出了相關計算公式.因此,為了準確衡量SFRC性能,對混凝土中鋼纖維分布方向的檢測變得尤為重要.對于混凝土中纖維分布方向的檢測可以分為破壞性檢測和非破壞性檢測[10].

破壞性檢測主要包括人工統計法[6,11]和圖像處理技術[12].

人工統計法是通過統計破壞截面上的纖維根數及其分布,來分析鋼纖維的分布方向.這種方法簡單、易操作,但是需要花費大量時間和精力.

圖像處理技術是對SFRC試件進行切割打磨,并對切片進行拍照處理,通過分析纖維截面形狀得到纖維的分布方向.但SFRC試件的切片和拋光步驟繁瑣,拍照可能會遺漏部分纖維,導致出現誤差.

非破壞性檢測主要是利用鋼纖維與混凝土材料特性的不同,通過電、磁等手段來檢測鋼纖維在混凝土中的分布情況,主要有X射線法[13-14]、交流電阻抗光譜法[15]、C型磁鐵探針法[16]、電阻率測量法[17]和電感試驗法[18-20].

X射線法是利用鋼纖維與混凝土之間的密度差異,采用CT成像技術掃描SFRC樣品并重構界面X射線吸收密度輪廓圖來觀察混凝土中的纖維分布.這種方法可以準確直觀地測得纖維的分布,但是對試件尺寸有限制,目前僅適用于小試件的實驗室研究.

交流電阻抗光譜法(AC-IS)是利用鋼纖維與混凝土的導電率差異,通過對SFRC試件施加電壓以激發(fā)寬范圍的交流電信號,測量出不同的輸出電流,計算得到鋼纖維在混凝土中的分散性和分布特征.但是此方法試驗裝置價格昂貴,電極和試件間阻抗會影響數據準確性.

C型磁鐵探針法是利用鋼纖維的導磁性,將繞線C型磁鐵作為探針放在SFRC試件表面,通過測量其阻抗變化來快速測量鋼纖維的分布.該方法能夠快速得到纖維分布信息,可以用于原位測試,但是其使用范圍非常有限,僅能測量較薄試件或結構表面的纖維分布.

電阻率測量法利用四探針測量SFRC表面2個垂直方向的電阻率,利用不同位置電阻值的變化來表征纖維分布方向和結團信息.該方法適用于工程中的原位檢測,但是由于混凝土齡期、濕度不同會對電阻率產生影響,降低了其準確性.

電感試驗法利用電磁感應原理,通過線圈電感值的變化來表征SFRC試件中鋼纖維的分布.電感試驗不僅可以測量基體中鋼纖維的分布方向,還可以估計鋼纖維的含量.該方法的缺點是不能用于大尺寸試件和工程原位測試.

本文詳細介紹了電感試驗的原理、裝置和試驗方法，并設計了SFRC切口梁三點抗彎試驗,結合電感試驗分析了不同纖維含量下SFRC的彎曲性能和纖維分布,以便為準確評價SFRC性能提供可靠依據.

1 電感試驗

1.1 電感試驗原理

電感試驗法是以介質電磁性的差異為基礎,通過研究交變電磁場隨空間分布規(guī)律或隨時間變化規(guī)律,達到勘察目的的無損檢測方法.一個繞線材料、匝數、截面形狀和通電狀態(tài)均固定不變的空心通電線圈,其電感值僅與線圈中的介質材料有關,介質材料磁導率越大,則線圈電感值越大.對于SFRC而言,混凝土基質磁導率與真空磁導率為同一數量級,其值近似為1H/m,可認為將其放入磁場后不增加線圈電感;但鋼纖維屬于鐵磁材料,其磁導率為200～400H/m,遠大于混凝土基體的磁導率,因此將SFRC放入通電空心線圈中后,線圈電感的增加可認為只是由鋼纖維造成的,且鋼纖維含量越多,電感增量也就越多.此外,若鋼纖維的排列方向平行于磁場線,則電感增量最大;若纖維排列方向垂直于磁場線,則電感增量最小,約為平行排列時的1/9[18].通過分析每個試件三軸電感增量ΔLX、ΔLY、ΔLZ之間的關系,可判斷出基體中鋼纖維的分布概況.

根據Torrents等[18]和Cavalaro等[19-20]的研究,發(fā)現三軸方向的電感增量之和(ΔL)與纖維含量(Cf)存在線性關系,且該關系與鋼纖維在混凝土中的分布無關.因此,如果可以提前測得所使用纖維的上述關系曲線,就可以很好地估算混凝土中的纖維含量.纖維含量Cf的計算公式如下:

Cf=ω·∑i=X,Y,ZΔLi=ω·ΔL

(1)

其中比例系數ω為：

(2)

式中：ρ、d分別為鋼纖維密度、直徑;λ為鋼纖維長徑比;V為試件體積;k為與施加磁場有關的常數;γ為與鋼纖維形狀有關的因子,本文取0.05.

通過式(2)可以看出,ω的大小主要與鋼纖維的特征和所加磁場有關.因此對于同一種鋼纖維,ω可以通過破碎試件后得到的纖維含量和電感增量間的線性回歸關系計算得到.

為了研究鋼纖維在基體中的分布狀況,本文使用纖維方向數(ηi)來評價纖維在某一方向上的貢獻,即基體中所有纖維與某方向夾角余弦值的平均值.Cavalaro等[20]根據電磁感應理論得到下式：

ΔLi=k[cos2αi+γ(1-cos2αi)]

(3)

=k(1+2γ)

(4)

式中：αi為纖維與磁場磁感應線方向的夾角.

通過式(3)、(4)可以推導得到纖維方向數ηi的計算式：

(5)

上述公式均是在磁場均勻的假設下得到的.但是由于磁場在線圈中的分布并不均勻,當纖維靠近線圈端部或內壁時,電感值會變小,此時會高估纖維方向數.式(6)、(7)分別為修正后纖維方向數ηi和纖維方向數相對比例Ci的表達式.

(6)

(7)

1.2 電感試驗裝置

電感試驗設備由線圈、底座和數字電橋測試儀組成(見圖1).Torrents等[18]在早期制作的線圈,是由直徑為0.2mm的絕緣導線非連續(xù)地纏繞在立方體殼體上得到的(見圖1(a)).立方體殼體尺寸為15cm×17cm×17cm,導線共纏繞2354圈,總長2600mm.但是立方體線圈形成的磁感線并不均勻,在靠近線圈壁和轉角處的磁感應強度較線圈中心小,這極大地增加了試驗誤差;此外,立方體線圈只能測量三軸均對稱的立方體試件,這大大限制了裝置的使用范圍,對于圓柱體取芯試件和其他形狀的試件無法測量.

為此,Cavalaro等[20]對電感設備進行了改裝,提出了一種可以測量圓柱體和立方體試件的線圈(見圖1(b)).改裝后的線圈由絕緣銅導線纏繞亞克力殼體而成,殼體內徑為23.5cm,高20cm;導線分為2盤,按同一方向纏繞在殼體外表面,每盤銅線非均勻地纏繞1200圈,2盤銅線起始端連接在同一接線柱上,末端連接在另一接線柱上,2盤銅線間距為13cm;底座由大理石打磨而成,內有一個160mm×160mm的凹槽.數字電橋測試儀可以產生額定頻率的電流和額定電壓,為線圈提供恒定的電壓,并且可以同時測得線圈的電感值.

圖1 電感試驗裝置Fig.1 Inductive test equipment

2 試驗概述

2.1 試件制備

水泥(C)：P·O52.5;粗骨料(G)：石灰石碎石,最大粒徑為20mm;細骨料(Sand)：級配連續(xù)的中粗河砂;摻合料(A)：粉煤灰;減水劑(S)：聚羧酸減水劑，固含量(質量分數)25%，減水率(質量分數)25%～30%；鋼纖維(SF)：Maccaferri Wirand FF3HS端鉤型鋼纖維,長度50mm,直徑0.75mm,抗拉強度1500MPa,約5770根/kg.混凝土強度等級為C50,基體配合比見表1;SFRC的水灰比m(W)/m(C+A)為0.311.

表1 基體配合比

試驗制備了不同鋼纖維含量(25、30、35、40、45、50、55kg/m3)的7組SFRC小梁試件,尺寸均為150mm×150mm×550mm;每組均有12個試件,共84個試件,記為SFA-B,其中A為纖維含量,B為試件編號,例如SF25-1代表纖維含量為25kg/m3、編號為1的SFRC試件.另外還制備了9個尺寸為150mm×150mm×300mm的普通混凝土棱柱體試件.在制備SFRC試件過程中,先將砂、粗骨料、粉煤灰和水泥依次加入攪拌機共同攪拌2min;待其充分混合后,再將水和減水劑均勻加入攪拌機中勻速攪拌3min,同時將鋼纖維均勻地撒在攪拌機中.所有試件均在澆筑36h后拆模,并在溫度(20±2)℃,相對濕度95%的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護至28d.

2.2 試驗方案

2.2.1混凝土力學試驗

按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》,對養(yǎng)護28d的普通混凝土棱柱體

試件進行軸心抗壓強度測試,得到普通混凝土軸心抗壓強度平均值為77.54MPa.

根據EN 14651:2005《Test method for metallic fibre concrete—Measuring the flexural tensile strength(limit of proportionality(LOP), residual)》,采用最大試驗力為200kN的萬測ETM105D電子萬能試驗機進行SFRC切口梁三點抗彎試驗.試件尺寸和試驗布置見圖2.試驗前,在試件切縫的中線處對稱粘貼2片薄鋼片,將電子引伸計夾在這2片薄鋼片中間;采用引伸計控制加載方式,在裂縫開口位移(CMOD)達到0.1mm之前,加載速度為0.05mm/min,此后加載速度為0.20mm/min,直到CMOD值達到4.0mm后停止試驗,得到試件荷載-裂縫開口位移(F-CMOD)曲線.根據式(8)計算比例極限強度fLOP,以及CMOD值不同時的殘余抗彎拉強度fR,j(j=1、2、3、4，分別表示CMOD值為0.5、1.5、2.5、3.5mm).根據EN 14651規(guī)定,貼了引伸計固定鋼片的試件,需按式(9)計算其CMOD值.

(8)

(9)

式中：b、h分別為試件截面的寬度和高度,均為150mm;hsp為試件割縫頂到頂面的高度,(125±1)mm;L為試驗時試件的跨距,500mm;F為試驗時的荷載值,kN;CMODy為傳感器測得的開口位移,mm.

圖2 切口梁三點抗彎試件設計Fig.2 Design of three-point bending test specimen(size:mm)

2.2.2電感試驗

在電感試驗前,先將經過切口梁三點抗彎試驗后的試件按圖3(a)切割打磨成2個邊長為150mm的立方體試塊.為避免鋼纖維“墻效應”對試驗結果的影響,去掉試件兩側寬75mm部分.為了防止混淆測試結果,統一命名Z軸為垂直于試件澆筑面的軸,X軸為平行于試件短邊的軸,Y軸為平行于試件長邊的軸.本試驗在每組纖維含量試件中隨機選出5個試件進行切割,即每組纖維含量試件測試10個試塊,7組共70個試塊.

試驗所用電感設備如圖3(b)所示.測試前,先將數字電橋儀預熱20min以保證測量值的準確性.

圖3 電感試驗方案Fig.3 Inductive test scheme

測試步驟為：(1)將試驗設備和試塊放在一個非鐵磁性材料的臺面上,保證其周圍50cm范圍內沒有其他金屬材料；設置電橋儀產生頻率為1kHz的電流和1V的電壓,激發(fā)磁場并測得空線圈的電感值.(2)將試塊澆筑面朝上(Z軸)放入線圈中央,測出線圈電感值,計算得到電感增量ΔLZ；以此類推,依次測得X、Y軸的電感增量ΔLX、ΔLY.為保證測試數據的準確性,每個試塊在每個方向上都圍繞線圈的纏繞方向轉動3次測量,取其平均值作為測試結果.電感試驗完成后,從每組纖維含量的10個試塊中隨機選取1塊,用壓力機將其完全壓碎,并用磁鐵將其中鋼纖維全部取出,清洗后烘干稱重.

3 試驗結果和討論

3.1 切口梁三點抗彎試驗結果與分析

圖4 鋼纖維混凝土三點抗彎試驗F-CMOD曲線Fig.4 F-CMOD curves of three-point bending test with SFRC

圖4為切口梁三點抗彎試驗得到的荷載-裂縫開口位移(F-CMOD)曲線.由圖4可知,在試件開裂之前,曲線均呈現從線性到非線性變化的過程,這與普通混凝土試件切口梁三點抗彎試驗結果類似.在試件開裂以后,F-CMOD曲線可分為屈服型和強化型2種,其中的屈服型曲線表現為試件開裂后承載力陡然下降,其值小于開裂荷載,主要有SF25、SF30、SF35這3組試件;強化型曲線表現為試件開裂后,其承載力不降反升,曲線呈現應變硬化趨勢,主要有SF40、SF45、SF50、SF55這4組試件.

曲線OA段為線彈性變形階段,此時鋼纖維在錨固黏結力作用下與混凝土基質協同變形,抵抗荷載;當荷載繼續(xù)增大時,SFRC進入彈塑性階段(AB段),此時混凝土內微裂縫不斷發(fā)展,但由于應變較小,鋼纖維發(fā)揮作用不大.這2個階段與普通混凝土試驗過程基本一致.

對于屈服型曲線,當荷載達到混凝土開裂荷載時,混凝土開裂,曲線進入BC段,此時由于試件中的鋼纖維含量較少,不能有效阻止裂縫的發(fā)展,因試件截面剛度下降導致其承載力下降,但是較大的變形使高彈性模量的鋼纖維產生了較大應力,通過橋接裂縫兩端,阻止了混凝土的進一步破壞;繼續(xù)施加荷載后,試件進一步變形,鋼纖維應力快速增加,當變形超過某一值后,鋼纖維的應力值達到較高水平,其影響超過混凝土開裂的影響,導致試件截面剛度有所回升,因此其承載力隨變形而增大,曲線逐漸上升(CD1段),發(fā)生了應變硬化現象;鋼纖維橋接于混凝土裂縫兩端,其應力最終通過黏結錨固作用傳遞到混凝土基質中,若該應力過大,將導致其端部黏結錨固力超過黏結錨固強度,鋼纖維被逐漸拔出,試件承載力下降,同時裂縫繼續(xù)發(fā)展,曲線進入D1E1段.

強化型曲線無明顯屈服段.由于試件中的鋼纖維含量較高,可能導致B點對應荷載有略微提高;同時由于鋼纖維含量高,在混凝土裂縫剛產生時,鋼纖維就能有效控制裂縫發(fā)展,試件截面剛度不會下降,甚至由于鋼纖維較大的應力而導致試件承載力緩慢上升,曲線直接進入BD2強化段;當纖維黏結錨固作用被破壞后,與屈服型曲線一樣,曲線進入D2E2段.另外還可看出,無論是屈服型曲線還是強化型曲線,當CMOD達到3.5mm時,鋼纖維混凝土試件仍舊表現出較好的韌性.

當普通混凝土梁加載時,一旦裂縫出現便迅速延伸至頂部,導致試件斷裂失效,表現出明顯的脆性.而SFRC破裂后,鋼纖維與基體間的界面黏結力可以傳遞荷載,使得SFRC具有一定的韌性和延展性.圖5為各項強度指標試驗結果對比圖.由圖5可見：SF25組試件的極限荷載(fR,max)為6.97MPa,若以此為基準,則SF30、SF35、SF40、SF45、SF50、SF55組試件的極限荷載提高了4.45%、10.04%、10.62%、14.06%、33.29%、38.31%,說明纖維含量的增加可以大幅提升SFRC的抗彎承載力;纖維含量對比例極限強度(fLOP)的影響不大,這是因為在開裂之前,混凝土和鋼纖維共同承擔荷載,鋼纖維尚未起到阻裂作用;對于fR,1,fR,2,fR,3,fR,4而言,纖維含量對其影響較大,尤其是當纖維含量為35、50kg/m3時,試件的殘余抗彎拉強度增加明顯,而其余纖維含量試件的殘余抗彎拉強度變化不大,這為SFRC結構設計時選取鋼纖維含量提供了參考.

圖5 不同含量鋼纖維混凝土強度指標比較Fig.5 Comparison of strength index of SFRC with different steel fiber contents

3.2 電感試驗結果與討論

電感試驗后,得到每個立方體試塊在3個方向上的電感增量ΔLX、ΔLY和ΔLZ.隨后,在每組纖維含量試塊中隨機取出1塊,將其破碎后,使用強力磁鐵提取其中的鋼纖維稱重.對每組試塊的纖維含量及其電感增量進行線性回歸分析,如圖6所示,當相關系數超過0.99時，表明纖維含量與電感增量具有明顯的線性關系,通過電感試驗可以很好地確定纖維含量.計算得到ω值為11.932,對于相同類型的鋼纖維,ω是1個常數,它不受試件內纖維分布的影響.

圖6 電感試驗中纖維含量與電感增量的關系Fig.6 Relationship between ΔL and Cf based on inductive test

表2展示了每組SFRC試塊的電感增量、纖維含量以及X、Y、Z方向上纖維方向數ηX,ηY,ηZ的試驗結果及其變異系數(CV).通過對比可以看出,電感試驗得到的纖維含量均值(Cf)與設計含量的差別最大僅6.4%,這說明電感試驗方法可以很好地檢測纖維含量;X、Y方向上的纖維方向數變異系數隨著纖維含量的增加而變小,這說明纖維含量的增加使得SFRC梁內的纖維分布更加均勻,對于SFRC梁力學性能的提升也更加明顯.纖維是隨機分布于混凝土基質中的,若纖維含量較少則某區(qū)域含有鋼纖維的幾率將下降.因此,鋼纖維只有達到一定含量后才會分布均勻,且均勻性隨著鋼纖維含量的增加而增大.

表2 鋼纖維混凝土電感試驗結果

表3為各組SFRC試塊的纖維方向數相對比例CX,CY,CZ.由表3可見,在SFRC試塊中,纖維方向數在X、Y、Z方向上的相對比例大致為1.2∶1.4∶1.0,與纖維含量的關系不大.這是因為纖維在試件中的分布主要受模具、纖維形狀和振搗方式的控制.試件制作時通過振動臺振搗,在振搗過程中纖維會朝特定方向發(fā)生旋轉和排列.具體而言,外部振動時,纖維在重力作用下會向水平方向旋轉,試件受振動越多,纖維越傾向于分布在水平面上,因此Z方向上分布的纖維最少.此外,纖維在Y方向上分布的比例均大于X方向,這主要是模具“墻效應”的影響(見圖7),在模具壁附近,本可以沿X方向分布的鋼纖維在模具壁的阻擋下會朝Y方向傾斜,也因此“墻效應”的影響范圍一般為纖維長度的一半.

表3 各組SFRC試塊的纖維方向數相對比例

圖7 鋼纖維混凝土模具“墻效應”示意圖Fig.7 Wall effect in SFRC mould

4 結論

(1)纖維含量不同時,SFRC試件的荷載-開口位移曲線形狀不同.當荷載達到比例極限后,纖維含量低于40kg/m3的試件有明顯的屈服下降段,而纖維含量大于40kg/m3的試件無明顯的屈服下降段,直接進入了應變硬化階段.

(2)根據切口梁三點抗彎試驗結果得到了不同纖維含量SFRC試件的殘余抗彎拉強度,發(fā)現纖維含量為35、50kg/m3時,纖維的增強效果會明顯增加,而其余纖維含量試件的殘余抗彎拉強度變化不大.

(3)通過電感試驗測得SFRC試件的實際纖維含量與設計含量最大僅相差6.4%,表明電感試驗可以很好地評估SFRC試件中的纖維含量.

(4)纖維方向數在X、Y、Z方向上的相對比例大致為1.2∶1.4∶1.0,與纖維含量關系不大;由于模具“墻效應”的影響,纖維在Y方向上的分布比例均大于X方向;此外,隨著纖維含量的增加,纖維在SFRC試件中分布更加均勻.