既有鋼纖維混凝土超聲回彈綜合法的試驗研究

陳 瑜, 孫 補

(山西大學土木工程系， 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合材料，近年來在國內外得到迅速發展。它克服了混凝土抗拉強度低、極限延伸率小、性脆等缺點，具有優良的抗拉、抗彎、抗剪、阻裂、耐疲勞、高韌性等性能，已在水工、路橋、建筑等工程領域得到廣泛應用[1]。超聲回彈綜合法是目前非破損實體檢測混凝土強度的常用方法，相比傳統的鉆芯法和回彈法，此方法較好地綜合了混凝土的內部及外部的因素，在混凝土強度的反映上互相補充，可大幅度提高混凝土強度的檢測精度，通過超聲法的聲速值v和回彈法的回彈值R，利用相對應測強曲線來間接測定混凝土的強度。超聲回彈綜合法測定普通混凝土強度的技術已十分成熟，但其在鋼纖維混凝土中的應用及研究甚少，目前一些國內外學者通過不同材料樣本對混凝土超聲回彈法測強的影響以及曲線的建立進行了為數不多的試驗研究[2]-[7]；而針對長齡期不同混凝土強度等級鋼纖維體積分數摻量的測強曲線有待進一步深入探討。本研究采用5種不同強度等級的混凝土和5種不同體積分數摻量的鋼纖維，按標準方法共設計制作了25組混凝土試件，通過超聲回彈法測強及混凝土立方體抗壓強度試驗，分析了混凝土立方體抗壓強度、回彈值、聲速值三者的相關性，并探討建立既有鋼纖維混凝土的測強曲線，為不同體積分數摻量的鋼纖維混凝無損檢測提供參考。

1 試驗用原材料

水泥：太原獅頭水泥集團公司，P.O 42.5，28 d抗壓強度46.8 MPa，抗折強度8.2 MPa；粉煤灰：大唐太原第二熱電廠，Ⅱ級粉煤灰；細骨料：山西忻州豆羅砂，細度模數2.65；粗骨料：山西太原北郊碎石，級配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：武漢市中鼎經濟發展有限公司生產，種類為端勾型，長度為35 mm，直徑0.55 mm，長徑比64，抗拉強度1 120 MPa，每公斤根數14 500根，鋼纖維照片見圖1。

圖1 鋼纖維

2 試驗配合比及試件的制作

2.1 混凝土配合比設計

混凝土配合比的設計按照JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規程》[8]及JG/T472-2015《鋼纖維混凝土》[9]進行，分別配制5種不同等級的混凝土為基準配合比，坍落度為180±20 mm,在基準配合比的基礎上分別摻入體積分數摻量為0.5 %、1.0 %、1.5 %及2.0 %的鋼纖維制成不同配合比的混凝土，其基準配合比見表1。

2.2 試件的制作

按基準配合比，將稱量好的干料水泥、粉煤灰、砂、碎石、鋼纖維一次投入30 L強制式混凝土攪拌機，干拌2 min后加水及外加劑繼續攪拌3 min，攪拌完成后測定混凝土的流動性，每個編號的配合比分別制作150 mm×150 mm×150 mm不同鋼纖維體積分數摻量的立方體試件各一組，共計25組試件。按標準方法成型養護28 d后，再在室內自然條件下放置到1 a，測定其回彈值及聲速值，并對其抗壓強度力學性能進行試驗，分析不同摻量鋼纖維混凝土的抗壓強度、回彈值、聲速值之間的相關性。

表1 試驗用混凝土基準配合比 kg·m-3

3 試驗方法及試驗結果分析

3.1 混凝土聲速值的測定

混凝土聲速值的測定按照CECS 02-2005《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規程》[10]進行，實驗儀器為ZBL-U520非金屬超聲檢測儀，聲時測讀精度為±0.05 us。測試前將被測試件四個澆筑側面上的塵土、污物等擦拭干凈，以同纖維摻量及同強度等級混凝土的3個試件作為一組，依次編號，取試塊澆筑方向的側面為測試面, 在兩個相對測試面上分別畫出相對應的3 個測點見圖2。

圖2 聲時測量測點布置示意

測距為150 mm，在試件兩個測試面的對應測點位置涂抹耦合劑, 將一對發射和接收換能器耦合在對應測點上，并始終保持兩個換能器的軸線在同一直線上，逐點測讀聲時讀數，分別計算3個測點的聲速值vi并取3個測點平均值為該塊混凝土聲速代表值,取一組3塊測點聲速的平均值作為該編號試件的混凝土聲速代表值v，不同體積分數摻量鋼纖維混凝土聲速關系如圖3所示。

圖3 不同摻量鋼纖維混凝土聲速關系

3.2 混凝土回彈值的測定

混凝土回彈值的測定按照JGJT 23-2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》[11]進行，回彈測試時，首先選擇混凝土澆筑方向的側面進行測試，應始終保持回彈儀的軸線垂直于混凝土測試面，回彈值的測定在試件超聲波的發射和接收的另一對測試面完成，將試件置于壓力機上下承壓板之間，加壓至30～50 kN并保持此壓力，分別在每個測試面上各彈擊8個點，兩個測試面共測定16個回彈值，16個回彈值中的3個較大值和3個較小值剔除，余下的10個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塊測點回彈的平均值作為該編號試件的混凝土回彈代表值R，不同體積分數摻量鋼纖維混凝土回彈值關系見圖4。

圖4 不同摻量鋼纖維混凝土回彈值關系

3.3 混凝土立方體抗壓強度試驗

混凝土立方體抗壓強度試驗按GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[12]要求進行，回彈值測試完畢后，卸荷并將混凝土回彈測試面放置于壓力機承壓板正中，在混凝土試件進行試壓過程中，荷載應連續均勻地加載，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，應停止調整試驗機油門，直至破壞，然后記錄破壞荷載。按立方體抗壓強度公式fcu=f/A分別計算其抗壓強度，3個試件測值的算術平均值為該組試件的強度代表值，不同體積分數摻量鋼纖維混凝土抗壓強度關系見圖5。

圖5 不同摻量鋼纖維混凝土抗壓強度關系

3.4 立方體抗壓強度(fcu)、回彈值(R)、聲速值(V)相關分析

圖2、圖4及圖5分別給出了不同鋼纖維體積分數摻量下不同混凝土等級的抗壓強度(fcu)、超聲波聲速(v)、回彈值(R)之間的關系曲線。由圖可以看出：5個不同等級的鋼纖維混凝土，隨著纖維體積分數摻量的增加，其fcu、v及R變化趨勢趨于相同，當鋼纖維摻量一定時，混凝土強度等級越高，其抗壓強度、超聲波聲速值、回彈值越大。這是由于隨著混凝土強度等級的提高，混凝土的密實度相應越大，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度和表面硬度之間有一定相關性，混凝土強度越高，表面硬度也越高，彈簧驅動彈擊錘并通過彈擊桿彈擊混凝土表面所產生的能量也越大，使彈擊錘帶動指針彈回并指示出彈回的距離越遠，所以回彈值就會越高。不同等級的混凝土隨著鋼纖維摻量的增大，混凝土抗壓強度、聲速值、回彈值三者都呈現先遞增后減小的趨勢，在鋼纖維摻量為1.5 %時呈峰值；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性，極大地減少了混凝土的孔隙率，提高了混凝土的密實度，但當鋼纖維摻量在 1.5 % ～2. 0 % 之間時，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，甚至有少量結團現象，從而使硬化后的混凝土密實度降低，超聲波聲速、回彈值和抗壓強度降低；在混凝土抗壓強度試驗過程中可以看出，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

根據以上分析結果，混凝土強度與混凝土回彈值及超聲波聲速有一定的相關性，這種相關性可以用函數曲線來表示。選用3種函數形式，利用Spass軟件對數據進行最小二乘法回歸分析，確定函數中的參數及相關系數[13]，采用Excel軟件計算相對標準誤差er，實驗所得回歸分析結果見表2。通過表2的回歸分析可以看出，所有函數模型的相對標準誤差er≤12%，滿足專用或地區測強曲線相對標準誤差的要求，相關系數均接近于1.0，鋼纖維混凝土抗壓強度與超聲波聲速、回彈值之間存在著良好的相關性，選用相對標準誤差較小，相關系數較大的函數作為最優擬合方程，結合相關系數R2和相對標準誤差er選擇冪函數fcu=0.00825R1.031V3.118作為既有鋼纖維混凝土超聲回彈測強曲線是可行的。

表2 回歸方程及其相關系數、相對標準誤差

4 結論

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

(2)不同等級的混凝土隨著鋼纖維摻量的增大，變化趨勢趨于相同，呈現先遞增后減小的趨勢，在鋼纖維摻量為1.5 %時呈峰值；當鋼纖維摻量在 1.5 % ～2.0 % 之間時，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，甚至有少量結團現象，從而使硬化后的混凝土密實度降低，超聲波聲速、回彈值和抗壓強度降低。

(3)鋼纖維混凝土抗壓強度與超聲波聲速、回彈值之間存在著良好的相關性 ,選用相對標準誤差較小，相關系數較大的函數作為最優擬合方程，結合相關系數R2和相對標準誤差er選擇冪函數fcu=0.00825R1.031V3.118作為鋼纖維混凝土超聲回彈測強曲線是可行的。