配套使用電感試驗和抗折試驗對鋼纖維混凝土力學特性及纖維分布的研究*

申俊敏

(1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804； 2.山西交通控股集團有限公司 太原 030006)

在過去的幾十年里，鋼纖維混凝土(SFRC)的應用研究得到了快速發展。在混凝土中加入鋼纖維可增強混凝土構件的抗疲勞能力及開裂后的承載力等。鑒于鋼纖維混凝土的這些優良性能，使得用鋼纖維部分甚至全部取代傳統鋼筋作為混凝土的加強筋成為了一種可能。隨著建筑行業熟練工人的逐步減少，要建設高質量的混凝土結構變得越來越難，為解決這些棘手的問題，自密實混凝土(SCC)于1988年在日本應運而生[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勢，SCC自發明以來就受到了世界各國專家學者的青睞。在SCC里加入鋼纖維形成鋼纖維自密實混凝土(SFRSCC)，可以同時具備SFRC和SCC的共同優點，因此，關于SFRSCC的研究自其第一次在實際工程中應用以來，就一直進行中[2]。為了確保SFRC的質量，對于鋼纖維混凝土的裂后性能及纖維含量的評估是十分重要的。通常情況下，SFRC的裂后性能使用三點或四點抗折試驗結果表征；另一方面，纖維含量是根據規范UNE-EN 14721[3]所使用的方法來進行的。然而，在所用方法中，要測得鋼纖維的含量，必須碾碎SFRC試件或對新拌混凝土進行清洗，從而分離出纖維來進行稱重。完成這些流程，不僅程序繁瑣而且價格昂貴，單位時間試件測試數量受到嚴重限制，不能很好地為結構設計提供可靠詳實的數據。

本文的研究目的在于，結合電感試驗和三點抗折試驗結果，提出一種鋼纖維混凝土質量控制更有效的替代方法。首先，對普通鋼纖維混凝土(CSFRC)和鋼纖維自密實混凝土(SFRSCC)進行三點抗折試驗以表征其裂后性能；然后，利用電感試驗對澆筑的立方試件和從小梁切割出來的立方體試件進行纖維含量及纖維分布的評估。最后，進一步分析以上試驗結果，從而對所測試纖維混凝土材料性能給出客觀的評價。

1 試驗概述

1.1 傳統鋼纖維混凝土和自密實鋼纖維混凝土配比

試驗擬制備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為早強劑。試驗所采用的鋼纖維為Master Fiber502，其抗拉強度不小于1 000 MPa，長度為(50±1) mm，長徑比為50。

表1 CSFRC和SFRSCC的配合比 kg/m3

1.2 試驗測試

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(分別標記為CSFRC-30、CSFRC-45、CSFRC-60和SFRSCC-30、SFRSCC-45、SFRSCC-60)。在試件進行28 d標準養護以后，根據相關規范對硬化混凝土進行如表2中的試驗測試[4-5]。最終測試結果均取平均值。

表2 硬化混凝土試驗測試項目

1.3 電感試驗

電感試驗由Torrents等人發明并被Cavalaro等人優化，通過該試驗可以初步判定鋼纖維在混凝土試件內的分布及纖維數量，其測試所需時間短，可靠度高，能夠在短時間里測試大量試件，進而更準確地掌握材料屬性[6-7]。

該測試設備見圖1a)，它包含由絕緣銅線繞制而成的螺旋管及LCR阻抗分析儀。試驗時，通電螺旋管會在其內部產生電磁場，當放入SFRC試件以后，由此所引起的感應電動勢變量可通過LCR儀轉化為電感強度值顯示出來，進而判斷出鋼纖維在空間不同方向的分布。

在試驗過程中，對2類邊長為150 mm的立方體試件進行了電感試驗。其中一類為150 mm標準立方體澆筑試件；另一類為小梁三點抗折之后進行切割出來的立方體試件，見圖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”的干擾。對于每一組試件，共8個標準塊和6個切割塊進行試驗，試驗結果取平均值。

圖1 試驗設備及試件(單位:mm)

電感試驗的X,Y及Z軸方向測試結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Cavalaro的研究表明，SFRC試件的纖維含量和其電感值呈線性關系，因此，可以通過破碎少量試件來得到纖維含量和電感值的關系以進一步預測纖維含量。為進一步校核測試結果，試驗結束后任意選取4個測試試件進行破碎，篩選鋼纖維稱重并精確到0.000 1 kg。采用最小二乘法擬合可得電感強度(L)-纖維含量(Cf)的線性關系，見圖2。由圖中線性回歸系數可以看出，電感試驗測試結果能夠很好地預測SFRC中鋼纖維的含量。

圖2 電感強度-纖維含量擬合關系圖

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度

抗壓試驗結果見表3。由表可見，CSFRC 28 d的平均抗壓強度為64.7 MPa，SFRSCC的為67.5 MPa，比前者稍高。

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

表3 SFRC抗壓強度平均值和變異系數

2.2 剩余抗折強度

為了探究SFRC的彎曲性能，根據規范EN 14651∶2005所推薦的方法，對SFRC梁進行了三點抗折試驗。根據規范規定，試驗過程需要記錄峰值荷載fLOP， 開口位移CMOD分別為0.5，1.5，2.5，3.5 mm時試驗所對應的荷載強度值F0.5，F1.5，F2.5，F3.5，見圖2～圖5。混凝土的比例極限強度fLOP及其殘余抗彎拉強度fR,j可以根據公式(1)計算得到。三點抗折試驗結果F(荷載)-CMOD(開口位移)曲線關系見圖3。

圖3 抗折試驗測試F-CMOD關系圖

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

(1)

式中：b,h分別為試件截面的寬度和高度，均為150 mm；hsp為試件割縫頂到頂面的高度(125±1) mm；L為試驗時試件的跨距，500 mm；F為試驗時的荷載強度，kN。

從表4中可見，除了纖維含量為30 kg/m3系列外，所有試件的峰值強度(fLOP)差別不大，但是纖維使用量與其峰值強度大小成正相關。另外，SFRSCC比CSFRC具有更好的裂后性能(fR,2,fR,3和fR,4)，這樣的趨勢隨著纖維含量的增加表現地愈加明顯。出現這樣的結果，主要歸咎于SFRSCC良好的流動性會引導鋼纖維更多地分布在試件開裂的垂直方向。相反地，CSFRC也許由于其流動性較差原因，不能為纖維分布創造良好的流動環境，故其在混凝土內的分布趨向性不明顯。

表4 三點抗折平均值和變異系數

2.3 電感試驗結果

鋼纖維的摻入很容易降低混凝土的流動性。然而，迄今為止也尚不明確鋼纖維的增加是否會導致纖維在混凝土內的分布改變。所以，了解纖維含量與纖維分布關系的具體信息對了解和掌握SFRC的性能至關重要。圖4為鋼纖維不同方向分布關系。其橫坐標代表試件的3個軸方向，縱坐標代表各個方向電感值在3個軸所占的比例。

圖4 鋼纖維不同方向分布關系圖

由圖4可知，對于澆筑的標準試件而言，X和Y軸方向擁有相似的纖維分布量，且纖維分布數量總是比Z軸大。值得一提的是三者維持在一個基本恒定的比例，即X∶Y∶Z=4∶4∶2。從圖4還可知，對于從小梁切割出來的立方體試件而言，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部的分布規律。

3 結論

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) 配套使用三點抗折試驗和電感試驗分析結果，可以很好地分析SFRC的材料屬性及力學性能。

4) 通過電感試驗得到的電感值和纖維含量的關系中R2接近于1，表明電感試驗對預測鋼纖維的分布及纖維含量的評估等方面具有明顯效果。

5) 電感試驗測得纖維方向系數在X、Y、Z軸方向上的比例大致保持恒定，其與纖維含量關系不大。