钢纤维混凝土超声－回弹测强曲线的建立

陈华艳， 毕贤顺

(福建工程学院 土木工程学院，福州 350108)

粉煤灰和矿渣是目前混凝土中常用的掺和料，一般是当地取材，就近使用，不仅保护环境、节约成本，而且可以提高混凝土的抗压强度，同时改善混凝土的性能，具有良好的市场前景[1]。

钢纤维混凝土是由短钢纤维、砂、石子、水泥、水以及外加剂按比例配制，经凝结硬化后形成的。与普通混凝土相比，钢纤维混凝土的抗弯、抗拉特性以及抗剪强度均有普遍提高，其抗疲劳、抗冲性、开裂后韧性和耐久性也有较大程度地改善[2]。超声－回弹综合法检测普通混凝技术已经十分成熟[3－5]，但其在钢纤维混凝土中的应用尚不常见[6－9]。笔者结合厦门至昆明国家重点公路干线的施工情况，配制一批不同龄期的掺粉煤灰、矿渣的C40钢纤维混凝土试件，并利用超声测试技术、回弹测试技术对钢纤维混凝土进行检测实验，探讨抗压强度、超声波声速、回弹值三者之间的相关关系，以期为不同类型钢纤维混凝土的无损检测提供参考。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

水泥采用42.5 MPa的普通硅酸盐水泥;粗骨料是级配良好的碎石，粒径为5～20 mm，表观密度ρ0=2.73 g/cm3，堆积密度ρ'0=1 422 kg/m3;细骨料采用级配良好的中砂，表观密度ρ0=2.65 g/cm3，堆积密度ρ'0=1 334 kg/m3;钢纤维采用剪切型的，密度为7 800 kg/m3，长径比为33;减水剂采用NFJ－1型萘系高效减水剂;粉煤灰为热电厂干排的二级粉煤灰，经粉磨后的比表面积为6 000 cm2/g，密度 ρ0f=2.1 g/cm3;矿渣为冶金渣厂磨细的粒化高炉矿渣，比表面积为4 500 cm2/g，密度ρ0k=2.35 g/cm3。

1.2 实验方法

采用上述材料，以不同钢纤维掺量配制水灰比为0.41，龄期为 7、14、28、60 d 的 C40 钢纤维混凝土。混凝土制作采用机械搅拌、机械振捣成型，要求外观质量良好，棱角完整，表面无明显的缺陷。成型后的试件采用标准养护。

到龄期的混凝土试件，首先按照CECS 02:2005《超声回弹综合法检测混凝土抗压强度技术规程》[9]进行超声和回弹实验，然后按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[10]进行抗压实验。

2 结果与分析

2.1 钢纤维掺量对声速、回弹值、抗压强度的影响

2.1.1 普通钢纤维混凝土

图1表示不同龄期的钢纤维混凝土中钢纤维掺量(w)与超声波声速(c)、回弹值(R)、抗压强度(σc)之间的关系曲线。从三组曲线变化趋势可以看出:当钢纤维掺量从0增加至1.4%时，由于钢纤维与混凝土之间的良好黏结作用，极大地减少了混凝土的孔隙率，提高了混凝土的密实度，从而使得混凝土的超声波声速、回弹值和抗压强度均增大;但当钢纤维掺量在1.4%～2.0%之间时，随着钢纤维掺量的增加，混凝土和易性会变差，从而使硬化后的混凝土密实度降低，超声波声速、回弹值和抗压强度降低。文中设计的钢纤维混凝土，钢纤维掺量宜控制在1.0%～1.4%之间。

图1 钢纤维掺量与超声波声速、回弹值、抗压强度之间的关系Fig.1 Relationship between steel fiber concrete volume and ultrasonic velocity，rebound value，compression strength

另外，在混凝土抗压强度实验过程中发现，普通混凝土的破坏通常属于脆性破坏，断裂是突然的，而钢纤维混凝土破坏时就没有明显的断裂，基本保持原有的外形。这是因为在混凝土中掺入了钢纤维后，钢纤维对混凝土的增强作用，能阻止裂缝的进一步开裂，因此，适当的钢纤维掺量改变了普通混凝土的脆性破坏形式，提高了混凝土的密实度，从而使钢纤维混凝土的声速、回弹值和抗压强度均比相同等级的普通混凝土有相应的提高。

2.1.2 掺粉煤灰的钢纤维混凝土

用15%粉煤灰代替水泥，不同龄期的钢纤维混凝土钢纤维掺量与超声波声速、回弹值、抗压强度之间的关系曲线如图2所示。三组关系曲线的变化趋势与图1基本一致，同样说明用15%粉煤灰代替水泥的钢纤维混凝土，钢纤维掺量宜控制在1.0% ～1.4%之间。

在混凝土中掺入粉煤灰，不仅可以节约水泥，更重要的是可以改善混凝土的性能。掺入粉煤灰后，受粉煤灰的活性效应和微集料效应影响，钢纤维混凝土与基体界面的微观结构得到了相应的改善，钢纤维的增强作用进一步加强，从而使声速、回弹值和抗压强度普遍提高。另外，粉煤灰良好的保水性能降低了钢纤维混凝土的水灰比，减少了混凝土的孔隙率，提高了混凝土的密实度，因而混凝土抗压强度提高，回弹值与声速也随之提高[11]。

2.1.3 掺粉煤灰、矿渣的钢纤维混凝土

当粉煤灰掺量为10%、矿渣掺量为15%时，不同龄期双掺钢纤维混凝土钢纤维掺量与超声波声速、回弹值、抗压强度之间的关系曲线如图3所示。

图2 掺粉煤灰混凝土钢纤维掺量与超声波声速、回弹值、抗压强度之间的关系Fig.2 Relationship between steel fiber concrete volume and ultrasonic velocity，rebound value，compression strength of steel fiber concrete with fly ash

图3 双掺钢纤维混凝土钢纤维掺量与超声波声速、回弹值、抗压强度之间的关系Fig.3 Relationship between steel fiber concrete volume and ultrasonicvelocity， rebound value，compression strength of steel fiber concrete with fly ash and slay

三组关系曲线的变化趋势与图1、2的基本一致，再次说明文中设计的钢纤维混凝土钢纤维掺量宜控制在1.0%～1.4%之间。

混凝土中粗骨料和细骨料之间存在大量的空隙，普通混凝土的这些空隙是由水泥颗粒来填充的，而钢纤维混凝土中掺入粉煤灰和矿渣后，由于粉煤灰、矿渣与水泥之间的相互作用，进一步填充水泥颗粒间的空隙，使混凝土密实度提高，因此，钢纤维混凝土抗压强度得到提高，随之超声波声速值和回弹值也都提高，这与普通混凝土中得到的结论是一致的。

2.2 超声波声速、回弹值、抗压强度间关系

采用MATLAB数学软件编制程序，绘制不同类型钢纤维混凝土的超声波声速、回弹值、抗压强度的三维图形，如图4所示。

图4 超声波声速、回弹值、抗压强度之间的关系Fig.4 Relationship between ultrosonic velocity，rebound value and compression strength

从图中可以看出，掺入粉煤灰、矿渣的钢纤维混凝土与普通钢纤混凝土的c、R、σc大多处于同一平面内，说明三种类型钢纤维混凝土的超声波声速、回弹值和抗压强度之间有着良好的相关性。

3 回归方程

采用MATLAB数学软件编制程序进行统计计算，拟合相关公式和相应回归函数曲线。参考CECS02:2005[9]中推荐的回归方程式:

采用相对误差xer和相对标准差δ确认回归方程的有效性。实验所得回归方程见表1。

表1 回归方程及其相对误差、相对标准差Table 1 Regression equation and its relative error and relative standard deviation

相对误差是回归值对应于标准实测值的误差范围，它揭示了方程规律性的强弱，其值越小，说明利用回归方程进行预报的强度值就越精确;相对标准差定义为各测量值误差的平方和的平均值的平方根，是一组数据平均值分散程度的度量，其值越小，说明越接近于平均值。根据实验数据建立的回归方程，相对误差与相对标准差均小于1%，说明利用此次实验所得数据建立的回归方程是可靠的。

4 结论

结合厦门至昆明国家重点公路干线的施工情况，配制了一批不同龄期的掺入粉煤灰、矿渣的C40钢纤维混凝土试件，并利用超声测试技术和回弹测试技术对不同类型钢纤维混凝土性能进行检测，得到如下结论:

(1)随着钢纤维掺量的增加，三种钢纤维混凝土的超声波声速、回弹值、抗压强度均呈先增大后减小的趋势。文中所研究的C40钢纤维混凝土钢纤维掺量宜控制在1.0%～1.4%之间。

(2)受粉煤灰和矿渣微粉的活性集料效应影响，用15%粉煤灰或10%粉煤灰、15%矿渣取代水泥的钢纤维混凝土密实度得到提高，从而使得超声波声速、回弹值和混凝土抗压强度都得到提高。这与在普通混凝土中得到的结论是一致的。

(3)采用MATLAB数学软件编制程序进行统计计算，建立了钢纤维混凝土超声波声速、回弹值与抗压强度之间的相关关系曲线。抗压强度与声速和回弹值之间存在着很好的相关性，证明运用超声－回弹综合法对钢纤维混凝土进行检测是可行的。

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