既有钢纤维混凝土超声回弹综合法的试验研究

陈 瑜, 孙 补

(山西大学土木工程系， 山西太原 030013)

钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入适量短钢纤维而形成的一种新型复合材料，近年来在国内外得到迅速发展。它克服了混凝土抗拉强度低、极限延伸率小、性脆等缺点，具有优良的抗拉、抗弯、抗剪、阻裂、耐疲劳、高韧性等性能，已在水工、路桥、建筑等工程领域得到广泛应用[1]。超声回弹综合法是目前非破损实体检测混凝土强度的常用方法，相比传统的钻芯法和回弹法，此方法较好地综合了混凝土的内部及外部的因素，在混凝土强度的反映上互相补充，可大幅度提高混凝土强度的检测精度，通过超声法的声速值v和回弹法的回弹值R，利用相对应测强曲线来间接测定混凝土的强度。超声回弹综合法测定普通混凝土强度的技术已十分成熟，但其在钢纤维混凝土中的应用及研究甚少，目前一些国内外学者通过不同材料样本对混凝土超声回弹法测强的影响以及曲线的建立进行了为数不多的试验研究[2]-[7]；而针对长龄期不同混凝土强度等级钢纤维体积分数掺量的测强曲线有待进一步深入探讨。本研究采用5种不同强度等级的混凝土和5种不同体积分数掺量的钢纤维，按标准方法共设计制作了25组混凝土试件，通过超声回弹法测强及混凝土立方体抗压强度试验，分析了混凝土立方体抗压强度、回弹值、声速值三者的相关性，并探讨建立既有钢纤维混凝土的测强曲线，为不同体积分数掺量的钢纤维混凝无损检测提供参考。

1 试验用原材料

水泥：太原狮头水泥集团公司，P.O 42.5，28 d抗压强度46.8 MPa，抗折强度8.2 MPa；粉煤灰：大唐太原第二热电厂，Ⅱ级粉煤灰；细骨料：山西忻州豆罗砂，细度模数2.65；粗骨料：山西太原北郊碎石，级配5-25；外加剂：山西山大合盛新材料股份有限公司，聚羧酸高性能减水剂(水剂)，掺量2.5 %，减水率25 %以上；钢纤维：武汉市中鼎经济发展有限公司生产，种类为端勾型，长度为35 mm，直径0.55 mm，长径比64，抗拉强度1 120 MPa，每公斤根数14 500根，钢纤维照片见图1。

图1 钢纤维

2 试验配合比及试件的制作

2.1 混凝土配合比设计

混凝土配合比的设计按照JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》[8]及JG/T472-2015《钢纤维混凝土》[9]进行，分别配制5种不同等级的混凝土为基准配合比，坍落度为180±20 mm,在基准配合比的基础上分别掺入体积分数掺量为0.5 %、1.0 %、1.5 %及2.0 %的钢纤维制成不同配合比的混凝土，其基准配合比见表1。

2.2 试件的制作

按基准配合比，将称量好的干料水泥、粉煤灰、砂、碎石、钢纤维一次投入30 L强制式混凝土搅拌机，干拌2 min后加水及外加剂继续搅拌3 min，搅拌完成后测定混凝土的流动性，每个编号的配合比分别制作150 mm×150 mm×150 mm不同钢纤维体积分数掺量的立方体试件各一组，共计25组试件。按标准方法成型养护28 d后，再在室内自然条件下放置到1 a，测定其回弹值及声速值，并对其抗压强度力学性能进行试验，分析不同掺量钢纤维混凝土的抗压强度、回弹值、声速值之间的相关性。

表1 试验用混凝土基准配合比 kg·m-3

3 试验方法及试验结果分析

3.1 混凝土声速值的测定

混凝土声速值的测定按照CECS 02-2005《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》[10]进行，实验仪器为ZBL-U520非金属超声检测仪，声时测读精度为±0.05 us。测试前将被测试件四个浇筑侧面上的尘土、污物等擦拭干净，以同纤维掺量及同强度等级混凝土的3个试件作为一组，依次编号，取试块浇筑方向的侧面为测试面, 在两个相对测试面上分别画出相对应的3 个测点见图2。

图2 声时测量测点布置示意

测距为150 mm，在试件两个测试面的对应测点位置涂抹耦合剂, 将一对发射和接收换能器耦合在对应测点上，并始终保持两个换能器的轴线在同一直线上，逐点测读声时读数，分别计算3个测点的声速值vi并取3个测点平均值为该块混凝土声速代表值,取一组3块测点声速的平均值作为该编号试件的混凝土声速代表值v，不同体积分数掺量钢纤维混凝土声速关系如图3所示。

图3 不同掺量钢纤维混凝土声速关系

3.2 混凝土回弹值的测定

混凝土回弹值的测定按照JGJT 23-2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》[11]进行，回弹测试时，首先选择混凝土浇筑方向的侧面进行测试，应始终保持回弹仪的轴线垂直于混凝土测试面，回弹值的测定在试件超声波的发射和接收的另一对测试面完成，将试件置于压力机上下承压板之间，加压至30～50 kN并保持此压力，分别在每个测试面上各弹击8个点，两个测试面共测定16个回弹值，16个回弹值中的3个较大值和3个较小值剔除，余下的10个回弹值取平均值作为该试件的回弹值Ri，精确至1，取一组3块测点回弹的平均值作为该编号试件的混凝土回弹代表值R，不同体积分数掺量钢纤维混凝土回弹值关系见图4。

图4 不同掺量钢纤维混凝土回弹值关系

3.3 混凝土立方体抗压强度试验

混凝土立方体抗压强度试验按GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[12]要求进行，回弹值测试完毕后，卸荷并将混凝土回弹测试面放置于压力机承压板正中，在混凝土试件进行试压过程中，荷载应连续均匀地加载，不得有冲击，加荷速度为5 kN/s,试件接近破坏而开始急剧变形时，应停止调整试验机油门，直至破坏，然后记录破坏荷载。按立方体抗压强度公式fcu=f/A分别计算其抗压强度，3个试件测值的算术平均值为该组试件的强度代表值，不同体积分数掺量钢纤维混凝土抗压强度关系见图5。

图5 不同掺量钢纤维混凝土抗压强度关系

3.4 立方体抗压强度(fcu)、回弹值(R)、声速值(V)相关分析

图2、图4及图5分别给出了不同钢纤维体积分数掺量下不同混凝土等级的抗压强度(fcu)、超声波声速(v)、回弹值(R)之间的关系曲线。由图可以看出：5个不同等级的钢纤维混凝土，随着纤维体积分数掺量的增加，其fcu、v及R变化趋势趋于相同，当钢纤维掺量一定时，混凝土强度等级越高，其抗压强度、超声波声速值、回弹值越大。这是由于随着混凝土强度等级的提高，混凝土的密实度相应越大，超声波在混凝土传播速度越大，声速值也就越大；混凝土立方体抗压强度和表面硬度之间有一定相关性，混凝土强度越高，表面硬度也越高，弹簧驱动弹击锤并通过弹击杆弹击混凝土表面所产生的能量也越大，使弹击锤带动指针弹回并指示出弹回的距离越远，所以回弹值就会越高。不同等级的混凝土随着钢纤维掺量的增大，混凝土抗压强度、声速值、回弹值三者都呈现先递增后减小的趋势，在钢纤维掺量为1.5 %时呈峰值；这是由于在普通混凝土中加入乱向分布的钢纤维，在混凝土内起到了一定的桥接作用，且钢纤维与混凝土之间的良好黏结性，极大地减少了混凝土的孔隙率，提高了混凝土的密实度，但当钢纤维掺量在 1.5 % ～2. 0 % 之间时，随着钢纤维掺量的增加，混凝土搅拌均匀困难，混凝土拌合物和易性变差，甚至有少量结团现象，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；在混凝土抗压强度试验过程中可以看出，素混凝土的破坏属于脆性破坏，破坏是突然的，混凝土破坏的较为彻底，而钢纤维混凝土的破坏呈延性破坏，随着纤维掺量越大，延性越高，破坏试件表面呈微小的裂纹或裂缝，试件形状基本完整。

3.5 回归方程的建立

根据以上分析结果，混凝土强度与混凝土回弹值及超声波声速有一定的相关性，这种相关性可以用函数曲线来表示。选用3种函数形式，利用Spass软件对数据进行最小二乘法回归分析，确定函数中的参数及相关系数[13]，采用Excel软件计算相对标准误差er，实验所得回归分析结果见表2。通过表2的回归分析可以看出，所有函数模型的相对标准误差er≤12%，满足专用或地区测强曲线相对标准误差的要求，相关系数均接近于1.0，钢纤维混凝土抗压强度与超声波声速、回弹值之间存在着良好的相关性，选用相对标准误差较小，相关系数较大的函数作为最优拟合方程，结合相关系数R2和相对标准误差er选择幂函数fcu=0.00825R1.031V3.118作为既有钢纤维混凝土超声回弹测强曲线是可行的。

表2 回归方程及其相关系数、相对标准误差

4 结论

(1)当钢纤维掺量一定时，混凝土强度等级越高，其抗压强度、超声波声速值、回弹值越大；随着混凝土强度等级的提高，混凝土的密实度越大，超声波在混凝土传播速度越大，声速值也就越大。

(2)不同等级的混凝土随着钢纤维掺量的增大，变化趋势趋于相同，呈现先递增后减小的趋势，在钢纤维掺量为1.5 %时呈峰值；当钢纤维掺量在 1.5 % ～2.0 % 之间时，随着钢纤维掺量的增加，混凝土搅拌均匀困难，混凝土拌合物和易性变差，甚至有少量结团现象，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。

(3)钢纤维混凝土抗压强度与超声波声速、回弹值之间存在着良好的相关性 ,选用相对标准误差较小，相关系数较大的函数作为最优拟合方程，结合相关系数R2和相对标准误差er选择幂函数fcu=0.00825R1.031V3.118作为钢纤维混凝土超声回弹测强曲线是可行的。