趙 健, 廖 霖, 張 帆, 劉冠志, 王 梅

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)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(fù)合材料,因具有良好的性能而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用和軍事等重大結(jié)構(gòu)[1-2].由于SFRC具有顯著的增強(qiáng)和阻裂效應(yīng),在一定程度上可以延緩基體自身微裂紋的生長(zhǎng)和微空洞的塌陷,從而使其抗拉、抗彎、抗剪強(qiáng)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(xué)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(shù)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(dāng)纖維與破裂面之間的角度為30°～45°時(shí),纖維在基體中的錨固黏結(jié)力最大,對(duì)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(guó)外許多規(guī)范將纖維分布的方向系數(shù)考慮進(jìn)了混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中.在《Fib model code for concrete structures 2010/International federation for structural concrete(fib)》中,引入纖維方向系數(shù)K來(lái)表示纖維分布方向?qū)炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的影響：當(dāng)K=1時(shí),認(rèn)為纖維等方向分布;當(dāng)K<1和K>1時(shí),則認(rèn)為纖維沿不利和有利的方向分布.德國(guó)混凝土規(guī)范《Guideline for steel-fibre-reinforced concrete》中,纖維方向系數(shù)Kf被引入到混凝土構(gòu)件峰后強(qiáng)度的計(jì)算中,一般情況下,Kf取為0.5;當(dāng)纖維與受彎構(gòu)件的縱向平行時(shí),Kf取為1.0.挪威和瑞典的SFRC設(shè)計(jì)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(qiáng)度與纖維方向系數(shù)相關(guān)聯(lián),并提出了相關(guān)計(jì)算公式.因此,為了準(zhǔn)確衡量SFRC性能,對(duì)混凝土中鋼纖維分布方向的檢測(cè)變得尤為重要.對(duì)于混凝土中纖維分布方向的檢測(cè)可以分為破壞性檢測(cè)和非破壞性檢測(cè)[10].

破壞性檢測(cè)主要包括人工統(tǒng)計(jì)法[6,11]和圖像處理技術(shù)[12].

人工統(tǒng)計(jì)法是通過(guò)統(tǒng)計(jì)破壞截面上的纖維根數(shù)及其分布,來(lái)分析鋼纖維的分布方向.這種方法簡(jiǎn)單、易操作,但是需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力.

圖像處理技術(shù)是對(duì)SFRC試件進(jìn)行切割打磨,并對(duì)切片進(jìn)行拍照處理,通過(guò)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(huì)遺漏部分纖維,導(dǎo)致出現(xiàn)誤差.

非破壞性檢測(cè)主要是利用鋼纖維與混凝土材料特性的不同,通過(guò)電、磁等手段來(lái)檢測(cè)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?lè)╗16]、電阻率測(cè)量法[17]和電感試驗(yàn)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(shù)掃描SFRC樣品并重構(gòu)界面X射線吸收密度輪廓圖來(lái)觀察混凝土中的纖維分布.這種方法可以準(zhǔn)確直觀地測(cè)得纖維的分布,但是對(duì)試件尺寸有限制,目前僅適用于小試件的實(shí)驗(yàn)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(dǎo)電率差異,通過(guò)對(duì)SFRC試件施加電壓以激發(fā)寬范圍的交流電信號(hào),測(cè)量出不同的輸出電流,計(jì)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(yàn)裝置價(jià)格昂貴,電極和試件間阻抗會(huì)影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性.

C型磁鐵探針?lè)ㄊ抢娩摾w維的導(dǎo)磁性,將繞線C型磁鐵作為探針?lè)旁赟FRC試件表面,通過(guò)測(cè)量其阻抗變化來(lái)快速測(cè)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(cè)試,但是其使用范圍非常有限,僅能測(cè)量較薄試件或結(jié)構(gòu)表面的纖維分布.

電阻率測(cè)量法利用四探針測(cè)量SFRC表面2個(gè)垂直方向的電阻率,利用不同位置電阻值的變化來(lái)表征纖維分布方向和結(jié)團(tuán)信息.該方法適用于工程中的原位檢測(cè),但是由于混凝土齡期、濕度不同會(huì)對(duì)電阻率產(chǎn)生影響,降低了其準(zhǔn)確性.

電感試驗(yàn)法利用電磁感應(yīng)原理,通過(guò)線圈電感值的變化來(lái)表征SFRC試件中鋼纖維的分布.電感試驗(yàn)不僅可以測(cè)量基體中鋼纖維的分布方向,還可以估計(jì)鋼纖維的含量.該方法的缺點(diǎn)是不能用于大尺寸試件和工程原位測(cè)試.

本文詳細(xì)介紹了電感試驗(yàn)的原理、裝置和試驗(yàn)方法，并設(shè)計(jì)了SFRC切口梁三點(diǎn)抗彎試驗(yàn),結(jié)合電感試驗(yàn)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(zhǔn)確評(píng)價(jià)SFRC性能提供可靠依據(jù).

1 電感試驗(yàn)

1.1 電感試驗(yàn)原理

電感試驗(yàn)法是以介質(zhì)電磁性的差異為基礎(chǔ),通過(guò)研究交變電磁場(chǎng)隨空間分布規(guī)律或隨時(shí)間變化規(guī)律,達(dá)到勘察目的的無(wú)損檢測(cè)方法.一個(gè)繞線材料、匝數(shù)、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(zhì)材料有關(guān),介質(zhì)材料磁導(dǎo)率越大,則線圈電感值越大.對(duì)于SFRC而言,混凝土基質(zhì)磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率為同一數(shù)量級(jí),其值近似為1H/m,可認(rèn)為將其放入磁場(chǎng)后不增加線圈電感;但鋼纖維屬于鐵磁材料,其磁導(dǎo)率為200～400H/m,遠(yuǎn)大于混凝土基體的磁導(dǎo)率,因此將SFRC放入通電空心線圈中后,線圈電感的增加可認(rèn)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(chǎng)線,則電感增量最大;若纖維排列方向垂直于磁場(chǎng)線,則電感增量最小,約為平行排列時(shí)的1/9[18].通過(guò)分析每個(gè)試件三軸電感增量ΔLX、ΔLY、ΔLZ之間的關(guān)系,可判斷出基體中鋼纖維的分布概況.

根據(jù)Torrents等[18]和Cavalaro等[19-20]的研究,發(fā)現(xiàn)三軸方向的電感增量之和(ΔL)與纖維含量(Cf)存在線性關(guān)系,且該關(guān)系與鋼纖維在混凝土中的分布無(wú)關(guān).因此,如果可以提前測(cè)得所使用纖維的上述關(guān)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(jì)算公式如下:

Cf=ω·∑i=X,Y,ZΔLi=ω·ΔL

(1)

其中比例系數(shù)ω為：

(2)

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

通過(guò)式(2)可以看出,ω的大小主要與鋼纖維的特征和所加磁場(chǎng)有關(guān).因此對(duì)于同一種鋼纖維,ω可以通過(guò)破碎試件后得到的纖維含量和電感增量間的線性回歸關(guān)系計(jì)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(shù)(ηi)來(lái)評(píng)價(jià)纖維在某一方向上的貢獻(xiàn),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(jù)電磁感應(yīng)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(chǎng)磁感應(yīng)線方向的夾角.

通過(guò)式(3)、(4)可以推導(dǎo)得到纖維方向數(shù)ηi的計(jì)算式：

(5)

上述公式均是在磁場(chǎng)均勻的假設(shè)下得到的.但是由于磁場(chǎng)在線圈中的分布并不均勻,當(dāng)纖維靠近線圈端部或內(nèi)壁時(shí),電感值會(huì)變小,此時(shí)會(huì)高估纖維方向數(shù).式(6)、(7)分別為修正后纖維方向數(shù)ηi和纖維方向數(shù)相對(duì)比例Ci的表達(dá)式.

(6)

(7)

1.2 電感試驗(yàn)裝置

電感試驗(yàn)設(shè)備由線圈、底座和數(shù)字電橋測(cè)試儀組成(見(jiàn)圖1).Torrents等[18]在早期制作的線圈,是由直徑為0.2mm的絕緣導(dǎo)線非連續(xù)地纏繞在立方體殼體上得到的(見(jiàn)圖1(a)).立方體殼體尺寸為15cm×17cm×17cm,導(dǎo)線共纏繞2354圈,總長(zhǎng)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(zhuǎn)角處的磁感應(yīng)強(qiáng)度較線圈中心小,這極大地增加了試驗(yàn)誤差;此外,立方體線圈只能測(cè)量三軸均對(duì)稱的立方體試件,這大大限制了裝置的使用范圍,對(duì)于圓柱體取芯試件和其他形狀的試件無(wú)法測(cè)量.

為此,Cavalaro等[20]對(duì)電感設(shè)備進(jìn)行了改裝,提出了一種可以測(cè)量圓柱體和立方體試件的線圈(見(jiàn)圖1(b)).改裝后的線圈由絕緣銅導(dǎo)線纏繞亞克力殼體而成,殼體內(nèi)徑為23.5cm,高20cm;導(dǎo)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(nèi)有一個(gè)160mm×160mm的凹槽.數(shù)字電橋測(cè)試儀可以產(chǎn)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(shí)測(cè)得線圈的電感值.

圖1 電感試驗(yàn)裝置Fig.1 Inductive test equipment

2 試驗(yàn)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(xì)骨料(Sand)：級(jí)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(zhì)量分?jǐn)?shù))25%，減水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))25%～30%；鋼纖維(SF)：Maccaferri Wirand FF3HS端鉤型鋼纖維,長(zhǎng)度50mm,直徑0.75mm,抗拉強(qiáng)度1500MPa,約5770根/kg.混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50,基體配合比見(jiàn)表1;SFRC的水灰比m(W)/m(C+A)為0.311.

表1 基體配合比

試驗(yàn)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(gè)試件,共84個(gè)試件,記為SFA-B,其中A為纖維含量,B為試件編號(hào),例如SF25-1代表纖維含量為25kg/m3、編號(hào)為1的SFRC試件.另外還制備了9個(gè)尺寸為150mm×150mm×300mm的普通混凝土棱柱體試件.在制備SFRC試件過(guò)程中,先將砂、粗骨料、粉煤灰和水泥依次加入攪拌機(jī)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(jī)中勻速攪拌3min,同時(shí)將鋼纖維均勻地撒在攪拌機(jī)中.所有試件均在澆筑36h后拆模,并在溫度(20±2)℃,相對(duì)濕度95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至28d.

2.2 試驗(yàn)方案

2.2.1混凝土力學(xué)試驗(yàn)

按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,對(duì)養(yǎng)護(hù)28d的普通混凝土棱柱體

試件進(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度測(cè)試,得到普通混凝土軸心抗壓強(qiáng)度平均值為77.54MPa.

根據(jù)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(yàn)力為200kN的萬(wàn)測(cè)ETM105D電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行SFRC切口梁三點(diǎn)抗彎試驗(yàn).試件尺寸和試驗(yàn)布置見(jiàn)圖2.試驗(yàn)前,在試件切縫的中線處對(duì)稱粘貼2片薄鋼片,將電子引伸計(jì)夾在這2片薄鋼片中間;采用引伸計(jì)控制加載方式,在裂縫開(kāi)口位移(CMOD)達(dá)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(dá)到4.0mm后停止試驗(yàn),得到試件荷載-裂縫開(kāi)口位移(F-CMOD)曲線.根據(jù)式(8)計(jì)算比例極限強(qiáng)度f(wàn)LOP,以及CMOD值不同時(shí)的殘余抗彎拉強(qiáng)度f(wàn)R,j(j=1、2、3、4，分別表示CMOD值為0.5、1.5、2.5、3.5mm).根據(jù)EN 14651規(guī)定,貼了引伸計(jì)固定鋼片的試件,需按式(9)計(jì)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?shù)巾斆娴母叨?(125±1)mm;L為試驗(yàn)時(shí)試件的跨距,500mm;F為試驗(yàn)時(shí)的荷載值,kN;CMODy為傳感器測(cè)得的開(kāi)口位移,mm.

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

2.2.2電感試驗(yàn)

在電感試驗(yàn)前,先將經(jīng)過(guò)切口梁三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)后的試件按圖3(a)切割打磨成2個(gè)邊長(zhǎng)為150mm的立方體試塊.為避免鋼纖維“墻效應(yīng)”對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,去掉試件兩側(cè)寬75mm部分.為了防止混淆測(cè)試結(jié)果,統(tǒng)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(zhǎng)邊的軸.本試驗(yàn)在每組纖維含量試件中隨機(jī)選出5個(gè)試件進(jìn)行切割,即每組纖維含量試件測(cè)試10個(gè)試塊,7組共70個(gè)試塊.

試驗(yàn)所用電感設(shè)備如圖3(b)所示.測(cè)試前,先將數(shù)字電橋儀預(yù)熱20min以保證測(cè)量值的準(zhǔn)確性.

圖3 電感試驗(yàn)方案Fig.3 Inductive test scheme

測(cè)試步驟為：(1)將試驗(yàn)設(shè)備和試塊放在一個(gè)非鐵磁性材料的臺(tái)面上,保證其周圍50cm范圍內(nèi)沒(méi)有其他金屬材料；設(shè)置電橋儀產(chǎn)生頻率為1kHz的電流和1V的電壓,激發(fā)磁場(chǎng)并測(cè)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(cè)出線圈電感值,計(jì)算得到電感增量ΔLZ；以此類推,依次測(cè)得X、Y軸的電感增量ΔLX、ΔLY.為保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,每個(gè)試塊在每個(gè)方向上都圍繞線圈的纏繞方向轉(zhuǎn)動(dòng)3次測(cè)量,取其平均值作為測(cè)試結(jié)果.電感試驗(yàn)完成后,從每組纖維含量的10個(gè)試塊中隨機(jī)選取1塊,用壓力機(jī)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(yàn)結(jié)果和討論

3.1 切口梁三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)結(jié)果與分析

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

圖4為切口梁三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)得到的荷載-裂縫開(kāi)口位移(F-CMOD)曲線.由圖4可知,在試件開(kāi)裂之前,曲線均呈現(xiàn)從線性到非線性變化的過(guò)程,這與普通混凝土試件切口梁三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)結(jié)果類似.在試件開(kāi)裂以后,F-CMOD曲線可分為屈服型和強(qiáng)化型2種,其中的屈服型曲線表現(xiàn)為試件開(kāi)裂后承載力陡然下降,其值小于開(kāi)裂荷載,主要有SF25、SF30、SF35這3組試件;強(qiáng)化型曲線表現(xiàn)為試件開(kāi)裂后,其承載力不降反升,曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化趨勢(shì),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(shí)鋼纖維在錨固黏結(jié)力作用下與混凝土基質(zhì)協(xié)同變形,抵抗荷載;當(dāng)荷載繼續(xù)增大時(shí),SFRC進(jìn)入彈塑性階段(AB段),此時(shí)混凝土內(nèi)微裂縫不斷發(fā)展,但由于應(yīng)變較小,鋼纖維發(fā)揮作用不大.這2個(gè)階段與普通混凝土試驗(yàn)過(guò)程基本一致.

對(duì)于屈服型曲線,當(dāng)荷載達(dá)到混凝土開(kāi)裂荷載時(shí),混凝土開(kāi)裂,曲線進(jìn)入BC段,此時(shí)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(dǎo)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(chǎn)生了較大應(yīng)力,通過(guò)橋接裂縫兩端,阻止了混凝土的進(jìn)一步破壞;繼續(xù)施加荷載后,試件進(jìn)一步變形,鋼纖維應(yīng)力快速增加,當(dāng)變形超過(guò)某一值后,鋼纖維的應(yīng)力值達(dá)到較高水平,其影響超過(guò)混凝土開(kāi)裂的影響,導(dǎo)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(yīng)變硬化現(xiàn)象;鋼纖維橋接于混凝土裂縫兩端,其應(yīng)力最終通過(guò)黏結(jié)錨固作用傳遞到混凝土基質(zhì)中,若該應(yīng)力過(guò)大,將導(dǎo)致其端部黏結(jié)錨固力超過(guò)黏結(jié)錨固強(qiáng)度,鋼纖維被逐漸拔出,試件承載力下降,同時(shí)裂縫繼續(xù)發(fā)展,曲線進(jìn)入D1E1段.

強(qiáng)化型曲線無(wú)明顯屈服段.由于試件中的鋼纖維含量較高,可能導(dǎo)致B點(diǎn)對(duì)應(yīng)荷載有略微提高;同時(shí)由于鋼纖維含量高,在混凝土裂縫剛產(chǎn)生時(shí),鋼纖維就能有效控制裂縫發(fā)展,試件截面剛度不會(huì)下降,甚至由于鋼纖維較大的應(yīng)力而導(dǎo)致試件承載力緩慢上升,曲線直接進(jìn)入BD2強(qiáng)化段;當(dāng)纖維黏結(jié)錨固作用被破壞后,與屈服型曲線一樣,曲線進(jìn)入D2E2段.另外還可看出,無(wú)論是屈服型曲線還是強(qiáng)化型曲線,當(dāng)CMOD達(dá)到3.5mm時(shí),鋼纖維混凝土試件仍舊表現(xiàn)出較好的韌性.

當(dāng)普通混凝土梁加載時(shí),一旦裂縫出現(xiàn)便迅速延伸至頂部,導(dǎo)致試件斷裂失效,表現(xiàn)出明顯的脆性.而SFRC破裂后,鋼纖維與基體間的界面黏結(jié)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(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖.由圖5可見(jiàn)：SF25組試件的極限荷載(fR,max)為6.97MPa,若以此為基準(zhǔn),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(shuō)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(duì)比例極限強(qiáng)度(fLOP)的影響不大,這是因?yàn)樵陂_(kāi)裂之前,混凝土和鋼纖維共同承擔(dān)荷載,鋼纖維尚未起到阻裂作用;對(duì)于fR,1,fR,2,fR,3,fR,4而言,纖維含量對(duì)其影響較大,尤其是當(dāng)纖維含量為35、50kg/m3時(shí),試件的殘余抗彎拉強(qiáng)度增加明顯,而其余纖維含量試件的殘余抗彎拉強(qiáng)度變化不大,這為SFRC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)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(qiáng)度指標(biāo)比較Fig.5 Comparison of strength index of SFRC with different steel fiber contents

3.2 電感試驗(yàn)結(jié)果與討論

電感試驗(yàn)后,得到每個(gè)立方體試塊在3個(gè)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(jī)取出1塊,將其破碎后,使用強(qiáng)力磁鐵提取其中的鋼纖維稱重.對(duì)每組試塊的纖維含量及其電感增量進(jìn)行線性回歸分析,如圖6所示,當(dāng)相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.99時(shí)，表明纖維含量與電感增量具有明顯的線性關(guān)系,通過(guò)電感試驗(yàn)可以很好地確定纖維含量.計(jì)算得到ω值為11.932,對(duì)于相同類型的鋼纖維,ω是1個(gè)常數(shù),它不受試件內(nèi)纖維分布的影響.

圖6 電感試驗(yàn)中纖維含量與電感增量的關(guān)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(shù)ηX,ηY,ηZ的試驗(yàn)結(jié)果及其變異系數(shù)(CV).通過(guò)對(duì)比可以看出,電感試驗(yàn)得到的纖維含量均值(Cf)與設(shè)計(jì)含量的差別最大僅6.4%,這說(shuō)明電感試驗(yàn)方法可以很好地檢測(cè)纖維含量;X、Y方向上的纖維方向數(shù)變異系數(shù)隨著纖維含量的增加而變小,這說(shuō)明纖維含量的增加使得SFRC梁內(nèi)的纖維分布更加均勻,對(duì)于SFRC梁力學(xué)性能的提升也更加明顯.纖維是隨機(jī)分布于混凝土基質(zhì)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(dá)到一定含量后才會(huì)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(yàn)結(jié)果

表3為各組SFRC試塊的纖維方向數(shù)相對(duì)比例CX,CY,CZ.由表3可見(jiàn),在SFRC試塊中,纖維方向數(shù)在X、Y、Z方向上的相對(duì)比例大致為1.2∶1.4∶1.0,與纖維含量的關(guān)系不大.這是因?yàn)槔w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(shí)通過(guò)振動(dòng)臺(tái)振搗,在振搗過(guò)程中纖維會(huì)朝特定方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)和排列.具體而言,外部振動(dòng)時(shí),纖維在重力作用下會(huì)向水平方向旋轉(zhuǎn),試件受振動(dòng)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(yīng)”的影響(見(jiàn)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(huì)朝Y方向傾斜,也因此“墻效應(yīng)”的影響范圍一般為纖維長(zhǎng)度的一半.

表3 各組SFRC試塊的纖維方向數(shù)相對(duì)比例

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

4 結(jié)論

(1)纖維含量不同時(shí),SFRC試件的荷載-開(kāi)口位移曲線形狀不同.當(dāng)荷載達(dá)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(wú)明顯的屈服下降段,直接進(jìn)入了應(yīng)變硬化階段.

(2)根據(jù)切口梁三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)結(jié)果得到了不同纖維含量SFRC試件的殘余抗彎拉強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)纖維含量為35、50kg/m3時(shí),纖維的增強(qiáng)效果會(huì)明顯增加,而其余纖維含量試件的殘余抗彎拉強(qiáng)度變化不大.

(3)通過(guò)電感試驗(yàn)測(cè)得SFRC試件的實(shí)際纖維含量與設(shè)計(jì)含量最大僅相差6.4%,表明電感試驗(yàn)可以很好地評(píng)估SFRC試件中的纖維含量.

(4)纖維方向數(shù)在X、Y、Z方向上的相對(duì)比例大致為1.2∶1.4∶1.0,與纖維含量關(guān)系不大;由于模具“墻效應(yīng)”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.