编辑：无损检测证书挂靠 时间：2025-01-07 20:21:48
作者简介:
聂良鹏（1991—）,男,硕士,高级工程师,主要研究方向为公路工程试验检测和加固设计
活性粉末混凝土（RPC）是一种新型复合材料,主要由水泥、水、石英砂、矿物掺和料、减水剂以及钢纤维组成。RPC具有高强度、高韧性、高耐久性等优点,因此广泛应用于实际工程中[1]。国内有许多学者对RPC进行了系统的研究,安明喆等[2]研究发现随着RPC钢纤维含量增加,其劈裂抗拉、轴心抗拉强度呈线性增加；邓宗才等[3]通过试验证明,加入钢纤维的RPC材料抗压、抗折强度均得到提高,且抗折强度增强效果明显高于抗压强度的；寇佳亮等[4]研究发现,当钢纤维掺量为3%时,RPC预制板的抗冲击性能最强；鞠彦忠等[5]研究了不同钢纤维掺量对RPC抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的影响,结果表明RPC钢纤维含量超过3.5%时,仅对其抗折强度提高较为明显；方志等[6]通过试验证明随着RPC钢纤维含量的提高,其疲劳寿命与疲劳强度均有所提高；李坤坤等[7]研究了RPC中钢纤维分布对其性能的影响,发现单向分布钢纤维对RPC弯曲性能有所提升。从配合比设计、RPC改性等角度看,对加入钢纤维提高RPC性能的相关研究已经趋于成熟,大量的试验能够证明,钢纤维的含量能够显著影响活性粉末混凝土的性能。
目前,RPC广泛运用于浇注各种小型预制构件,如井盖、铁路沟槽盖板、公路隧道电缆槽盖板等。这种小型板类构件主要的质量要求是能够抗弯以及抗冲击。伊京等[8]研究了添加玄武岩纤维的RPC盖板的抗折强度,发现玄武岩短切纤维可以提高RPC盖板的抗折强度,但效果不如钢纤维的；聂良鹏等[9]对比研究了RPC盖板与钢筋混凝土盖板的抗弯承载能力,结果表明RPC130盖板开裂应变平均值明显大于钢筋混凝土盖板的,且质量不到钢筋混凝土盖板的三分之一。对于目前工程中使用的RPC盖板,钢纤维含量直接影响到盖板的强度,同时使用钢纤维含量预测RPC盖板的强度具有较高的可行性。因此,研究如何无损地推算RPC中的钢纤维含量具有重要意义,而目前却没有较好的检测方法及仪器设备。鉴于此,设计了不同钢纤维含量的RPC盖板,采用基于涡流原理的钢筋检测仪,通过分析检测信号,建立信号值与RPC中钢纤维含量的联系,从而推算出盖板中钢纤维含量,进而预测其强度。
检测仪器采用康科瑞KON-RBL（D）型钢筋检测仪,其检测原理为仪器通过大电流激励发射线圈产生脉冲磁场,当该磁场下方有钢纤维存在时,其会产生涡流进而产生感生磁场,接收线圈将该感生磁场转换成电信号,通过分析电信号大小,建立电信号值与钢纤维密集程度的关系,即可推测盖板钢纤维的含量。
在实验室内浇筑了5块不同钢纤维含量的RPC盖板,其尺寸为730 mm×490 mm×28 mm（长×宽×高）,编号为1#~5#。5块RPC盖板的配合比如表1所示。
| 编号 | 水泥/kg | 粉煤灰/kg | 硅灰/kg | 水/kg | 减水剂/kg | 石英砂/kg | 石英粉/kg | 钢纤维/% | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 10~20目 | 16~26目 | 40~70目 | ||||||||
| 1# | 10.5 | 1.17 | 2.34 | 3.23 | 0.127 | 3.98 | 5 | 5 | 5 | 0 |
| 2# | 10.4 | 1.16 | 2.31 | 2.55 | 0.100 | 3.71 | 5 | 5 | 5 | 0.5 |
| 3# | 10.2 | 1.14 | 2.28 | 2.52 | 0.100 | 3.45 | 5 | 5 | 5 | 1.0 |
| 4# | 10.1 | 1.12 | 2.25 | 2.48 | 0.097 | 3.18 | 5 | 5 | 5 | 1.5 |
| 5# | 9.9 | 5.70 | 2.21 | 2.44 | 0.095 | 2.92 | 5 | 5 | 5 | 2.0 |
在盖板正面与背面布置相同的测点。盖板表面信号测点布置分为3种,即4点法、9点法与16点法。由于16点法测点布置均匀且测点较多,其测试RPC盖板钢纤维含量信号值较为准确,但该法工作量较大,测试较为复杂。鉴于此,设置了4点法与9点法测试RPC盖板钢纤维含量信号值,并将试验结果与16点法进行误差率对比,具体测点布置如图1所示。
（1）16点法：1个测试方案,有16个测点。
（2）9点法：分为4个测试方案,每个测试方案有9个测点,具体测试方案如下。
方案1：测点1,2,3,5,6,7,9,10,11。
方案2：测点2,3,4,6,7,8,10,11,12。
方案3：测点5,6,7,9,10,11,13,14,15。
方案4：测点6,7,8,10,11,12,14,15,16。
（3）4点法：分为9个测试方案,每个测试方案有4个测点,具体测试方案如下。
方案1：测点1,2,5,6。
方案2：测点2,3,6,7。
方案3：测点3,4,7,8。
方案4：测点5,6,9,10。
方案5：测点6,7,10,11。
方案6：测点7,8,11,12。
方案7：测点9,10,13,14。
方案8：测点10,11,14,15。
方案9：测点11,12,15,16。
对于同一测点来说,钢筋检测仪探头朝向不同的方向时,所测得的信号值也有所不同。盖板的正面和背面均布置测点,根据测试方向的不同可分为4种方案,方案1有8个测试方向（全角度法）,分别为0°,45°,90°,135°,180°,225°,270°,135°,具体如图1所示。方案1测试方向分布较为全面,可以准确反映RPC盖板一个测点的钢纤维信号值,但工作量较大。若每块盖板都使用8个方向进行测试会大大降低工作效率,因此增置了3个测试方案,计算使用不同方案时RPC盖板钢纤维含量信号值与全点法的误差率,分析不同方案的可行性。方案2~4具体如下：方案2（单角度法）,仅测试0°方向；方案3（双角度法）,测试0°与90°；方案4（四角度法）,测试0°,45°,90°,135°。
对盖板取样,然后对取样部分称重,再对其敲碎,研磨。采用磁铁分离出钢纤维,称取钢纤维质量,最终计算得到钢纤维含量。
RPC盖板钢纤维含量16点法检测的信号平均值（无量纲,下同）如表2所示。由表2可以看出,RPC盖板背面信号值远大于正面信号值,这是实验室浇筑振捣RPC盖板时钢纤维向非浇筑面沉降引起的。
| 角度 | 16测点信号平均值 | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 4# 盖板 | 5# 盖板 | ||||
| 前 | 后 | 前 | 后 | ||
| 0° | 69.3 | 547.9 | 86.1 | 670.1 | |
| 45° | 68.9 | 569.3 | 92.9 | 680.8 | |
| 90° | 70.8 | 576.5 | 99.3 | 693.1 | |
| 135° | 68.8 | 565.1 | 97.7 | 690.4 | |
| 180° | 69.6 | 556.8 | 87.9 | 670.8 | |
| 225° | 75.3 | 576.0 | 96.1 | 683.9 | |
| 270° | 78.4 | 583.2 | 103.4 | 693.9 | |
| 315° | 76.3 | 572.3 | 100.7 | 686.5 | |
4点法,9点法信号平均值与16点法信号平均值的误差率计算方法为
对4#,5#背板进行检测,9点法中4个方案误差率分布散点图如图2所示。由图2可以看出,使用9点法时,RPC盖板正面信号值误差率为－12%~12%,背面信号值误差率为－3%~3%。即,RPC盖板正面信号值误差率远高出背面信号值误差率,这是因为：盖板制作过程中存在振捣不均匀或搅拌不均匀或者振捣导致钢纤维向一面沉降,进而使得盖板一面钢纤维含量较高,另一面钢纤维含量较低。在实际工程中使用的RPC盖板是厂家按严格制备程序制作而成,因此不会有上述现象。
4点法中9个方案误差率分布散点图如图3所示。由图3可以看出,使用4点法时,RPC盖板正面信号值误差率为－22%~35%,背面信号值误差率为－6%~4%。即,正面信号值误差率远大于背面信号值误差率,这一规律与9点法的相似,但4点法正面误差率比9点法正面误差率更大,就背面误差率而言,4点法和9点法相差不大。综上所述,使用涡流原理检测RPC盖板钢纤维含量时,使用4点法与9点法对盖板背面进行测试误差率较小；在工作时间充足的情况下,推荐使用16点法测试。
4种方法的测试结果平均值及单角度法,双角度法,四角度法与全角度法的误差率计算结果如表3所示。
| 编号 | 测试位置 | 平均值 | 误差率/% | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 全角度 | 单角度 | 双角度 | 四角度 | 单角度 | 双角度 | 四角度 | |||
| 4# | 前 | 72.2 | 69.3 | 70 | 69.5 | －4 | －3 | －3.7 | |
| 后 | 568.4 | 562.2 | 563.1 | 568.4 | －1 | －0.9 | 0 | ||
| 5# | 前 | 95.5 | 86.1 | 92.7 | 92.8 | －10 | －2.9 | －2.8 | |
| 后 | 683.7 | 670.1 | 681.6 | 681.0 | －2 | －0.3 | －0.4 | ||
由表3可以看出,单角度法与全角度法误差率为－10%~－1%；双角度法与全角度法误差率为－3%~－0.3%；四角度法与全角度法误差率为－3.7%~0。RPC盖板在振捣时钢纤维向试模底面沉降造成背面信号值较大；盖板正面钢纤维分布相对较少,导致正面信号值较低。自制RPC盖板正面钢纤维分布本身较少,也存在分布不均匀的情况,导致单角度法误差率较大。双角度法与四角度法背面信号值误差率不大于1%。从工作效率考虑,推荐使用双角度法测试RPC盖板信号值以预测其钢纤维含量。
结合上述试验结果,确定RPC盖板钢纤维含量信号检测方法为双角度16点法。即每块盖板分别测试正面和背面信号值,每一面设置16个测点,每个测点测试2个方向（分别为0°与90°）。浇筑的5块RPC盖板钢纤维含量信号值测试结果如表4所示。
| 编号 | 信号值 | 前后平均值 | 钢纤维质量/kg | |
|---|---|---|---|---|
| 前 | 后 | |||
| 1# | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 2# | 39.4 | 212.3 | 125.9 | 0.014 5 |
| 3# | 57.0 | 401.7 | 229.3 | 0.029 4 |
| 4# | 70.0 | 562.2 | 316.1 | 0.044 7 |
| 5# | 92.7 | 681.6 | 387.2 | 0.060 5 |
根据表4试验结果绘制钢纤维信号值与钢纤维质量的散点图,并拟合两者相关性,其结果如图4所示。由图4可以看出,试验浇筑的5块RPC盖板不论是正面信号值还是背面信号值,还是正面与背面信号值平均值均与钢纤维含量有较好的相关性,相关系数不小于0.95。但图4中RPC盖板信号值与钢纤维含量关系式不具有普适性,仅说明在实际检测工程中采用信号值预测RPC盖板钢纤维含量有较高的可行性。鉴于此,收集27片现场施工采用的RPC盖板,使用双角度16点法测试其正面与背面信号值；实测盖板钢纤维含量；实测其开裂荷载和极限荷载。开裂荷载和极限荷载根据标准Q/CR2.1—2014 《铁路电缆槽盖板和人行道步板 第1部分：活性粉末混凝土型》 的方法进行测试,换算得到名义开裂强度与名义破坏强度,换算公式为
式中：
27块RPC盖板信号值与钢纤维含量试验结果如表5所示。
| 盖板编号 | 钢纤维含量/% | 信号值 | 开裂强度/MPa | 破坏强度/MPa | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 前 | 后 | 平均 | ||||
| 1 | 3.95 | 251.4 | 223.7 | 237.5 | 9.76 | 14.21 |
| 2 | 4.22 | 269.7 | 249.3 | 259.3 | 8.03 | 15.20 |
| 3 | 4.07 | 237.9 | 222.1 | 230.1 | 8.39 | 13.93 |
| 4 | 3.67 | 174.4 | 214.8 | 194.6 | 8.00 | 12.00 |
| 5 | 3.41 | 169.0 | 206.5 | 187.5 | 9.33 | 12.72 |
| 6 | 3.59 | 181.9 | 214.6 | 198.2 | 8.50 | 13.53 |
| 7 | 3.68 | 192.8 | 226.8 | 209.8 | 10.9 | 14.69 |
| 8 | 4.07 | 220.0 | 227.3 | 223.6 | 10.51 | 14.64 |
| 9 | 3.93 | 186.7 | 211.2 | 198.9 | 10.00 | 13.61 |
| 10 | 3.26 | 186.7 | 179.6 | 183.1 | 6.66 | 11.93 |
| 11 | 3.48 | 185.1 | 179.1 | 182.0 | 7.69 | 11.48 |
| 12 | 3.49 | 198.5 | 184.5 | 191.5 | 7.43 | 12.43 |
| 13 | 4.01 | 213.2 | 221.7 | 217.1 | 9.76 | 12.58 |
| 14 | 3.91 | 196.4 | 211.2 | 203.8 | 10.81 | 13.07 |
| 15 | 4.04 | 224.8 | 255.9 | 240.3 | 10.47 | 14.39 |
| 16 | 2.79 | 154.1 | 161.4 | 157.7 | 9.10 | 9.10 |
| 17 | 2.86 | 154.9 | 173.3 | 164.1 | 9.42 | 9.42 |
| 18 | 2.83 | 154.8 | 156.9 | 155.8 | 8.88 | 8.88 |
| 19 | 2.82 | 153.1 | 169.3 | 161.2 | 10.03 | 10.03 |
| 20 | 3.22 | 147.4 | 189.8 | 168.6 | 8.55 | 8.55 |
| 21 | 3.18 | 160.5 | 168.6 | 164.5 | 9.21 | 9.21 |
| 22 | 2.87 | 162.3 | 190.2 | 176.2 | 7.47 | 9.17 |
| 23 | 2.85 | 153.8 | 179.9 | 166.8 | 7.88 | 9.33 |
| 24 | 2.91 | 142.6 | 148.0 | 145.3 | 6.65 | 7.66 |
| 25 | 2.98 | 150.8 | 165.0 | 157.9 | 6.20 | 8.41 |
| 26 | 2.80 | 161.4 | 158.5 | 159.9 | 5.61 | 8.26 |
| 27 | 2.96 | 160.1 | 174.1 | 167.1 | 6.57 | 9.12 |
由表5可以看出,27块RPC盖板正面信号值与背面信号值相近,不存在自制RPC盖板正面与背面信号值相差较大的问题。笔者线性拟合了27块RPC盖板正面信号值、背面信号值以及正面背面信号值平均值与钢纤维含量,其拟合结果如图5所示。可以看出RPC盖板正面信号值与钢纤维含量相关系数为0.78,背面信号值与钢纤维含量相关系数为0.82,正面背面信号值平均值与钢纤维含量相关系数为0.87。相比之下,RPC盖板正面背面信号值平均值与钢纤维含量相关性最高,预测最准确。因此推荐使用以下公式检测RPC盖板钢纤维含量,即
式中：
27块RPC盖板钢纤维含量与其开裂强度、破坏强度的拟合结果如图6所示,由图6可以看出RPC盖板钢纤维含量与其破坏强度有较好的线性相关性,相关系数高达0.84,但RPC盖板钢纤维含量与开裂强度线性相关性较低,相关系数仅为0.24。RPC盖板信号值与开裂强度、破坏强度的拟合结果如图7所示,可以看出,RPC盖板信号值可以很好地表征其破坏强度,相关系数高达0.85,但信号值同样无法预测RPC盖板开裂强度。综上所述,RPC盖板钢纤维含量决定了其破坏强度,实际工程检测中可以使用KON-RBL（D）型钢筋检测仪（双角度16点法）检测RPC盖板正面与背面信号值,从而推定其钢纤维含量与破坏强度。RPC盖板钢纤维含量与破坏强度
信号值与破坏强度的关系式可写为
（1）使用康科瑞KON-RBL（D）型钢筋检测仪检测RPC盖板钢纤维含量具有较高的可行性。9点法与16点法误差率为－3%~3%；4点法与16点法误差率为－6%~4%。
（2）单角度法与全角度法误差率为－10%~－1%；双角度法与全角度法误差率为－3%~－0.3%；四角度法与全角度法误差率为－3.7%~0。
（3）推荐使用双角度16点法检测实际工程中RPC盖板正反两面来预测其钢纤维含量。RPC盖板信号值与钢纤维含量具有较好的线性关系,相关系数为0.82,根据信号值预测钢纤维含量的公式为
（4）RPC盖板钢纤维含量与破坏强度之间具有较好的线性关系,相关系数为0.84,根据钢纤维含量预测破坏强度的公式为RPC盖板信号值与破坏强度之间具有较好的线性相关性,相关系数为0.85,根据信号值预测破坏强度的公式为
