本文是一篇土木工程论文，本文以新型建筑材料的开发和广泛使用为背景，针对目前钢纤维混凝土超声应力检测研究中存在的问题，对钢纤维混凝土轴压构件的超声应力诊断方法进行研究。
第1章引言
1.1课题研究的背景与意义
改革开放以来，我国经济高速发展，建筑业已成为我国国民经济支柱产业之一。混凝土是一种应用广泛的建筑材料，具有制作简便、可塑性好、制作成本低、耐久性强等优点，但也存在诸多缺点：脆性大、抗拉强度较低、抗剪强度低和延性较低，受拉区易发生疲劳开裂，导致混凝土结构的承载力和使用寿命下降；徐变和热胀冷缩使得混凝土内部容易形成微裂缝，结构的抗压强度、韧性以及耐久性等随之降低，无法满足高烈度地震区和某些特殊建筑结构的要求[1-2]。因此，近年来混凝土向高强、高韧性方向发展，而通过添加钢纤维来提高混凝土的抗拉、抗弯、抗裂、抗冲击性能以及韧性和耐久性[3-8]已成为工程应用中的常见方法。
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钢纤维混凝土发展历史悠久，早在二十世纪初期，美国的Graham就把钢纤维加入到普通钢筋混凝土中，用来提高混凝土的稳定性和强度。到了20世纪40年代，美、英、法等国相继发表了大量关于在混凝土中加入钢纤维的专利，但在当时都没有运用在实际工程中[9]。1963年，G.B.Baston和J.P.Romualdi提出了钢纤维间距理论以及钢纤维可以抑制混凝土内部微裂缝开展的机理，推动了钢纤维混凝土的实用化[10-12]。20世纪70年代，美国开发出熔抽技术，使制造钢纤维的成本大大降低，为钢纤维混凝土在实际工程中的广泛使用提供了有利的条件。在此之后，钢纤维混凝土在世界各国的开发和研究发展迅速，尤其是英国、美国、日本进展最快。美国将大量的钢纤维混凝土预制构件，如楼板、墙板和阳台等应用于高层建筑中，并对大量的公路路面和桥面采用钢纤维混凝土进行铺设；钢纤维混凝土在欧洲也被广泛应用，不仅在路面铺装和隧道衬砌中应用，而且在工业化生产中的各种预制构件都大量采用了钢纤维混凝土；关于钢纤维混凝土的研究工作，日本高校和众多企业开展迅速，并陆续在实际工程中应用。
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1.2相关研究现状
1.2.1钢纤维参数
在分析钢纤维的类型、分布和尺寸对混凝土性能造成影响的研究中，前人采用的主要技术手段有：Wu等[28]采用对比试验的方法，比较端钩型钢纤维和直线型钢纤维对混凝土抗拉强度的增强效果，试验结果表明端钩型钢纤维的增强效果更明显；姬小祥等[29]也采用对比试验的方法对端钩型、铣削型和压痕型钢纤维混凝土的劈裂抗拉强度和拉压比进行研究，试验结果表明铣削型钢纤维混凝土的劈裂抗拉强度和拉压比均为最大；曹玉新[30]通过比较钢纤维混凝土的拌和性能，发现哑铃型和波浪型钢纤维混凝土的拌和性能较好，更适合工程应用；周乾等[5]通过抗压试验、抗弯试验和薄板抗冲击试验，发现掺长钢纤维的混凝土韧性高于掺短钢纤维的混凝土；慕儒等[31]通过钢纤维混凝土的劈裂抗拉试验和弯曲抗拉试验，发现当钢纤维体积掺量相同时,相同配合比条件下单向分布钢纤维混凝土的劈裂抗拉强度和弯曲抗拉强度明显高于普通的钢纤维混凝土。
在分析钢纤维混凝土最优掺量的研究中，前人主要通过极限承载力试验来判断，具体为：白敏等[32]对水胶比为0.45的不同掺量的钢纤维混凝土进行试验，通过比较抗折强度和劈裂强度的大小来确定钢纤维的最优掺量，发现抗折强度随钢纤维体积掺量增加而增大，劈裂强度在钢纤维体积掺量为1.5%时达到最大；陈从春等[33]通过超高性能混凝土（UHPC）的抗压试验、劈裂抗拉试验和抗折试验，发现钢纤维的加入使得混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度都有一定程度的提高，且劈裂抗拉强度在钢纤维体积掺量为1.0%~1.5%时增长最快，抗折强度在钢纤维体积掺量为1.0%~2.5%时提高最为明显；Iqbal等[34]通过试验对比劈裂抗拉强度、抗弯强度、抗压强度以及弹性模量这四个指标，来确定钢纤维掺量的最佳区间，试验结果表明当钢纤维体积掺量从0.50%增加到1.25%，抗压强度下降了7%，劈裂抗拉强度和抗弯强度分别增加了18%和70%，但弹性模量基本不变。
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第2章混凝土超声检测现有技术手段
2.1混凝土超声检测原理
超声波是由弹性介质中的机械振动引发的一种机械波，完全符合机械波的传播特性。超声波检测的基本原理是通过超声波发射换能器在构件内部激发一定频率的超声波，超声波以各种传播路径在构件内部传播，最后通过超声波接收换能器传入到超声波仪器中，在仪器中可以分析超声波在构件中传播时的波形、振幅、声时等参数，了解构件材料内部的性状，如内部的缺陷、材料的强度、孔隙和裂缝等。
混凝土是一种宏观各项同性材料，内部结构复杂，超声波在混凝土中传播时，会遇到不同的介质成分，一般包含水泥水化产物、粗细骨料、气孔等，在实际工程检测中还往往存在沉渣、夹泥、蜂窝和微裂缝等可能情况[82]。超声波在混凝土材料中通过不同的介质时，传播情况会发生明显改变，一般分为两种情况：一种是通过一定的折射角度进入相邻介质，从介质里通过；另一种是绕过介质，从接触面或接触面以外区域向前传播。以上这两种传播情况，均使得接收到的超声波波速、波幅及波形发生改变。波速检测是混凝土超声检测中最常用的检测方法，通过对比波速的变化来了解混凝土内部的性状变化。本文主要是利用超声波的纵波波速对荷载作用下的钢纤维混凝土应力状态进行研究。
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2.2常见换能器布置方式
2.2.1对测法
超声波检测技术的测试方法根据换能器的布置方式可分为对测法、平测法和角测法[84]，其中对测法换能器的布置方式如图2.2所示。
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从图2.2中可见，对测法的超声波传播路径相对明确，两个换能器的直线距离即被视为超声波的传播距离，也就是超声波测试的测距，发射换能器与接收换能器之间的脉冲能量传输程度好，可以较为精准地获取超声波波速值，因此对测法目前使用最广泛，精度最高。然而在实际工程中经常会遇到难以将换能器进行对测布置的情况，例如检测地下室底板、飞机跑道、挡土墙及沉井井壁等，此时就要采用平测法和角测法来完成检测工作。
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第3章声弹性系数与钢纤维体积掺量关系.............................17
3.1声弹性理论......................................17
3.2声弹性系数测量试验...............................18
第4章损伤与超声波波速关系..........................25
4.1理论基础.............................25
4.2损伤与超声波波速测量试验...........................25
第5章对钢纤维混凝土进行应力诊断的方法........................42
5.1弹性阶段......................................42
5.2损伤累积阶段............................46
第5章对钢纤维混凝土进行应力诊断的方法
5.1弹性阶段
根据声弹性理论可以利用式(3-3)对钢纤维混凝土受压构件弹性阶段的工作应力进行计算。由式(3-3)可知，求出工作应力必须在零应力波速、加载正应力下的波速和声弹性系数已知的条件下。
为得到钢纤维混凝土声弹性系数，利用第4章中7根受压钢纤维混凝土试件在发生损伤之前（弹性阶段）所测得的每一级应力对应的波速，根据式(3-3)对加载正应力—波速变化率试验数据做线性拟合，以求出声弹性系数，将拟合得到的直线斜率作为对应试件的声弹性系数值[57,63]，1轴方向（加载方向）和2轴方向（垂直于加载方向）的钢纤维混凝土波速变化率与应力关系见图5.1-5.7。
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第6章结论与展望
6.1结论
本文以新型建筑材料的开发和广泛使用为背景，针对目前钢纤维混凝土超声应力检测研究中存在的问题，对钢纤维混凝土轴压构件的超声应力诊断方法进行研究。具体工作如下：首先，对不同体积掺量的钢纤维混凝土试件的声弹性系数进行了测定，分析了声弹性系数与钢纤维体积掺量之间的关系；然后，对钢纤维混凝土损伤值与超声波波速之间的关系进行了研究，将损伤与波速关系进行分段；最后，提出了一个利用波速分阶段求出钢纤维混凝土轴压构件工作应力的方法，并通过试验验证了此方法的可行性。本研究的主要结论如下：
（1）钢纤维混凝土声弹性系数与钢纤维体积掺量具有良好的相关性，声弹性系数随着掺量的增加，先减后增，且对于本研究所用配合比的试件中，当钢纤维体积掺量取0.6%时声弹性系数最小，进一步提高钢纤维体积掺量后，声弹性系数变大，可推知其内部可压缩微裂缝反而增加，因此可以考虑将声弹性系数作为判断钢纤维最佳掺量的一个指标。
（2）超声波波速可以较好地反映钢纤维混凝土的损伤情况，通过加载过程中的波速变化情况或者卸载后零应力波速变化情况，可以较好地判断钢纤维混凝土受压过程中出现损伤的应力阈值，可以将损伤与波速关系分为三个阶段，分别为弹性阶段、损伤累积阶段以及破坏阶段。钢纤维的加入使得混凝土出现损伤的应力阈值变高，提高了混凝土的抗损伤能力，但也不是越多越好，在本文所用掺量中，0.6%钢纤维体积掺量的混凝土出现损伤的应力阈值最高，抗损伤能力最强，因此可以将损伤应力阈值作为判断钢纤维最佳掺量的一个指标。
（3）基于钢纤维混凝土受压构件划分的三个阶段，提出了一个利用超声波波速分阶段求出工作应力的方法。运用该方法计算工作应力的关键在于要先判断在役构件处于哪个阶段，仅利用加载方向上的波速对在役构件进行损伤阶段判断时可能会出现波速测量值对应的应力值不唯一的情况。因此本文结合加载方向和垂直于加载方向上的波速变化情况对损伤阶段进行判断。验证试验表明，该方法误差均小于13.1%，利用超声波波速对钢纤维混凝土进行应力诊断具有一定可行性。
参考文献（略）