无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置及方法

技术领域

本发明属于土木工程材料检测领域，尤其涉及到一种无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置及方法。

背景技术

当代建筑中，钢纤维混凝土在结构中的运用日益增多。钢纤维混凝土是指在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料。这些乱向分布的钢纤维能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，显著地改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能。而且钢纤维混凝土在抗弯、抗裂、抗冲击等性能方面与普通混凝土相比都更加优良。随着钢纤维混凝土在隧道、道路、桥梁等领域应用的增加，通过测试来为其使用提供更多地信息变得尤为重要。对于钢纤维混凝土而言，其钢纤维含量及分布方向对结构力学性能的影响巨大，因此在钢纤维混凝土的测试中，除了传统的力学实验外，还需要获得其钢纤维的含量与分布，以为钢纤维混凝土质量控制和结构设计提供依据。

目前检测钢纤维混凝土中钢纤维含量的方法主要是使用压力试验机将所测钢纤维混凝土试件粉碎，分离出钢纤维后，对其清洗、干燥后称重，然后根据纤维和混凝土的相对质量计算得到钢纤维混凝土中的纤维含量（专利号：CN201310377024.4）。使用这种方法检测，十分直观，却存在着很多不足，比如造价高，使用后的废水污染环境，并且消耗大量的时间。另外这种方法也无法检测出纤维在混凝土中的分布，无法为结构设计提供充足的数据。

首先，直接破碎的方法可以求得钢纤维的含量却无法得到钢纤维的分布方向。钢纤维混凝土构件的力学性能不仅与钢纤维的含量有关，与钢纤维的分布方向也有莫大关联。比如用钢纤维混凝土制作梁构件，钢纤维大量沿着梁跨度方向分布的梁会比大量沿着垂直于跨度方向分布的梁力学性能好很多。故该方法虽然能测得钢纤维含量，但不能准确地对钢纤维混凝土构件进行质量控制。

其次，直接破碎的方法是一种耗时耗力且不经济的破坏性检测方法。要把钢纤维混凝土块中的钢纤维分离出来就需要一些大型的机械设备，比如需要用到液压机对钢纤维混凝土块进行破碎，用研磨机对破碎后的混凝土进行研磨以分离出钢纤维。进行这一系列流程不仅工艺复杂而且十分耗费时间，同时大型的机械设备费用昂贵，这些也都导致了该方法不适合推广和现场检测。

因此，提出一种无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量与分布的装置及方法，对于结构设计和质量控制具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种无损检测混凝土中钢纤维含量和分布的装置及方法，并提供至少后面将说明的优点。

本发明的另一个目的是提供一种无损检测混凝土中钢纤维含量和分布的装置及方法，无需破坏钢纤维混凝土块即可完成测试，不但可以测得钢纤维混凝土中钢纤维的含量，还可以测得钢纤维在其中的分布。

本发明的技术方案如下：

无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置，其包括：

绝缘底座；

中空绝缘壳体，其位于所述绝缘底座上方且内部放置待检测混凝土试块，所述中空绝缘壳体的外侧面设置有两个接线柱；

导线，其平行缠绕在所述中空绝缘壳体的外侧面且两端分别连接至所述接线柱；

电感测试仪，其具有两个接线夹与所述接线柱连接，以与所述导线形成一检测电路。

优选的是，所述的无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置中，所述电感测试仪为数字电桥测试仪，为所述导线提供频率为1kHz的电流和1V电压。

优选的是，所述的无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置中，所述绝缘底座包括：

底板；

支撑块，其设置在所述底板的上表面，且所述中空绝缘壳体套设在所述支撑块外周；

容置槽，其设置在所述支撑块的上表面以放置所述待检测混凝土试块。

优选的是，所述的无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置中，

所述中空绝缘壳体为上下开口、内部贯通的空心圆柱体结构；

两个所述接线柱为两个螺栓；

所述导线为两组缠绕在所述中空绝缘壳体外侧面。

优选的是，所述的无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置中，

所述中空绝缘壳体的高度为200mm，内径为235mm，壁厚为5mm；

所述螺栓的直径为4mm；

所述导线为铜线，直径为0.3mm，每组所述导线的缠绕圈数为1200圈，两组所述导线之间的距离为130mm。

优选的是，所述的无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置中，

所述中空绝缘壳体为长方体空心柱，横截面为正方形；

所述导线为三组分别缠绕在所述中空绝缘壳体的上部、中部和下部。

优选的是，所述的无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置中，

所述中空绝缘壳体的高度为150mm，厚度为5mm，内孔边长为17mm；

所述导线为铜线，直径为0.2mm，总长度为1600m，三组导线之间的间距为65mm，每组所述导线的缠绕宽度为20mm。

无损检测混凝土中钢纤维含量和分布的方法，其包括以下步骤：

将无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置安装完成并接通检测电路，得到初始电感系数值L；

放入一已知钢纤维含量的混凝土试块，得到试验电感系数值，根据所述初始电感系数值、所述试验电感系数值和已知钢纤维含量计算得到钢纤维含量与电感系数变化值的比例关系；

放入待检测混凝土试块，得到当前电感系数值，根据当前电感系数值和钢纤维含量与电感系数变化值的比例关系计算得到待检测混凝土试块中的钢纤维含量和方向系数。

优选的是，所述的无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的方法中，

选取一与待检测混凝土试块具有相同钢纤维的立方体混凝土试块，分别将其三个相互垂直的面定义为X面、Y面、Z面，分别将X面、Y面、Z面朝上检测得到L

将该试块破碎分离出钢纤维后得到钢纤维质量M，除以试块体积V后得到该试块的钢纤维含量C

计算该钢纤维的钢纤维含量与电感系数变化值的比例关系ω，ω=C

分别将待检测混凝土试块的X面、Y面、Z面朝上检测得到L

计算得到待检测混凝土试块的钢纤维含量C

计算得到钢纤维在X轴、Y轴、Z轴的方向系数及钢纤维对各个轴的贡献程度；

式中，η

式中，C

优选的是，所述的无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的方法中，

所述混凝土试块的形状为圆柱体或立方体，钢纤维含量的计算方法如下：

式中，C

本发明的原理为：根据法拉第电磁感应定律，线圈的电感系数取决于线圈的形状和内部材料的磁导率有关。本试验先测得线圈在真空条件下的电感系数，在放入钢纤维混凝土试件后，水泥、骨料等成分由于不具备铁磁性，因此可以看作真空，不对线圈的电感系数产生影响；而其中钢纤维具有铁磁性，会对线圈的电感系数产生影响，使其值发生变化，这样就可以通过电感系数的变化来得到钢纤维混凝土中钢纤维的含量与分布。

本发明的优点在于：测试装置体积小，质量轻，偏于携带，使用简单，操作快，可以用于原位测试。所使用的线圈可以由测试人员手工制作，造价低，可重复使用。本装置所测量的试件，不限形状，不限混凝土龄期，对于刚浇筑的混凝土或已凝结固化的混凝土均可使用。

本发明提供的无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置，不但可以侧得钢纤维混凝土中钢纤维的含量，还可以测得钢纤维在其中的分布。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明提供的无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明提供的无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置的一个实施例中的绝缘底座的结构示意图；

图3为本发明提供的无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置的一个实施例中的中空绝缘壳体的结构示意图；

图4为本发明提供的无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置的另一个实施例中的中空绝缘壳体的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1所示，本发明提供一种无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置，其包括：

绝缘底座2；

中空绝缘壳体1，其位于所述绝缘底座2上方且内部放置待检测混凝土试块，所述中空绝缘壳体的外侧面设置有两个接线柱；

导线，其平行缠绕在所述中空绝缘壳体1的外侧面且两端分别连接至所述接线柱；

电感测试仪3，其具有两个接线夹与所述接线柱连接，以与所述导线形成一检测电路。

在本发明提供的所述的无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置的一个实施例中，所述电感测试仪3为数字电桥测试仪，为所述导线提供频率为1kHz的电流和1V电压。

如图2所示，在本发明提供的所述的无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置的一个实施例中，所述绝缘底座2包括：

底板；

支撑块，其设置在所述底板的上表面，且所述中空绝缘壳体套设在所述支撑块外周；

容置槽，其设置在所述支撑块的上表面以放置所述待检测混凝土试块。

如图3所示，在本发明提供的所述的无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置的一个实施例中，

所述中空绝缘壳体为上下开口、内部贯通的空心圆柱体结构；

两个所述接线柱为两个螺栓；

所述导线为两组缠绕在所述中空绝缘壳体外侧面。

在本发明提供的所述的无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置的一个实施例中，

所述中空绝缘壳体的高度为200mm，内径为235mm，壁厚为5mm；

所述螺栓的直径为4mm；

所述导线为铜线，直径为0.3mm，每组所述导线的缠绕圈数为1200圈，两组所述导线之间的距离为130mm。

如图4所示，在本发明提供的所述的无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置的一个实施例中，

所述中空绝缘壳体为长方体空心柱，横截面为正方形；

所述导线为三组分别缠绕在所述中空绝缘壳体的上部、中部和下部。

在本发明提供的所述的无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置的一个实施例中，

所述中空绝缘壳体的高度为150mm，厚度为5mm，内孔边长为17mm；

所述导线为铜线，直径为0.2mm，总长度为1600m，三组导线之间的间距为65mm，每组所述导线的缠绕宽度为20mm。

本发明的原理如下：

利用通电空心线圈的电感变化和线圈内所含纤维含量及分布方向的关系，间接地对钢纤维的含量及分布方向进行测试；对于一个绕线材料、匝数、截面形状及通电状态均固定不变的空心线圈，其电感仅与线圈产生的磁场所包含的材料有关，材料磁导率越大，则线圈电感越大，并且电感与材料磁导率呈正比例函数关系；同时，钢纤维混凝土中只有钢纤维属于铁磁材料，因此当把钢纤维混凝土放入通电空心线圈中后，线圈电感的增加可只认为是钢纤维造成的，钢纤维含量越多，电感增量也就越多；此外，若钢纤维的排列方向平行于磁场线，则电感增量最大，若纤维排列方向垂直于磁场线，则电感增量最小，约为平行排列时的九分之一，因此，电感增量亦反应了纤维分布的方向；同时通过三组线圈分别缠绕于长方体空心柱上部、中部、下部，线圈内可产生均匀磁场，消除因钢纤维位置不同造成的电感变化不同，可使电感变化仅与钢纤维含量及分布方向有关；对于不论处于何种龄期的钢纤维混凝土立方体试块，分别测得垂直于三个互相垂直的表面的三个轴X、Y、Z方向的电感增量，理论与试验均表明，三个增量之和与钢纤维含量呈正比例函数关系。

本发明提供的无损检测混凝土中钢纤维含量和分布装置方法，其包括以下步骤：

将无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置安装完成并接通检测电路，得到初始电感系数值L；

放入一已知钢纤维含量的混凝土试块，得到试验电感系数值，根据所述初始电感系数值、所述试验电感系数值和已知钢纤维含量计算得到钢纤维含量与电感系数变化值的比例关系；

放入待检测混凝土试块，得到当前电感系数值，根据当前电感系数值和钢纤维含量与电感系数变化值的比例关系计算得到待检测混凝土试块中的钢纤维含量和方向系数。

实施例1

中空绝缘壳体为长方体空心柱时，本发明提供的无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置包括数字电桥测试仪、长方体空心柱，长方体空心柱上设有双排两联铜接线柱，并缠绕有线圈，线圈与双排两联铜接线柱连接；数字电桥测试仪通过导线连接双排两联铜接线柱，数字电桥测试仪用于测试线圈电感，并产生频率为1kHz的电流和1V电压，为线圈供电。

所述线圈为铜线，平行缠绕于长方体空心柱外侧，线圈分成三组，分别缠绕于长方体空心柱的上部、中部、底部。

铜线为绝缘紫铜丝，铜丝的直径为0.2mm，全部铜线总长1600m，均匀分三组，三个绕组绕向一致，三组线圈的间距为6.5cm，缠绕在长方体空心柱上后每组线圈宽2cm，三个绕组并联连接，三个绕组起始端都接于双排两联铜接线柱的同一接头上，三个绕组末端接于另一个接头上，以保证绕组内电流方向一致。

长方体空心柱为亚克力有机玻璃材料，高为15cm，厚为5mm；长方体空心柱的横截面为正方形，正方形内边长17cm。

（1）试件要求：

适用于对边长15cm的钢纤维混凝土立方体块进行检测。该立方体块可直接由模具制得，也可为从其它大块试件上取芯取得。可以是硬化后的混凝土，也可以是未硬化的混凝土。对未硬化的混凝土进行检测时需用立方体容器将混凝土盛装起来。

（2）测量公式(1)中的ω：

ω=C

式中：C

将混凝土立方体三个互相垂直的面分别设为X面、Y面、Z面，垂直各自面的轴分别为X轴、Y轴、Z轴，将数字电桥测试仪联通电源，同时用导线将数字电桥连接到长方体的接线柱上，将数字电桥测试仪按说明书调至测电感状态，将仪器放置在周围无铁磁材料的地方开始测量。

首先测得线圈内无任何物体时线圈电感L，分别将X面、Y面、Z面朝上放入线圈内，测试各自电感，每个面测试三次，取平均值得到L

（3）检测过程：

a.准备试件

试件可分为混凝土拌合物和硬化后的混凝土块。对于混凝土拌合物，需用正方体容器盛装，然后检测，对于硬化后的混凝土块，可由以下三种方式取得：

第一种方式：试块直接由边长150mm立方体模具浇筑，在温度20±2℃、相对湿度95%以上的标准养护条件下养护，可在混凝土凝结硬化后任何龄期进行检测。

第二种方式：可先用模具浇筑长方体试块，试块在温度20±2℃、相对湿度95%以上的标准养护条件下养护28天，再用切割机切割取得边长150mm试块。需要注意的是，切割时，需先切除掉长方体试块长边两端头处大于钢纤维长度的范围内的混凝土，以避免模具边缘效应的影响。

第三种方式：可在其它已经硬化的预制构件上取芯切割得到边长150mm的试块。

b.准备仪器

将缠有线圈的长方体空心柱放置于周围无铁磁材料的地方，将数字电桥测试仪接通电源，并按数字电桥测试仪说明书中方式调至测量电感模式，将触发选为手动模式，然后清零，并将数字电桥测试仪导线连接在长方体空心住上的双排两联铜接线柱上以连接上线圈。

c.检测

将混凝土立方体三个互相垂直的面分别设为X面、Y面、Z面，垂直各自面的轴分别为X轴、Y轴、Z轴。测量每个量时需测量三次，可通过手动触发数字电桥测试仪三次达到测量三次的效果。

在长方体空心柱中不放入任何物体时测量初始电感，手动触发三次，分别记录各次电感L

（4）数据处理，得出结果：

对L

同时可利用测得的数据及公式(2)、公式(3)得到钢纤维在X轴、Y轴、Z轴的方向系数及钢纤维对各个轴的贡献程度。

式中，η

式中：C

不仅能测得钢纤维混凝土中钢纤维含量，同时也可以对钢纤维分部方向进行评判，从而能更好地判断钢纤维的力学性能；此外，该测试方法简单，只需在实验室通过少量试块测定得到一类钢纤维的ω值便可在施工现场对该类钢纤维混凝土进行测试，且测试时间短，并且该套设备小巧轻便，价格便宜，适合于施工现场推广。

实施例2

本发明提供一种无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量与分布的装置，包括线圈、底座和数字电桥测试仪，所述线圈由铜线缠绕在壳体上组成，线圈放置在底座上，通过接线与电桥测试仪连接。

所述壳体为一个上下开口、内部贯通的空心圆柱体，它的尺寸为高20cm，内直径23.5cm，厚5mm，其材料为亚克力有机玻璃，在其外壁中部有一个接线柱，所述接线柱为直径4mm的双排两联通接线柱。

所述铜线的直径为0.3mm。

所述铜线分为两盘按同一方向缠绕在壳体外表面，每盘铜线非均匀地缠绕1200圈，两盘铜线起始端连接在同一接线柱上，末端连接在另一接线柱上，两盘铜线间距为13cm。

所述底座为两个尺寸不同的圆柱体上下叠合而成，上层圆柱体直径为塑料壳体内径，其内有一个16cm*16cm的方形凹槽；底座材料为亚克力有机玻璃。

所述接线的一端接头有两个用于连接线圈上接线柱的电夹。

所述数字电桥测试仪可产生频率为1kHz的电流和1V电压，为线圈供电，并且可以测得线圈电感系数。

实施过程为：将所述线圈放置在底座上，在由数字电桥测试仪将其通电后，线圈（1）内产生均匀感应磁场，记录此时数字电桥仪的电感系数示数；接着放入一个已知纤维含量的钢纤维混凝土试块，使用数字电桥测试仪测得其各个方向的电感系数变化值，计算得到纤维含量与电感系数变化之和的比例关系β；放入未知含量钢纤维混凝土试块后，使用同样方法测得电感系数变化值，通过公式可测得钢纤维混凝土试块内钢纤维的含量与分布。

所述混凝土试块的形状为圆柱体或立方体，钢纤维含量和分布的计算方法如下：

式中，C

本发明提供一种无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的装置，具有体积小，质量轻，偏于携带，使用简单，操作快，功能齐全的优点。

本发明提供一种无损检测钢纤维混凝土中钢纤维含量和分布的方法，可以用于原位测试。所使用的线圈可以由测试人员手工制作，造价低，可重复使用。本装置所测量的试件，不限混凝土龄期，对于刚浇筑的混凝土或已凝结固化的混凝土均可使用。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。