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超高性能混凝土（UHPC）中钢纤维与气泡空间分布的X射线CT研究

作者及机构
本研究由哈尔滨工业大学（Harbin Institute of Technology）土木工程学院的Rui Wang、Xiaojian Gao（通讯作者）、Junyi Zhang和Guangshuai Han合作完成，发表于2018年的《Construction and Building Materials》期刊（卷160，页码39-47）。研究得到了中国国家自然科学基金（No. 51578192）和黑龙江省自然科学基金（E201313）的资助。

学术背景
超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete, UHPC）因其卓越的力学性能、高耐久性和优异的工作性，在预制构件、轻型桥梁和混凝土修复等领域具有广泛应用前景。然而，与传统纤维增强混凝土类似，UHPC中的钢纤维和气泡分布可能因浇筑工艺和流变性能等因素呈现非均匀性，进而影响其力学性能的均匀性。此前研究多假设钢纤维和气泡在基体中随机均匀分布，但实际工程中这种非均匀性可能导致构件力学性能随位置变化，影响长期服役性能。
本研究旨在通过X射线CT技术，定量分析UHPC圆柱试件中钢纤维和气泡的空间分布规律，并探究其与流变性能、劈裂抗拉强度的关联性，为UHPC的工程应用提供理论依据。

研究流程与方法
1. 材料配比与试样制备
- 原材料：采用P·O 42.5水泥、比表面积为1.5×10⁴ m²/kg的硅灰（Silica Fume, SF）、粗/细石英砂（粒径分别为360–600 μm和180–360 μm）、聚羧酸系减水剂（Superplasticizer, SP）和铜涂层钢纤维（长13 mm，直径0.2 mm，抗拉强度2850 MPa）。
- 配比设计：固定水胶比（0.22）和胶砂比（水泥:硅灰:砂=1:0.3:1.1），设置4种SP掺量（1.0%、1.2%、1.4%、1.6%）以调节流变性能，钢纤维体积掺量为0%、1%、2%、3%。共制备直径100 mm、高200 mm的圆柱试件，每组配比重复3次。
- 养护制度：试件脱模后经90℃蒸汽养护72小时，再标准养护至测试龄期。

1. 流变性能测试
   采用旋转流变仪（CAD Instruments, France）测定无纤维砂浆的流变参数（屈服应力和塑性粘度），剪切速率从15 rpm升至150 rpm后下降，通过Bingham模型拟合数据。结果显示，SP掺量从1.0%增至1.6%时，屈服应力从952.1 Pa显著降至84.1 Pa，而塑性粘度稳定在12 Pa·s左右。

2. X射线CT扫描与图像分析

   • 设备与参数：使用GE公司的高分辨率CT系统（240 kV/320 W），扫描分辨率0.1 mm，获取2000张连续断层图像。
     
   • 图像处理：通过VG Studio Max 2.2软件进行图像增强、阈值分割和三维重建。钢纤维（高密度）和气泡（低密度）分别以白色和黑色区域标识，定量计算不同深度（每50 mm分层）的纤维含量和气泡体积分数。
     
   • 创新方法：提出基于灰度值的自动分割算法，结合形态学处理去除噪声，实现纤维和气泡的精准识别。

3. 劈裂抗拉强度测试
   将圆柱试件沿高度均分为4段（A: 0–50 mm, B: 50–100 mm, C: 100–150 mm, D: 150–200 mm），依据GB50081-2016标准测试各段强度，分析其与纤维/气泡分布的相关性。

主要结果
1. 纤维与气泡分布的非均匀性
- 低SP掺量（1.0%）时，纤维和气泡沿深度分布均匀（纤维含量RSD%）；高SP掺量（1.6%）时，纤维沉降和气泡上浮显著（顶部纤维含量仅0.52%，底部达4.52%；气泡RSD增至24.6%）。
- 钢纤维掺量增加可轻微改善分布均匀性，因其机械咬合作用抑制了沉降。

1. 力学性能与分布的关联

   • 均匀分布试件（1.0% SP）的劈裂抗拉强度沿深度无显著差异（均值12–14 MPa）；非均匀试件（1.6% SP）的顶部强度仅为底部的50%。
     
   • 强度与纤维含量的二次回归关系：( f_t = 8.6 + 4.1v_f - 0.47v_f^2 )（R²=0.86），而气泡含量对强度影响较弱（R²=0.42）。

2. 流变性能的关键作用
   屈服应力是控制分布均匀性的主因：低屈服应力（<200 Pa）导致纤维沉降速率加快，气泡上浮阻力降低。

结论与价值
1. 科学价值
- 首次通过X射线CT三维可视化揭示了UHPC中纤维和气泡的分布梯度，建立了流变参数-分布均匀性-力学性能的定量关系。
- 修正了“纤维随机分布”的传统假设，提出SP掺量需兼顾流动性与均匀性的平衡设计准则。

1. 应用价值
   
   • 为高层/大体积UHPC构件的配比优化提供依据，避免因非均匀性导致的局部性能劣化。
     
   • 开发的CT图像分析方法可推广至其他纤维增强材料的微观结构研究。

研究亮点
1. 方法创新：结合工业CT与图像处理技术，实现了毫米级分辨率下纤维和气泡的同步定量分析。
2. 发现新颖性：揭示了低屈服应力混合物中纤维-气泡协同迁移的耦合效应。
3. 工程指导性：明确了SP掺量的“阈值效应”（1.2%–1.4%），超出后均匀性急剧下降。

其他有价值内容
研究还发现，钢纤维掺量增加可减少气泡总体积（3%纤维试件气泡含量比空白组低30%），推测因纤维搅动破坏大气泡。这一现象为UHPC的含气量控制提供了新思路。