原材料中钢纤维分布无损检测的研究

茹祎杰

（华北水利水电大学土木与交通学院 河南 郑州 450000）

0 引言

钢纤维是一种应用范围最大、适用范围最广、发展最迅速的工程结构材料。周文龙等[1]探讨了钢纤维在道路桥梁施工中的应用。郭艳华等[2]、郝娟等[3]、张云国等[4]、慕儒等[5]基于对原材料中钢纤维的三维扰动和钢纤维对原材料的破坏作用的分析，得出了钢纤维在原材料掺合物的力学性能与纤维分布之间的关系。因此，在实际工程中，如何迅速、快捷地掌握纤维数量和纤维分布，对于正确判断原材料中钢纤维的力学特性有着十分关键的作用。随着工程技术的发展，运用无损检测方法判断钢纤维在空间中的分布变得极其重要。

近些年来，国内外相关学者Ozyurt等[6]、牛恒茂等[7]、李长风等[8]根据钢纤维自身的导电性等特质，提出了较为有效的无损检测方法：交流电阻抗光谱学、四电极电阻率测量、开放式同轴探针测量、电磁感应法、C型铁磁探针法，这些方法对于预测原材料中的钢纤维分布各有优势，但由于试验夹具的限制，也各自存在缺陷。

1 交流电阻抗光谱学（AC-Impedance Spectroscopy）

Faifer等[9]、Ozyurt等[6]基于钢纤维的导电性，提出了交流电阻抗光谱学。AC-IS通过施加激励电压，在一定频率范围内测量电流的幅度和相位，然后将获得的数据转换为阻抗的实部和虚部，并呈现在奈奎斯特图上。因为在纤维－电解质界面处形成了氧化膜，所以导电纤维在直流或低频交流下是绝缘的。但当处于高频交流电作用时，钢纤维是良好的导电体。将测得的阻抗值Z的虚部与实部画成乃奎斯特特性曲线时，钢纤维在原材料中表现出双弧现象（这是由于导电纤维的频率相关性而发生），曲线存在两个拐点（图1）：曲线靠右的拐点是在低频（钢纤维绝缘）情况下发生的，表征原材料掺合物基体的阻抗实部Rm，曲线左边的拐点发生在高频（钢纤维导电）情况下，代表了纤维和原材料掺合物基体共同作用下的阻抗实部R。

图1 原材料和SFRC的尼奎斯特特性曲线

Lataste等[10]采用AC-IS的方法，对钢纤维在原材料中的分布进行了检测，并将原材料进行切片。通过对比分析，验证了AC-IS用于钢纤维在原材料中的分布检测是可行的。Woo等[11]、Wansom等[12]、Faifer等[9]313-318，对原材料掺合物基复合材料在混合和加工过程中的纤维分布进行监测，结果证明AC-IS是一种对新拌原材料掺合物基复合材料进行无损评估的有效工具。

2 四电极法电阻率测量

四电极电阻率测试设备包括四根长方形横断面的探测器，各探测器末端用湿润的海绵（确保探测器与原材料掺合物接触）；仪器的测量由高电阻静电计、电子毫伏计和数码电压计等组成。测试时，由于原材料中有不规则的钢纤维存在，所以将低频率的AC电流分别应用于两个电极（例如A和B），并由此推测出电阻。移动测试设备，通过观察电阻率的变化，可以判断出纤维的分布及结块的位置。

图2 电阻率测量实验装置图

Barnett等[13]使用四电极电阻率技术评估超高性能纤维增强原材料面板中纤维的取向。根据所测的电阻率评价浇注面板中纤维分布的特征，并用X射线CT成像技术进行验证，发现此方法用于评价纤维在原材料掺合物基体中的分布是可行的。

3 开放式同轴探针

开放式同轴探测器是一种应用于测定介质参数改变的传感元件。在一定的外场条件下，介质会产生电荷，从而使电磁场减弱，因此，真空中原外加电场与介质中电场的比值即为相对介电常数，与频率相关。当将高介电常数物质置于电磁场中时，磁场的强度会明显降低，而理想导电体的电磁场强始终为0，因而其介电常量无限大。

由于钢纤维板的导电性能及原材料掺合物的隔热特性，王晨宇等[14]使用开放式同轴探针测定钢纤维原材料掺合物基板中的钢纤维含量。开放式同轴探头，如图3所示。它由一个50Ω的同轴的导向器组成，内径5.9 mm，外径20 mm，用一种绝缘材料（聚四氟乙烯，其相对介电常数为2.1），在一端设有一个宽度为60 mm的翼缘，以便探测器与样品相接触，而在其另外一端通过一条接口线与矢量网络分析器相连。Van等[15]通过对含有0、20 kg/m³和40 kg/m³的钢纤维原材料掺合物板（600 mm×600 mm×100 mm）进行了大量的测量，得到了介电常数和纤维含量空间分布的曲线图，通过分析得出开放式同轴探针可以用于钢纤维原材料掺合物中的纤维分布检测，但对于其他的钢纤维复合材料还有待研究。

图3 带翼缘的开放式同轴探针的模型配置

4 电磁感应法

电磁体法是根据电磁力（电导率、介电性、导磁性）不同而进行的电法探测。Torrents等[16]基于钢纤维在原材料中的电学特性，综合其他学者的相关研究，采取新的测量系统对钢纤维在原材料掺合物基体中的分布进行了检测。试验设备（见图4）基本上包含一个阻抗分析器和一个被缠绕在中空的正方形设备。电流感应器在设备内形成一个电场，将样品放置于正方形设备中，使其发生磁场的变化，由电阻计测量。

图4 电磁感应实验装置

Faifer等[17]使用AGILENT LCR 4263B设备（对3种钢纤维原材料掺合物（30 kg/m3、45 kg/m3和60 kg/m3）的电感进行了测量，预测纤维的含量，并将试件进行粉碎，将结果与之对比分析，精确度较高。

5 C型铁磁探针法

由于钢纤维具有一定的导磁性，因此可以通过测量原材料中的有效磁导率的相关参数来评估原材料中钢纤维的分布和取向。将具有N匝绕组的C形磁芯放置在原材料掺合物基体上，以提供磁场。绕组自感受纤维分布的影响：分布越集中，电感越高。此外，它还受电磁线相对于纤维平均方向的取向的影响。当磁芯和钢纤维的平均方向相同时，电感可能达到最大。当施加交流电时，由于钢纤维的导磁性，会使电磁通路发生变化，进而引起阻抗的变化。因此我们可以通过观察阻抗的变化情况，评估钢纤维在原材料掺合物中的分布。

Faifer等[18]使用C形铁磁探针对原材料掺合物基复合材料中的纤维分布和取向进行了测量，与之前的交流电阻抗测的结果进行对比分析，发现准确性有所提高，并且该方法还易于操作。李路帆等[19]对超高强度钢纤维原材料中的纤维不均匀分布对其力学特性的作用进行了分析。张根俞等[20]进行了四点弯曲试验和剖面的影像分析，研究了纤维分布与原材料受弯性能的关系。试验结果还证明，使用振动成形会对圆柱形试件中的纤维分布产生一定的影响。在振动状态下，加3%的体积比钢纤维后，其电感数据、单位面积纤维数、弯曲强度均有所提高。

6 结论

基于电学理论提出的交流电阻抗光谱学、四电极法电阻率测量、开放式同轴探针测量，以钢纤维与原材料掺和物电磁性差异为基础提出的电磁感应法、C型铁磁探针法在判断纤维空间分布上各有利弊。

了解基体内纤维的空间分布情况，对准确判定纤维复合材料的性能具有重要的意义，开展 原材料掺合物基体中纤维分布与力学性能的关系理论研究，对设计与结构构件受力性能相匹配的原材料掺合物复合材料成型工艺，促进原材料掺合物复合材料制品高效能化、精准化生产具有重要的工程价值和研究意义。