一种用于超高性能混凝土材料三维重建和纤维取向评估的新方法

《Journal of Building Engineering》：A novel method for three-dimensional reconstruction and fiber orientation evaluation of ultra-high performance concrete materials

　　帅林|明扬|张玉阳|刘燕|周叶凯|王子瑜|黄佩然
东南大学交通学院，南京，210096，中国

**摘要**
本文提出了一种用于超高性能混凝土（UHPC）中钢纤维增强材料的三维重建和纤维取向评估的新方法。该方法能够准确表征混凝土基体中钢纤维的空间分布和取向。首先，使用电磁场对钢纤维进行定向处理，制备了定向钢纤维增强UHPC（ASF-UHPC）试件。随后通过X射线计算机断层扫描（X-ray CT）获得了详细的三维可视化图像，从而能够全面分析纤维的布置、取向和空间分布。接着，开发了一种改进的纤维取向分布模型以克服现有方法的局限性。传统方法测得的试件纤维取向系数为0.903，而本文提出的纤维桥接效率指数为0.795。结果表明，该方法有效促进了UHPC材料的三维重建和可视化，使其适用于需要考虑纤维分布特性的大多数理论和实验研究。这项工作对UHPC和ASF-UHPC材料的进一步研究和实际应用具有重要意义。

**引言**
超高性能混凝土（UHPC）被广泛认为是一种先进的材料，在强度、韧性和耐久性方面远超传统混凝土[1]。然而，其高昂的制造成本成为其在大规模工程应用中普及的主要障碍[2]。因此，在保持或提高机械性能的同时降低成本是关键的研究方向。均匀分布的纤维能够从多个方向增强UHPC的机械性能，尤其是提高其韧性和延展性[3][4]。然而，与主拉应力方向成大角度的纤维对承载能力的贡献较小，导致材料利用效率低下。为了达到所需的强度而增加纤维含量会增加无效纤维的比例，这可能还会影响UHPC的施工性能[5][6]。

先前的研究表明，通过外部施加的电磁场对钢纤维进行定向处理可以显著提高UHPC的机械性能各向异性。利用这一特性可以在不增加纤维含量的情况下实现所需的机械性能，从而降低整体材料成本。例如，Mu等人[7]提出了一种利用外部电磁场对钢纤维进行定向的新方法，其原理是通过磁化纤维产生扭矩，使纤维沿磁场方向旋转并对齐。类似地，明等人[8]对增强型ASF-UHPC梁进行了弯曲试验，发现其屈服强度和峰值强度比传统UHPC梁提高了约20%。此外，在相同的承载条件下，电磁场诱导的纤维取向使钢纤维用量减少了近75%。这种方法不仅提升了UHPC的机械性能，还显著提高了材料利用效率。因此，了解UHPC中钢纤维的实际分布和增强机制对于推进其机械性能研究至关重要。

然而，由于钢纤维的直径通常只有0.2毫米，即使是一个含有1.5%纤维含量且纤维长度为13毫米的标准UHPC立方体试件，也包含约41,000根纤维。目前的方法在精确表征和三维分析纤维在复合基体中的分布方面仍存在局限性。尽管有限元模拟可以在一定程度上模拟纤维取向[9]，但现实条件的复杂性往往难以精确再现真实的纤维分布。因此，开发一种可靠的方法来三维可视化UHPC微观结构是必要的。这种方法将能够详细研究钢纤维的空间排列，并深入理解其对UHPC机械性能的增强机制。

X射线计算机断层扫描（X-ray CT）是最早用于观察和统计分析UHPC中纤维三维分布的无损检测技术之一。其他方法还包括交流电阻率谱学[10][11]和四电极电阻率测量法[12]。Le Yu等人[13]结合CT和数字图像相关（DIC）技术，对UHPC基体中钢纤维的分布、取向和定位进行了深入研究，实现了加载过程中试件损伤模式和应变演变的实时非接触监测。然而，这种方法通常只能提供有限的纤维分布信息，无法精确重建纤维的空间排列，难以定量评估结构构件不同区域的纤维分布变化。Chung-Chan Hung等人[14]利用X-ray CT扫描和图像处理技术定量分析了纤维分布特征，通过计算纤维的坐标和形状信息来确定纤维取向系数。但这种方法依赖于特定的数学公式，难以准确反映纤维的真实取向，尤其无法有效表征结构构件不同区域纤维的空间排列变化。Mu Ru等人[15]通过数值模拟建立了拉应力大小和方向与钢纤维分布之间的关系，利用3D打印技术和外部磁场分别控制钢纤维的体积分数和取向，实现了纤维的定量分布。然而，该研究未完成对对齐后不同区域和多个方向纤维取向的评估，难以验证纤维对齐结果的准确性。此外，也没有提供不同区域纤维空间排列的重建方法。总之，大多数现有研究主要采用CT扫描结合单纤维重建，并使用纤维取向系数作为整体指标，但缺乏精细的表征方法来捕捉结构构件不同区域纤维分布和取向的变化，难以解决特定区域和多方向纤维对齐后的空间排列评估问题。

现有评估UHPC中纤维取向的方法存在若干局限性[16][17][18][19][20][21][22]。例如，Germano F. [22]使用平均余弦指数来表征纤维的分布和取向，但这可能导致结果偏高。此外，初始参考方向默认为试件的纵向方向，未考虑实际加载条件下主应力方向的变化。Kang等人[21]采用不同的浇筑方法诱导不同的纤维取向分布，然后使用二维截面分析法计算纤维取向系数。虽然这种方法简单，但仍然基于试件的纵向方向进行取向分析，难以反映纤维沿实际应力方向的桥接效率。Yoo等人[20]利用X-ray CT技术获取了纤维的精确三维坐标和取向向量，但初始分析角度仍选择为试件的纵向方向，未与实际加载条件下的主应力方向建立关联。显然，在大多数研究中，试件的纵向方向被作为取向分析的初始参考方向。然而，在外部加载下，实际结构中的主应力方向具有特定的规律性分布。因此，如果仅使用单一纵向方向来描述和评估纤维分布，就无法准确计算纤维沿实际加载方向的取向系数及其对基体的桥接贡献。

本文提出了一种综合的实验和计算框架，用于定向钢纤维增强超高性能混凝土（ASF-UHPC）中钢纤维取向的三维重建和定量评估。通过整合X-ray CT、先进的图像处理技术以及改进的纤维取向和桥接效率模型，避免了单一数学公式的使用，实现了对结构构件不同区域纤维取向的定量表征。此外，通过结合结构的实际机械行为优化了纤维取向评估方法，并计算分析了材料的纤维桥接效率指数。因此，本文更加强调了对UHPC材料中纤维桥接效应的定量评估，为研究人员提供了新的方法和工具，以便进行更直观的分析和研究。

**ASF-UHPC试件制备原理**
钢纤维主要由铁制成，铁是一种可磁化的金属材料。当暴露在均匀磁场中时，纤维内的自由电荷粒子会有序排列，使每根纤维磁化并在两端形成明显的北极和南极。因此，纤维两端受到相等且相反的磁力作用，产生扭矩使其旋转直至与磁场方向对齐。

**ASF-UHPC试件中纤维取向的评估**
对以往纤维取向评估研究的回顾表明，传统方法受限于纤维观察技术，通常依赖于等间距的试件切割。通过分析每次切割处的纤维截面，纤维取向与切割面法线之间的夹角的余弦值作为纤维取向的主要指标[44]。然而，这些手动观察往往无法达到所需的精度。最近工业CT扫描技术的进步使得可以生成包含空间信息的三维计算机可视化模型。

**结论**
本研究通过X-ray CT扫描和数字图像处理，从混凝土基体中钢纤维的二维灰度图像生成了包含空间信息的三维计算机可视化模型，特别研究了电磁场定向下的纤维取向。使用Python编程语言构建的三维场图分析了UHPC体积内纤维取向的分布。

**作者贡献声明**
刘燕：正式分析、数据管理、概念化。
明扬：撰写-审稿与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、概念化。
张玉阳：验证、软件。
帅林：撰写-初稿、可视化、软件、资源、方法论、研究、正式分析、数据管理。
黄佩然：撰写-审稿与编辑、数据管理。
周叶凯：方法论、研究。
王子瑜：可视化、正式分析。

**数据可用性**
数据可应要求提供。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

**致谢**
本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFB2604904, 2024YFB2604900）和江苏省基础研究计划（项目编号BK20221472）的资助。