基于聲發(fā)射技術(shù)的混凝土動(dòng)態(tài)劈拉試驗(yàn)研究

胡偉華，吳 彬，彭 剛，王孝政

(1.十堰市建筑設(shè)計(jì)研究院, 湖北 十堰 442000；2．湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，湖北 十堰 442000；3．三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

基于聲發(fā)射技術(shù)的混凝土動(dòng)態(tài)劈拉試驗(yàn)研究

胡偉華1,3，吳 彬2，彭 剛3，王孝政3

(1.十堰市建筑設(shè)計(jì)研究院, 湖北 十堰 442000；2．湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，湖北 十堰 442000；3．三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

為了研究混凝土材料在受拉狀態(tài)時(shí)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，采用新型動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行了不同加載速率下(10-5/s ，10-4/s，10-3/s，10-2/s)混凝土劈拉試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)時(shí)采集的聲發(fā)射數(shù)據(jù)建立了不同加載速率下應(yīng)力及同步聲發(fā)射參數(shù)與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上分析了混凝土在劈拉破壞全過(guò)程中的能量釋放特性及規(guī)律。結(jié)果表明：混凝土在劈裂抗拉破壞過(guò)程中不具有典型的三階段特征，加載前期產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)較微弱，材料達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)能量信號(hào)突然急劇上升；采集的聲發(fā)射數(shù)據(jù)能真實(shí)地反映混凝土劈拉破壞特性。

混凝土；動(dòng)態(tài)劈拉試驗(yàn)；聲發(fā)射；加載速率；本構(gòu)模型

1 研究背景

受拉是混凝土材料的基本力學(xué)狀態(tài)之一，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度很高，但其抗拉強(qiáng)度較低，一般只有抗壓強(qiáng)度的1/10～1/15。由于混凝土材料的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，在某種程度上抗拉特性對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性起著決定性的作用。加之，混凝土受拉試驗(yàn)對(duì)設(shè)備的要求很高，且試驗(yàn)成功率很低，對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)受拉試驗(yàn)進(jìn)行得很少，因此，研究混凝土材料在受拉狀態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能具有重要的意義。

目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)混凝土材料動(dòng)態(tài)拉伸特性進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究[1-3]。但是研究成果主要集中在通過(guò)改變?cè)嚰螤钸M(jìn)行拉伸試驗(yàn)上，對(duì)混凝土受拉破壞機(jī)理研究較少。近年來(lái)，聲發(fā)射技術(shù)作為一種新型動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已應(yīng)用于土木工程中[4-8]，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于可以在未知混凝土損傷狀態(tài)的物理參數(shù)情況下，了解混凝土內(nèi)部損傷和裂縫形成與發(fā)展的過(guò)程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)判定混凝土曾經(jīng)承受的最大應(yīng)力歷史和動(dòng)態(tài)評(píng)估混凝土損傷程度等目標(biāo)。鑒于此，進(jìn)行了混凝土動(dòng)態(tài)劈拉試驗(yàn)，并對(duì)不同加載速率下應(yīng)力及同步聲發(fā)射參數(shù)與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了深入研究。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試件的制作及加工

試件采用圓柱體芯樣，水泥采用宜昌花林有限公司生產(chǎn)的強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥，經(jīng)檢驗(yàn)其3 d和28 d抗壓、抗折強(qiáng)度等均滿足規(guī)范要求；攪拌混凝土所用的水為飲用自來(lái)水；粗骨料為5～30 mm連續(xù)級(jí)配的碎石，屬于二級(jí)配；細(xì)骨料為河沙，連續(xù)級(jí)配，經(jīng)篩分試驗(yàn)測(cè)定后得其細(xì)度模數(shù)為1.8，屬于細(xì)沙。

依據(jù)中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55—2000)，確定后的混凝土配合比如表1所示。

表1 混凝土材料用量Table 1 Proportioning of concrete materials

由于通過(guò)鉆孔取芯的混凝土試件長(zhǎng)度和試件兩端不符合本文試驗(yàn)的要求，需要對(duì)取芯后的混凝土試樣進(jìn)行切割處理。切割時(shí)將試件長(zhǎng)度預(yù)留至155 mm，以便打磨時(shí)有足夠的長(zhǎng)度來(lái)保證將試件磨平，試件成型后的尺寸為Φ150 mm×150 mm。磨平后的試件長(zhǎng)度精度控制在±2 mm左右。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

加載設(shè)備采用三峽大學(xué)和長(zhǎng)春市朝陽(yáng)試驗(yàn)儀器有限公司聯(lián)合研制生產(chǎn)的10 MN微機(jī)控制電液伺服大型多功能動(dòng)靜力三軸儀，該系統(tǒng)是由3個(gè)獨(dú)立的油缸來(lái)施加荷載。軸向變形范圍0～10 mm，徑向變形測(cè)量范圍0～5 mm，位移測(cè)量范圍0～100 mm，在加載速率為(10-6～10-2)/s的范圍內(nèi)具有良好的工作性能，能較好地滿足本次試驗(yàn)的要求。

采用SAEU2S聲發(fā)射系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)信號(hào)進(jìn)行采集，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集記錄全部的聲發(fā)射原始波形數(shù)據(jù)，提取波形中特征點(diǎn)的參數(shù)并能對(duì)聲源進(jìn)行準(zhǔn)確定位。SAEU2S聲發(fā)射系統(tǒng)提供多通道接口，每一通道中依次聯(lián)接傳感器、前置放大鏡、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)。

2.3 試驗(yàn)步驟

步驟1：裝樣。將經(jīng)過(guò)切割和打磨好的混凝土試件放在水平處，用角尺和鉛筆畫(huà)出圓柱體試件對(duì)稱(chēng)軸線，然后將其放置在已經(jīng)擺好的劈拉鋼墊條上面，保證小車(chē)底座、墊條、試件的中心線、傳力柱對(duì)中。

步驟2：變形計(jì)的安裝與檢查。開(kāi)啟油泵，將裝有試件的小車(chē)移動(dòng)到指定的位置，根據(jù)試件尺寸，調(diào)整變形計(jì)的標(biāo)距，保證所測(cè)變形為試件本身變形，不含墊塊的變形；利用水準(zhǔn)氣泡對(duì)安裝的變形計(jì)進(jìn)行調(diào)平，保證變形計(jì)徑向壓縮方向垂直；開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，連接上變形計(jì)插口，人為觸動(dòng)變形計(jì)，檢查變形計(jì)接口是否正常以及量程是否合適。

步驟3：聲發(fā)射探頭檢查及安裝。在混凝土試件平整部位，做好標(biāo)識(shí)，對(duì)其部位用砂紙打磨，去除表面的污漬或灰層，將聲發(fā)射探頭均勻涂上黃油，貼在試件平整的部位。再利用帶有導(dǎo)向環(huán)的自動(dòng)鉛筆對(duì)安裝的探頭進(jìn)行脈動(dòng)標(biāo)定測(cè)試。

步驟4：建立聲發(fā)射記錄文件，聲發(fā)射參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)條件進(jìn)行設(shè)置。信號(hào)門(mén)檻設(shè)為45 db，前置放大器均為40 db，主放大器增益為20 db；濾波器帶寬選為20～400 kHz，采樣頻率為833 kHz；采樣長(zhǎng)度為2 048；峰值鑒別時(shí)間(PDT)為50 μs；撞擊鑒別時(shí)間(HDT)為200 μs；撞擊鎖閉時(shí)間(HLT)為300 μs。

步驟5：加載。正式加載之前預(yù)先編寫(xiě)好加卸載程序，試驗(yàn)將要開(kāi)始時(shí)，直接調(diào)入寫(xiě)好的加卸載程序，然后設(shè)置好采樣頻率，點(diǎn)擊發(fā)送指令，同時(shí)開(kāi)始采集聲發(fā)射信號(hào)。系統(tǒng)同時(shí)開(kāi)始采集位移值、荷載值、軸向變形值等各種數(shù)據(jù)。加載系統(tǒng)的控制器將力傳感器反饋的負(fù)荷與變形計(jì)測(cè)得的變形建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。

步驟6：數(shù)據(jù)處理。將控制器建立的負(fù)荷與對(duì)應(yīng)徑向變形的關(guān)系換算為應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，供進(jìn)一步分析。

3 聲發(fā)射參數(shù)與應(yīng)力的關(guān)系

3.1 聲發(fā)射能量、應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系

聲發(fā)射參數(shù)有能量計(jì)數(shù)、撞擊計(jì)數(shù)、AE(acoustic emission)探頭的時(shí)間差、AE波初動(dòng)的上升時(shí)間、事件率、事件發(fā)生的時(shí)間分布、振幅、振幅分布、波形及其頻譜等。參數(shù)的有效程度差異很大，因此，應(yīng)當(dāng)結(jié)合材料的破壞現(xiàn)象，選擇合適的參數(shù)分析。本文選能量計(jì)數(shù)對(duì)混凝土的破壞過(guò)程進(jìn)行分析描述。

圖1為混凝土試件在不同加載速率下的徑向劈拉試驗(yàn)過(guò)程聲發(fā)射能量計(jì)數(shù)及應(yīng)力隨時(shí)間的變化圖，縱坐標(biāo)中的σ0為峰值應(yīng)力，即混凝土劈拉強(qiáng)度，Nmax為AE能量計(jì)數(shù)最大值，N為AE能量計(jì)數(shù)瞬時(shí)值。

圖1 不同加載速率下AE能量數(shù)及應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系Fig.1 AE energy counts and the relation between stress and time under different loading rates

由圖1可知：

(1) 劈拉試驗(yàn)與混凝土抗壓試驗(yàn)不同，混凝土在劈裂抗拉破壞過(guò)程中不具有典型的3階段特征，裂紋初始發(fā)展階段不明顯。

(2) AE能量信號(hào)與時(shí)間的變化規(guī)律為混凝土徑向劈拉加載前期產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)斷斷續(xù)續(xù)且較微弱，加載后期產(chǎn)生信號(hào)較多，較強(qiáng)烈；材料破壞時(shí)能量信號(hào)急劇上升，突變特征非常明顯。

(3) 加載速率為10-5/s～10-3/s時(shí)，試件主破裂完成后，聲發(fā)射能量急劇下降，但是試件仍能承擔(dān)一定的荷載，此時(shí)有少量聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生；但在加載速率為10-2/s的情況下，混凝土延性沒(méi)有得到充分的發(fā)展，脆性破壞后沒(méi)有聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生。

從圖1中混凝土劈拉應(yīng)力與聲發(fā)射能量信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知兩者之間的規(guī)律非常明顯。由于試件內(nèi)部存在較多孔隙以及微裂紋，在應(yīng)力曲線線性段時(shí)，隨應(yīng)力增加，孔隙被壓實(shí)產(chǎn)生非常微弱的能量信號(hào)；當(dāng)達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)，試件中部水平拉應(yīng)力達(dá)到最大值，而垂直中部的壓應(yīng)力為0，聲發(fā)射能量數(shù)急劇增長(zhǎng)到最大值，試樣內(nèi)的應(yīng)變能得以劇烈釋放；在試件主破裂完成后，聲發(fā)射能量信號(hào)隨應(yīng)力的減小而急劇下降，由于試件破壞后能繼續(xù)承擔(dān)一定的荷載，此時(shí)仍有少量聲發(fā)射信號(hào)。

3.2 基于聲發(fā)射參數(shù)的混凝土能量率效應(yīng)分析

圖2 不同加載速率下峰值處AE累計(jì)能量變化關(guān)系Fig.2 Variation of accumulative AE energy in peak stress of concrete under different loading rates

選取其應(yīng)力峰值前聲發(fā)射累積能量來(lái)反映混凝土試件在應(yīng)力峰值之前能量的釋放規(guī)律。由于不同加載速率下，試件破壞時(shí)釋放的能量達(dá)到數(shù)量級(jí)的差異，以加載速率為10-5/s時(shí)的AE能量累計(jì)數(shù)為混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)AE能量累計(jì)數(shù)NS，將不同加載速率下的能量累計(jì)數(shù)Nd除以NS的值作為縱坐標(biāo)，加載速率的對(duì)數(shù)作為橫坐標(biāo)，如圖2所示。不同加載速率下，混凝土試件的峰值前AE能量累計(jì)值以及出現(xiàn)的時(shí)間見(jiàn)表2，加載速率與能量累計(jì)關(guān)系見(jiàn)圖2。

表2 不同加載速率下混凝土應(yīng)力峰值前AE能量累計(jì)值Table 2 Accumulative value of AE energy before the peak stress of concrete under different loading rates

由圖2和表2可知，隨著加載速率的增加，試件在應(yīng)力峰值前的AE能量總體呈增加的趨勢(shì)，加載速率每增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到峰值應(yīng)力所消耗的時(shí)間減少10倍左右。加載速率越大，峰值前釋放的能量越大，混凝土內(nèi)部破壞越嚴(yán)重。

4 結(jié) 論

本文對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)劈拉試驗(yàn)進(jìn)行了不同層面的研究，得出以下結(jié)論：

(1) 混凝土在劈裂抗拉破壞過(guò)程中不具有典型的3階段特征，加載前期產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)斷斷續(xù)續(xù)且較微弱，材料的破壞發(fā)生時(shí)能量信號(hào)突然急劇上升，突變特征非常明顯。

(2) 隨著加載速率的提高，試件破壞所需時(shí)間越短，峰值應(yīng)力前混凝土釋放的能量越大。

(3) 采集的聲發(fā)射數(shù)據(jù)能較真實(shí)地反映混凝土材料劈拉破壞的特性。

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(編輯：劉運(yùn)飛)

長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室參加中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)
第12屆全國(guó)土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)大會(huì)

由中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)土力學(xué)及巖土工程分會(huì)主辦、上海交通大學(xué)等單位承辦的第12屆全國(guó)土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)大會(huì)于2015年7月17—21日在上海市舉行，國(guó)內(nèi)外巖土工程領(lǐng)域2 000余名專(zhuān)家學(xué)者代表參加了本次學(xué)術(shù)大會(huì)。長(zhǎng)江科學(xué)院副總工、水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任程展林教授受邀參加了本次會(huì)議，擔(dān)任了“巖土工程勘察、測(cè)試與評(píng)價(jià)技術(shù)”分會(huì)場(chǎng)主持人，并作了題為“覆蓋層壩基工程特性試驗(yàn)新方法研究與應(yīng)用”特邀報(bào)告。水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、土工研究所所長(zhǎng)饒錫保教授，土工研究所副所長(zhǎng)、土工學(xué)科主任張偉教授，環(huán)境巖土學(xué)科主任龔壁衛(wèi)教授等20余位職工及研究生參加了此次會(huì)議。潘家軍、丁金華、李波、周躍峰和童軍等5位博士分別在“地下工程及深基坑工程”、“環(huán)境巖土工程及災(zāi)害效應(yīng)”等分會(huì)場(chǎng)做了專(zhuān)題報(bào)告。

長(zhǎng)江科學(xué)院與會(huì)同志重點(diǎn)展示了近年來(lái)在土石壩粗粒土試驗(yàn)新方法、土石壩應(yīng)力變形、特殊土工程特性和土工合成材料工程應(yīng)用，以及土工離心模型試驗(yàn)方面所取得的最新研究成果。同時(shí)，通過(guò)與國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的深入交流，了解了我國(guó)巖土工程領(lǐng)域的最新研究成果及發(fā)展動(dòng)態(tài)。

全國(guó)土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)大會(huì)每4年舉辦1次，是我國(guó)巖土工程領(lǐng)域歷史最為悠久、影響最為深遠(yuǎn)的學(xué)術(shù)會(huì)議之一，本次大會(huì)以“巖土工程安全與創(chuàng)新”為主題，集中展示了我國(guó)巖土工程各領(lǐng)域的最新科研及工程應(yīng)用成果。

(摘自：長(zhǎng)江水利科技網(wǎng))

Dynamic Splitting Tensile Test on Concrete ByUsing Acoustic Emission Technology

HU Wei-hua1,3, WU Bin2, PENG Gang3, WANG Xiao-zheng3

(1.Shiyan Architectural Design Institue, Shiyan 442000，China;2. Architectural Engineering Department，Hubei Industrial Polytechnic，Shiyan 442000，China;3．College of Civil Engineering & Architecture，Three Gorges University，Yichang 443002，China)

To research the dynamic mechanical properties of concrete in tension, splitting tensile tests were performed on concrete under different strain rates(10-5/s, 10-4/s, 10-3/s, 10-2/s) using nondestructive acoustic emission technology. According to the real-time acquired acoustic emission data, the corresponding relation between acoustic emission parameter and stress-time curves under different loading rates were established, and the characteristics and regularities of concrete’s energy release in the whole process of splitting tensile damage were analysed. Results showed that typical characteristics of three phase did not happen in the process of splitting tensile damage, emission signal was weak at the early stage of loading, and energy signal suddenly rose sharply when the concrete material reached peak stress. The acquired acoustic emission data could reflect the real splitting tensile damage of concrete.

concrete; dynamic splitting tensile test; acoustic emission; loading rate; constitutive model

2014-02-16 ；

2014-04-08

胡偉華(1988-)，男，湖南益陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程，(電話)18772803749(電子信箱)464913988@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.08.024

TU528，TU502

A

1001-5485(2015)08-0131-04

2015,32(08):131-134