混凝土動(dòng)態(tài)劈拉特性及損傷機(jī)理研究

宋來忠　張偉朋　周　斌　彭　剛　田　為

( 1. 三峽大學(xué) 理學(xué)院， 湖北 宜昌　443002； 2. 三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖北 宜昌　443002)

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混凝土動(dòng)態(tài)劈拉特性及損傷機(jī)理研究

宋來忠1張偉朋1周斌1彭剛2田為2

( 1. 三峽大學(xué) 理學(xué)院， 湖北 宜昌443002； 2. 三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖北 宜昌443002)

摘要：利用大型多功能靜動(dòng)力三軸儀分別進(jìn)行了干燥混凝土與飽和混凝土試件在不同應(yīng)變速率下的動(dòng)態(tài)劈拉試驗(yàn)．對(duì)混凝土的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，研究了加載速率、濕度對(duì)混凝土劈拉強(qiáng)度的影響．結(jié)果表明：干燥混凝土與飽和混凝土的劈拉強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增大而提高，飽和混凝土的劈拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變速率更為敏感；低應(yīng)變速率下，飽和混凝土劈拉強(qiáng)度低于干燥混凝土的，而在高應(yīng)變速率下飽和混凝土強(qiáng)度更高．建立了干燥混凝土與飽和混凝土在不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力、時(shí)間曲線與同步聲發(fā)射參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上對(duì)比分析了干燥混凝土與飽和混凝土劈拉損傷特性．

關(guān)鍵詞：混凝土；劈拉；動(dòng)態(tài)性能；損傷

在水環(huán)境中工作的混凝土經(jīng)常處于飽和狀態(tài)，這些混凝土結(jié)構(gòu)由于所處環(huán)境的不同，一方面混凝土的組成由于自由水的侵入而發(fā)生變化，另一方面又承受著比較復(fù)雜的靜動(dòng)力荷載作用，力學(xué)性能可能會(huì)發(fā)生改變．混凝土的抗拉強(qiáng)度一般只有抗壓強(qiáng)度的1/10～1/15[1]，而混凝土的抗壓強(qiáng)度較高，所以混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉特性在某種程度上對(duì)結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性起著決定性作用．可以看出研究飽和混凝土在動(dòng)荷載作用下的力學(xué)特性，不僅具有其理論意義，還具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值．

本文在首先進(jìn)行了干燥和飽和混凝土應(yīng)變速率效應(yīng)的研究分析．在此基礎(chǔ)上，研究飽和混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，探討濕度對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度的影響．這些試驗(yàn)結(jié)果將加深對(duì)水環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)性能的認(rèn)識(shí)，一方面較好地揭示了混凝土劈拉損傷破壞機(jī)理，一方面為實(shí)際工程設(shè)計(jì)與評(píng)估提供了必要的試驗(yàn)依據(jù)．

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用的10MN微機(jī)控制電液伺服大型多功能動(dòng)靜力三軸儀(見圖1)，設(shè)備的最大應(yīng)變速率響應(yīng)值為10-2/s，能夠根據(jù)試件尺寸大小換算成相應(yīng)的控制變形速度，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的精度．

圖1　大型多功能靜動(dòng)力三軸儀

試驗(yàn)采用SAEU2S聲發(fā)射系統(tǒng)(見圖2)，并針對(duì)本試驗(yàn)調(diào)整聲發(fā)射參數(shù)：信號(hào)門檻設(shè)置為45 db;前置放大器設(shè)置為40 db;主放大器增益設(shè)置為20 db;濾波器帶寬設(shè)置為20～400 kHz；采樣頻率選用833 kHz；采樣長度設(shè)置為2 048；峰值鑒別時(shí)間(PDT)設(shè)置為50 μs；撞擊鑒別時(shí)間(HDT)設(shè)置為200 μs；撞擊鎖閉時(shí)間(HLT)設(shè)置為300 μs．

圖2　聲發(fā)射系統(tǒng)

SAEU2S聲發(fā)射系統(tǒng)檢測方法在許多方面不同于其它常規(guī)無損檢測方法，其主要特點(diǎn)表現(xiàn)為：1)聲發(fā)射檢測所得信號(hào)完全來自于材料本身，而且靈敏度非常高，對(duì)于十分微小的破壞也可以檢測到．2)在外加應(yīng)力下能探測到缺陷的活動(dòng)情況，但如果無外力就無法檢測．3)在試驗(yàn)時(shí)，能夠通過合理布置AE探頭實(shí)施被檢測材料或結(jié)構(gòu)的整體檢測，進(jìn)而評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)整體中損傷的狀態(tài)．4)可提供隨載荷、時(shí)間、溫度等外變量變化缺陷的活動(dòng)情況．5)對(duì)與被檢材料的距離要求很低．6)對(duì)被檢構(gòu)件的幾何形狀要求很低．7)混凝土中的化學(xué)變化也可以被檢測到．8)對(duì)人體無傷害，在布置探頭時(shí)需要人手，在檢測時(shí)只需留守觀測人員．9)容易受到噪聲的干擾．

聲發(fā)射檢測方法和其它常規(guī)無損檢測方法的特點(diǎn)對(duì)比見表1．

表1　聲發(fā)射檢測和其它無損檢測方法對(duì)比

1.2試件制備

本試驗(yàn)選用Φ150 mm×150 mm的混凝土圓柱體試件．采用水泥為強(qiáng)度等級(jí)42.5的普通硅酸鹽水泥，抗壓、抗折強(qiáng)度均滿足國家規(guī)范要求；拌合水為飲用自來水；粗骨料選用粒徑直徑范圍為5～30 mm連續(xù)級(jí)配的碎石；細(xì)骨料選用連續(xù)級(jí)配的河砂，篩分測定其細(xì)度模數(shù)為1.8．配合比見表2．

表2　每立方米普通混凝土的配合比

備料選取場地后采用連續(xù)整體澆筑，對(duì)混凝土進(jìn)行自然條件養(yǎng)護(hù)90 d后鉆孔取芯，對(duì)試件編號(hào)并打磨．將打磨平整的一批試件稱重然后放入烤箱先后采用50℃、100℃溫度烘烤一天并稱重，試件質(zhì)量無變化說明已充分干燥處理．記錄下干燥后試件的質(zhì)量作為干混凝土的質(zhì)量，將稱重好的試件放入圍壓桶進(jìn)行水飽和處理，保持恒壓20 h，顯示圍壓和圍位保持不變，可認(rèn)為混凝土已達(dá)飽和狀態(tài)．

1.3試驗(yàn)過程

試驗(yàn)采用的試件尺寸為Φ150 mm×150 mm，強(qiáng)度為C30．試驗(yàn)分為3個(gè)步驟完成：1)將打磨好的混凝土試件放置在擺好的劈拉鋼墊條上面，緩緩?fù)迫胄≤?，調(diào)整小車、墊條、試件和傳力柱位置直至對(duì)中．安裝好變形計(jì)、聲發(fā)射裝置，并檢測儀器是否正常工作．2)啟動(dòng)油泵并加壓，通過計(jì)算機(jī)控制試件緩慢地預(yù)加載至2 kN并持荷2 min．3)調(diào)整油泵油壓，按照預(yù)先設(shè)置好的速率加載，同時(shí)開始采集聲發(fā)射信號(hào)，系統(tǒng)同時(shí)采集荷載值、位移值等數(shù)據(jù)．試件破壞后，將作動(dòng)器復(fù)位，關(guān)閉油源，對(duì)破壞后試樣拍照，將數(shù)據(jù)保存并導(dǎo)出，供后期處理使用．

本文完成了飽和混凝土和干燥混凝土在5種應(yīng)變速率下的徑向劈拉試驗(yàn)，每種應(yīng)變速率下至少試驗(yàn)3個(gè)試件，當(dāng)出現(xiàn)離散型較大的數(shù)據(jù)時(shí)，增加試件保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確．

2試驗(yàn)結(jié)果分析

從表3可以看出，濕度對(duì)混凝土的劈拉強(qiáng)度影響較大，隨著應(yīng)變速率的增大混凝土的劈拉強(qiáng)度增大．隨著加載速率的升高，飽和混凝土的動(dòng)態(tài)劈拉強(qiáng)度相比干燥混凝土有更大的提高．

表3　混凝土在不同應(yīng)變速率下的劈拉強(qiáng)度

加載速率在10-2/s時(shí)，飽和混凝土劈裂強(qiáng)度比干燥混凝土大；加載速率在10-3/s，10-4/s，10-5/s，飽和混凝土的劈拉強(qiáng)度都比干燥混凝土?。柡突炷羶?nèi)部自由水的存在是產(chǎn)生黏性效應(yīng)的物理機(jī)制，對(duì)應(yīng)變率效應(yīng)有著重要影響．所以低應(yīng)變速率的靜態(tài)加載時(shí)，自由水表現(xiàn)出楔體的楔入作用[2-3]，促使混凝土內(nèi)部的裂縫快速發(fā)展．而在高應(yīng)變速率的動(dòng)態(tài)加載時(shí)，自由水運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了類似Stefan效應(yīng)[4]的黏性阻力，從而使混凝土的裂紋擴(kuò)展阻力變大，試件劈拉強(qiáng)度增強(qiáng)．

從表3可以看出，混凝土動(dòng)態(tài)劈拉強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增加幅度與應(yīng)變速率的對(duì)數(shù)之間接近線性關(guān)系，可以用如下經(jīng)驗(yàn)公式來描述：

式中，DIF(Dynamic Increase Factor)表示混凝土動(dòng)抗壓強(qiáng)度增長因子，fs為擬靜態(tài)應(yīng)變速率下的劈拉強(qiáng)度，fd為當(dāng)前應(yīng)變速率下劈拉強(qiáng)度，vd為當(dāng)前應(yīng)變速率，vs為擬靜態(tài)應(yīng)變速率；a、b為材料參數(shù)，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的提取可以得到．

采用式(1)利用最小二乘法分別對(duì)兩者關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果為：混凝土強(qiáng)度增量與應(yīng)變速率關(guān)系變化如圖3所示，擬合參數(shù)見表4，可以看出公式(1)能夠較好地反映混凝土峰值應(yīng)力值隨應(yīng)變速率的變化規(guī)律．

表4　干燥與飽和混凝土的直線擬合參數(shù)值

圖3　混凝土強(qiáng)度增量與應(yīng)變速率關(guān)系圖

由表4可知，干燥混凝土與飽和混個(gè)凝土的擬合關(guān)系度較高說明直線擬合與本文試驗(yàn)結(jié)果吻合較好．從圖3也可以看出，飽和混凝土的劈拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變率的敏感度比干燥混凝土的更加顯著．

3聲發(fā)射能量特性對(duì)比

圖4為干燥與飽和混凝土試件在不同加載速率下劈拉試驗(yàn)過程聲發(fā)射能量計(jì)數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系，縱坐標(biāo)中N為AE能量計(jì)數(shù)瞬時(shí)值[5]．

圖4　各應(yīng)變速率下AE能量數(shù)與時(shí)間關(guān)系

從圖4分析可得，加載前期，沒有聲發(fā)射能量信號(hào)，混凝土自身內(nèi)部孔隙沒有被壓密，沒有微裂紋的萌生．當(dāng)荷載加載到一定程度時(shí)，能量信號(hào)增強(qiáng)，混凝土表面出現(xiàn)微裂紋，當(dāng)接近破壞荷載時(shí)，能量信號(hào)持續(xù)密集增加，微裂縫向加載承壓板方向擴(kuò)展，在達(dá)到破壞荷載時(shí)，能量信號(hào)突增，發(fā)出斷裂聲，試件中心處沿加載軸逐漸分裂為兩個(gè)半圓柱并繼續(xù)承載，此時(shí)試件已經(jīng)破壞，試驗(yàn)機(jī)上下兩個(gè)壓頭與試件的接觸點(diǎn)將發(fā)生壓裂破壞，能量信號(hào)漸漸消失．

聲發(fā)射能量信號(hào)的強(qiáng)弱反映了混凝土破壞時(shí)的能量釋放過程．試件在不同應(yīng)變速率下，試件在加載階段產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的過程規(guī)律差不多一樣，只是出現(xiàn)能量信號(hào)的強(qiáng)弱和出現(xiàn)的時(shí)間有所差異．在應(yīng)變速率為10-5/s、10-4/s和10-3/s，飽和混凝土出現(xiàn)的聲發(fā)射能量峰值較早于干燥混凝土，隨著加載應(yīng)力的增加，損傷則不斷地積累，并且以應(yīng)變能的形式均勻地釋放出來，飽和混凝土的能量信號(hào)在達(dá)到峰值前比較弱，而干燥混凝土在能量峰值前有較強(qiáng)的信號(hào)，干燥混凝土在劈拉加載破壞時(shí)貯存的能量比飽和混凝土的大．飽和混凝土試件內(nèi)部產(chǎn)生損傷釋放的應(yīng)變能沒有干燥混凝土的多，干燥混凝土需要較長時(shí)間和較多的能量累積才能劈裂破壞．無論是干燥混凝土還是飽和混凝土在破壞時(shí)聲發(fā)射能量信號(hào)釋放急劇增加，這是由于試件在劈拉過程中貯存在試件內(nèi)部的能量集中迅速釋放而引起的，材料裂縫擴(kuò)展發(fā)生劇烈變化．

4損傷特性分析

材料內(nèi)部的損傷大小由聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)弱變化直接反映，可利用損傷力學(xué)理論來建立分析聲發(fā)射參量與材料變量之間關(guān)系的模型[6]．

定義損傷變量D為斷面上微缺陷的面積Ad與無損時(shí)斷面面積A的比值，即

假定材料無初始損傷，材料截面面積為A，截面完全劈拉破壞時(shí)累計(jì)聲發(fā)射撞擊總數(shù)為Zm，則材料完全破壞時(shí)單位面積微元的聲發(fā)射撞擊數(shù)為

則截面破壞面積Ad時(shí)，累計(jì)聲發(fā)射數(shù)為

聯(lián)立式(2)、(4)求解，可知聲發(fā)射數(shù)與損傷變量間存在以下關(guān)系[7]即

通過基于材料缺陷面積定義的損傷變量與聲發(fā)射撞擊數(shù)建立相互聯(lián)系，而聲發(fā)射撞擊數(shù)能反映材料內(nèi)部損傷變化情況，兩者結(jié)合具有一致性，所以式(5)表明利用聲發(fā)射技術(shù)得到的撞擊數(shù)可用來估計(jì)材料的損傷變量值．

本試驗(yàn)采用控制變形的加載方式，聲發(fā)射信號(hào)將會(huì)在應(yīng)變增加到一定的程度時(shí)而產(chǎn)生．試驗(yàn)在加載時(shí)，試件內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射撞擊信號(hào)，應(yīng)變不斷增加，撞擊計(jì)數(shù)不斷累積直到破壞，它與完全破壞時(shí)的總累計(jì)撞擊總數(shù)的比值得到損傷變量，具體計(jì)算見式(5)，干燥混凝土和飽和混凝土在不同應(yīng)變速率下?lián)p傷演化規(guī)律曲線，如圖5所示．

圖5　各應(yīng)變速率下?lián)p傷演化對(duì)比

由圖5可知，干燥和飽和混凝土的劈拉損傷都經(jīng)歷了3個(gè)階段：第一階段，損傷起始階段，此階段混凝土內(nèi)部缺陷變形以及應(yīng)力集中導(dǎo)致開始產(chǎn)生局部損傷；第二階段，損傷累積階段，隨著應(yīng)變的增加，混凝土內(nèi)部不斷開裂，此階段混凝土內(nèi)部損傷增長較快；第三階段，損傷失穩(wěn)階段，混凝土即將破壞，損傷急劇增加，試件完全劈裂破壞．當(dāng)應(yīng)變速率為10-5/s、10-4/s和10-3/s時(shí)，當(dāng)應(yīng)變增加時(shí)，飽和混凝土的損傷比干混凝土的損傷嚴(yán)重，應(yīng)變速率為10-2/s，則相反．

對(duì)比文獻(xiàn)[8，10-12]及本文試驗(yàn)測得，不同應(yīng)變速率下混凝土劈拉強(qiáng)度的變化見表5．

表5　不同應(yīng)變速率下混凝土抗拉強(qiáng)度提升幅值

由圖也可知，劈拉試驗(yàn)不像混凝土受壓試驗(yàn)，在加載初期，混凝土被壓密實(shí)會(huì)產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)[9]，劈拉試驗(yàn)加載初期沒有裂隙壓閉合現(xiàn)象，所以不產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，當(dāng)達(dá)到峰值應(yīng)變時(shí)曲線斜率為0，試件失去承載力，而后短時(shí)間內(nèi)沒有聲發(fā)射撞擊數(shù)，曲線出現(xiàn)水平段，損傷變量為1，試件主要破壞面形成．在同種應(yīng)變速率下，干燥混凝土和飽和混凝土開始產(chǎn)生損傷的應(yīng)變不同，損傷積累路徑有差異．在應(yīng)變速率為10-5/s、10-4/s和10-3/s，干燥混凝土比飽和混凝土延遲了損傷的發(fā)展，較慢地進(jìn)入破壞階段，干燥混凝土達(dá)到破壞時(shí)經(jīng)歷的時(shí)間比飽和混凝土的多，所以，干燥混凝土比飽和混凝土較難損傷破壞．這也解釋了干燥混凝土在低應(yīng)變速率下的劈拉強(qiáng)度比飽和混凝土的大，應(yīng)變速率為10-2/s，則相反，與其他學(xué)者研究[8]結(jié)論一致．

5結(jié)論

1)混凝土的劈拉強(qiáng)度隨著應(yīng)變速率的提高而增大；飽和混凝土對(duì)應(yīng)變速率的敏感性比干燥混凝土的大．

2)在低應(yīng)變速率下，飽和混凝土的劈拉強(qiáng)度比干燥混凝土劈拉強(qiáng)度小；在高應(yīng)變速率時(shí)，飽和混凝土的劈拉強(qiáng)度比干燥混凝土劈拉強(qiáng)度大．

3)干燥混凝土在劈拉加載破壞時(shí)釋放的能量的時(shí)間與能量比飽和混凝土的大，飽和混凝土出現(xiàn)的聲發(fā)射能量峰值較早于干燥混凝土．

4)混凝土的劈拉損傷經(jīng)歷了損傷起始階段、損傷累積階段、損傷失穩(wěn)階段．在應(yīng)變速率為10-5/s、10-4/s和10-3/s，干燥混凝土延遲了損傷的發(fā)展，較慢地進(jìn)入破壞階段，干燥混凝土達(dá)到破壞時(shí)經(jīng)歷的時(shí)間比飽和混凝土的多．

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[責(zé)任編輯王康平]

Dynamic Splitting Tensile Behavior and Damage Mechanism of Concrete

Song Laizhong1Zhang Weipeng1Zhou Bin1Peng Gang2Tian Wei2

(1. College of Science, China Three Gorges Univ.,Yichang 443002, China；2. College of Civil Engineering & Architecture, China Three Gorges Univ, Yichang 443002, China)

AbstractThe dynamic splitting tensile test of dry and saturated concrete specimens under five different loading rates were completed using a large multifunction static and dynamic force triaxial apparatus.Statistical analysis of physico-mechanical parameters of concrete is carried out. The influence of strain rate and humidity on the splitting tensile strength of concrete is researched. The results show that the splitting tensile strengths of dry and saturated concretes are proportional to the strain rate; the splitting tensile strength of saturated concrete is more sensitive to strain rate than dry concrete; the splitting tensile strength of saturated concrete is lower than dry concrete under low strain rate, but is higher than dry concrete under high strain rate. The corresponding relationship of dry and saturated concretes among stress, time and synchronous acoustic emission parameter under different strain rates are established. On this basis, the splitting tensile damage characteristics of dry and saturated concretes are analyzed and compared using acoustic emission technology.

Keywordsconcrete;splitting;dynamic performance;damage

基金項(xiàng)目：湖北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BCB035)；硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(武漢理工大學(xué))開放課題基金(No.SYSJJ2014-05)；三峽大學(xué)2014年碩士學(xué)位論文創(chuàng)新基金(CX2014004)

收稿日期：2015-09-02

中圖分類號(hào)：TQ178

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-948X(2015)06-0010-05

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.002

通信作者：宋來忠(1962-)，男，教授，主要從事力學(xué)計(jì)算、計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)等方面的研究工作．E-mail：slz@ctgu.edu.cn