基于聲發(fā)射技術(shù)的再生混凝土破壞機理細觀研究

劉茂軍，王根偉，許國平，周勝鍇

（桂林理工大學南寧分校，廣西 南寧　530001）

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基于聲發(fā)射技術(shù)的再生混凝土破壞機理細觀研究

劉茂軍，王根偉，許國平，周勝鍇

（桂林理工大學南寧分校，廣西 南寧530001）

摘要：為了從細觀層面了解再生混凝土的破壞機理，分別制作了4種常用強度等級的砂漿試塊、普通混凝土試塊、再生混凝土試塊以及強化再生骨料混凝土試塊，并對試塊進行了簡單加載條件下的聲發(fā)射試驗，對聲發(fā)射能量-峰值頻率關(guān)聯(lián)圖進行了對比分析。結(jié)果顯示：聲發(fā)射信號峰值頻率主要集中在25～40 kHz和85～105 kHz2個區(qū)段內(nèi)，并且隨著等級的提高，高頻信號增加，從而得出了進行骨料強化及提高砂漿強度等級可以有效提高再生混凝土強度的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：聲發(fā)射；再生混凝土；破壞機理；峰值頻率

0　前言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快和舊房改造項目的增加，大量建筑垃圾的處理和回收利用問題越來越被重視起來。其中，再生混凝土的研究和應(yīng)用是最為炙手可熱的一個方面。例如，李陽等［1-3］對再生混凝土基本性能進行了較深入的研究；郭遠新等［4-5］研究了再生骨料強化對再生混凝土性能的影響；謝云飛等［6-7］對再生混凝土構(gòu)件的受力性能進行了研究。這些研究對再生混凝土的推廣應(yīng)用提供了非常重要的理論和試驗支撐。

但是，隨著研究的深入，也逐漸暴露出了一些問題。首先，研究的方法沒有大的進展，導(dǎo)致了研究工作受到較大制約，目前的研究者采用的方法都是制作大量的不同粗骨料取代率的試塊進行加載試驗，然后從試驗結(jié)果的表征現(xiàn)象對內(nèi)部損傷進行推斷，再對結(jié)果進行對比和統(tǒng)計分析，然后得出結(jié)論。其次，也是由于研究方法手段的制約而導(dǎo)致研究深度不夠，沒有能夠深入到材料的微細觀層面進行研究，所以很多結(jié)論都是推測性質(zhì)的。因此，研究者試驗結(jié)果的離散性大，甚至不同研究者得出的結(jié)論不同等現(xiàn)象無法做出合理解釋，例如，有的研究者得出的結(jié)論是再生骨料與新砂漿之間會產(chǎn)生粘結(jié)薄弱區(qū)，從而影響了再生混凝土的整體受力性能［8-9］，而也有研究者研究的結(jié)果是再生粗骨料與新水泥漿體界面結(jié)合更強［10］。因此，將先進的試驗方法引入再生混凝土研究領(lǐng)域，有可能使再生混凝土方面的研究產(chǎn)生突破性進展。

聲發(fā)射（AE）技術(shù)是一種動態(tài)無損檢測技術(shù)，它的高靈敏度（可檢測到10-11mm的微小震動）以及材料內(nèi)部損傷的動態(tài)追蹤和定位能力，使得它非常適用于再生混凝土微細觀領(lǐng)域的研究。

本文利用聲發(fā)射技術(shù)，對不同配合比的再生混凝土試塊的受壓破壞過程進行監(jiān)測，并對破壞過程的聲發(fā)射能量-峰值頻率關(guān)聯(lián)圖進行分析，總結(jié)出了再生混凝土破壞過程的聲發(fā)射特征，從微細觀層面對再生混凝土的破壞機理進行了研究。

1　試驗準備

1.1試驗儀器設(shè)備

（1）試驗檢測儀器

采用美國物理聲學公司（PAC）生產(chǎn)的SAMOS-48型聲發(fā)射儀，分析軟件采用實時采集/分析軟件AEwin'Tm。其主要部件及性能指標見表1。

表1　SAMOS-48型聲發(fā)射儀主要性能指標

（2）試驗加載設(shè)備

試驗加載設(shè)備采用WES-1000B型萬能試驗機。試驗機最大試驗力1000 kN，量程分辨率100～1000 kN，臺板最大上升速度＞60mm/min。試驗機控制系統(tǒng)采用RFP-09型智能測力儀，測力解析度1/250000，非線性重復(fù)性誤差＜1%，測量范圍50～3000kN，采樣率100次/s。

1.2試塊設(shè)計與制作

1.2.1原材料準備

制作試塊所用的細骨料采用廣西崇左市扶綏縣龍頭鄉(xiāng)左江河砂，粒徑0.25～2mm，粗骨料采用廣西扶綏縣七星石場加工的16～31.5mm粒徑級配碎石，水泥采用海螺牌P·C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，拌合用水為飲用水。

1.2.2普通（母體）混凝土試塊制作

為了使制作再生骨料的母體混凝土具有更好的可控性，母體混凝土按照標準配合比以及標準試模制作，共制作了4種強度等級的混凝土：C15、C20、C25、C30。在制作混凝土試塊的同時，制作了對應(yīng)的砂漿試塊（與混凝土配合比相同但不含粗骨料），對應(yīng)的砂漿試塊編號分別為：SJC15、SJC20、SJC25、SJC30。普通混凝土的配合比如表2所示。

表2　混凝土的質(zhì)量配合比

1.2.3再生混凝土試塊制作

將混凝土試塊養(yǎng)護28 d后進行人工破碎，制成再生骨料，最大粒徑控制在35mm以內(nèi)。采用表2中C30的配合比重新配制再生骨料混凝土，粗骨料取代率為100%。4種強度等級的母體混凝土配制的再生混凝土分別編號為ZSC30/15、ZSC30/20、ZSC30/25、ZSC30/30。

1.2.4強化骨料再生混凝土試塊制作

將另外一部分手工加工的再生骨料放入SJD-60型強制式攪拌機中強制攪拌5min，篩去粉末后即成強化再生骨料。經(jīng)過物理強化后，骨料的棱角變得圓滑，最大粒徑減小至32 mm以內(nèi)，并且表面松動的砂漿都變成了粉末而被篩除，所以抗壓強度有較大提高。采用表2中C30的配合比配制強化再生骨料混凝土，粗骨料取代率為100%。4種強度等級的母體混凝土配制的強化骨料再生混凝土分別編號為QZSC30/15、QZSC30/20、QZSC30/25、QZSC30/30。

2　試驗過程

2.1聲發(fā)射參數(shù)設(shè)置

2.1.1聲發(fā)射檢測門檻值（閾值）的確定

加載試驗時的環(huán)境噪音以及加載設(shè)備本身產(chǎn)生的噪音都能對聲發(fā)射檢測結(jié)果產(chǎn)生不可忽略的影響，不僅使數(shù)據(jù)處理難度增大，甚至會導(dǎo)致試驗失敗。因此，正式加載試驗前要首先設(shè)置一個合適的閾值電壓（門檻）來濾除噪音。本文采用對現(xiàn)場噪音進行采集，并對其進行聲發(fā)射參數(shù)關(guān)聯(lián)分析的方法確定檢測門檻值。

將試塊放置于試驗機上，并用凡士林將聲發(fā)射傳感器耦合于試塊表面，將采集門檻預(yù)設(shè)為25 dB，啟動試驗機，同時開啟聲發(fā)射采集系統(tǒng)，聲發(fā)射系統(tǒng)開始采集噪音信號。圖1是采集到的噪音信號的聲發(fā)射波形圖?？梢钥闯?，噪音的聲發(fā)射信號是幅值較低并且比較均勻的連續(xù)波形。

圖2是現(xiàn)場采集到的噪音信號的幅值-時間關(guān)聯(lián)圖。

圖1　噪音AE信號波形圖

圖2　噪音的幅值-時間關(guān)聯(lián)圖

從圖2可以明顯看出，噪音信號幅值主要集中在35 dB以下，只有少數(shù)的撞擊幅值達到35 dB。這個特點與噪音信號波形圖上反映出的規(guī)律一致，并且能更直觀地看出噪音聲發(fā)射信號撞擊的幅值分布。

2.1.2聲發(fā)射檢測時間參數(shù)的確定

為了使聲發(fā)射系統(tǒng)能夠更準確地識別撞擊信號，需要對聲發(fā)射檢測的時間參數(shù)進行設(shè)置，本文在加載前采用加載試塊原位斷鉛試驗進行時間參數(shù)的測定。安放好試塊并連接好傳感器后，在試塊上連續(xù)斷鉛10次，采集每次斷鉛的信號波形，讀取每個撞擊波形的上升時間和持續(xù)時間，并取10次斷鉛波形的平均值作為依據(jù)，來最終確定聲發(fā)射時間參數(shù)。圖3 為1次斷鉛的信號波形。

圖3　1個撞擊的波形圖

經(jīng)過斷鉛試驗，最終測得上升時間平均值為198.6μs，為了避免由于撞擊波形的差異而造成峰值誤判，本文將峰值定義時間適當放大，最終取峰值定義時間（PDT）為210μs，根據(jù)經(jīng)驗，撞擊定義時間（HDT）通常取峰值定義時間的2倍，因此取420μs，撞擊閉鎖時間（HLT）可以取略大于撞擊定義時間，本文取為450μs。

2.1.3聲發(fā)射信號衰減曲線的測試

聲發(fā)射信號在傳播過程中會不斷發(fā)生衰減，準確測定并在系統(tǒng)中正確設(shè)置衰減曲線，可以起到很好的“反演信號”和“濾除噪音”的作用。

圖4是測定衰減的傳感器布置，將8個傳感器等間距布置成一排，在1#傳感器處斷鉛，依次記錄每個傳感器接收到的撞擊信號幅值。表3是3次斷鉛試驗所測得的各傳感器接收到的撞擊幅值及平均幅值，圖5是平均幅值的衰減曲線。

圖4　測衰減傳感器布置

表3　傳感器的信號幅值

圖5　聲發(fā)射信號衰減曲線

2.2試驗加載過程及現(xiàn)象

2.2.1加載過程

將試塊放置在萬能試驗機上，并將R6型聲發(fā)射傳感器用凡士林耦合于試塊側(cè)面，開啟萬能試驗機進行加壓，同時開啟聲發(fā)射采集系統(tǒng)。試驗加載采用簡單單調(diào)加載方式進行，加載速率設(shè)定為3 kN/s，直至試塊破壞。

2.2.2試驗現(xiàn)象

將系統(tǒng)界面設(shè)定在聲發(fā)射能量累積曲線（見圖6），直接觀察加載過程中聲發(fā)射能量累積曲線變化與試塊表面裂縫變化之間的對應(yīng)關(guān)系，并利用能量累積曲線來預(yù)測試塊表面的裂紋變化情況。

圖6　聲發(fā)射能量累積曲線

加載5s時，能量累積曲線有一個明顯的跳躍，對應(yīng)于萬能試驗機上下壓頭與試塊緊密接觸時產(chǎn)生的摩擦信號，接下來有一個較長的平緩段，60s時曲線出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折，隨即試塊上出現(xiàn)了第1條可見裂縫，并且快速發(fā)展，隨著試塊上裂縫的不斷增多和發(fā)展，聲發(fā)射能量累積曲線持續(xù)向上延伸直至試塊最終破壞。

砂漿試塊、混凝土試塊以及再生混凝土試塊的能量累積曲線形狀大致相同，但是能夠看出：（1）強度等級高的試塊曲線轉(zhuǎn)折點明顯后移；（2）再生混凝土試塊的轉(zhuǎn)折比普通混凝土試塊的轉(zhuǎn)折更明顯。

3　聲發(fā)射參數(shù)關(guān)聯(lián)圖分析

為利用聲發(fā)射信號來分析再生混凝土破壞過程的微細觀變化，分別提取了幾種強度等級下的砂漿試塊、母體混凝土試塊、再生骨料混凝土試塊、強化再生骨料混凝土試塊在裂縫擴展過程中的聲發(fā)射信號，對其能量-峰值頻率關(guān)聯(lián)圖進行分析。3.1砂漿的能量-峰值頻率關(guān)聯(lián)圖分析（見圖7）

圖7　砂漿的能量-峰值頻率關(guān)聯(lián)圖

由圖7可以看出，砂漿試塊在裂縫擴展過程中的聲發(fā)射信號的峰值頻率主要分布在2個區(qū)段內(nèi)：25~40 kHz和85~105 kHz。其中低頻部分是由于砂漿中膠凝材料的開裂產(chǎn)生的，并且隨著砂漿強度等級的提高，砂漿開裂所產(chǎn)生的聲發(fā)射能量也呈升高的趨勢。聲發(fā)射信號中高頻部分是由砂漿中骨料顆粒的斷裂產(chǎn)生的，并且隨著砂漿強度等級的提高，內(nèi)部裂紋擴展過程中有更多的骨料顆粒斷裂，從而出現(xiàn)更多的高頻聲發(fā)射信號。

3.2母體混凝土的能量-峰值頻率關(guān)聯(lián)圖分析

圖8　母體混凝土的能量-峰值頻率關(guān)聯(lián)圖

（見圖8）由圖8可以看出，混凝土試塊破壞過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號的峰值頻率主要集中在25~40 kHz和85~105 kHz這2

個頻段內(nèi)，并且從試驗過程中各種信號出現(xiàn)的順序可以明顯看出，試塊從加載開始到剛剛開裂時，主要出現(xiàn)的是低頻部分的信號，隨著裂縫的擴展開始出現(xiàn)高頻信號，并且隨著混凝土標號的提高，試塊開裂所釋放的聲發(fā)射能量值及峰值頻率也呈提高的趨勢。對照圖7中砂漿開裂的頻段分布可知，試塊開裂初期，主要是混凝土中砂漿的開裂，有時也伴隨部分較弱的或具有缺陷的骨料的開裂。隨著裂縫的進一步擴展，出現(xiàn)了試塊中粗骨料的斷裂，所以出現(xiàn)了較高頻率的聲發(fā)射信號，并且隨著混凝土標號的提高，粗骨料開裂所產(chǎn)生的高頻聲發(fā)射信號逐漸增加。

3.3再生骨料混凝土的能量-峰值頻率關(guān)聯(lián)圖分析（見圖9）

圖9　再生混凝土的能量-峰值頻率關(guān)聯(lián)圖

由圖9與圖8中母體混凝土的能量-峰值頻率關(guān)聯(lián)圖的對比可知，兩者在峰值頻率范圍分布以及各頻段信號出現(xiàn)的次序都非常相似，但是也存在一些區(qū)別：（1）再生混凝土從開始加載到剛剛開裂時，產(chǎn)生的高頻信號更少，特別是由低強度等級的再生骨料制作的混凝土試塊幾乎沒有高頻信號出現(xiàn)；（2）再生混凝土整個破壞過程中的高頻信號都少于相應(yīng)強度等級的普通混凝土，并且聲發(fā)射能量也較低。

結(jié)合圖7中砂漿試塊的能量-峰值頻率關(guān)聯(lián)圖可知：再生混凝土試塊剛開裂時，只是砂漿的開裂和再生骨料界面的開裂，同時還有再生骨料中砂漿的開裂，而沒有出現(xiàn)原生骨料的開裂，隨著裂縫的擴展，逐漸出現(xiàn)了部分原生骨料的開裂，并且隨著再生骨料強度等級的提高，會有更多的原生骨料斷裂。但是整體上還是遠低于普通混凝土。

3.4強化再生骨料混凝土的能量-峰值頻率

關(guān)聯(lián)圖分析（見圖10）

圖10　強化骨料再生混凝土能量-峰值頻率關(guān)聯(lián)圖

將圖10與圖9、圖8中的能量-峰值頻率關(guān)聯(lián)圖對比可知，再生骨料經(jīng)過強化后制作的強化再生骨料混凝土與未強化骨料的再生混凝土相比，裂紋擴展過程中的高頻信號更多，并且聲發(fā)射能量也有大幅提高，已經(jīng)與普通混凝土比較接近。因此，骨料強化能夠使再生混凝土受力時的損傷演化過程更接近普通混凝土。對提高再生混凝土的受力性能效果明顯。

4　結(jié)論

（1）再生混凝土受力時，首先是砂漿的開裂和再生骨料界面的開裂，隨著荷載的增大逐漸出現(xiàn)骨料的開裂。通過提高砂漿標號，可以引起更多的骨料開裂，從而充分發(fā)揮骨料的作用，提高再生混凝土的強度。

（2）再生骨料經(jīng)過物理強化后，尖角變得圓滑，骨料表面的松動部分脫落，所以，極大地改善了拌合物的和易性以及再生骨料表面與砂漿的粘結(jié)力，聲發(fā)射試驗時高頻信號增多，其損傷演化過程更接近普通混凝土。

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中圖分類號：TU528.01

文獻標識碼：A

文章編號：1001-702X（2016）05-0066-06

基金項目：廣西教育廳高?？蒲许椖浚╕B2014169）；廣西教育廳高?？蒲许椖浚↘Y2015LX774）

收稿日期：2016-01-26；

修訂日期：2016-03-04

作者簡介：劉茂軍，男，1971年生，河南洛陽人，碩士，副教授，主要研究方向：聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用研究，再生混凝土應(yīng)用研究。

Research on the failure mechanism of recycled concrete at the mesoscopic level based on acoustic emission technique

LIU Maojun，WANG Genwei，XU Guoping，ZHOU Shengkai
（Campus of Nanning，Guilin University of Technology，Nanning 530001，China）

Abstract：In order to understand the failure mechanism of recycled concrete at the microscopic level，four kinds of commonly used test block such as mortar test block，ordinary concrete test block，recycled concrete test block and reinforced recycled aggregate concrete test block were respectively made，and the acoustic emission test of various test block was carried out under simple loading condition，also，a comparative analysis of the acoustic emission energy-peak frequency correlation graph is carried out.The results showed that the peak frequency of AE signal is mainly concentrated in the two sections of 25～40 kHz and 85～105 kHz，and with the increase of the level，the high frequency signal is increased.Thus，the conclusion is drawn that the strength of recycled concrete can be improved effectively by aggregate strengthening and improving the grade of mortar.

Keywords：acoustic emission（AE），recycled concrete，failure mechanism，peak frequency