基于聲發(fā)射參數(shù)的不同級配混凝土動態(tài)劈拉試驗研究

鄒三兵，胡偉華，黃仕超，彭 剛

(1.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北宜昌443002;2.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌 443002)

1 研究背景

國內(nèi)外許多學(xué)者對混凝土材料動態(tài)拉伸特性進行大量試驗研究。宋玉普等［1］建立考慮不同側(cè)應(yīng)力和加載速率的破壞準(zhǔn)則;尚仁杰等［2］給出了全曲線方程以及在下降段進行卸載與重新加載的曲線方程;肖詩云等［3］發(fā)現(xiàn)混凝土的抗拉強度與應(yīng)變率的對數(shù)近似成線性關(guān)系，混凝土的彈性模量、吸能能力均隨著應(yīng)變率的增加而增加，泊松比不隨應(yīng)變率的變化而變化;孫吉書等［4］分析應(yīng)變速率對混凝土抗拉強度、彈性模量等的影響規(guī)律;范立新等［5］介紹了HJC模型、RHT模型以及采用數(shù)值分析軟件LS-DYNAABAQUS程序的模擬過程;盧玉斌等［6］研究不同加載速率下水泥砂漿材料動態(tài)劈裂時的裂紋發(fā)生和擴展規(guī)律，提出一個微觀力學(xué)模型;陳榮剛等［7］借助大直徑分離式霍普金森拉桿實驗裝置(Split Hopkinson Tension SHTB)對混凝土進行動態(tài)直接拉伸實驗，對判斷低加載率下試件的破壞形式進行了分析和研究。

受拉是混凝土材料的基本力學(xué)狀態(tài)之一，由于混凝土材料的抗拉強度遠遠低于抗壓強度，所以，對于大多數(shù)混凝土構(gòu)件，尤其是受彎構(gòu)件，其內(nèi)部的破壞往往首先是從受拉部位開始的。加之，聲發(fā)射技術(shù)能夠真實地反映材料內(nèi)部缺陷的變化和缺陷的具體位置。因此，研究混凝土材料在受拉狀態(tài)時的聲發(fā)射性能對于混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性評價和可靠監(jiān)測有特別重要的意義。

2 試驗過程

2.1 試件制作及加工

試件尺寸為450 mm×450 mm×450 mm的立方體試件，強度等級為C15。水泥采用湖北三峽水泥廠生產(chǎn)的P·O_42.5硅酸鹽水泥，經(jīng)過檢驗混凝土3 d以及28 d抗壓強度與抗折強度等都滿足要求;二級配、三級配、四級配混凝粗骨料分別采用5～40 mm，5～80 mm，5～150 mm連續(xù)級配碎石，細骨料均采用細度模數(shù)為2.3的天然河砂;采用自來水進行攪拌。試驗所用的試件均采用自然養(yǎng)護，當(dāng)試件的齡期為90 d時進行加載試驗。各級配混凝土材料用量如表1。

在澆筑混凝土?xí)r，試件的上下面都有一層稀薄的砂漿層，且混凝土的上表面因人工抹平，表面平整度不易控制。因本試驗為單軸受壓，只需對混凝土一組平行面進行加載，且試件打磨面較粗糙平整度較差。故在試件安裝時，選擇模具成型側(cè)面作為加載面，混凝土試件可以不進行打磨處理。

表1 3種級配混凝土單位體積的材料用量Table 1 Material usage of per cubic meter of concrete of three gradations kg/m3

2.2 試驗設(shè)備

加載設(shè)備采用三峽大學(xué)和長春市朝陽試驗儀器有限公司聯(lián)合研制生產(chǎn)的10 MN微機控制電液伺服大型多功能動靜力三軸儀，該系統(tǒng)是由3個獨立的油缸來施加荷載。軸向變形范圍0～10 mm，徑向變形測量范圍0～5 mm，位移測量范圍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，能較好地滿足試驗的要求。

聲發(fā)射采集設(shè)備采用SAEU2S聲發(fā)射系統(tǒng)對試驗信號進行采集，該系統(tǒng)能實時采集記錄全部的聲發(fā)射原始波形數(shù)據(jù)，提取波形中特征點的參數(shù)并能對聲源進行準(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、計算機。試驗信號門檻設(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;采樣長度為2 048;峰值鑒別時間(PDT)=50 us;撞擊鑒別時間(HDT)=200 us;撞擊鎖閉時間(HLT)=300 us。

2.3 試驗步驟

(1)裝樣。將混凝土試件放在水平處，用角尺和鉛筆畫出立方體試件對稱軸線，然后其放置在已經(jīng)擺好的劈拉鋼墊條上面，保證小車底座、墊條、試件的中心線、傳力柱對中。

(2)聲發(fā)射探頭及變形計的檢查與安裝。在混凝土試件平整部位，做好標(biāo)識，對其部位用砂紙打磨，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)的自動鉛筆對安裝的探頭進行脈動標(biāo)定測試。

(3)建立聲發(fā)射記錄文件，根據(jù)試驗條件設(shè)置聲發(fā)射參數(shù)。

(4)加載。加載之前預(yù)先編寫好加卸載程序，試驗開始時，直接調(diào)入寫好的加卸載程序，然后設(shè)置好采樣頻率，點擊發(fā)送指令，同時開始采集聲發(fā)射信號;系統(tǒng)同時開始采集位移值、荷載值、軸向變形值等各種數(shù)據(jù)。

(5)卸載及后續(xù)處理。試件破壞后，停止加載，把變形計和聲發(fā)射探頭取下，以恒定位移控制將小車降到初始位置，關(guān)閉電腦控制軟件及油泵，對破壞后的試件進行拍照處理并完成試件殘渣的清理工作。

3 劈拉基本物理力學(xué)參數(shù)分析

3.1 不同級配混凝土劈拉強度分析

試驗所得峰值負荷按劈拉強度計算公式計算得到，不同級配混凝土在不同速率下的劈拉強度詳見表2。不同級配混凝土的劈拉強度與應(yīng)變速率的關(guān)系及不同應(yīng)變速率下混凝土劈拉強度與級配的關(guān)系分別見圖1、圖2。表2中劈拉強度計算公式為

式中:ft為劈拉強度;P表示劈拉破壞荷載;l為劈拉試件長度。

表2 不同級配混凝土在不同應(yīng)變速率下的劈拉強度Table 2 Splitting tensile strength of differently graded concretes under different strain rates

圖1 不同級配混凝土的劈拉強度與應(yīng)變速率的關(guān)系Fig.1 Relations between splitting tensile strength and strain rate of differently graded concretes

圖2 不同應(yīng)變速率下混凝土劈拉強度與級配的關(guān)系Fig.2 Relations between splitting tensile strength and gradation of concrete under different strain rates

由圖1知，二級配混凝土隨著應(yīng)變速率的提高，混凝土劈拉強度逐漸增加，但三級配、四級配混凝土在應(yīng)變速率為10－3/s、10－4/s劈拉強度卻在降低。這是由于隨著級配的提高，混凝土粗骨料直徑加大，混凝土試件缺陷加大，致使混凝土劈拉強度降低。試驗以應(yīng)變率速為10－5/s時的劈拉強度為混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)劈拉強度，二級配混凝土劈拉強度相對準(zhǔn)靜態(tài)分別提高6.27%，36.79%，38.34%;三級配混凝土劈拉強度提高幅度分別為13.23%，9.46%，51.61%;四級配混凝土為－5.92%，39.33%，42.29%。

從圖2可看出，相同應(yīng)變速率下，隨著混凝土級配的遞增混凝土劈拉強度值變化不大，除了應(yīng)變速率為10－3/s時，三級配混凝土劈拉強度值出現(xiàn)了較大的浮動，其他工況下混凝土劈拉強度值的波動幅度均在5%內(nèi)，說明混凝土的劈拉強度受骨料級配影響作用較小。

3.2 不同級配混凝土劈拉軸向變形分析

由表3及圖3可知，隨著應(yīng)變速率的提高，二級配、四級配混凝土的劈拉軸向峰值變形總體呈增大的趨勢，三級配混凝土的劈拉峰值變形則先減少后增加。從圖4可以看出，三種級配混凝土軸向峰值變形值均在應(yīng)變速率為10－4/s時達到最低。同一應(yīng)變速率下，混凝土的軸向峰值變形隨著級配的遞增先減少后增大，三種級配混凝土的軸向峰值變形值波動幅值較小;應(yīng)變速率為10－3/s時，四級配混凝土破壞時其軸向峰值變形最大。

表3 不同級配混凝土在不同應(yīng)變速率下的劈拉峰值變形Table 3 Peak deformations of differently graded concretes under different strain rates

圖3 不同級配混凝土的劈拉峰值變形與應(yīng)變速率關(guān)系Fig.3 Relations between splitting tensile peak deformation and strain rate of differently graded concretes

4 聲發(fā)射參數(shù)與應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系

4.1 時間與聲發(fā)射能量、應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系

聲發(fā)射參數(shù)有能量計數(shù)、撞擊計數(shù)、AE探頭的時間差、AE波初動的上升時間、事件率、事件發(fā)生時間的時間分布、振幅、振幅分布、波形及其頻譜等。但是，參數(shù)的有效程度差異很大，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。本文選能量數(shù)對混凝土的破壞過程進行分析描述。

圖5是不同級配混凝土試件在應(yīng)變速率為10－5/s時的劈裂拉伸過程聲發(fā)射能量數(shù)及加載應(yīng)力隨時間的變化曲線，縱坐標(biāo)中σ0為混凝土試塊劈拉破壞時的應(yīng)力值，Nmax為AE能量最大值，N為AE能量瞬時值。

圖4 不同應(yīng)變速率下混凝土劈拉峰值變形與級配的關(guān)系Fig.4 Relations between splitting tensile peak deformation and gradation of concrete under different strain rates

圖5 不同級配混凝土AE能量和應(yīng)力隨時間關(guān)系Fig.5 Changes of AE energy and stress of concrete of different gradations with time

由圖5可知，劈裂試驗得到的聲發(fā)射能量數(shù)柱形圖與單軸壓縮試驗的聲發(fā)射能量數(shù)柱形圖有很大差別。單軸壓縮試驗中加載初期聲發(fā)射能量數(shù)較高的現(xiàn)象并未在劈裂拉升試驗中出現(xiàn);劈裂試驗中，與混凝土抗壓試驗不同，混凝土在劈裂抗拉過程中不具有典型的三階段特征，裂紋初始發(fā)展階段不明顯。在拉伸應(yīng)力較小時，混凝土聲發(fā)射撞擊率比較小，在極限應(yīng)力的80%之前，聲發(fā)射撞擊率沒有明顯升高?；炷猎嚰止橇现睆降募哟?，粗骨料與其他混合料之間的單位接觸面積減少，材料接觸面間的孔隙增多，當(dāng)應(yīng)力超過極限應(yīng)力的80%時，劈裂抗拉試驗聲發(fā)射能量數(shù)隨著級配的增加明顯增大，說明在劈拉破壞時混凝土內(nèi)部損傷隨級配的增加而加大。

4.2 時間與聲發(fā)射能量、軸向應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系

不同級配混凝土試件聲發(fā)射能量、應(yīng)變與時間的變化見圖6，縱坐標(biāo)中ε0為混凝土試塊劈拉破壞時的應(yīng)變，Nmax為AE能量最大值，N為AE能量瞬時值。

由圖6可知，不同級配混凝土試件劈拉破壞時的聲發(fā)射信號圖相似，在初始加載階段既應(yīng)變曲線前期，聲發(fā)射能量數(shù)發(fā)生較少，混凝土材料內(nèi)部初始的缺陷緩慢發(fā)展，聲發(fā)射信號基本平穩(wěn)，只有在接近極限應(yīng)力時聲發(fā)射信號才突然變大，表明混凝土試件已破壞，出現(xiàn)了宏觀裂紋，隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加，聲發(fā)射信號開始減弱?？梢钥闯觯暟l(fā)射信號特征與混凝土的破壞過程相一致，可以準(zhǔn)確對混凝土的破壞過程進行監(jiān)測。

圖6 不同級配混凝土AE能量和應(yīng)變隨時間關(guān)系Fig.6 Changes of AE energy and stress of concrete of different gradations with time

5 結(jié)論

通過試驗實測數(shù)據(jù)及采集的聲發(fā)射數(shù)據(jù)分析了不同級配、不同應(yīng)變速率2種因素對混凝土劈拉性能的影響，得出如下結(jié)論:

(1)隨應(yīng)變速率的增加，混凝土劈拉強度呈增加的趨勢，并隨著級配的提高混凝土劈拉強度增加表現(xiàn)的離散性加大。

(2)混凝土在劈裂抗拉過程中不具有典型的三階段特征，聲發(fā)射信號較少，裂紋初始階段發(fā)展不明顯。應(yīng)力超過極限應(yīng)力的80%時，劈裂抗拉試驗聲發(fā)射能量數(shù)隨著級配的增加明顯增大，劈拉破壞時混凝土內(nèi)部損傷隨級配的增加而加大。

(3)聲發(fā)射信號特征與混凝土的破壞特性相一致，實時采集的聲發(fā)射信號可以較準(zhǔn)確地對混凝土的劈拉破壞過程進行監(jiān)測。

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