基于聲發(fā)射技術(shù)的凍融劣化混凝土損傷特性研究

馬建斌

摘要：利用動靜力三軸儀進行凍融劣化后的混凝土單軸循環(huán)加卸載試驗，試驗過程中同步采用聲發(fā)射裝置全程采集聲發(fā)射數(shù)據(jù)，對聲發(fā)射能量參數(shù)與應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系進行分析，并進行基于聲發(fā)射技術(shù)的混凝土損傷特性分析。結(jié)果表明：整個循環(huán)加卸荷過程中，聲發(fā)射的能量數(shù)主要集中出現(xiàn)在加載階段，卸載階段的能量數(shù)很少或幾乎沒有；混凝土的損傷變量隨著累計塑性應(yīng)變的增大呈現(xiàn)先緩慢增大、隨后迅速增大、最后趨于緩慢增大的變化趨勢；通過分析不同凍融循環(huán)次數(shù)、不同應(yīng)變速率下的損傷變化規(guī)律，將混凝土循環(huán)加卸荷的損傷過程分為損傷起始、損傷穩(wěn)定發(fā)展、損傷破壞三個階段；在相同應(yīng)變速率下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的累計塑性應(yīng)變整體上呈增大的趨勢。

關(guān)鍵詞：壓剪；損傷模型；動態(tài)性能；加卸荷載；凍融劣化；混凝土

中圖分類號：TU528；TV431

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.028

混凝土作為一種重要的T程材料，廣泛應(yīng)用于各種工程環(huán)境中，如處于高寒地區(qū)的大壩、橋梁，不僅常年受到低溫凍融的影響，還受到車輛或波浪等荷載的反復(fù)作用，研究凍融劣化混凝土受到循環(huán)荷載后的損傷特性尤為重要。

徐善華等進行單調(diào)荷載下凍融混凝土應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系試驗，建立了單調(diào)荷載作用下碳化混凝土應(yīng)力一應(yīng)變曲線方程；郭寅川等研究了疲勞荷載和凍融循環(huán)耦合作用下路面混凝土微裂縫擴展行為；Xie S等通過試驗發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，峰值應(yīng)力降低，經(jīng)過25和50個周期的凍結(jié)和解凍，峰值應(yīng)變逐漸減??；Li Y等從凍融循環(huán)和碳化的相互作用人手，介紹了幾種耦合退化機制；Zhang J等研究了不同外加劑對透水混凝土凍融循環(huán)性能的影響。劉杰等以砂巖為研究對象，對凍融循環(huán)中低應(yīng)力水平加卸載作用下砂巖物理特性以及動態(tài)特性開展試驗。還有不少學(xué)者開展了凍融作用下混凝土損傷的相關(guān)研究。

國內(nèi)外學(xué)者對混凝土凍融和循環(huán)加卸載分別進行了大量且全面的研究，而對于凍融劣化后的循環(huán)加卸載過程中混凝土的特性以及損傷發(fā)展研究還較少。筆者利用聲發(fā)射裝置，實時采集數(shù)據(jù)，對混凝土從加載到破壞損傷發(fā)展演化過程進行全面研究。

1試驗設(shè)備和試驗過程

1.1試驗設(shè)備

試驗加載所用設(shè)備為10 MN多功能液壓伺服靜動力三軸儀。所用的凍融設(shè)備為TR - TSDRSL凍融儀，該儀器主要是結(jié)合《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（GB/T50082-2009）而研發(fā)的，適用于普通混凝土快凍法。聲發(fā)射儀器由北京聲華興業(yè)科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)，聲發(fā)射采集示意見圖1。

1.2試件的加工與處理

混凝土試件由水泥、砂、自來水、級配碎石按照一定的配合比攪拌振搗而成。水泥為PC32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，試驗用砂為中砂，級配碎石的粒徑為5～40mm?；炷僚浜媳葹樗核啵荷埃菏?0.46：1.00：1.45：3.38，其中中石和小石的比例為6：4。各材料用量見表1。

試件為300mm×300mm×300mm的立方體，采用鋼模澆筑成型。為了使小石、中石、砂、水泥充分攪拌均勻，先將這4種材料放人攪拌機進行干拌3min，后加人稱量好的自來水進行濕拌，時間不超過10min。攪拌好之后將混凝土鏟人鋼模中，然后用振動棒使混凝土密實。澆筑好之后將混凝土上表面進行統(tǒng)一抹平，靜置24h拆模，將混凝土試件進行編號后放人養(yǎng)護室養(yǎng)護。養(yǎng)護室的溫度和相對濕度通過智能養(yǎng)護控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，將相對濕度和溫度控制在規(guī)范要求的范圍，其相對濕度和溫度分別為90%、（20±3）℃，室內(nèi)養(yǎng)護28d后將試件移至室外自然養(yǎng)護。

1.3試驗過程

正式加載前，分別將浸水飽和后的混凝土試件放人凍融箱中凍融循環(huán)0、10、25、35、50次，凍融循環(huán)完成后，將試樣取出，稱重，再進行正式加載。

（1）預(yù)加載。啟動油泵，加油壓，給試件施加一個20kN的力，同時檢查聲發(fā)射是否正常運作。

（2）正式加載。按照設(shè)置的加載程序指令進行加載并采集聲發(fā)射數(shù)據(jù)。正式加載結(jié)束的同時停止聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集并保存正式加載聲發(fā)射數(shù)據(jù)。在正式加載過程中，當應(yīng)變速率為1×10^-5/s、5×10^-5/s、1×10^-4/s時用輔助伺服油源加載：當應(yīng)變速率為5×10^-4/s、1×10^-3/s時用主伺服油源加載。

（3）卸載及后續(xù)處理。得到完整的試驗曲線后，停止加載，開始卸載，卸載完成后，清理殘渣、儀器歸位。

2聲發(fā)射能量參數(shù)與應(yīng)力的關(guān)系

聲發(fā)射的參數(shù)有振鈴計數(shù)、撞擊數(shù)、能量數(shù)、累計能量數(shù)等?；炷猎谘h(huán)加卸荷的過程中必然伴隨著能量的變化，因此這里選用能量數(shù)和累計能量數(shù)作為研究對象。在循環(huán)加卸荷試驗過程中同步進行聲發(fā)射跟蹤監(jiān)測，研究不同凍融循環(huán)次數(shù)和不同應(yīng)變速率下混凝土能量數(shù)與時間之間的關(guān)系以及累計能量數(shù)、應(yīng)力與時間之間的關(guān)系，并將他們放在同一坐標系下進行對比分析。圖2（a）、（c）、（e）表示AE瞬時能量、應(yīng)力與時間的關(guān)系，圖2（b）、（d）、（f）表示AE累計能量以及應(yīng)力與時間的關(guān)系（DR50表示凍融循環(huán)50次，其后為應(yīng)變速率，σ為應(yīng)力，σpk為最大應(yīng)力）。

由圖2可知，在循環(huán)加卸荷的加載過程中，混凝土的能量數(shù)采集較多而在卸載階段能量數(shù)采集相對較少，這是因為在加載過程中混凝土?xí)a(chǎn)生新的損傷而在卸荷階段混凝土內(nèi)部一般不會形成新的損傷：在加載過程中混凝土的微裂紋逐漸發(fā)展形成不可逆的損傷，在卸載過程中混凝土的裂紋不會繼續(xù)發(fā)展。在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，隨著應(yīng)變速率的增大，聲發(fā)射能量數(shù)的采集隨之減少，由圖2（a）和圖2（c）可以清楚地觀察到這一現(xiàn)象。因為隨著加載速率的增大，混凝土內(nèi)部的損傷會加快，聲發(fā)射采集的時間較短，因此能量數(shù)的采集相對減少。在相同應(yīng)變速率下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，聲發(fā)射采集的有效時間整體上增加，再次證明了凍融劣化在降低混凝土強度的同時，對其延性有增強作用。在較低應(yīng)變速率（1×l0^-5/s，5×l0^-5/s）下，如圖2（c）和圖2（d），應(yīng)力隨時間呈現(xiàn)有規(guī)律的循環(huán)，先增大再減小，并且每一個循環(huán)的應(yīng)力峰值點在整個過程中呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢：而在應(yīng)變速率為l×l0^-3/s時，應(yīng)力一時間曲線規(guī)律不明顯。原因是，應(yīng)變速率較大時，混凝土從開始加載到破壞的時間很短，受三軸儀靈敏度的影響，采集到的應(yīng)力數(shù)據(jù)少且不如應(yīng)變速率較小時的完整。應(yīng)變速率為1×10^-3/s時的聲發(fā)射累計能量隨時間呈階梯型增長，直到混凝土破壞，說明混凝土在循環(huán)加卸荷過程中損傷隨著時間的延長并非一直增加而是有間歇階段，間歇階段主要在混凝土的卸載階段出現(xiàn)。

3聲發(fā)射參數(shù)與應(yīng)變的關(guān)系

工程實踐中，混凝土應(yīng)變的大小決定著其延性和抗震性能的優(yōu)劣，因此應(yīng)變是其重要指標之一。圖3為不同凍融循環(huán)次數(shù)和不同應(yīng)變速率下混凝土能量數(shù)、應(yīng)變與時間之間的關(guān)系（DR25表示凍融循環(huán)25次，其后為應(yīng)變速率，ε為應(yīng)變）。

由圖3可見，混凝土的聲發(fā)射能量數(shù)主要發(fā)生在循環(huán)加卸荷的應(yīng)變增加的階段，而在應(yīng)變減小的階段聲發(fā)射信號較弱，這與聲發(fā)射能量與應(yīng)力之間的規(guī)律一致。由圖3（d）和圖3（e）可見，在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，在應(yīng)變速率為1×10^-5/s和5×10^-5/s時，聲發(fā)射能量數(shù)較大的值比較分散，在循環(huán)加卸荷的整個過程中隨機出現(xiàn)，然而在其他應(yīng)變速率下，聲發(fā)射能量數(shù)較大值相對比較集中。

4基于聲發(fā)射的混凝土損傷特性分析

4.1損傷變量的確定與計算

聲發(fā)射中的很多參數(shù)如撞擊數(shù)、振鈴計數(shù)以及能量數(shù)等經(jīng)過處理后都可以作為混凝土的損傷變量?；炷猎趩屋S循環(huán)加卸荷壓縮全過程中伴隨著能量的變化，因此定義損傷變量D的計算公式為式中：Ew為當前累計能量數(shù)；Ew總總為總的累計能量數(shù)。

Tang C將聲發(fā)射與連續(xù)損傷力學(xué)的方法相結(jié)合，認為損傷變量與聲發(fā)射累計數(shù)變化規(guī)律具有一致性。

聲發(fā)射的能量參數(shù)是隨時間改變的量，為了直觀地研究混凝土的損傷變量與累計塑性應(yīng)變之間的關(guān)系，必然要消除中間時間變量，具體處理過程如下：

（1）通過三軸儀控制軟件可以得到應(yīng)變與時間的關(guān)系曲線，記錄每次循環(huán)結(jié)束的時間和變形，并將變形換算成應(yīng)變。

（2）通過每次循環(huán)結(jié)束的時間在SAEU2S聲發(fā)射系統(tǒng)中找到此時刻的累計能量值。

（3）通過式（1）計算每次循環(huán)結(jié)束的損傷變量，并建立損傷變量與累計塑性應(yīng)變之間的關(guān)系。

4.2基于聲發(fā)射能量的損傷特性分析

按照上述步驟計算得到不同凍融循環(huán)次數(shù)、不同應(yīng)變速率下混凝土的損傷變量與累計塑性應(yīng)變之間的關(guān)系，見圖4（這里僅以凍融循環(huán)25次和50次為例）。

由圖4可知，用聲發(fā)射能量表征的損傷變量隨著塑性應(yīng)變εp的增大整體上首先緩慢增大，然后迅速增大，最后趨于穩(wěn)定。根據(jù)損傷變量的變化規(guī)律可以將整個過程分為：損傷起始、損傷穩(wěn)定發(fā)展、損傷破壞三個階段。

（1）損傷起始階段?；炷两?jīng)過凍融循環(huán)的劣化作用，加上在澆筑成型搬運等過程中會不可避免地形成一些初始缺陷，使得在加載初期就出現(xiàn)一定的損傷。

（2）損傷穩(wěn)定發(fā)展階段。隨著荷載的增加，混凝土宏觀上表現(xiàn)出變形的增大，細觀上一些微小裂縫逐步形成大裂縫，甚至開裂，隨著持續(xù)加載卸載，混凝土內(nèi)部裂縫經(jīng)歷一個從小裂縫到大裂縫，大裂縫被壓實合并，又成一個新的裂縫的過程，此過程循環(huán)往復(fù)，致使砂漿與骨料界面脫離，水泥石開裂甚至骨料發(fā)生斷裂，混凝土損傷逐步加劇。

（3）損傷破壞階段。隨著循環(huán)加卸載的進行，損傷的速度逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定，試樣已經(jīng)破壞，喪失承載能力?；诼暟l(fā)射劃分的損傷破壞階段與基于應(yīng)力一應(yīng)變曲線本構(gòu)模型所劃分的損傷破壞階段類似，這也進一步說明通過聲發(fā)射參數(shù)劃分的損傷階段的可靠性。

在相同應(yīng)變速率下，不同凍融循環(huán)次數(shù)下的損傷變化規(guī)律見圖5。由圖5可見，隨著凍融劣化程度的加深，混凝土的累計塑性應(yīng)變整體上呈增大的趨勢，混凝土損傷曲線的斜率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈先減小后增大的趨勢，這是因為當凍融35次時，混凝土的微裂紋逐漸增多，含水量增大，在單軸循環(huán)加卸荷作用下，黏滯作用阻礙了損傷的發(fā)展；當凍融循環(huán)50次時，凍融使微裂紋部分貫通，黏滯作用降低，損傷發(fā)展速度加快。

在相同凍融劣化程度、不同應(yīng)變速率下混凝土的損傷變化規(guī)律見圖6。由圖6可見，混凝土的損傷隨應(yīng)變速率的變化規(guī)律不明顯。其原因可能是試驗所用混凝土為素混凝土，未加外加劑，凍融循環(huán)對混凝土的損傷很大，凍融50次后，部分試件已經(jīng)降到其自然狀態(tài)下強度的50%以下，故應(yīng)變速率對其影響規(guī)律不明顯。

5結(jié)論

（1）在循環(huán)加卸荷的加載過程中，混凝土的能量數(shù)采集較多而在卸載階段能量數(shù)采集相對較少。在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，隨著加載速率的增大，聲發(fā)射能量數(shù)的采集隨之減少。

（2）雖然分析損傷變量的方法不同，但采用聲發(fā)射參數(shù)所提出的損傷變量計算方法得到的損傷曲線的變化規(guī)律，與采用一般應(yīng)力一應(yīng)變曲線所確定的損傷變量的變化規(guī)律類似，均可將損傷發(fā)展全過程分為損傷起始階段、損傷穩(wěn)定發(fā)展階段、損傷破壞階段。

（3）隨著凍融劣化程度的加深，混凝土的累計塑性應(yīng)變整體呈增大趨勢，混凝土損傷曲線的斜率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈先減小后增大的趨勢。