不同強度混凝土聲發(fā)射特性對比試驗研究

劉佳奇，花偉東

(1.黑龍江省齊齊哈爾市昂昂溪區(qū)水利站，黑龍江 齊齊哈爾 161031；2.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

0 前 言

基于安全與經濟等因素的考慮出發(fā)，水工建筑物不同位置采用不同強度等級、不同特性的混凝土，因而其破壞過程存在一定的差異性。不同強度混凝土受壓破壞、受拉破壞研究已經取得了豐碩的研究成果，然而，大部分文獻都將重點放在不同強度等級混泥土抗壓、抗拉強度和失穩(wěn)韌度等物理量上，對受壓破壞過程、斷裂過程缺乏一定的研究。

聲發(fā)射是指材料加載破壞后，以彈性波的形式向外釋放能量的現象，自Kaise[1]首次發(fā)現金屬斷裂過程中存在聲發(fā)射現象以來，聲發(fā)射技術已得到廣泛應用。大量學者在混凝土破壞過程中使用聲發(fā)射(AE)參數變化來描述混凝土性質的變化。Kentaro、Maji和Shah等人利用聲發(fā)射清晰看到裂隙帶大小以及尺寸的發(fā)展，監(jiān)測了斷裂過程區(qū)的發(fā)展。

文章基于聲發(fā)射技術對不同強度混凝土三點彎曲梁斷裂過程進行監(jiān)測，通過比較聲發(fā)射參數的差異性，其中包括撞擊計數、振鈴計數、能量計數等，來對比分析不同強度混凝土斷裂過程的差異性，為研究不同強度混凝土破壞過程提供試驗基礎以及監(jiān)測服役期的水工建筑物運行狀況提供借鑒。

1 試驗研究

1.1 試驗材料

試驗材料有：①水泥：P·O42.5R級普通硅酸鹽水泥；②砂：天然中砂；③粗骨料：卵石，粒徑5-20mm；④減水劑：聚羧酸高效減水劑；⑤粉煤灰：河南藍科Ⅱ級粉煤灰，密度2.34 g/cm3。

1.2 試件制備

試件采用帶切口的三點彎曲梁，試件尺寸為515mm×100mm×100mm，跨度S為400mm，預制裂縫單邊切口角度為0°，預制裂縫深度a0為50mm，縫高比為0.5，裂縫寬度為3mm。 三點彎曲梁試件尺寸，見圖1?；炷翉姸鹊燃墳镃20、C30、C40和C50，不同強度等級混凝土配合比及相關參數，見表1。

圖1 三點彎曲梁試件尺寸

表1 不同強度等級混凝土配合比及相關參數

1.3 試驗設計與方法

對斷裂過程中聲發(fā)射探頭(S1、S2、S3、S4)的位置進行布置，聲發(fā)射探頭布置圖，見圖2。

圖2 聲發(fā)射探頭布置圖

2 結果分析

2.1 不同強度混凝土斷裂P-CMOD曲線比較

不同強度混凝土斷裂過程P-CMOD曲線，其規(guī)律與學者們的研究結果相一致，P-CMOD曲線，見圖3。

直線上升段反映裂尖處于彈性，裂縫口張開位移較小，強度等級對其影響較?。磺€上升段反映裂尖出現微裂縫的萌生，斷裂過程區(qū)開始形成，強度越小，彎曲程度越大，過程區(qū)的發(fā)展速度越大。強度等級越大，峰值荷載越大，峰值荷載對應的裂縫口張開位移越大。C30、C40、C50混凝土峰值荷載以及所對應的裂縫口張開位移分別較C20增加了8%、22%、30%。聲發(fā)射參數發(fā)展歷程圖，見圖4。

圖3 P-CMOD曲線

2.2 不同強度混凝土斷裂過程聲發(fā)射規(guī)律

Ⅰ撞擊計數歷程圖

Ⅱ振鈴計數歷程圖

Ⅲ能量計數歷程圖圖4 聲發(fā)射參數發(fā)展歷程圖

由圖4可以看出，聲發(fā)射參數發(fā)展歷程圖可以看出，聲發(fā)射歷程圖大致分為4個階段：

1)初始壓密階段(0-20s)：在試件加載初期，由于試件與壓力機接觸面壓緊，出現小的撞擊計數和振鈴計數。

2)線彈性階段(20-50s)：隨著荷載的持續(xù)加載，大致在峰值荷載的40%時，撞擊數計數開始發(fā)展且發(fā)展趨勢平穩(wěn)，但是相對應的振鈴計數與能量計數并未產生明顯的發(fā)展，數值仍然較低。

3)穩(wěn)定擴展階段(50-105s): 當荷載達到60%峰值荷載附近時，撞擊數和振鈴數數值增大，能量計數產生較大的局部峰值，此時聲發(fā)射事件較為活躍，隨著荷載持續(xù)增大，在荷載峰值前鋒附近，撞擊數和振鈴數突然增大，接近峰值，在荷載達到峰值同時，撞擊數、振鈴數和能量計數同時達到峰值。

4)失穩(wěn)擴展階段(105-400s)：隨著裂縫的失穩(wěn)擴展，撞擊計數和振鈴計數在峰值后較小的一段區(qū)域內仍保持較大數值，而后以較小的數值發(fā)展，直至試件完全破壞[2-3]。

根據試驗數據，得出了峰值荷載時，不同強度對聲發(fā)射事件活躍程度的影響不同。不同強度混凝土聲發(fā)射參數變化圖，見圖5。

圖5 不同強度混凝土聲發(fā)射參數變化圖

由圖5可知，隨著強度的增大，聲發(fā)射參數值呈現增大趨勢，強度越大，聲發(fā)射事件活躍程度越高，相對能量也越高。C20、C30、C40試件較C50試件撞擊數峰值減小47%、40%和12%，累計值減小31%、15%和14%；振鈴計數減小35%、26%和6%，累計值減小38%、31%和13%；能量計數峰值減小40%、27%和5%，累計值減小60%、49%和19%。

2.3 不同強度等級混凝土損傷定位結果

混凝土內部微裂隙的產生與發(fā)展，以彈性波的形式向外釋放能量，微裂隙發(fā)生位置便成為發(fā)射源，圖為C50混凝土斷裂過程損傷定位結果。C50定位結果，見圖6。

由圖6可以清晰的看出斷裂帶的形成過程。Otsuka基于能量計數值，采用不規(guī)則圖形對定位源進行分類，將包含>95%全部能量的區(qū)域定義為斷裂過程區(qū)(FPZ)，將包含>70%全部能量的區(qū)域定義為斷裂核心區(qū)(FCZ)?；贠tsuka的定義與聲發(fā)射聚類結果，將整個定位過程中聚類閾值為10時的聚類區(qū)域最大寬度定義為斷裂過程區(qū)寬度，聚類閾值為50時的聚類區(qū)域最大寬度定義為裂縫核心區(qū)寬度。斷裂過程區(qū)寬度和裂縫核心區(qū)寬度尺寸，見表2。

圖6 C50定位結果

表2 斷裂過程區(qū)和裂縫核心區(qū)尺寸

由表2可以看出，斷裂過程區(qū)寬度隨強度的增大呈現線性減小，C30、C40、C50強度混凝土斷裂過程區(qū)寬度較C20混凝土分別減小了6%、11.7%和18%，而混凝土強度對裂縫核心區(qū)域寬度影響不大，寬度大致等于2倍粗骨料最大粒徑。

3 結 論

1)隨著強度的提高，線彈性階段的撞擊計數明顯減弱，穩(wěn)定擴展階段撞擊數明顯增強，表明強度越高，混凝土抵抗損傷的能力越強。

2)斷裂過程區(qū)的寬度隨著強度的提高而減小，C50混凝土較C20最大減小18%。