混凝土單軸壓縮過程中損傷演化與聲發(fā)射分析*

栗 青， 李潛濤， 高 陽， 李 震

(1. 沈陽工業(yè)大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870； 2. 中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室， 武漢 430071； 3. 河南理工大學 土木工程學院， 河南 焦作 454000)

聲發(fā)射(acoustic emission，AE)是材料在外部載荷或者其他外部作用下材料內(nèi)部裂隙產(chǎn)生和裂隙發(fā)育的過程中，能量以彈性波釋放的過程.作為材料損傷的無損探測方法之一，聲發(fā)射具有其獨特的優(yōu)越性，設備輕便，可以多參數(shù)綜合分析，數(shù)據(jù)直觀，監(jiān)測簡單，監(jiān)測對象既可以取回實驗室，也可現(xiàn)場進行，被廣泛應用于隧道工程、水電工程、采礦工程、航空航天工程等重要領域.周輝等[1]基于聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了硬巖啟裂強度和損傷強度取值方法的探討；紀洪廣等[2]研究了花崗巖在常規(guī)三軸壓縮下的聲發(fā)射特征，發(fā)現(xiàn)了振鈴計數(shù)、能量累計數(shù)在巖石破裂過程中的整體變化趨勢基本相同，與巖石力學過程形成良好的對應；吳賢振等[3]研究了巖石不同破壞模式下聲發(fā)射特征及其參數(shù)與應力、應變、損傷變量之間的關系；郭清露等[4]研究了大理巖熱損傷聲發(fā)射力學特性，通過聲發(fā)射數(shù)據(jù)建立了損傷變量及大理巖本構模型；曾正文等[5]研究了單節(jié)理巖體變形與破壞過程中聲發(fā)射能量的特征，發(fā)現(xiàn)了巖石破裂過程中，聲發(fā)射能量率越大，裂隙擴展越大；Rusch[6]研究了混凝土受壓破壞時的Kaiser效應；郭慶華等[7]對混凝土聲發(fā)射信號頻率與強度指標的關系進行了研究，認為混凝土強度指標影響混凝土聲發(fā)射信號頻率特征參數(shù)；賴于樹等[8]研究了受載混凝土破壞全過程聲發(fā)射信號頻帶能量特征，通過FFT變換及小波變換研究了不同破壞階段聲發(fā)射信號頻率分布、頻帶能量的變化規(guī)律，并從聲發(fā)射信號頻率變遷與裂紋擴展關系角度闡釋了混凝土破壞機理；楊躍飛等[9]對單軸多級循環(huán)加載條件下混凝土進行了研究，通過分析試驗過程中的能量演化規(guī)律，引入活躍系數(shù)Act對聲發(fā)射現(xiàn)象發(fā)生的活躍程度進行表述.

通過上述研究成果可以看出，聲發(fā)射監(jiān)測技術可以揭示巖土材料在外部作用下的裂隙產(chǎn)生及擴展過程.對混凝土材料而言，其聲發(fā)射參數(shù)變化反映了混凝土的損傷變化，與混凝土內(nèi)部缺陷的演化程度直接相關.本文結(jié)合聲發(fā)射參數(shù)變化特征，對試驗加載過程中混凝土試樣的損傷演化規(guī)律進行分析，研究混凝土內(nèi)部裂隙的擴展規(guī)律，通過定義損傷變量，定量描述混凝土的損傷程度，研究成果對工程安全性評價與災害預防具有重要意義.

1 試驗方案

1.1 試驗設備

試驗采用的設備組件如圖1所示.加載系統(tǒng)采用RMT-150C巖石力學試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過電液伺服試驗機進行加載，垂直液壓缸最大出力1 000 kN，試驗加載速率為0.002 mm/s，為減小試樣與試驗機壓頭的摩擦效應，在接觸面涂抹凡士林作為潤滑劑.試驗聲發(fā)射監(jiān)測采用The AE Sensor Highyway ⅡTM，前置放大器為45 dB，門閾值為45 dB，振諧頻率為1 kHz～1 MHz，采用其中三個通道(86、87、88)進行信息采集，聲發(fā)射探頭與試樣之間采用真空潤滑脂作為耦合劑，用乳膠套將聲發(fā)射探頭固定在試樣表面，以保證探頭與巖樣始終接觸良好.聲發(fā)射設備與加載設備同時開始與結(jié)束，以保證數(shù)據(jù)時間節(jié)點上的對應性.試驗開始前用斷鉛法檢驗傳感器是否正常工作.

圖1 試驗系統(tǒng)組件Fig.1 Test system components

1.2 試樣配比

針對武漢長江隧道支護管片，試驗采用C50混凝土，材料配合比為水泥∶粉煤灰∶砂∶石子∶水∶減水劑=2.53∶0.67∶4.61∶7.50∶1∶0.05.試樣制備參考《公路工程巖石力學試驗規(guī)范》(JTG-E41-2005)[10]，利用鉆機取出直徑50 mm、高100 mm的圓柱體，對兩端細致打磨，保證試樣兩端面平面度公差小于0.05 mm.

1.3 試驗過程

為研究混凝土加載過程中的損傷演化規(guī)律，在對混凝土試樣進行單軸壓縮試驗時，使用聲發(fā)射設備采集整個試驗過程中的聲發(fā)射信號，試驗過程及結(jié)果如圖2所示.通過綜合分析試樣受壓全過程中裂隙的產(chǎn)生、發(fā)育與聲發(fā)射的計數(shù)、能量等特征參數(shù)的對應關系，利用總能量的釋放規(guī)律來建立連續(xù)介質(zhì)損傷本構方程，對比驗證試驗數(shù)據(jù)，分析試樣破壞過程中的損傷系數(shù)演化規(guī)律.

2 試驗結(jié)果分析

2.1 單軸壓縮力學性質(zhì)分析

圖2 混凝土單軸壓縮試驗過程及結(jié)果Fig.2 Process and results of uniaxial compression test of concrete

(1)

(2)

則有

(3)

(4)

式中，μ為泊松比.體積應變?yōu)?/p>

εv=ε1+ε2+ε3

(5)

體積模量

(6)

裂隙體應變?yōu)?/p>

(7)

將式(6)代入式(7)則有

(8)

表1 試樣參數(shù)Tab.1 Specimen parameters

圖3 軸向應力軸向應變曲線Fig.3 Axial stress-axial strain curves

圖4 應力應變曲線Fig.4 Stress-strain curves

2.2 單軸壓縮破壞聲發(fā)射特征分析

聲發(fā)射撞擊數(shù)是單位時間內(nèi)捕捉并記錄下的幅值超過門閾的信號次數(shù)，能量率是單位時間內(nèi)捕捉到的能量之和.本文對微裂隙發(fā)育過程中產(chǎn)生的低于閾值而未記錄的極小部分能量損失不予考慮.

基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學基本理論，參照劉?？h等[12]定義的損傷變量.本文將能量與裂隙擴展演化聯(lián)系起來，假設應力達到應力殘余值前聲發(fā)射捕捉到的累計釋放的總能量為Pc，應力殘余值前第i段釋放的能量為Pi，且為了便于計算，取試樣失去承載力時對應的損傷變量D′為1，保證D′是不可逆的增函數(shù)，定義D′c為損傷臨界值，由于試樣達到殘余強度時未全部破壞，故D′c值可記為

(9)

式中，σc為殘余應力.定義損傷變量為

(10)

(11)

圖5 軸向應力時間曲線和通道計數(shù)時間曲線Fig.5 Axial stress-time curves and channel count-time curves

圖6 軸向應力時間曲線和能量時間曲線Fig.6 Axial stress-time curves and energy-time curves

(12)

(13)

圖7 軸向應力時間曲線和損傷變量時間曲線Fig.7 Axial stress-time curves and damage variable-time curves

圖8 模型應力應變曲線和損傷變量應變曲線Fig.8 Model stress-strain curves and damage variable-strain curves

圖9 試驗應力應變曲線和理論應力應變曲線Fig.9 Experimental stress-strain curves and theoretical stress-strain curves

3 結(jié) 論

本文通過混凝土試樣的單軸壓縮試驗及聲發(fā)射監(jiān)測，綜合分析了試驗過程中裂隙的發(fā)育、擴展和對應的聲發(fā)射特征.通過聲發(fā)射能量，建立了描述混凝土試樣加載過程力學性質(zhì)的損傷本構模型，得到如下結(jié)論：

2) 通過綜合分析裂隙體積應變的變化規(guī)律和聲發(fā)射參數(shù)演化規(guī)律，建立了混凝土單軸壓縮損傷本構模型，并驗證了其合理性.