高強(qiáng)自密實(shí)再生塊體混凝土單軸受壓聲發(fā)射特性

洪鐵東, 張大山, 王衛(wèi)華, 蔡敏偉

(1. 華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 廈門(mén) 361021；2. 華僑大學(xué) 廈門(mén)市抗火綜合防災(zāi)工程技術(shù)研究中心， 福建 廈門(mén) 361021)

聲發(fā)射(AE)是材料在外部荷載作用下發(fā)生變形或損壞時(shí)釋放的應(yīng)變能產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象.每一個(gè)聲發(fā)射信號(hào)對(duì)應(yīng)材料損傷的產(chǎn)生或狀態(tài)的變化，通過(guò)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的采集、記錄和分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料破壞源機(jī)制的分析與追蹤.聲發(fā)射技術(shù)作為一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)度和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛地應(yīng)用于金屬、巖石及各種復(fù)合材料的破壞機(jī)理研究中[1-5].

Rusch[6]首次將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于混凝土材料中，而后國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)混凝土材料的聲發(fā)射特性進(jìn)行研究.郭慶華等[7]對(duì)抗壓強(qiáng)度為10～40 MPa的4種混凝土進(jìn)行聲發(fā)射特性分析，對(duì)混凝土聲發(fā)射事件進(jìn)行三維空間定位，從微觀上探明受載混凝土裂紋的萌生、發(fā)展和貫通的演化規(guī)律.Ohno等[8]基于聲發(fā)射理論對(duì)混凝土進(jìn)行裂縫分類(lèi)，通過(guò)對(duì)振幅比值-平均頻率(RA-AF)關(guān)聯(lián)分析和基于信號(hào)的矩張量分析格林函數(shù)方法進(jìn)行裂縫的斷裂模式辨別，發(fā)現(xiàn)在一定比例下后者的分析方法比前者更加準(zhǔn)確.任會(huì)蘭等[9]結(jié)合改進(jìn)的時(shí)差定位算法和矩張量理論對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析，反演混凝土巴西劈裂破壞中裂紋位置、裂紋類(lèi)型和裂紋面運(yùn)動(dòng)方向，揭示混凝土宏觀拉伸破壞的細(xì)觀裂紋擴(kuò)展機(jī)制.段力群等[10]通過(guò)聲發(fā)射技術(shù)研究2種不同抗壓強(qiáng)度的泡沫混凝土單軸壓縮下的內(nèi)部損傷演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)下降階段的事件累計(jì)、事件率和能率都急劇增加，相較于峰值應(yīng)力，聲發(fā)射事件率和能率峰值具有時(shí)間滯后性.李建濤等[11]對(duì)不同初始缺陷的混凝土單軸壓縮下內(nèi)部損傷破壞的影響規(guī)律進(jìn)行聲發(fā)射試驗(yàn)，隨著初始損傷的逐漸增大，壓密階段的時(shí)間不斷增加，雙峰特征逐漸不明顯，立方體抗壓強(qiáng)度顯著降低.Xu等[12]利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)4種不同骨料取代率的再生骨料混凝土和肋筋之間的粘結(jié)進(jìn)行聲發(fā)射撞擊和能量分析、事件定位、平均頻率分析、b值分析和RA-AF關(guān)聯(lián)分析等.

目前，已有的研究對(duì)大部分不同類(lèi)型混凝土的聲發(fā)射特性均有涉及，但對(duì)高強(qiáng)自密實(shí)再生塊體混凝土進(jìn)行聲發(fā)射特性的研究尚未報(bào)導(dǎo).自密實(shí)再生塊體混凝土是指將廢棄混凝土進(jìn)行破碎、清洗后，把特征尺寸范圍為60～300 mm[13]的舊混凝土塊狀物作為舊混凝土塊體，再將舊混凝土塊體與自密實(shí)混凝土混合攪拌、振搗形成自密實(shí)再生塊體混凝土.目前，已有學(xué)者將再生塊體混凝土應(yīng)用于梁、板和柱的研究中[14-16].基于此，本文對(duì)高強(qiáng)自密實(shí)再生塊體混凝土受載破壞過(guò)程的聲發(fā)射特性進(jìn)行研究.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)采用華僑大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)及Micro-Ⅱ型多通道數(shù)字聲發(fā)射系統(tǒng)(美國(guó)MISTRAS公司).試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，如圖1所示.

試驗(yàn)過(guò)程采用位移加載，按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗(yàn)，加載速度為0.18 mm·min-1.布置4個(gè)傳感器(R6-A諧振式，門(mén)檻為40 dB)，分別置于試塊4個(gè)側(cè)面的中部；前置放大器增益為40 dB.

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of test system

1.2 試塊制樣

自密實(shí)混凝土配合比的水泥、水、砂、石子、減水劑、粉煤灰、礦粉的質(zhì)量濃度分別為293.0，166.0，798.0，892.0，7.3，63.0，21.0 kg·m-3.自然養(yǎng)護(hù)28 d后，自密實(shí)混凝土的實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為64.63 MPa.

制作舊混凝土塊體的取代率分別為0%，10%，20%的3組立方體混凝土試塊(即高強(qiáng)自密實(shí)再生塊體混凝土，編號(hào)為C0～C2)，每組2個(gè)試塊(C0組的編號(hào)為C0-1，C0-2，其他類(lèi)似)，試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm(長(zhǎng)×寬×高).澆筑前，將舊混凝土塊體于清水中浸泡24 h，以充分吸收水分.制作試塊時(shí)，先在模具底部加入厚度約20 mm的自密實(shí)混凝土；然后，交替放入舊混凝土塊體(抗壓強(qiáng)度為87.60 MPa)和自密實(shí)混凝土， 并用自密實(shí)混凝土把模具填滿；最后，在振動(dòng)臺(tái)上機(jī)械振搗30 s.完成試塊澆筑后進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)，試驗(yàn)齡期為60 d，測(cè)得立方體混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度，如表1所示.表1中：η為取代率；fc為抗壓強(qiáng)度.

表1 立方體混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度Tab.1 Compressive strength of cube concrete specimens

2 受壓過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)分析

聲發(fā)射能量(簡(jiǎn)稱(chēng)能量)是聲發(fā)射信號(hào)波形包絡(luò)下的面積，與上升時(shí)間和幅值有關(guān)，可反映聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度，從而評(píng)價(jià)材料的損傷程度.聲發(fā)射能量能夠較好地反映混凝土結(jié)構(gòu)的損傷變化情況.

在試驗(yàn)中，雖然每個(gè)試塊采用4個(gè)通道收集聲發(fā)射信號(hào)，但4個(gè)通道采集的聲發(fā)射信號(hào)并無(wú)明顯差異，故只取通道1的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.通過(guò)應(yīng)力(σ)、時(shí)間(t)、能量(E)、累計(jì)能量(Eacc)等參數(shù)分析高強(qiáng)自密實(shí)再生塊體混凝土的受壓過(guò)程，并根據(jù)能量的變化趨勢(shì)將整個(gè)受壓過(guò)程分為4個(gè)階段(階段Ⅰ～Ⅳ)，如圖2所示.

(a) C0-1 (b) C0-2

(c) C1-1 (d) C1-2

(e) C2-1 (f) C2-2 圖2 能量、應(yīng)力、累計(jì)能量與時(shí)間的變化關(guān)系Fig.2 Relationship among energy, stress, accumulation energy and time

1) 壓實(shí)階段(階段Ⅰ),荷載為峰值荷載的8%以內(nèi).此階段，應(yīng)力隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)出凹函數(shù)曲線，混凝土內(nèi)部的微孔隙、微裂縫被壓實(shí)，在壓實(shí)過(guò)程中，微顆粒出現(xiàn)相對(duì)錯(cuò)位、滑移，并產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào).聲發(fā)射能量整體呈先上升后下降的趨勢(shì)，在下降階段，大部分微孔隙、微裂縫已經(jīng)基本被壓實(shí)，聲發(fā)射活動(dòng)逐漸趨于平緩.

2) 裂縫穩(wěn)定發(fā)展階段(階段Ⅱ),荷載約為峰值荷載的8%～90%.此階段，混凝土內(nèi)部持續(xù)受荷，應(yīng)力隨時(shí)間的變化呈近線性上升，聲發(fā)射能量整體較為平穩(wěn)，累計(jì)能量隨荷載的變化呈近線性增加.此時(shí)，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)微裂紋，但結(jié)構(gòu)尚未出現(xiàn)較大損傷，觀察試驗(yàn)現(xiàn)象未出現(xiàn)明顯裂縫.

3) 破壞階段(階段Ⅲ),荷載約為峰值荷載的90%～100%.此階段，聲發(fā)射能量開(kāi)始增大，進(jìn)入活躍期，累計(jì)能量快速上升，斜率顯著增加，試塊持續(xù)產(chǎn)生微裂紋，并在內(nèi)部擴(kuò)大連通成較大尺度的裂紋，但試件表面仍未出現(xiàn)明顯裂縫.此時(shí)，混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)較大損傷.

4) 下降階段(階段Ⅳ),峰值荷載后至試驗(yàn)結(jié)束.此階段，應(yīng)力開(kāi)始下降，聲發(fā)射能量保持在較高水平，微裂紋持續(xù)擴(kuò)大、擴(kuò)寬，直至形成貫穿試塊的宏觀裂縫，混凝土內(nèi)部的裂縫快速貫穿，試塊突然崩裂.

自密實(shí)混凝土流動(dòng)性高、均勻性好，膠凝材料之間的內(nèi)聚力及膠凝材料和骨料之間的粘結(jié)都很好，混凝土初始微孔隙、微裂紋較少.當(dāng)應(yīng)力約為峰值應(yīng)力的8%時(shí)，自密實(shí)再生塊體混凝土被壓實(shí)，而普通混凝土在荷載約為峰值荷載的20%時(shí)被壓實(shí)；當(dāng)應(yīng)力約為峰值應(yīng)力的90%時(shí)，自密實(shí)再生塊體混凝土進(jìn)入破壞階段.

3組試塊在階段Ⅰ，Ⅱ無(wú)較大差異；在階段Ⅲ時(shí)，試塊C0的微裂紋增多，累計(jì)能量曲線迅速上升，能量較前兩個(gè)階段略有增加，但未出現(xiàn)較大能量.由于舊混凝土塊體本身存在一定數(shù)量的微裂紋等固有缺陷，且新、舊混凝土界面的粘結(jié)效果劣于自密實(shí)混凝土，因此，試塊在峰值荷載前微裂紋擴(kuò)展為較大的裂紋，使試塊C1，C2在峰值荷載前就出現(xiàn)能量的爆炸性增長(zhǎng)，且試塊C2比試塊C1出現(xiàn)得更早，而試塊C0在峰值荷載后才出現(xiàn)能量突增.因此，隨著取代率的提高，塊體自身的開(kāi)裂及塊體與砂漿的界面連接處的開(kāi)裂開(kāi)始增多，使累計(jì)能量增大.

綜上可知，3組試塊抗壓強(qiáng)度較高，添加高強(qiáng)塊體對(duì)自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不大，試塊破壞時(shí)帶有明顯的脆性破壞特征，突然崩裂并伴隨著巨大響聲；隨著取代率的提高，能量突增現(xiàn)象會(huì)提前，在能量突增前，試塊表面未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，但其內(nèi)部已有較大的損傷積累；通過(guò)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠在試塊發(fā)生破壞前監(jiān)測(cè)到能量突增，可以此進(jìn)行預(yù)警.

3 聲發(fā)射能量參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析

為了更加具體地對(duì)聲發(fā)射活動(dòng)的活躍程度進(jìn)行探究，采用時(shí)域統(tǒng)計(jì)方法對(duì)能量均值(Eave)、能量峰值(Ep)和活躍系數(shù)(λ)等聲發(fā)射能量參數(shù)進(jìn)行分析.

當(dāng)觀測(cè)時(shí)間T趨于無(wú)窮時(shí)，T期間信號(hào)的時(shí)間平均值(能量均值)是觀測(cè)時(shí)間內(nèi)任意信號(hào)x(t)的平均值，即

(1)

在觀測(cè)時(shí)間T內(nèi)，信號(hào)x(t)的值高于其他信號(hào)(xi(t))，即信號(hào)峰值(能量峰值)，有

(2)

為了反映聲發(fā)射的活躍程度，引入活躍系數(shù)，有

(3)

以峰值應(yīng)力的10%作為一個(gè)階段進(jìn)行分析，到峰值應(yīng)力的90%時(shí)，由于能量增長(zhǎng)較快，取應(yīng)力進(jìn)程的5%作為一個(gè)階段，直至達(dá)到峰值應(yīng)力.由于試塊強(qiáng)度較高，在峰值應(yīng)力后承載能力迅速下降，下降階段不作為分析對(duì)象，故只取前3個(gè)階段進(jìn)行分析.能量均值、能量峰值隨應(yīng)力進(jìn)程的數(shù)值表，如表2所示.表2中：ps為應(yīng)力進(jìn)程.

活躍系數(shù)與應(yīng)力進(jìn)程的變化關(guān)系，如圖3所示.

由表2和圖2,3可知：活躍系數(shù)隨應(yīng)力的變化呈先升后降的趨勢(shì)，在峰值應(yīng)力的90%處，活躍系數(shù)最大， 舊混凝土塊體的添加對(duì)活躍系數(shù)的變化趨勢(shì)沒(méi)有影響； 應(yīng)力進(jìn)程為10%時(shí)的能量均值比應(yīng)力進(jìn)程為90%時(shí)的能量均值更大，能量均值整體呈下降趨勢(shì)，應(yīng)力進(jìn)程為10%時(shí)達(dá)到能量峰值后，能量峰值沒(méi)有顯著地變化，因而活躍系數(shù)隨應(yīng)力進(jìn)程呈上升趨勢(shì)；在活躍系數(shù)的上升階段，試塊C0～C2的活躍系數(shù)變化范圍分別為106～272，117～274和124～275，隨著取代率的提高而略有升高，但差別不大；到達(dá)應(yīng)力峰值后，3組試塊的活躍系數(shù)開(kāi)始變小，試塊C0的活躍系數(shù)由272左右快速下降到200左右，而試塊C1，C2的活躍系數(shù)分別從274，275左右快速下降到21，23左右，試塊C1，C2的活躍系數(shù)下降幅度比試塊C0更大；隨著取代率的提高，再生塊體或砂漿界面處的開(kāi)裂增多，能量均值增大，活躍系數(shù)在應(yīng)力進(jìn)程為95%處的下降幅度增大；應(yīng)力進(jìn)程為90%后，試塊出現(xiàn)開(kāi)裂，聲發(fā)射信號(hào)能量開(kāi)始普遍增大，特別是試塊C1，C2出現(xiàn)持續(xù)的高能量，能量均值顯著增大，活躍系數(shù)變小.

表2 能量均值、能量峰值隨應(yīng)力進(jìn)程的數(shù)值表Tab.2 NumericalTable of energy mean, energy peak with stress process mV·ms

(a) C0 (b) C1 (c) C2圖3 活躍系數(shù)與應(yīng)力進(jìn)程的變化關(guān)系Fig.3 Relationship between active coefficient and stress process

活躍系數(shù)隨應(yīng)力進(jìn)程先增大后減小，活躍系數(shù)最大時(shí)，繼續(xù)承受荷載會(huì)使試塊出現(xiàn)致命損傷，活躍系數(shù)的快速持續(xù)降低可作為混凝土是否適合繼續(xù)服役的判斷標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)荷載超過(guò)峰值荷載的90%時(shí)，活躍系數(shù)由上升階段進(jìn)入快速下降階段，即可判定高強(qiáng)自密實(shí)再生塊體混凝土不適合繼續(xù)服役.

4 b值-能量分析

b值分析法起源于地震學(xué)，b值的變化可反映地震的震級(jí)與頻度的關(guān)系.材料脆性破壞產(chǎn)生的彈性波與地震波具有相似性，故b值分析法在聲發(fā)射信號(hào)分析中得到了廣泛的應(yīng)用.b值定義為

lgN=a-b·lgA

.

(4)

式(4)中：N為聲發(fā)射的事件數(shù)；A為聲發(fā)射的撞擊幅值；a為常數(shù)；b為線性擬合數(shù)，可用于表征自密實(shí)再生塊體混凝土裂紋開(kāi)展和損傷程度，b值較高時(shí)，表示裂紋的開(kāi)展規(guī)模和損傷程度較小，b值較低時(shí)，表示裂紋的開(kāi)展規(guī)模和損傷程度較大.

結(jié)合b值分析和能量分析兩者的優(yōu)點(diǎn)可以準(zhǔn)確判定裂紋的開(kāi)展程度和試塊的損傷情況.每隔12.8 s計(jì)算聲發(fā)射信號(hào)的b值.能量、b值與時(shí)間的變化關(guān)系，如圖4所示.由于凱塞(Kaiser)效應(yīng)，在峰值荷載后基本測(cè)不到聲發(fā)射事件數(shù)，故只計(jì)算階段Ⅰ～Ⅲ的b值.

(a) C0-1 (b) C0-2

(c) C1-1 (d) C1-2

(e) C2-1 (f) C2-2 圖4 能量、b值與時(shí)間的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between energy, b value and time

由圖4可得以下3點(diǎn)結(jié)論.1) 在階段Ⅰ，Ⅱ中，b值的整體變化幅度較小，聲發(fā)射能量整體較低也較穩(wěn)定；試塊C0的b值范圍為1.035～1.140，變化幅度為9.2%～10.1%；試塊C1，C2的b值范圍分別為0.756～0.950，0.833～0.992，變化幅度分別為20.4%～25.7%，16.0%～19.1%.2) 在階段Ⅲ中， 試塊C0～C2的b值范圍分別為0.834～1.048，0.604～0.855，0.637～0.957，變化幅度分別為20.4%～25.7%，29.4%～41.6%，33.4%～50.2%；相較于前兩個(gè)階段，階段Ⅲ的變化幅度增大，b值整體呈下降趨勢(shì)，聲發(fā)射能量變化明顯，特別是能量突增處的b值下降顯著.3) 相較于階段Ⅰ，Ⅱ，階段Ⅲ的b值變小且變化幅度更大，說(shuō)明試塊開(kāi)始出現(xiàn)較大裂紋，損傷程度增大.

整體而言，試塊C1，C2的b值比C0更小，這是因?yàn)榧尤肱f混凝土塊體后，骨料與砂漿的連接界面破壞時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)增多，b值變??；在階段Ⅰ，Ⅱ中，試塊處于彈性階段，微裂紋較少，產(chǎn)生的信號(hào)幅值也較小，故b值較大，進(jìn)入階段Ⅲ后，試塊開(kāi)始產(chǎn)生較大、較多的裂紋，聲發(fā)射事件數(shù)增多且幅值增大，故b值變小；試塊的最小b值均在峰值應(yīng)力處，說(shuō)明到達(dá)峰值應(yīng)力時(shí)試塊有較大損傷.

5 結(jié)論

1) 不同取代率的高強(qiáng)自密實(shí)再生塊體混凝土的受壓破壞都經(jīng)過(guò)壓實(shí)階段、裂縫穩(wěn)定發(fā)展階段、破壞階段和下降階段，取代率對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度的影響較小.隨著取代率的提高，累計(jì)能量增大，能量的突增現(xiàn)象在峰值應(yīng)力之前更早出現(xiàn)，可作為破壞前的預(yù)警信息，以便及時(shí)采取措施.

2) 引入活躍系數(shù)對(duì)應(yīng)力進(jìn)程的能量參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，活躍系數(shù)隨應(yīng)力進(jìn)程先增大后減小，在峰值應(yīng)力約90%處，活躍系數(shù)快速下降；隨著取代率的提高，活躍系數(shù)由270左右迅速下降至20左右.活躍系數(shù)的快速持續(xù)降低可作為混凝土是否適合繼續(xù)服役的判斷標(biāo)準(zhǔn).

3)b值-能量分析可準(zhǔn)確判斷高強(qiáng)自密實(shí)再生塊體混凝土軸壓破壞過(guò)程中裂紋的開(kāi)展程度和試塊的損傷情況，在階段Ⅰ，Ⅱ中，b值較大且變化幅度較小，裂紋的開(kāi)裂程度與試塊的損傷較小；在階段Ⅲ中，b值變小，裂紋的開(kāi)裂程度與試塊的損傷較大.隨著取代率的提高，b值變小，b值的變化幅度增大.