再生混凝土的聲發(fā)射特性及Kaiser效應(yīng)

王炳雷，顏士榮，黃天雨，褚鳳明

(1.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，濟(jì)南 250061；2.泰安(山東大學(xué))城鄉(xiāng)固廢綜合利用研究院，泰安271000；3.山東潔諾環(huán)境科技有限公司，泰安 271000)

建筑垃圾的堆放和處理侵占土地資源，危害環(huán)境，而天然砂石骨料資源短缺、價(jià)格暴漲的問(wèn)題也日益嚴(yán)重，因此建筑垃圾的資源化利用勢(shì)在必行。將建筑垃圾中的廢舊混凝土等制成再生骨料，并將其作為原材料代替天然骨料制成再生混凝土，是建筑垃圾資源化利用的重要手段。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)再生混凝土的研究以再生骨料的性質(zhì)及再生混凝土的力學(xué)性能為主[1-6]，也有一些學(xué)者對(duì)再生混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能及再生混凝土與鋼筋的黏結(jié)性進(jìn)行了研究[7-9]，但對(duì)再生混凝土內(nèi)部損傷演變情況的研究較少。

聲發(fā)射技術(shù)已成為工程中的一項(xiàng)常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，能動(dòng)態(tài)地反映材料微觀結(jié)構(gòu)的變化。對(duì)于混凝土材料，聲發(fā)射的產(chǎn)生由于因材料內(nèi)部發(fā)生了裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展以及復(fù)合材料不同相界面的脫落等不可逆變化[10]。李加鵬等[11]研究了不同摻量的氧化石墨烯對(duì)混凝土聲發(fā)射參數(shù)(幅值、振鈴計(jì)數(shù)、頻率)的影響規(guī)律。張力偉等[12]證明了聲發(fā)射技術(shù)能有效監(jiān)測(cè)CFRP(碳纖維復(fù)合材料)鋼管混凝土彎曲過(guò)程的損傷程度和破壞歷程。紀(jì)洪廣等[13]證明了普通混凝土在一定應(yīng)力范圍內(nèi)具有Kaiser效應(yīng)。

隨著聲發(fā)射技術(shù)在普通混凝土微觀領(lǐng)域研究的廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也嘗試?yán)寐暟l(fā)射技術(shù)對(duì)再生混凝土展開研究。WATANABE等[14]利用聲發(fā)射技術(shù)證明了再生混凝土與普通混凝土的開裂性能有較大的差異，并根據(jù)聲發(fā)射參數(shù)將再生混凝土活動(dòng)裂紋分為拉伸裂紋和剪切裂紋。RYU等[15]證明聲發(fā)射技術(shù)可以用于識(shí)別再生混凝土裂縫的發(fā)展源及裂縫的開展機(jī)理。劉茂軍等[16]對(duì)砂漿、普通混凝土、再生混凝土及強(qiáng)化再生混凝土的聲發(fā)射特性進(jìn)行了對(duì)比分析。

文章基于聲發(fā)射技術(shù)，對(duì)不同再生粗骨料取代率(0，30%，50%，70%，100%)的再生混凝土進(jìn)行單軸壓縮過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，通過(guò)加載過(guò)程中再生混凝土聲發(fā)射能量的變化來(lái)預(yù)測(cè)裂縫的開展，分析聲發(fā)射優(yōu)勢(shì)頻率與再生粗骨料取代率(以下簡(jiǎn)稱取代率)的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同取代率的再生混凝土進(jìn)行循環(huán)加卸載，考察加載過(guò)程中不同取代率再生混凝土Felicity比的變化規(guī)律，驗(yàn)證再生混凝土Kaiser效應(yīng)的存在性，有望為建立再生混凝土損傷評(píng)估體系提供理論及實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用P·C 42.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥；砂采用普通天然河砂，屬中砂；拌和用水采用自來(lái)水；再生粗骨料由山東泰安某建筑拆除產(chǎn)生的廢棄混凝土破碎加工而成。再生骨料來(lái)源廣泛，成分復(fù)雜，離散性較大，為防止這些因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果普遍性的影響，所用的再生骨料都經(jīng)過(guò)人工挑選，去除了磚、瓦、瀝青等物質(zhì)，再生混凝土骨料含量大于98%。粗骨料的基本性能如表1所示，可知再生骨料的粒徑分布與天然骨料的一致，但其表觀密度略低，針、片狀顆粒含量、吸水率及壓碎指標(biāo)均有增加。這證明再生骨料因具有初始損傷，其性能較天然骨料有所降低。

表1 粗骨料的基本性能

1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

再生混凝土配合比如表2所示，按C30混凝土進(jìn)行設(shè)計(jì)，水灰比取0.38，砂率取30%，減水劑摻量為1%。試驗(yàn)所選的取代率分別為0，30%，50%，70%和100%，取代率為0時(shí)為普通混凝土(NC)。因再生粗骨料吸水率大，另加入標(biāo)準(zhǔn)吸水率下再生骨料吸水10 min所得附加水。

表2 再生混凝土配合比 kg·m-3

試塊參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50080-2016 《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行制作并養(yǎng)護(hù)28 d，再生混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊實(shí)物如圖1所示，其尺寸為150 mm×150 mm×150 mm(長(zhǎng)×寬×高)。每種取代率制作6塊試塊，3塊測(cè)量抗壓強(qiáng)度，建立單軸壓縮過(guò)程中再生混凝土聲發(fā)射能量的變化曲線來(lái)預(yù)測(cè)裂縫開展，分析聲發(fā)射優(yōu)勢(shì)頻率與取代率的關(guān)系；3塊進(jìn)行循環(huán)加卸載來(lái)驗(yàn)證再生混凝土Kaiser效應(yīng)的存在性。

圖1 再生混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊實(shí)物

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與參數(shù)

試驗(yàn)采用美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC)的PCI-2型聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，探頭與試塊采用硅脂耦合。試驗(yàn)前首先設(shè)置一個(gè)合適的閾值電壓(門檻)來(lái)濾除噪聲。試驗(yàn)設(shè)置的檢測(cè)門檻為40 dB，峰值定義時(shí)間(PDT)設(shè)為150 μs，撞擊定義時(shí)間(HDT)通常取PDT的2倍，設(shè)為300 μs，撞擊閉鎖時(shí)間(HLT)應(yīng)大于HDT，設(shè)為450 μs。

2.2 試驗(yàn)加載

單軸壓縮試驗(yàn)按標(biāo)準(zhǔn)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。循環(huán)加卸載分為4次，加載上限(相對(duì)應(yīng)力)分別為0.2,0.5,0.8和1.0，相對(duì)應(yīng)力為當(dāng)前加載應(yīng)力與峰值應(yīng)力的比值。加載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 加載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

不同取代率再生混凝土的抗壓強(qiáng)度及其變化趨勢(shì)如圖3所示，誤差棒表示的是試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差。由圖3可見(jiàn)，隨取代率的增加，再生混凝土抗壓強(qiáng)度先增大后減小，在取代率達(dá)到30%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值34.1 MPa，當(dāng)取代率達(dá)到100%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為27.6 MPa，與普通混凝土相比，降低約15%。當(dāng)取代率為30%時(shí)，抗壓強(qiáng)度增加的原因可能是：① 在此取代率下再生粗骨料與天然粗骨料兩者形成的級(jí)配更為良好；② 再生骨料表面更為粗糙，受壓過(guò)程中骨料與水泥石之間的摩擦力增大；③ 再生骨料吸水率較大，在制作過(guò)程中吸收了更多的水分，這些水分在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中釋放出來(lái)，形成“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”作用。但由于再生骨料本身性質(zhì)的劣化，過(guò)多再生骨料摻入會(huì)使再生混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。該試驗(yàn)變化趨勢(shì)與參考文獻(xiàn)[17]的試驗(yàn)結(jié)論相似?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)及離散性分析結(jié)果如表3所示。

圖3 不同取代率再生混凝土抗壓強(qiáng)度及其變化趨勢(shì)

表3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及離散性分析結(jié)果

3 結(jié)果與討論

3.1 再生混凝土聲發(fā)射能量與裂縫開展的關(guān)系

不同取代率再生混凝土的聲發(fā)射能量-時(shí)間-相對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。由圖4(a)可知，普通混凝土在受壓初期(相對(duì)應(yīng)力為0～0.3)有少量能量產(chǎn)生，這是因?yàn)殡S著混凝土彈性變形及內(nèi)部空隙的壓實(shí)，試塊表面此時(shí)無(wú)明顯現(xiàn)象；隨著應(yīng)力(相對(duì)應(yīng)力為0.30.8)穩(wěn)定增長(zhǎng)，聲發(fā)射能量減小并趨于穩(wěn)定，此時(shí)混凝土內(nèi)部開始出現(xiàn)微裂縫，微裂縫隨著應(yīng)力增加穩(wěn)定發(fā)展。在中后期內(nèi)部裂縫會(huì)逐漸擴(kuò)展并相互貫通，試塊最初出現(xiàn)的裂縫靠近試塊的表層，位于試塊的中央，試塊在垂直(豎向)方向?yàn)閴嚎s，水平方向膨脹。隨著荷載的繼續(xù)增加，新的裂縫逐漸向兩端發(fā)展，試塊開始外鼓；當(dāng)進(jìn)入加載后期(相對(duì)應(yīng)力為0.8～1.0)，聲發(fā)射能量急劇增加，試塊中間的裂縫向兩側(cè)發(fā)展形成正倒相連的“八”字型，表面貫通的宏觀裂縫快速發(fā)展。斷裂時(shí)，可以聽(tīng)到細(xì)微的劈裂聲；峰值應(yīng)力過(guò)后，聲發(fā)射能量減小并逐漸趨于零，宏觀裂縫延伸貫通，表層混凝土壓碎而剝落，試塊最終呈現(xiàn)“錐形”的破壞形態(tài)。

由圖4(b)～(e)可知，再生混凝土單軸壓縮過(guò)程中能量變化的形式與普通混凝土的基本相似，但呈現(xiàn)以下特點(diǎn)。

圖4 不同取代率再生混凝土的聲發(fā)射能量-時(shí)間-相對(duì)應(yīng)力關(guān)系

(1) 聲發(fā)射峰值能量均有升高且升高幅度隨取代率的增加而增大。再生骨料具有大量缺陷和初始損傷，再生混凝土內(nèi)部初始缺陷的數(shù)量隨著取代率的增加而變多。在加載初期更多的內(nèi)部孔隙與缺陷被壓實(shí)閉合，產(chǎn)生更高的聲發(fā)射能量。在加載后期，再生混凝土的破壞不僅包括再生骨料與新砂漿界面的破壞，還包括再生骨料附著砂漿的破壞以及附著砂漿與新砂漿界面的開裂，破壞的種類與數(shù)量更多，因此產(chǎn)生的聲發(fā)射峰值能量更高。

(2) 隨著取代率的增加，在加載中期產(chǎn)生聲發(fā)射能量更多。這是因?yàn)殡S著再生混凝土中再生骨料含量的增加，性質(zhì)較差的再生骨料含量增加，在更低應(yīng)力下再生混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的破壞更多；產(chǎn)生的聲發(fā)射能量也隨之增加。

3.2 取代率對(duì)聲發(fā)射信號(hào)優(yōu)勢(shì)頻率的影響

優(yōu)勢(shì)頻率是指大多數(shù)頻率分量所處的頻率區(qū)間值。試驗(yàn)中指的是大多數(shù)平均頻率所處的頻率區(qū)間。圖5所示為不同取代率再生混凝土優(yōu)勢(shì)頻率隨相對(duì)應(yīng)力的變化曲線，可見(jiàn)，再生混凝土與普通混凝土的優(yōu)勢(shì)頻率隨相對(duì)應(yīng)力的變化趨勢(shì)基本相似，但具有以下特點(diǎn)。

圖5 不同取代率再生混凝土優(yōu)勢(shì)頻率隨相對(duì)應(yīng)力變化曲線

(1) 加載初期與加載后期，再生混凝土的優(yōu)勢(shì)頻率較普通混凝土的降低，隨著取代率的增加，優(yōu)勢(shì)頻率逐漸減小。這是因?yàn)樵偕炷猎噳K剛開裂時(shí)，不僅存在新砂漿與骨料交界面的開裂和新砂漿與附著砂漿交界面的開裂，同時(shí)還有再生骨料中附著砂漿的脫落，但并沒(méi)有出現(xiàn)骨料自身的開裂，所以優(yōu)勢(shì)頻率整體上低于普通混凝土的。

(2) 隨取代率的增加，再生混凝土受壓過(guò)程中頻率變化的幅度減小，優(yōu)勢(shì)頻率對(duì)應(yīng)的相對(duì)應(yīng)力變化不大。這是因?yàn)殡S取代率的增加，再生混凝土中因再生骨料劣化產(chǎn)生的破壞會(huì)增多，這些破壞基本是再生骨料附著砂漿及再生骨料初始缺陷所導(dǎo)致的，破壞性質(zhì)差別不大，所以在整個(gè)過(guò)程中優(yōu)勢(shì)頻率的波動(dòng)程度減小。無(wú)論普通混凝土還是再生混凝土，相對(duì)應(yīng)力達(dá)到0.2時(shí)，內(nèi)部空隙已經(jīng)被壓實(shí)。而當(dāng)相對(duì)應(yīng)力達(dá)到0.8～0.9時(shí)，不同取代率的再生混凝土都開始發(fā)生骨料的破壞，因此產(chǎn)生峰值優(yōu)勢(shì)頻率的相對(duì)應(yīng)力波動(dòng)不大。

3.3 再生混凝土的Kaiser效應(yīng)

在循環(huán)加載過(guò)程中，不同循環(huán)過(guò)程的聲發(fā)射不可逆程度有所不同。這種不可逆程度可用Felicity比表示。在每一次循環(huán)中，F(xiàn)elicity比(FR)可定義為

(1)

式中：FR(i)為第i次循環(huán)中的Felicity比。P(i)為第i次加載所達(dá)到的應(yīng)力水平；P(i+1)為第i+1次加載恢復(fù)有效聲發(fā)射時(shí)的應(yīng)力水平。

根據(jù)Kaiser效應(yīng)的定義，當(dāng)FR(i)≥1時(shí)，Kaiser效應(yīng)有效。為驗(yàn)證再生混凝土材料聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的存在性，對(duì)不同取代率再生混凝土進(jìn)行循環(huán)加卸載試驗(yàn)，研究加載過(guò)程中其Felicity比隨相對(duì)應(yīng)力的變化規(guī)律。

在試驗(yàn)過(guò)程中，會(huì)有少量水泥漿體剝落使聲發(fā)射信號(hào)的幅度迅速增大，不能作為有效聲發(fā)射的標(biāo)志。因此用以下兩個(gè)特征作為出現(xiàn)有效聲發(fā)射的判別條件：① 當(dāng)荷載增加時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)是連續(xù)的，即連續(xù)性準(zhǔn)則；② 在荷載增加的過(guò)程中，聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)多于15個(gè)，即事件計(jì)數(shù)增加準(zhǔn)則。

當(dāng)這兩個(gè)條件同時(shí)滿足，則認(rèn)為已恢復(fù)有效聲發(fā)射。根據(jù)這兩個(gè)判別標(biāo)準(zhǔn)，可得到不同取代率再生混凝土Felicity比與相對(duì)應(yīng)力的關(guān)系(見(jiàn)圖6)。由圖6可見(jiàn)，普通混凝土聲發(fā)射Felicity比隨相對(duì)應(yīng)力的增大先由大于1逐漸減小至小于1，隨后又上升，當(dāng)相對(duì)應(yīng)力約達(dá)到0.4時(shí)又大于1，此后應(yīng)力逐漸增加，F(xiàn)elicity比始終大于1，當(dāng)相對(duì)應(yīng)力超過(guò)0.7時(shí)，F(xiàn)elicity比急劇下降。這表明普通混凝土在相對(duì)應(yīng)力為0.3～0.7時(shí)具有良好的不可逆性，存在Kaiser效應(yīng)。

圖6 不同取代率再生混凝土Felicity比-相對(duì)應(yīng)力關(guān)系

對(duì)于再生混凝土，分析變化趨勢(shì)可知其也具有Kaiser效應(yīng)，但與普通混凝土相比主要有以下區(qū)別。

(1) 再生混凝土Kaiser效應(yīng)無(wú)應(yīng)力下限。對(duì)于再生混凝土，內(nèi)部初始缺陷、裂縫較多，在低應(yīng)力循環(huán)加載過(guò)程中，內(nèi)部初始缺陷和初始裂縫已經(jīng)開始發(fā)生破壞，無(wú)法完全閉合，當(dāng)充分閉合時(shí)內(nèi)部已產(chǎn)生不可逆破壞，所以在低應(yīng)力水平下始終表現(xiàn)為良好的不可逆性。

(2) 再生混凝土Kaiser效應(yīng)的應(yīng)力上限有所提高。由圖6可知，隨著取代率的變化，再生混凝土具有Kaiser效應(yīng)的最大相對(duì)應(yīng)力(應(yīng)力上限)由0.7左右逐漸提高至0.8左右，原因是再生混凝土受到破壞時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射能量更高，在產(chǎn)生宏觀裂縫和裂縫發(fā)展的過(guò)程中需達(dá)到更高的應(yīng)力水平，導(dǎo)致Kaiser效應(yīng)應(yīng)力上限也就相應(yīng)地提高。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 單軸壓縮過(guò)程中，再生混凝土聲發(fā)射峰值能量比普通混凝土的更高，且隨著取代率的增加，峰值能量的大小和加載中期產(chǎn)生聲發(fā)射能量的數(shù)量均有增加。

(2) 與普通混凝土相比，再生混凝土加載初期與加載后期的優(yōu)勢(shì)頻率有所降低。隨著取代率的增加，優(yōu)勢(shì)頻率的大小及頻率變化的幅度均有所減小。達(dá)到峰值優(yōu)勢(shì)頻率時(shí)的相對(duì)應(yīng)力波動(dòng)不大。

(3) 再生混凝土與普通混凝土都具有Kaiser效應(yīng)，但與普通混凝土相比，再生混凝土的Kaiser效應(yīng)無(wú)應(yīng)力下限，且應(yīng)力上限有所提高。