早齡期充填混凝土力學(xué)行為超聲波表征

高喜才，趙 程，王 琪，馬騰飛，劉 帥

( 1. 西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2. 西安科技大學(xué) 西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054 )

沿空留巷技術(shù)作為無(wú)煤柱護(hù)巷方式之一，對(duì)合理開(kāi)發(fā)地下資源，提高煤炭采出率，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限具有重要意義[1-2]。煤礦巷旁充填體承載性能關(guān)乎沿空留巷的成敗，目前巷旁充填材料中混凝土的應(yīng)用最為廣泛，而在其達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度前就受到開(kāi)采影響，如果能夠?qū)Τ涮铙w的承載性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，就能在其失穩(wěn)前采取措施從而減少事故的發(fā)生。因此，研究早齡期巷旁充填混凝土承載性能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法意義重大。

近年來(lái)主要利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)充填材料內(nèi)部損傷進(jìn)行被動(dòng)監(jiān)測(cè)[3-10]，該方法由于系統(tǒng)成熟、數(shù)據(jù)采集方便等優(yōu)點(diǎn)在煤礦充填體監(jiān)測(cè)中應(yīng)用普遍，但隨著監(jiān)測(cè)要求的提高，超聲波作為一種高精度的主動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)越來(lái)越受到重視。超聲波可用來(lái)描述材料節(jié)理、孔隙等特性，以及外加載作用下的損傷過(guò)程[11-24]。1992年，李為杜[15]等利用CTS-25型低頻超聲儀對(duì)混凝土進(jìn)行了測(cè)試，得出超聲波在疏松混凝土中比在密實(shí)混凝土中傳播時(shí)高頻成分更多、能量衰減更大，在混凝土受力開(kāi)裂過(guò)程中，隨著加載應(yīng)力接近峰值應(yīng)力，內(nèi)部裂隙發(fā)育，超聲波信號(hào)變化明顯；為了掌握混凝土硬化程度，肖 楚 珺[16]等提出了基于超聲波頻譜分析的碾壓混凝土凝結(jié)狀態(tài)的快速判斷方法，根據(jù)超聲波頻譜分布規(guī)律可以實(shí)時(shí)判斷碾壓混凝土材料的凝結(jié)狀態(tài)；楊昌民[17]和姚菲[18]等為了研究預(yù)應(yīng)力混凝土橋孔道壓漿質(zhì)量的缺陷和混凝土-圍巖的不同缺陷，設(shè)計(jì)沖擊回波試驗(yàn)，提取反射信號(hào)時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，擬合出缺陷和頻率的關(guān)系式，可以精確地對(duì)缺陷進(jìn)行識(shí)別評(píng)估；魏保立[19]等建立了超聲波頻譜與混凝土疲勞損傷的關(guān)系，利用頻域分析方法對(duì)混凝土疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)；許延春[20]等采用超聲波波速測(cè)定試驗(yàn)，得到各類巖性的巖石縱波波速均隨著裂隙寬度的增大而減小的規(guī)律；蔣雨宏[21]設(shè)計(jì)了單軸壓縮作用下混凝土的超聲波測(cè)試試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)波速、主頻幅值、二階諧波幅值及非線性超聲參數(shù)與應(yīng)力均具有較好的相關(guān)性；高昊[22]等通過(guò)混凝土試件單軸壓縮超聲波試驗(yàn)，研究了養(yǎng)護(hù)齡期及試件尺寸對(duì)超聲波傳播速度的影響；陳升平[23]等通過(guò)對(duì)單軸壓縮下不同密實(shí)度的混凝土進(jìn)行超聲波測(cè)試，建立了波速與混凝土裂縫發(fā)展的關(guān)系。

上述研究通過(guò)超聲波測(cè)試得到超聲信號(hào)與混凝土缺陷有較高相關(guān)性的結(jié)論，但在早齡期巷旁充填混凝土承載性能超聲波時(shí)頻信號(hào)預(yù)測(cè)方面仍需進(jìn)一步研究。筆者以煤礦沿空留巷巷旁充填混凝土材料為研究對(duì)象，研究巷旁充填混凝土在達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度前( 即早齡期 )力學(xué)行為在超聲波信號(hào)上的響應(yīng)規(guī)律，提出基于超聲波主頻幅值的充填混凝土破壞失穩(wěn)前兆特征，為超聲波預(yù)測(cè)巷旁充填混凝土承載性能的研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件制備

以某礦3307工作面沿空留巷巷旁充填混凝土材料為研究對(duì)象，以水泥、碎石、河砂、減水劑、水為原材料按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際配比制備混凝土試件( 圖1 )，具體配比見(jiàn)表1。

圖1 充填混凝土試件Fig. 1 Backfilling concrete samples

表1 巷旁充填混凝土材料配比Table 1 Proportion of roadside backfilling concrete material

按照比例稱取石子、河砂和水泥，將其混合攪拌均勻后加入水和減水劑攪拌3 min。在長(zhǎng)方體模具( 300 mm×120 mm×100 mm )內(nèi)壁刷油，將攪拌好的混凝土倒入模具中并進(jìn)行振動(dòng)，確保混凝土試件密實(shí)，養(yǎng)護(hù)1周后，通過(guò)取芯機(jī)、切磨一體機(jī)加工制備50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件25個(gè)，采用磨床對(duì)試件的兩端進(jìn)行拋光，以保證試件的平整度和平行度。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

1.2.1電鏡掃描試驗(yàn)

巖石或混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)材料力學(xué)特性起關(guān)鍵作用[24]。對(duì)4種齡期充填混凝土試件取塊體小樣，并使用導(dǎo)電膠將其固定，為了增強(qiáng)混凝土導(dǎo)電性，對(duì)其表面進(jìn)行噴金處理，制作完成后，采用Quanta450 & IE250X-Max50掃描電子顯微鏡對(duì)充填混凝土小樣進(jìn)行微觀掃描。

1.2.2單軸壓縮試驗(yàn)

采用電液三軸伺服儀MTS815對(duì)混凝土試件進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，加載路徑為常規(guī)單軸加載，加載速率為0.005 mm/s。于試件養(yǎng)護(hù)7，14，21，28 d時(shí)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，每個(gè)齡期選取3個(gè)試件進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，同時(shí)采集試件加載過(guò)程中荷載變化、軸向以及徑向位移，數(shù)據(jù)采集頻率為2 Hz。

1.2.3超聲波測(cè)試試驗(yàn)

試驗(yàn)前，用KB型試件夾持測(cè)試架測(cè)得充填混凝土敏感頻率為140 kHz，因此以140 kHz的發(fā)射頻率測(cè)取超聲波在不同試件內(nèi)的傳播速度，剔除差異較大的試件，保證試件均一性。超聲波檢測(cè)系統(tǒng)包括波形發(fā)生器( KEYSIGHT 33500B Series )、高頻高壓放大器( ELECTRONICS A400DI )、示波器( KEYSIGHT DSOS054A )，系統(tǒng)采樣頻率40 MHz，承壓換能器頻率0～700 kHz，承壓峰值50 MPa，直徑50 mm，高55 mm。試驗(yàn)時(shí)，為了減少端部效應(yīng)并增強(qiáng)與超聲波探頭的耦合度，以凡士林為潤(rùn)滑劑涂抹在圓柱體試件的上下兩端，將超聲波承壓換能器垂直置于試件兩端，充填混凝土試件加載的同時(shí)采集超聲波數(shù)據(jù)。試件加載裝置及超聲波承壓換能器布設(shè)如圖2所示。

圖2 試件加載裝置及超聲波承壓換能器布設(shè)Fig. 2 Sample loading device and ultrasonic pressure transducer layout

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析

4種齡期充填混凝土試件放大5 000倍的微觀形貌如圖3所示。由圖3可知，7 d齡期時(shí)，試件水化產(chǎn)物水化硅酸鈣凝膠( C-S-H )只有零星分布在骨料周圍；14 d齡期時(shí)，試件水化產(chǎn)物有所增多，但骨料-水泥膠漿界面仍然薄弱；21 d齡期時(shí)，試件水化硅酸鈣凝膠達(dá)到一定數(shù)量且與骨料之間形成相互連接，增強(qiáng)了骨料-水泥膠漿界面強(qiáng)度，但存在較多孔隙；28 d齡期時(shí)，隨著水化反應(yīng)的繼續(xù)，大量水化硅酸鈣凝膠與骨料之間形成連接，試件孔隙明顯減少?？梢?jiàn)隨著齡期增長(zhǎng)，水化產(chǎn)物增多，填充了內(nèi)部孔隙，使混凝土中孔隙減小、孔隙率降低，內(nèi)部更致密，且水化產(chǎn)物與骨料之間形成連接，增強(qiáng)了骨料-水泥膠漿界面強(qiáng)度。

圖3 不同齡期充填混凝土電鏡掃描Fig. 3 Scanning electron microscope of backfilling concrete at different ages

2.2 破壞形態(tài)分析

混凝土試件在制作過(guò)程中雖然已經(jīng)通過(guò)振動(dòng)、搗鼓等方式減少了試件內(nèi)部氣泡所產(chǎn)生的孔隙，但仍不可避免地存在少許微孔隙。這些微孔隙經(jīng)過(guò)初期壓力作用后壓實(shí)閉合，在壓力的繼續(xù)作用下，微孔隙尖端發(fā)生應(yīng)力集中，孔隙繼續(xù)發(fā)育，并伴隨著新的裂隙產(chǎn)生，原生微孔隙與新裂隙不斷產(chǎn)生并積累，在此基礎(chǔ)上貫穿后形成宏觀裂隙面，造成試件整體破壞失穩(wěn)( 圖4 )。

圖4 充填混凝土試件失穩(wěn)模式示意Fig. 4 Backfilling concrete specimen instability mode

不同齡期充填混凝土破壞形態(tài)如圖5所示。

圖5 不同齡期充填混凝土破壞形態(tài)Fig. 5 Failure modes of backfilling concrete at different ages

由圖5可以看出，4種齡期充填混凝土最終破壞形態(tài)相似，試件表面有宏觀裂隙顯現(xiàn)，無(wú)塊體剝落，整體破碎程度較輕微。加載后，隨著齡期增長(zhǎng)，最終破壞形態(tài)宏觀裂隙發(fā)育程度相對(duì)更加劇烈，這是因?yàn)榭紫都拔⒘鸭y在壓力作用下形成微裂縫并迅速擴(kuò)展，孔隙越多越易使微裂縫之間相互連接貫通，更快造成充填體失穩(wěn)破壞。

2.3 力學(xué)參數(shù)分析

利用單軸壓縮試驗(yàn)，得到不同齡期充填混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 不同齡期充填混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig. 6 Relation of stress-strain of backfilling concrete at different ages

根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律可以得到其裂隙閉合應(yīng)力點(diǎn)σcc和損傷應(yīng)力點(diǎn)σcd，裂隙閉合應(yīng)力點(diǎn)σcc出現(xiàn)在17%～26%峰值應(yīng)力處，損傷應(yīng)力點(diǎn)σcd出現(xiàn)在78%～84%峰值應(yīng)力處。具體特征應(yīng)力點(diǎn)見(jiàn)表2，表中σc為峰值應(yīng)力。

表2 充填混凝土特征應(yīng)力點(diǎn)Fig. 2 Characteristic stress points of backfilling concrete at different ages

不同齡期充填混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比變化規(guī)律如圖7所示。隨著齡期從7 d增加到14 d，抗壓強(qiáng)度增大了43%，彈性模量增大了21%，泊松比減小了2%；14～21 d齡期抗壓強(qiáng)度增大了8.31%，彈性模量增大了7.78%，泊松比減小了0.76%；21～28 d齡期抗壓強(qiáng)度增大了5.32%，彈性模量增大了6.72%，泊松比減小了0.24%。

抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比與齡期的關(guān)系式為

式中，Rc為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；E為彈性模量，GPa；μ為泊松比；t為養(yǎng)護(hù)齡期，d。

單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比與齡期擬合曲線相關(guān)性系數(shù)分別為0.995，0.993和0.992 5，均大于0.990，二次多項(xiàng)式函數(shù)式可以較好地表征抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比與齡期的關(guān)系。由式( 1 )和圖7可知，充填混凝土單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨齡期呈非線性遞增趨勢(shì)，但增長(zhǎng)速度漸減并趨向收斂；泊松比隨齡期呈非線性遞減趨勢(shì)，整體降低幅度較小。結(jié)合前文充填混凝土破壞形態(tài)變化規(guī)律，表明隨齡期增長(zhǎng)充填混凝土水化反應(yīng)逐漸減弱，充填混凝土“脆性”增加。

圖7 不同齡期充填混凝土力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律Fig. 7 Variation of mechanical parameters of backfilling concrete at different ages

2.4 超聲波參數(shù)分析

當(dāng)混凝土中存在缺陷時(shí)，如空洞、蜂窩、混凝土粘結(jié)不良等，缺陷的聲阻抗不同，超聲波穿過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生繞射或是反射現(xiàn)象，一方面，傳播時(shí)間會(huì)不同程度地增大，導(dǎo)致波速開(kāi)始出現(xiàn)明顯下降；另一方面會(huì)使超聲波發(fā)生一定的頻散和衰減，導(dǎo)致超聲波頻率和振幅減小。

2.4.1超聲波時(shí)頻參數(shù)隨齡期變化規(guī)律

對(duì)4種不同養(yǎng)護(hù)齡期的充填混凝土試件進(jìn)行超聲波測(cè)試，設(shè)定超聲波發(fā)射頻率為140 kHz，測(cè)試后通過(guò)式( 2 )得到4種齡期充填混凝土超聲波波速值，并采用Origin軟件將超聲波接收信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換( FFT )，得到不同齡期充填混凝土試件初始頻譜，頻率最大值為主頻值，其對(duì)應(yīng)的振幅為主頻幅值。

超聲波波速、主頻幅值與齡期關(guān)系如式( 2 )和圖8所示。

圖8 充填混凝土超聲波參數(shù)隨齡期變化規(guī)律Fig. 8 Variation of ultrasonic parameters of backfilling concrete with age

式中，v為波速，m/s；A為主頻幅值，V。

波速和主頻幅值與齡期擬合曲線相關(guān)性系數(shù)分別為0.996 3，0.987 3，均大于0.987，多項(xiàng)式函數(shù)式可以較好地表征超聲波波速、主頻幅值與齡期的關(guān)系。由式( 2 )和圖8可知，波速與齡期呈非線性遞增關(guān)系，主頻幅值與齡期呈線性遞增關(guān)系。隨著齡期增長(zhǎng)混凝土材料內(nèi)水化產(chǎn)物逐漸增多，由于水化過(guò)程導(dǎo)致混凝土材料內(nèi)氣孔減少，內(nèi)部微孔隙由初期分布廣泛逐漸減少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸致密，頻散和衰減減弱，導(dǎo)致超聲波波速和主頻幅值增大。

頻率的變化是材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的綜合表征，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d時(shí)，超聲波主頻值為82 kHz，遠(yuǎn)小于發(fā)射頻率，超聲波衰減嚴(yán)重。隨著齡期增長(zhǎng)，超聲波主頻值增大，表明充填混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸致密化，同時(shí)28 d齡期時(shí)主頻值為123.01 kHz，未達(dá)到發(fā)射頻率140 kHz，說(shuō)明28 d齡期時(shí)試件內(nèi)部仍有一定的缺陷。

2.4.2超聲波主頻幅值隨應(yīng)力變化規(guī)律

超聲波主頻幅值的變化特征可表征混凝土的損傷狀態(tài)[25]，主頻幅值在單軸加載過(guò)程中的變化規(guī)律如圖9所示。

由圖9可知，不同齡期混凝土試件加載過(guò)程中超聲波主頻幅值隨應(yīng)變變化規(guī)律均呈現(xiàn)出“小幅波動(dòng)—持續(xù)上升—驟然下降”的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)比4種齡期主頻幅值變化，峰值應(yīng)力處主頻幅值大小均隨齡期增長(zhǎng)而減小，表明隨著齡期增長(zhǎng)，試件裂隙發(fā)育越劇烈，破碎時(shí)裂隙越多，破碎程度越高，與電鏡掃描分析結(jié)果吻合。以28 d齡期充填混凝土為例，根據(jù)主頻幅值曲線變化規(guī)律，可將主頻幅值在單軸壓縮過(guò)程中的變化近似分為3個(gè)階段：

小幅波動(dòng)階段：主頻幅值由0.424 V增長(zhǎng)到0.481 V，主頻幅值有較小波動(dòng)，這是由于初始?jí)好茈A段充填混凝土內(nèi)部微孔隙逐漸閉合，超聲波繞射或是反射現(xiàn)象減少。此時(shí)應(yīng)力σa為15%峰值應(yīng)力；

持續(xù)上升階段：主頻幅值由0.481 V增長(zhǎng)到1.119 V。此階段，充填混凝土內(nèi)部裂隙開(kāi)始萌生，但隨著應(yīng)力增加，裂隙不斷重復(fù)著“萌生—壓密—再發(fā)育”過(guò)程，主頻幅值大幅增加直至峰值，此時(shí)應(yīng)力σb為77%峰值應(yīng)力；

驟然下降階段：主頻幅值由1.119 V減小到0.401 V。隨著應(yīng)力繼續(xù)增大，充填混凝土內(nèi)部裂隙與裂隙間逐漸貫通，宏觀裂隙產(chǎn)生，超聲波頻散和衰減加強(qiáng)，主頻幅值大幅下降。此階段開(kāi)始后，充填混凝土裂隙快速發(fā)育并逐漸貫通直至試件整體失穩(wěn)破壞，則主頻幅值由穩(wěn)步上升到快速下降的轉(zhuǎn)折點(diǎn)可作為試件失穩(wěn)破壞的前兆信息。

2.4.3基于超聲波主頻幅值的特征應(yīng)力確定

根據(jù)2.4.2節(jié)中超聲波主頻幅值變化規(guī)律可知，在主頻幅值變化的3個(gè)階段內(nèi)，充填混凝土內(nèi)部裂隙發(fā)育程度有較大差異，基于此，定義峰前主頻幅值由較小波動(dòng)到穩(wěn)步上升的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為裂隙閉合應(yīng)力點(diǎn)σ'cc，穩(wěn)步上升到快速下降的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為損傷應(yīng)力點(diǎn)σ'cd。但需指出的是，由于制作過(guò)程中不可避免地人為導(dǎo)致不同試件內(nèi)存在少許氣泡，裂隙閉合應(yīng)力點(diǎn)σ'cc出現(xiàn)位置有較小差異，且由于未出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，σ'cc的確定仍存在一定主觀性?；诔暡ㄖ黝l幅值定義的特征應(yīng)力點(diǎn)見(jiàn)表3。

表3 基于主頻幅值確定的特征應(yīng)力點(diǎn)Fig. 3 Characteristic stress points based on amplitude of main frequency

基于超聲波主頻幅值確定的裂隙閉合應(yīng)力點(diǎn)σ'cc出現(xiàn)在12%～23%峰值應(yīng)力處，損傷應(yīng)力點(diǎn)σ'cd出現(xiàn)在77%～80%峰值應(yīng)力處。通過(guò)對(duì)比表2，超聲波確定的特征應(yīng)力點(diǎn)提前于應(yīng)力-應(yīng)變曲線確定的特征應(yīng)力點(diǎn)并誤差不大于5%，這是由于超聲波表征的細(xì)觀裂隙擴(kuò)展超前于應(yīng)變表征的宏觀變形，可見(jiàn)，超聲波主頻幅值可以較好地對(duì)巷旁充填混凝土裂隙擴(kuò)展進(jìn)行表征，表明了主頻幅值的極大值點(diǎn)可以作為巷旁充填混凝土失穩(wěn)破壞的前兆信息。

3 結(jié) 論

( 1 ) 通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)和電鏡掃描試驗(yàn)得出，隨著齡期增長(zhǎng)，充填混凝土材料單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量單調(diào)遞增，但增長(zhǎng)速度漸減并趨向收斂，泊松比呈非線性遞減，整體降低幅度較小，充填混凝土脆性增加。

( 2 ) 隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，充填混凝土試件內(nèi)部水化產(chǎn)物增多，原始微孔洞逐漸密實(shí)，更利于超聲波傳播，體現(xiàn)在超聲波參數(shù)變化上為波速、主頻值和主頻幅值逐漸增大。

( 3 ) 單軸荷載下，充填混凝土超聲波主頻幅值呈現(xiàn)“小幅波動(dòng)—持續(xù)上升—驟然下降”的變化趨勢(shì)，可將單軸壓縮過(guò)程分為3個(gè)階段，主頻幅值的極大值點(diǎn)可作為混凝土充填體破壞失穩(wěn)前兆信息。

( 4 ) 基于超聲波主頻幅值變化規(guī)律，提出利用主頻幅值變化定義裂隙閉合應(yīng)力點(diǎn)σ'cc及損傷應(yīng)力點(diǎn)σ'cd，超聲波確定的特征應(yīng)力點(diǎn)提前于應(yīng)力-應(yīng)變曲線確定的特征應(yīng)力點(diǎn)并誤差不大于5%。