基于聲發(fā)射的蒸養(yǎng)混凝土受壓損傷特性試驗(yàn)研究

劉偉琪，陳 波，陳家林

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

蒸汽養(yǎng)護(hù)是以蒸汽為熱介質(zhì)使混凝土加速硬化的養(yǎng)護(hù)方式，常用于混凝土預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)制造，能有效提高施工效率，縮短施工周期[1]。該工藝所具有的高溫、高濕條件能促進(jìn)水泥的水化速度，顯著提升混凝土早期強(qiáng)度，但也會(huì)造成材料內(nèi)部孔徑粗化、界面過渡區(qū)微裂縫增多等熱損傷效應(yīng)，不利于其長期服役性能[2-3]。為了減少蒸汽養(yǎng)護(hù)所造成的熱損傷效應(yīng)，許多學(xué)者研究了礦物摻合料對(duì)蒸養(yǎng)混凝土的影響。如趙晶等[4]探究了蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)摻加不同礦物摻合料混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗氯離子滲透性和水化產(chǎn)物的影響。閻培渝等[5]用粉煤灰和石英粉作為活性和惰性礦物摻合料，研究了不同水膠比、不同養(yǎng)護(hù)溫度下礦物摻合料對(duì)復(fù)合膠凝材料抗壓強(qiáng)度發(fā)展特性的影響。

在外界荷載作用下，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致了局域應(yīng)力狀態(tài)改變，釋放出瞬態(tài)的彈性波，這種常見的物理現(xiàn)象稱為聲發(fā)射或應(yīng)力波發(fā)射。不同于X射線、超聲波等外加信號(hào)源的檢測(cè)手段，現(xiàn)代聲發(fā)射技術(shù)收集的是來自材料內(nèi)部的應(yīng)力波，其具備同步、動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確、可靠等特點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)捕捉試件破壞全程發(fā)出的聲發(fā)射信號(hào)；通過分析振鈴計(jì)數(shù)、能量、幅值和峰值頻率等特征參數(shù)的變化，揭示其與材料破壞過程的關(guān)系，進(jìn)行對(duì)材料內(nèi)部損傷演化的無損監(jiān)測(cè)和損傷機(jī)理的評(píng)價(jià)[6]，并提出可靠合理的材料破壞前兆依據(jù)[7]，從而實(shí)現(xiàn)材料和工程安全的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)?；炷敛牧鲜芰ζ茐倪^程中微裂縫的萌生、擴(kuò)展以及宏觀裂縫的形成都伴隨著大量的聲發(fā)射事件。近年來聲發(fā)射技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和劣化評(píng)價(jià)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，眾多學(xué)者借助此技術(shù)深入探究了不同混凝土材料的破壞機(jī)理。例如：王立燕等[8]利用聲發(fā)射技術(shù)分析了普通水泥混凝土和橡膠水泥混凝土的疲勞損傷過程，比較了其疲勞性能；段力群等[9]借助聲發(fā)射技術(shù)對(duì)不同密度泡沫混凝土在單軸壓縮下的損傷演化進(jìn)行研究，并定位識(shí)別了其破壞模式。然而，將聲發(fā)射技術(shù)用于探究蒸養(yǎng)混凝土力學(xué)性能的研究較少。

本文選取標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)制度下?lián)郊雍臀磽降V物摻合料的180 d齡期混凝土作為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)得抗壓強(qiáng)度值，同時(shí)利用聲發(fā)射系統(tǒng)全面記錄加載過程中聲發(fā)射信號(hào)的變化。在此基礎(chǔ)上選取聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、b值等聲發(fā)射特征參數(shù)分析了混凝土試件在破壞過程中的破壞規(guī)律，并基于高斯混合模型(Gaussian mixture model,GMM)探究了聲發(fā)射值與裂紋形式之間的關(guān)系，對(duì)破壞過程中的兩類裂紋進(jìn)行聚類，分析了不同裂紋形式的變化過程。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料與配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，該水泥3 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別為16 MPa和42.5 MPa，抗折強(qiáng)度分別為3.5 MPa和6.5 MPa，初凝時(shí)間45 min，終凝時(shí)間600 min；粉煤灰為Ⅱ級(jí)低鈣粉煤灰；礦粉為S95級(jí)礦渣粉；粗骨料為碎石骨料，粒徑為5～25 mm；細(xì)骨料為天然中河砂，細(xì)度模數(shù)為2.5；減水劑為高效聚羧酸減水劑，減水率為28%。試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)見表1。

表1 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì) 單位：kg/m3

混凝土試件采用邊長100 mm 的立方體，并在澆筑成型后分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)。標(biāo)養(yǎng)溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度大于95%，試件成型1 d后拆模，養(yǎng)護(hù)至28 d。蒸養(yǎng)試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室靜置3 h后放入蒸汽養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，升溫速率為15～20 ℃/h，恒溫時(shí)間為12 h，養(yǎng)護(hù)溫度為60 ℃，降溫速率為15～20 ℃/h。蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束后脫模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d齡期。所有試件養(yǎng)護(hù)28 d結(jié)束后，從養(yǎng)護(hù)箱中取出并放置在室內(nèi)自然條件下養(yǎng)護(hù)至180 d。試件的制備流程如圖1所示。

圖1 試件制備流程

1.2 試驗(yàn)方法

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照GB/T 50107—2010《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》要求執(zhí)行，由WAW-1000微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)完成。每個(gè)系列試件均采用3個(gè)混凝土試件，并將同組試驗(yàn)結(jié)果取均值作為該類試件的抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)過程采用荷載控制的加載方式，為適當(dāng)控制試件壓縮破壞時(shí)間，更詳細(xì)準(zhǔn)確地分析破壞過程中的聲發(fā)射特征參數(shù)變化過程，經(jīng)過前期試驗(yàn)比較，最終確定加載速率為3 kN/s。

聲發(fā)射試驗(yàn)采用Sensor Highway Ⅲ全天候結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)同步完成。根據(jù)儀器調(diào)試結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)噪聲水平的測(cè)試結(jié)果，將前置放大器的增益設(shè)置為35 dB，門檻值設(shè)置為35 dB。為進(jìn)一步減少干擾并保證信號(hào)質(zhì)量，利用砂紙將傳感器與試件之間的接觸面進(jìn)行拋光處理，同時(shí)涂抹凡士林作為耦合劑。試驗(yàn)過程中將4根傳感器對(duì)稱布置在蒸養(yǎng)混凝土四周，如圖2所示。選擇與組內(nèi)平均抗壓強(qiáng)度值最接近的試件進(jìn)行后續(xù)聲發(fā)射特征參數(shù)分析。

圖2 單軸壓縮-聲發(fā)射試驗(yàn)加載裝置

2 基于聲發(fā)射特征參數(shù)的混凝土損傷過程分析

2.1 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)分析

聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)能夠代表聲發(fā)射的活躍程度，且與混凝土損傷程度之間具有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系[10]。圖3為各試件的單軸壓縮聲發(fā)射特征參數(shù)歷程(圖中對(duì)加載時(shí)間進(jìn)行了歸一化處理)。結(jié)合文獻(xiàn)[7,9,11-12]，將加載過程中的聲發(fā)射參數(shù)演變大致分為初始?jí)好?Ⅰ)、穩(wěn)定擴(kuò)展(Ⅱ)和失穩(wěn)破壞(Ⅲ)。

圖3 單軸壓縮聲發(fā)射特征參數(shù)歷程

比較應(yīng)力曲線可知，標(biāo)養(yǎng)試件BS的抗壓強(qiáng)度較蒸養(yǎng)試件ZS、ZK和ZF分別超出27.9%、25.8%和4.9%，說明蒸汽養(yǎng)護(hù)降低了混凝土的長期抗壓性能。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著粉煤灰和礦粉的加入，2種蒸汽養(yǎng)護(hù)制度下的抗壓強(qiáng)度差距逐漸縮小。相比強(qiáng)度最差的ZS試件，單摻礦粉的ZK試件和復(fù)摻粉煤灰及礦粉的ZF試件的抗壓強(qiáng)度分別提高了10.3%和22.1%。由此說明礦物摻合料能有效修復(fù)蒸汽養(yǎng)護(hù)導(dǎo)致的強(qiáng)度缺陷，且復(fù)摻粉煤灰和礦粉使得混凝土具有更好的蒸養(yǎng)適應(yīng)性[2,13]，對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升效果優(yōu)于單摻礦粉。

此外，聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與混凝土抗壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)?？箟簭?qiáng)度最高的BS試件，其累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)不足5×106次；而強(qiáng)度最低的ZS試件，其累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)超過9×106次，這是因?yàn)檎羝B(yǎng)護(hù)使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了熱損傷等缺陷，更容易導(dǎo)致微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，聲發(fā)射信號(hào)更加活躍。由于粉煤灰和礦粉對(duì)蒸養(yǎng)混凝土的強(qiáng)度補(bǔ)償，ZK和ZF試件的聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)均低于ZS試件，但仍高于BS試件，說明礦物摻合料的修復(fù)效果有限。

蒸養(yǎng)混凝土中，抗壓性能最好的ZF試件損傷程度也最小，尤其在初始?jí)好茈A段，聲發(fā)射活躍度很低且無大尺度能量躍遷，甚至優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土BS。這說明復(fù)摻粉煤灰及礦粉對(duì)于混凝土蒸養(yǎng)適應(yīng)性的改良效果明顯，形成了更為致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有效限制并減少了材料內(nèi)部初始微裂紋的形成與發(fā)展。

2.2 聲發(fā)射b值分析

b值是描述聲發(fā)射相對(duì)震級(jí)分布的參數(shù)，也是混凝土裂縫擴(kuò)展尺度分布的函數(shù)[14]?；炷良訅浩茐倪^程中，微裂縫的萌生伴隨著大量小振幅事件的發(fā)生，b值也相應(yīng)上升；而宏觀裂縫的產(chǎn)生會(huì)出現(xiàn)更多大振幅聲發(fā)射活動(dòng)，導(dǎo)致b值減小[15]。傳統(tǒng)的b值計(jì)算方法具有一定缺陷，故本文選用了改進(jìn)的b值進(jìn)行計(jì)算分析[16]：

(1)

式中：N為最近聲發(fā)射事件數(shù)，一般取50或100，本文取100；μ為N次聲發(fā)射事件中振幅的均值；σ為N次聲發(fā)射事件中振幅的標(biāo)準(zhǔn)方差；α1、α2為常數(shù)，分別取為0和1。

由圖4可知，在初始?jí)好茈A段，小振幅聲發(fā)射事件占較大比例，b值小范圍增加，出現(xiàn)第一個(gè)峰值，隨著試件不斷被壓密，試件內(nèi)部空隙和微裂縫基本閉合，聲發(fā)射活動(dòng)加劇，b值從峰值逐漸減小。

圖4 不同試件的聲發(fā)射b值

進(jìn)入穩(wěn)定擴(kuò)展階段，b值首先出現(xiàn)較長時(shí)間的緩慢波動(dòng)上升，說明該階段內(nèi)部裂紋穩(wěn)定出現(xiàn)和發(fā)展，應(yīng)變能平穩(wěn)積聚，聲發(fā)射活動(dòng)絕大多數(shù)為小振幅事件，大尺度裂縫較少出現(xiàn)。隨后b值增速加快，并達(dá)到加載全程的最高點(diǎn)，表征試件內(nèi)部微小裂縫的數(shù)量和發(fā)育程度達(dá)到了極值。

隨著荷載越來越大，大尺度裂紋開始出現(xiàn)和發(fā)展，大振幅聲發(fā)射事件短時(shí)間內(nèi)集中產(chǎn)生，導(dǎo)致b值發(fā)生驟降，預(yù)示著混凝土損傷程度迅速加劇，即將發(fā)生失穩(wěn)破壞。由此可見，b值的變化具有明顯規(guī)律性，直觀反映了混凝土內(nèi)部裂紋發(fā)展的過程，其突變能夠作為重要前兆來預(yù)測(cè)混凝土的宏觀破壞。

4個(gè)系列試件的b值變化歷程均符合上述規(guī)律，呈現(xiàn)出“緩慢遞減—波動(dòng)上升—驟然下降”的演變趨勢(shì)，但在各階段有較為明顯的差異?，F(xiàn)以BS試件b值變化曲線為參照，分析比較蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土系列通過b值表現(xiàn)出的損傷特性。其中，ZS試件的b值變化幅度最為劇烈，具體表現(xiàn)為加壓前期b值即從較高點(diǎn)發(fā)生了較大速率和幅度的下降；隨后b值又以較快速率持續(xù)上升，增長幅度為全系列最大，最后發(fā)生失穩(wěn)破壞用時(shí)亦為全系列最短，這表明蒸汽養(yǎng)護(hù)劣化了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)沒有礦物摻合料對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行修復(fù)，因此其自然狀態(tài)下分布有更多微裂紋，長期性能最差。ZK試件的b值變化趨勢(shì)與BS試件較為相似，且比ZS試件更為平緩，說明單摻礦粉對(duì)裂紋的發(fā)展起到了抑制作用。ZF試件的b值變化趨勢(shì)最為平緩，一方面，其加載前期b值浮動(dòng)范圍相對(duì)最小，說明該階段聲發(fā)射信號(hào)活度較低，內(nèi)部微裂紋很少，這與上文所述初始?jí)好茈A段稀少的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)相呼應(yīng)；另一方面，失穩(wěn)破壞階段b值的減少相對(duì)其他試件而言略顯平緩，反映出ZF試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)抵抗變形和裂紋發(fā)展的能力較好，由小尺度裂紋向大尺度宏觀裂紋轉(zhuǎn)變的過程較為緩慢。由此可見，粉煤灰和礦渣的復(fù)合摻加較大程度上提高了蒸養(yǎng)混凝土抗劣化的能力。

3 基于GMM的混凝土損傷模式識(shí)別

上述聲發(fā)射特征參數(shù)能夠有效對(duì)混凝土單軸壓縮的破壞過程進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)其損傷尺度和演化歷程，但并不能區(qū)分混凝土受壓過程的損傷模式。傳統(tǒng)的混凝土損傷模式識(shí)別通常采用日本混凝土材料協(xié)會(huì)提出的RA-AF值關(guān)聯(lián)分析法。該方法中的2個(gè)參數(shù)：RA為上升時(shí)間與幅度的比值，AF為振鈴計(jì)數(shù)與持續(xù)時(shí)間的比值?；赗A和AF，可將混凝土單軸受壓的損傷模式分為張拉破壞和剪切破壞2種，其中張拉破壞對(duì)應(yīng)較高的AF值和較低的RA值；剪切破壞反之[17-18]。傳統(tǒng)定性方法是研究者人為規(guī)定一條分界線，位于分界線之下的部分為剪切破壞，分界線之上的部分為張拉破壞，該方法難以消除主觀性，故本文嘗試采用更為有效的確定性分類方法對(duì)裂縫形式進(jìn)行劃分。

GMM是一種概率密度估計(jì)算法，通過多個(gè)高斯概率密度分布對(duì)樣本進(jìn)行精確量化，判斷樣本數(shù)據(jù)在哪種分布下的最大似然概率最大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣本的分類。聲發(fā)射信號(hào)是大量非線性的隨機(jī)數(shù)據(jù)[19]，利用聲發(fā)射參數(shù)對(duì)2類裂紋的分類本質(zhì)上是對(duì)參數(shù)的二維聚類，因此樣本數(shù)據(jù)的建模復(fù)雜度較小，且對(duì)應(yīng)的模型精度較高，故本文選擇GMM進(jìn)行混凝土損傷模式識(shí)別。GMM參數(shù)由最大期望算法進(jìn)行迭代計(jì)算，保證每一個(gè)聲發(fā)射事件點(diǎn)在聚類結(jié)果中的分布概率最大。圖5為不同混凝土聲發(fā)射事件的GMM聚類分析結(jié)果，圖6以三維云圖的方式給出了其高斯概率分布。

圖5 各試件GMM高斯混合模型聚類結(jié)果

圖6 各試件高斯概率密度分布

由圖5可知，各類試件的單軸壓縮破壞過程都是張拉破壞與剪切破壞并存，但都以張拉破壞為主導(dǎo)，剪切破壞只占較小比例。這主要是由于試件無四周的橫向約束，受壓過程中產(chǎn)生大量微裂縫，橫向膨脹產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過了抗拉強(qiáng)度而破壞。而剪切裂縫主要產(chǎn)生于微裂縫貫通后的滑移和摩擦中，其出現(xiàn)意味著試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大損傷，因此數(shù)量相對(duì)較少。在各試件破壞形式占比的對(duì)比中，標(biāo)養(yǎng)混凝土BS試件張拉形式的破壞占比達(dá)到93.12%，為全系列最高，而剪切破壞只占6.88%；蒸養(yǎng)混凝土中，隨著摻合料的加入，混凝土的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能得到改善，張拉破壞占比依次提高，而剪切破壞占比依次減少。因此不同破壞形式的占比可視為表征混凝土力學(xué)性能的間接指標(biāo)，也為建立聲發(fā)射參數(shù)與混凝土損傷之間的關(guān)系提供了新方向。

圖7以ZF試件為例，給出了基于GMM算法得到的破壞形式變化過程。受壓破壞全程中，張拉破壞占比始終占據(jù)90%以上的主導(dǎo)地位，且張拉裂紋的數(shù)量始終都超過剪切破壞一個(gè)數(shù)量級(jí)。但隨著加載過程的推進(jìn)，試件不斷發(fā)生損傷，高RA值的聲發(fā)射事件增多，試件剪切破壞的占比遞增，在前中期增長速度不明顯，進(jìn)入后期之后，聲發(fā)射b值持續(xù)下降，剪切裂紋所占比例快速上升，最終達(dá)到7.62%，表明試件內(nèi)部剪切裂紋越來越多，大量微裂紋貫通形成宏觀破壞面[20]。因此，基于GMM的裂紋形式占比演化過程與聲發(fā)射b值的變化具有內(nèi)在聯(lián)系，都能夠反映混凝土試件的破壞過程。

圖7 ZF試件單軸壓縮破環(huán)形式變化過程

4 結(jié) 論

a.蒸汽養(yǎng)護(hù)明顯劣化了混凝土的力學(xué)性能，在未摻加礦物摻合料的情況下，抗壓強(qiáng)度下降了約21.9%。添加礦物摻合料能夠有效改善蒸養(yǎng)混凝土的力學(xué)性能，且復(fù)摻粉煤灰和礦粉比單摻礦粉的強(qiáng)度補(bǔ)償效果更好，抗壓強(qiáng)度較不摻提升22.1%，但無法完全彌補(bǔ)強(qiáng)度損傷。

b.聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與抗壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，可以表征混凝土的損傷程度。無摻合料蒸養(yǎng)混凝土的振鈴計(jì)數(shù)變化過程最為劇烈，累計(jì)計(jì)數(shù)最多；隨著摻合料的加入，各階段振鈴計(jì)數(shù)變化的劇烈程度都得以緩和，累計(jì)計(jì)數(shù)遞減，該變化印證了混凝土抗壓性能的差異。

c.b值的變化反映了混凝土內(nèi)部裂紋尺度的變化過程，其突變能夠作為重要前兆來預(yù)測(cè)混凝土的宏觀破壞。復(fù)摻粉煤灰和礦粉的ZF試件b值變化相對(duì)平緩，說明其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密，限制了小尺度和大尺度裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

d.GMM算法結(jié)果表明不同試件最終破壞時(shí)剪切裂紋的占比與抗壓強(qiáng)度成反比。ZF試件受壓破壞過程中張拉裂縫占比始終超過90%，而剪切裂縫占比隨加載過程推進(jìn)而上升，且增速在失穩(wěn)破壞階段最大，故剪切破壞占比的變化能夠表征混凝土損傷劣化的程度。