鋼纖維再生粗骨料混凝土受壓聲發(fā)射特性與損傷演化

崔正龍， 費海超， 孫萬吉， 李正元

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

進入21世紀隨著舊房拆遷改造，混凝土固體廢棄物的數(shù)量也在不斷增加[1-2]，但資源化利用率非常低，其后果必然導(dǎo)致天然骨料資源不斷減少[3-4]，解決建筑垃圾的處理和資源化利用刻不容緩。將這些廢棄混凝土加以處理后作為骨料重新使用，不僅可以“變廢為寶”，實現(xiàn)廢舊混凝土資源化利用，還能夠有效緩解混凝土原材料緊缺這一現(xiàn)狀，減少天然骨料開采。隨著加快生態(tài)文明建設(shè)的提出，混凝土固體廢棄物的循環(huán)利用符合綠色混凝土的總體方向[5-6]。

聲發(fā)射(acoustic emission, AE)是在外荷載作用下，因材料局部受力破壞，以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象[7]。1959年Rusch首次將聲發(fā)射技術(shù)用于混凝土中[8]。

在研究鋼纖維混凝土方面，王春來等[9]建立了鋼纖維體積分數(shù)的混凝土損傷本構(gòu)模型；薛云亮等[10]建立了考慮損傷閥值影響的鋼纖維混凝土損傷本構(gòu)模型；賀一軒等[11]利用鋼纖維對混凝土進行改性；Chi等[12]提出了纖維混凝土的流動法則與加載面相關(guān)的塑性損傷模型。上述學(xué)者是從材料外部宏觀表征來分析鋼纖維混凝土內(nèi)部的損傷規(guī)律，且研究鋼纖維再生混凝土相關(guān)文獻較少。再生混凝土內(nèi)部的復(fù)雜性決定了以往的研究方法具有一定的局限性，而聲發(fā)射技術(shù)能夠有效克服這一局限性，從材料內(nèi)部出發(fā)，從本質(zhì)上闡釋鋼纖維再生混凝土的損傷演化過程。試驗基于C30鋼纖維再生粗骨料混凝土(再生粗骨料取代率(0、100%)及鋼纖維摻量(體積率0、0.8%、1.5%))，結(jié)合聲發(fā)射特征參數(shù)和應(yīng)力-應(yīng)變曲線來描述軸壓鋼纖維再生粗骨料混凝土的損傷演化規(guī)律，為鋼纖維再生粗骨料混凝土的實際工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試 驗

1.1 原材料準(zhǔn)備

鋼纖維：波浪剪切型纖維(長為38.0 mm，直徑為1.1 mm，長徑比為34.5)；再生粗骨料：拆遷某工廠樓板產(chǎn)生的廢棄混凝土塊，經(jīng)反復(fù)破碎篩分后粒徑調(diào)整為4.75～26.50 mm；天然粗骨料：4.75～26.55 mm花崗巖類碎石，連續(xù)級配；天然細骨料：0.16～4.75 mm河砂，潔凈，中砂(細度模數(shù)2.75)；水泥：大鷹牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥；減水劑：萘系高性能減水劑；水：普通自來水。使用原材料的基本物理、力學(xué)性能如表1所示。

表1 粗、細骨料的基本性質(zhì)Tab.1 Basic properties of coarse and fine aggregates

1.2 混凝土配比設(shè)計

試驗以再生粗骨料(質(zhì)量取代率0、100%)及鋼纖維摻量(體積率0、0.8%、1.5%)為變數(shù)，設(shè)計了C30混凝土。試驗時為了不影響施工和易性能，拌合前根據(jù)再生粗骨料一小時吸水率對其進行提前潤濕?；炷猎嚰缦拢涸偕止橇先〈蕿?，鋼纖維摻量(體積率0、0.8%、1.5%)，編號分別為NSF0、NSF0.8、NSF1.5，再生粗骨料取代率為100%，纖維摻量(體積率0、0.8%、1.5%)，編號分別為RSF0、RSF0.8、RSF1.5，具體配合比及28d圓柱體試件抗壓強度見表2。

1.3 試驗設(shè)計

C30圓柱體混凝土試件(NSF0、RSF0、NSF0.8、RSF0.8、NSF1.5、RSF1.5)，尺寸為150 mm×150 mm×300 mm。為了避免圓柱體試件出現(xiàn)較大的離散型，每組各制備了3個試件，試驗取中間值試件作為代表性試件。聲發(fā)射設(shè)備采用北京軟島時代科技有限公司的DS5-8B聲發(fā)射系統(tǒng)，經(jīng)過斷鉛試驗調(diào)試，合理設(shè)置聲發(fā)射采集信號的參數(shù)，信號采集門檻：40 dB，采樣頻率：3 MHz，放大器增益：40 dB。壓力機采用濟南時代試金有限公司YAW-2000D電液伺服萬能壓力試驗機，本試驗采用位移控制方式，速率為0.2 mm/min，在試件損傷破壞過程中采集荷載、應(yīng)變及聲發(fā)射特征參數(shù)。試件加載過程聲發(fā)射試驗裝置布置如圖1所示。

圖1 聲發(fā)射試驗裝置布置Fig.1 Arrangement of acoustic emission test device

2 結(jié)果與分析

2.1 鋼纖維再生粗骨料混凝土試件AE特征參數(shù)歷程圖

試驗基于鋼纖維再生粗骨料混凝土AE信號歷程圖，結(jié)合應(yīng)力-應(yīng)變特征關(guān)系，分析六組試件的損傷過程。混凝土聲發(fā)射參數(shù)歷程與應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系由圖2、圖3所示。受壓損傷破壞過程總體上分為四個階段：

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)圖2 能量計數(shù)與應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖Fig.2 Energy count and stress-strain diagram

(a)

(b)圖3 累計撞擊計數(shù)與應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖Fig.3 Cumulative hit count and stress-strain diagram

微裂縫起裂階段(0<ε<0.05%)：鋼纖維和混凝土共同承受荷載，混凝土內(nèi)部原始缺陷處(如再生粗骨料混凝土新舊砂漿界面過渡區(qū)原始存在的細微裂縫)開始出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，一部分原始細微裂縫開始延伸或擴展，但變化不明顯，監(jiān)測系統(tǒng)開始接收微弱的聲發(fā)射信號，此時聲發(fā)射特征參數(shù)(能量計數(shù)、撞擊計數(shù))相對較小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本上接近線彈性關(guān)系。隨著繼續(xù)加載，應(yīng)變達到混凝土開裂的初裂應(yīng)變時,內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)裂變，聲發(fā)射信號開始活躍，能量計數(shù)與撞擊計數(shù)也隨即增多，此時橫跨裂縫的鋼纖維將繼續(xù)傳遞應(yīng)力，保持相對穩(wěn)定。這與裂縫擴展較快的未摻鋼纖維混凝土試件有著本質(zhì)性區(qū)別，隨著鋼纖維摻量的增加，對混凝土的阻裂效應(yīng)更加顯著。

裂縫穩(wěn)定擴展階段(0.05%<ε<0.25%)：隨著持續(xù)加載，細微裂縫進一步擴張，開始從砂漿與骨料的界面過渡區(qū)逐漸向砂漿內(nèi)部擴散，一些較短的微裂縫彼此連接發(fā)展成較長裂縫，同時不斷有新的裂縫產(chǎn)生，聲發(fā)射信號活躍程度越發(fā)明顯，能量計數(shù)與撞擊計數(shù)持續(xù)增加。應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐步進入非線性發(fā)展階段，加載過程中未聽見碎裂聲。六組試件在應(yīng)變0.2%～0.25%左右能量與應(yīng)力幾乎同時達到峰值。與普通混凝土相比，再生粗骨料混凝土試件在較小的應(yīng)變時，聲發(fā)射信號更活躍，能量計數(shù)，撞擊計數(shù)相對更富集。其原因在于，再生骨料表面附帶較多舊水泥砂漿，使骨料與新舊砂漿界面交接處粘結(jié)力較差，導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生時間更早于普通混凝土試件。鋼纖維的摻入一定程度上提高了混凝土的極限壓應(yīng)力(對比NSF0，NSF0.8、 NSF1.5分別提高了5.1%和6.9%；對比RSF0，RSF0.8、 RSF1.5分別提高了6.5%和10.0%)，更重要的作用是起到了增韌的效果，使試件整體表現(xiàn)出裂而不散的特征。

宏觀裂縫急速擴展階段(0.25%<ε<0.40%)：峰值應(yīng)力后隨應(yīng)變的持續(xù)增加，可以觀察到宏觀裂縫不斷出現(xiàn)，聲發(fā)射信號活躍程度急速下降，能量計數(shù)、撞擊計數(shù)與承載能力也明顯降低，試驗過程中可聽到明顯的碎裂聲。隨著鋼纖維摻量的增加，承載力的下降幅度有所平緩，聲發(fā)射信號也有所減小。

塑性破壞階段(ε>0.4%)：試件進入軟化衰減階段，宏觀裂縫相互貫通，聲發(fā)射信號重新回歸到微弱階段，能量計數(shù)、撞擊計數(shù)與承載力下降趨勢逐漸平緩，直至試件完全破壞。最終鋼纖維混凝土沒有明顯的壓碎或崩落現(xiàn)象，試件整體保持一定的完整性。

2.2 鋼纖維再生粗骨料混凝土聲發(fā)射損傷定位分析

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)圖4 混凝土試件聲發(fā)射損傷定位圖Fig.4 Acoustic emission damage location diagram of concrete specimens

2.3 鋼纖維再生粗骨料混凝土損傷模型

2.3.1 損傷模型的建立

根據(jù)Lemaitre等[14]基于材料損傷過程的損傷模型理論，混凝土單軸受壓過程中，名義應(yīng)力作用在持續(xù)損傷試件上的應(yīng)變與實際應(yīng)力作用在無損傷試件上的應(yīng)變相同，具體表示為

σ*=σ(1-D)=Eε

(1)

式中：σ*為混凝土的名義應(yīng)力(MPa);σ為混凝土的有效應(yīng)力(MPa);E為混凝土彈性模量(MPa);D為混凝土損傷變量。

將損傷變量定義為試件中已經(jīng)破壞的界面微元體數(shù)目與所擁有的總界面微元體數(shù)目之比。再生混凝土損傷分為兩個階段，第一階段為初始損傷，即加載前再生粗骨料存在的原始缺陷，且隨再生粗骨料取代率的增加而變大，隨鋼纖維體積率的增加而變小。由損傷力學(xué)理論可知，混凝土材料內(nèi)部的劣化程度可以由其宏觀力學(xué)性能進行表征，因此再生混凝土取代率為r，鋼纖維摻量體積率為v的初始損傷變量設(shè)為D1

(2)

式中：Erv為再生混凝土取代率為r;鋼纖維摻量體積率為v的彈性模量;E0為未摻鋼纖維的天然混凝土彈性模量。

第二階段的損傷變量在再生混凝土承受載荷作用過程中形成發(fā)展，根據(jù)等價應(yīng)變原理，不同鋼纖維摻量再生混凝土的本構(gòu)關(guān)系為

σ=Ervε(1-D2)

(3)

將式(2)代入式(3)得到優(yōu)化后的再生混凝土受壓過程中應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

σ=E0ε(1-D1)(1-D2)

(4)

其中再生混凝土總損傷變量表示為

D=D1+D2-D1D2

(5)

假定混凝土材料的微元強度服從Weibull分布，Weibull分布下微元強度的概率密度為

(6)

式中,m、α為Weibull分布函數(shù)中的參數(shù)。

微元體失效具有隨機性，對上述Weibull分布函數(shù)進行積分，可得受荷載時再生混凝土產(chǎn)生的損傷變量D2和試件微元失效的概率密度之間的關(guān)系

(7)

聯(lián)立式(2)、(5)、(7)得到不同取代率、不同鋼纖維摻量再生混凝土的損傷模型

(8)

將式(7)代入式(3)得到不同取代率鋼纖維再生混凝土的本構(gòu)模型

(9)

Heiple等[15-16]用AE技術(shù)研究了材料損傷演化過程，發(fā)現(xiàn)AE撞擊計數(shù)與材料中界面破壞和基體損傷釋放的應(yīng)變能成正比，能夠有效地反映材料性質(zhì)的變化。通過對本試驗結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射撞擊計數(shù)與試件內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展密切相關(guān)。根據(jù)不同粗骨料取代率鋼纖維再生混凝土試件在加載過程中的聲發(fā)射累計撞擊計數(shù)，通過Boltzmann函數(shù)對再生粗骨料混凝土試件累積撞擊計數(shù)與應(yīng)變之間的關(guān)系進行擬合

(10)

式中：ε是應(yīng)變;Nrv為再生混凝土取代率為r;鋼纖維摻量體積率為v的累計撞擊計數(shù)，參數(shù)A1、A2、B和C通過擬合獲得。結(jié)果表明，整體擬合效果較好，各組試件擬合后得到的參數(shù)A1、A2、B、C以及R2,如表3所示。

表3 擬合參數(shù)Tab.3 Fitting parameters

聯(lián)立式(8)和式(10)得到不同取代率鋼纖維再生混凝土試件聲發(fā)射累計撞擊計數(shù)與損傷變量之間的函數(shù)表達式

(11)

因建立的鋼纖維再生混凝土損傷、本構(gòu)模型具有m、α兩個未知參數(shù)，為了確定參數(shù)的取值，取應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值點(εP，σP)，此處滿足ε=εP，σ=σP，將其代入式(11)得到

(12)

對式(12)進行求導(dǎo)得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率與應(yīng)變發(fā)展的關(guān)系

(13)

達到峰值應(yīng)力時曲線斜率為0，由此得到

(14)

聯(lián)立式(12)、(14)得到

(15)

(16)

將試驗得到的各組試件峰值應(yīng)力、應(yīng)變分別代入式(15)、(16)中，得到各組所對應(yīng)的參數(shù)m、α的值見表4所示。

表4 Weibull分布參數(shù)Tab.4 Weibull distribution parameters

根據(jù)圓柱體試件在軸心受壓加載過程中的聲發(fā)射累計撞擊計數(shù)，分別對不同取代率、不同鋼纖維摻量再生粗骨料混凝土試件的位錯、滑移和破壞過程進行損傷演化分析，將試驗測得的各組試件的Erv、ε和擬合參數(shù)m、α代入(8)得到應(yīng)變與損傷變量之間的關(guān)系曲線,如圖5所示。

(a)

(b)圖5 試件的損傷變量-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.5 The damage variable-strain curve of specimens

從圖5可以看出，隨著鋼纖維摻量的增加，無論是普通混凝土還是再生混凝土的初始損傷變量均減小，在相同鋼纖維摻量下再生混凝土的初始損傷變量要大于普通混凝土，且鋼纖維普通混凝土損傷變量出現(xiàn)負值。其主要原因在于，再生混凝土試件在前期受壓時因混凝土內(nèi)部存在各種缺陷(如再生粗骨料自身的缺陷、新舊砂漿界面過渡區(qū)黏結(jié)力差等)，鋼纖維摻入一方面降低了基體的自由膨脹率，亂向隨機分布的鋼纖維對混凝土的膨脹產(chǎn)生約束作用，另一方面鋼纖維在混凝土中起到了“微筋”的作用，兩種作用疊加，使基體初始損傷變量變小。各組試件的損傷變量發(fā)展過程呈現(xiàn)出在較小應(yīng)力時損傷變量發(fā)展較快，當(dāng)試件進入塑性階段，損傷變量發(fā)展趨勢變緩。

2.3.2 模型的驗證

不同鋼纖維摻量、不同再生粗骨料取代率圓柱體混凝土試件單軸受壓應(yīng)力與應(yīng)變試驗值與模型計算式(11)對比結(jié)果如圖6所示。從驗證結(jié)果可以看出，所建立的鋼纖維再生粗骨料混凝土損傷模型的可靠性較高。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)圖6 試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線擬合結(jié)果Fig.6 Fitting results of stress-strain curve of specimen

3 結(jié) 論

(1) 不同摻量鋼纖維再生粗骨料混凝土軸心受壓過程中聲發(fā)射特征參數(shù)與結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷聯(lián)系緊密。通過不同應(yīng)力階段的聲發(fā)射損傷定位圖能夠清晰地看出不同摻量再生粗骨料混凝土內(nèi)部裂縫的形成與發(fā)展過程，接近峰值應(yīng)力的損傷定位圖與試件最終破壞位置大致相符。

(2) 基于聲發(fā)射累計撞擊計數(shù)建立的混凝土損傷模型可用于分析不同鋼纖維摻量、不同再生粗骨料取代率混凝土在軸心受壓下的損傷演化規(guī)律。損傷演化過程可分為微裂縫起裂階段、裂縫穩(wěn)定擴展階段、宏觀裂縫急速擴展階段以及塑性破壞階段。

(3) 基于Weibull分布函數(shù)，結(jié)合累計撞擊計數(shù)得出模型的理論應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨勢與試驗過程得到的曲線趨勢相近，能夠較合理地反映鋼纖維再生粗骨料混凝土的損傷演化過程。