纖維增強(qiáng)混凝土韌性及聲發(fā)射特征分析

胡浩聰,劉娟紅,王金安

(北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院,北京 100083)

隨著礦產(chǎn)資源向深部開(kāi)采的持續(xù)推進(jìn),地表位移、變形愈發(fā)復(fù)雜,開(kāi)采影響區(qū)范圍內(nèi)建筑物的穩(wěn)定性嚴(yán)重降低。以撫順市為例,撫順市是典型的煤炭資源型城市,由于特殊的地質(zhì)環(huán)境和長(zhǎng)期的煤炭開(kāi)采活動(dòng),西露天礦影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了地裂縫、地表變形等嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害,大量建筑物發(fā)生開(kāi)裂和破壞[1]。針對(duì)此類現(xiàn)象,研制新型韌性纖維增強(qiáng)混凝土來(lái)抵御地表變形對(duì)影響區(qū)內(nèi)建筑物的損害具有重要意義。

為了提高混凝土的強(qiáng)度,改善抗裂性,增強(qiáng)混凝土的韌性,國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷探索提高混凝土性能、研發(fā)新材料并擴(kuò)大其使用范圍和適用條件[2]。以往的研究表明[3-5],纖維可以有效地抑制混凝土中裂紋的擴(kuò)展,增加變形能,提高韌性,將危害較大的脆性破壞轉(zhuǎn)為延性破壞。纖維混凝土中常用的纖維種類有鋼纖維(SF)、聚丙烯纖維(PP)、玻璃纖維、纖維素纖維、聚乙烯醇纖維(PVA)等。其中,鋼纖維、聚丙烯纖維混凝土憑借施工便捷、性能優(yōu)良、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)廣泛運(yùn)用。鋼纖維屬于高彈性模量纖維,具有傳遞荷載和抑制裂縫擴(kuò)展的能力,能夠顯著提高混凝土的抗裂、抗拉伸和增韌性能。已有研究表明,鋼纖維的抗裂效應(yīng)減輕了混凝土接近破壞時(shí)的裂縫擴(kuò)展,使混凝土在開(kāi)裂后保持一定的強(qiáng)度和變形能力。這種增韌效應(yīng)被認(rèn)為與鋼纖維的彈性模量、拉伸強(qiáng)度和界面黏結(jié)強(qiáng)度密切相關(guān)[6]?；炷聊Y(jié)硬化初期的初級(jí)裂縫和缺陷對(duì)混凝土性能有較大的影響,在混凝土中摻入聚丙烯纖維可以有效地控制伸縮變形干燥收縮、溫度變化等因素引起的早期裂縫。這種抑制裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的方法大幅提高了混凝土的韌性、抗裂性[7]。韌性表現(xiàn)為能量吸收的能力,鄧明科等[8]研究得出含PVA的高延性纖維混凝土的等效抗壓韌性指數(shù)反映了試件單軸受壓時(shí)單位體積的變形能。蘇駿等[9]研究超高韌性水泥基復(fù)合材料(UHTCC)中PVA纖維體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1.0%時(shí),其等效抗壓韌性最大,常溫下相對(duì)于普通混凝土提升19.07%。ZHANG等[10]評(píng)價(jià)了纖維對(duì)纖維增強(qiáng)地質(zhì)聚物混凝土(FRGPC)彎曲韌性改善的影響,極限韌性(L/75)可以真實(shí)地反映FRGPC的能量吸收能力。彎曲韌性評(píng)價(jià)方法主要有依賴于初裂點(diǎn)和不依賴初裂點(diǎn)的方法。前者包括美國(guó)ASTM C1018—1985方法和中國(guó)CECS 13—2009方法等,此類方法能較好地反映纖維種類、體積摻量等對(duì)韌性的影響,但初裂點(diǎn)難以確定影響韌性計(jì)算的精度。后者包括美國(guó)ASTM—C1069方法、中國(guó)JG/T 472—2015方法和日本JSCE SF—4方法等,此類方法計(jì)算簡(jiǎn)便,避免了初裂點(diǎn)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,但無(wú)法區(qū)分纖維和基體各自對(duì)韌性的貢獻(xiàn)。由于混凝土的運(yùn)用廣泛,韌性方法不能完全適用各類混凝土,LI等[11]建立了一種新的評(píng)價(jià)體系可以定量地測(cè)量纖維對(duì)峰前、峰后韌性的影響。該方法特別適用于大峰值撓度或撓度硬化行為的纖維增強(qiáng)混凝土(FRC)的彎曲韌性評(píng)價(jià)。根據(jù)新的韌性評(píng)定方法,微鋼纖維能顯著提高混凝土開(kāi)裂后的韌性和承載能力,蘇駿等[12]針對(duì)超低溫作用下的超高韌性水泥基復(fù)合材料提出了一種峰后韌性評(píng)價(jià)方法,可以分析溫度變化對(duì)抗彎性能的影響。建立不同評(píng)價(jià)體系的目的是研究特定撓度下彎曲韌性的水平,但大多數(shù)情況下只能滿足與研究相關(guān)的混凝土韌性評(píng)價(jià),對(duì)其他混凝土適用性較低,而聲發(fā)射信號(hào)可以有效檢測(cè)混凝土損傷過(guò)程,篩選特定撓度,確定初裂點(diǎn)和韌性評(píng)價(jià)中的特征失效點(diǎn)。TRIANTIS等[13]通過(guò)聲發(fā)射信號(hào)研究FRC宏觀斷裂之前的損傷過(guò)程,FRIEDRICH等[14]提出了一種分離聲發(fā)射信號(hào)的方法,分析了玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(GFRP)的特征失效和損傷演化規(guī)律。因此,建立聲發(fā)射損傷特征與韌性的關(guān)系,有助于推動(dòng)混凝土韌性評(píng)價(jià)普遍適用性的發(fā)展。

筆者通過(guò)研究相同體積摻量下,不同纖維種類對(duì)C40、C50兩種強(qiáng)度的混凝土力學(xué)性能和韌性指標(biāo)的影響,對(duì)FRC的抗壓韌性、抗彎韌性進(jìn)行評(píng)價(jià),并通過(guò)聲發(fā)射試驗(yàn)研究微裂縫產(chǎn)生、發(fā)展和拉伸剪切裂紋的發(fā)展規(guī)律,改善現(xiàn)有彎曲韌性評(píng)價(jià)方法,未來(lái)可為地下開(kāi)采導(dǎo)致地表變形的城市韌性建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為:P.O.42.5 普通硅酸鹽水泥(其28 d 的抗壓強(qiáng)度為51.1 MPa),Ⅱ級(jí)粉煤灰,S95級(jí)礦渣粉,細(xì)度模數(shù)為2.7的機(jī)制砂,5～25 mm連續(xù)級(jí)配的碎石(石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%),纖維:端鉤形鋼纖維、波浪形鋼纖維、鍍銅鋼纖維、絲狀聚丙烯纖維、仿鋼纖維,如圖1所示,規(guī)格見(jiàn)表1,配比及力學(xué)性能見(jiàn)表2。

圖1 5種纖維外形Fig.1 Appearance of five fibers

表1 纖維力學(xué)性能及尺寸Table 1 Fiber mechanical properties and size

制備過(guò)程,先將膠凝材料以及骨料倒入攪拌機(jī)中進(jìn)行2 min的干拌,接著加水繼續(xù)攪拌,待拌合物呈現(xiàn)黏稠狀時(shí),使用2 cm篩網(wǎng)均勻投入纖維,防止纖維結(jié)團(tuán),再攪拌2 min得到最終拌合物,全程封閉進(jìn)行。按標(biāo)準(zhǔn)試件包括尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的正方體試件,100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試件,100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件,澆筑完成后24 h拆模,并置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d,取出后放在自然環(huán)境下晾干,試驗(yàn)參照《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]使用WAW-1000微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓韌性試驗(yàn),按照應(yīng)力控制方式進(jìn)行加載,加載速率設(shè)置為0.5 MPa/s,參照J(rèn)GJ/T 221—2010《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[16]使用SHT 4106微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗彎韌性試驗(yàn),按照應(yīng)力控制方式進(jìn)行加載,加載速率設(shè)置為0.05 MPa/s,如圖2所示,全程采用DS5-8B聲發(fā)射裝置進(jìn)行信號(hào)采集和監(jiān)測(cè),在上表面采用4個(gè)傳感器對(duì)聲發(fā)射源進(jìn)行定位,4個(gè)傳感器坐標(biāo)分別為(50,20,100)、(50,80,100)、(350,20,100)、(350,80,100),并使用凡士林將傳感器固定在混凝土表面,填充粗糙表面產(chǎn)生的間隙,確保良好的聲音傳輸。

表2 纖維混凝土配合比及力學(xué)性能Table 2 Mix proportion and mechanical properties of fiber reinforced concrete

圖2 聲發(fā)射裝置示意Fig.2 Schematic diagram of acoustic emission device

2 抗壓韌性試驗(yàn)結(jié)果及參數(shù)分析

2.1 軸心抗壓試驗(yàn)分析

抗壓韌性通過(guò)計(jì)算軸心抗壓荷載-位移曲線(圖3)下覆蓋面積來(lái)表現(xiàn)能量吸收和抵抗開(kāi)裂的能力,FRC的軸心抗壓完整試驗(yàn)階段如下:彈性階段,此時(shí)材料基本沒(méi)有產(chǎn)生宏觀裂縫,外部荷載主要由基體承擔(dān),纖維還未發(fā)揮增韌阻裂作用。裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段(90%的峰值荷載到峰值荷載之間),隨著應(yīng)力的持續(xù)增加,試件內(nèi)微裂縫不斷萌生,基體內(nèi)部出現(xiàn)損傷,荷載位移曲線出現(xiàn)彎曲段,切線斜率不斷降低。纖維開(kāi)始發(fā)揮增韌阻裂作用,約束內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展。裂縫失穩(wěn)開(kāi)裂階段,試件的微裂縫不斷貫穿形成宏觀裂縫,受力的纖維也隨著裂縫的增長(zhǎng)變得更多,阻礙了裂縫的發(fā)展,裂縫兩端橋接效應(yīng)的累積使得混凝土峰后出現(xiàn)“v”字型變化,并阻止了裂縫面的大塊崩裂,使得荷載-位移曲線的斜率呈現(xiàn)較為平緩的下降。殘余階段,試件仍然保持一定承載力,強(qiáng)度約為峰值荷載的5%。

由圖3、4可見(jiàn),FRC荷載-位移曲線的上升段形狀相似,C40波浪纖維混凝土、C50微絲鍍銅鋼纖維混凝土強(qiáng)度最高,微絲鍍銅鋼纖維混凝土達(dá)到峰值荷載時(shí)的位移量最大并且殘余強(qiáng)度最大,表明其承擔(dān)軸向變形能力、穩(wěn)定性最好。素混凝土試件在軸心壓縮破壞過(guò)程中出現(xiàn)了剪切裂紋,并且裂紋從上到下不斷擴(kuò)展,出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。絲狀聚丙烯混凝土峰前抗壓韌性得到明顯改善,但峰后韌性較弱。鋼纖維混凝土試件均保持完整,試件表面只有小的短裂紋,延長(zhǎng)了抵御變形的時(shí)間。摻入纖維的混凝土表現(xiàn)出延性破壞但素混凝土顯示脆性破壞。纖維的加入防止了FRC樣品的突然失效,阻止輕微剝落的發(fā)生,并將脆性崩壞變?yōu)檠有蚤_(kāi)裂破壞。

圖3 纖維混凝土軸心抗壓荷載-位移曲線Fig.3 Axial compressive load-displacement curves of fiber reinforced concrete

圖4 混凝土軸心抗壓破壞形態(tài)Fig.4 Axial compressive failure mode of concrete

2.2 抗壓韌性分析

參照《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS13:2009)中等效彎曲強(qiáng)度f(wàn)ce的計(jì)算方法,結(jié)合FRC軸心抗壓試驗(yàn)下的荷載-變形曲線,采用蘇駿等[9]得出的修正后的等效抗壓強(qiáng)度確定抗壓韌性指數(shù)Wu,計(jì)算方法如圖5所示,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

(1)

(2)

式中,F為軸向荷載;h為混凝土柱高度;Ωu為豎向位移量為δu時(shí)荷載-位移曲線下的積分;δu為荷載下降至極限荷載的u倍(可取0.85、0.50或0.20)所對(duì)應(yīng)的豎向位移;A為試件軸心受壓的面積。

圖5 抗壓韌性示意Fig.5 Schematic diagram of compressive toughness

抗壓韌性反映試塊軸心受壓破壞過(guò)程中吸收能量的能力和壓縮性能,可以量化纖維對(duì)混凝土的增韌作用[17]。在試件受到軸向壓縮時(shí),基體內(nèi)部亂向分布的纖維可以通過(guò)橋接作用對(duì)試件的橫向擴(kuò)張起到一定約束,這種橫向約束也增強(qiáng)了FRC的黏聚力。其中微絲鍍銅鋼纖維混凝土抗壓韌性最好,微絲鍍銅鋼纖維混凝土δ0.85較未摻入纖維的混凝土提高57.2%,δ0.5提高56.2%,δ0.2提高54.6%,峰后強(qiáng)度的變形量顯著提高,表明FRC吸收能量的能力明顯提升并能夠抑制裂縫的產(chǎn)生,適應(yīng)開(kāi)采影響區(qū)內(nèi)較大的地表變形對(duì)建(構(gòu))筑物的影響。

C40混凝土抗壓韌性指標(biāo)W0.85提高16.3%～43.8%,W0.5提高11.8%～36.4%,W0.2提高12%～45.2%,C50混凝土W0.85提高16.3%～43.8%,W0.5提高11.8%～36.4%,W0.2提高12.0%～45.2%,峰后抗壓韌性W0.85、W0.5、W0.2的上升表明試塊開(kāi)裂所需能耗增加,纖維的摻入改變混凝土整體結(jié)構(gòu),分擔(dān)混凝土的荷載作用,產(chǎn)生有效應(yīng)力路徑,減少脆性開(kāi)裂,具有更好的整體性、延性[18]。

3 抗彎韌性試驗(yàn)結(jié)果及參數(shù)分析

3.1 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)分析

抗彎韌性通過(guò)計(jì)算四點(diǎn)彎曲荷載-位移曲線下(圖6)覆蓋面積來(lái)衡量纖維增韌效果、吸收能量強(qiáng)弱。FRC四點(diǎn)彎曲完整試驗(yàn)階段如下:線彈性變形階段,此時(shí)混凝土受彎,產(chǎn)生很小的彎矩,試塊還未產(chǎn)生裂縫,纖維與混凝土協(xié)同抵抗荷載變形,但纖維還未發(fā)揮增韌阻裂作用。細(xì)觀裂縫發(fā)展階段,荷載-位移曲線不再呈現(xiàn)線性狀態(tài),試塊內(nèi)部出現(xiàn)細(xì)觀裂縫,纖維發(fā)揮阻裂作用,橋接在裂縫兩端,抑制裂縫產(chǎn)生。宏觀裂縫發(fā)展階段,細(xì)觀裂縫逐漸克服纖維阻力,鋼纖維開(kāi)始承擔(dān)較高的應(yīng)力,混凝土下降趨勢(shì)減弱并出現(xiàn)少量回升,承載力隨變形出現(xiàn)一定屈服性改善,曲線逐漸平緩并有所回升,當(dāng)試塊黏結(jié)錨固強(qiáng)度大于纖維承受的應(yīng)力,纖維逐漸被拔出或拉斷,承載力開(kāi)始降低,試塊主裂縫不斷向上發(fā)展。破壞階段,試塊中纖維依然承擔(dān)著部分應(yīng)力,直到裂縫貫穿試塊頂部。素混凝土一旦開(kāi)裂便迅速延伸至頂部,導(dǎo)致試件斷裂失效。而纖維混凝土破裂后,纖維通過(guò)裂紋截面?zhèn)鬟f荷載,吸收殘余應(yīng)力,延緩裂縫的擴(kuò)展,減小裂縫寬度,對(duì)抗彎剛度起到積極作用,端鉤形鋼纖維最先在峰后強(qiáng)度中承擔(dān)應(yīng)力。FRC達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí),波浪鋼纖維混凝土位移量最大,限制裂縫擴(kuò)展能力最強(qiáng)。

表3 纖維混凝土抗壓韌性指標(biāo)Table 3 Compressive toughness index of fiber reinforced concrete

圖6 纖維混凝土四點(diǎn)彎曲荷載-位移曲線Fig.6 Four-point bending load-displacement curves of fiber reinforced concrete

3.2 抗彎韌性分析

根據(jù)JGJ/T 221—2010《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》,進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn),繪制荷載-位移曲線。確定曲線由線性轉(zhuǎn)為非線性的點(diǎn)為初裂點(diǎn)A;A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)為初裂荷載Fcra,橫坐標(biāo)為初裂撓度。以O(shè)為原點(diǎn),在橫軸上分別按初裂撓度的3.0、5.5和10.5的倍數(shù)確定D、F和H點(diǎn)。采用彎曲韌性指數(shù)I3、I5.5和I10.5表征混凝土的彎曲韌性,剩余強(qiáng)度指標(biāo)R1、R2,計(jì)算方法如圖7所示,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

(3)

R1=20(I5.5-I3),R2=20(I10.5-I5.5)

(4)

式中,δ為初裂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的跨中位移,mm;Ωδ、Ω3δ、Ω5.5δ和Ω10.5δ分別為跨中位移δ、3δ、5.5δ和10.5δ時(shí)荷載-位移曲線下的面積。

研究表明,素混凝土和絲狀聚丙烯混凝土無(wú)峰后韌性,表現(xiàn)出脆性行為。波浪、端鉤形鋼纖維峰后韌性、延性得到了明顯的提高,C40端勾纖維混凝土較摻入仿鋼纖維的彎曲韌性指數(shù)I3提升75%,I5.5提升91.6%,I10.5提升53.5%,C50波浪纖維混凝土較摻入仿鋼纖維的彎曲韌性I3提高2.1倍,I5.5提高1.85倍,I10.5提高1.86倍,I3的提高表明混凝土達(dá)到臨界荷載前吸收能量得到提高,使得試塊出現(xiàn)損傷的時(shí)間延長(zhǎng),試塊裂紋產(chǎn)生的速度減緩、開(kāi)裂所需的能量提升,I5.5階段,裂縫活動(dòng)明顯,裂縫尖端附近的應(yīng)變能達(dá)到裂縫加速擴(kuò)展的臨界值附近,I5.5的提高使得微裂縫的活動(dòng)不斷收縮,抑制裂縫貫穿,I10.5的提升表明混凝土可以長(zhǎng)時(shí)間保持“裂而不斷”,鋼纖維一直橋接著宏觀裂縫,雖然混凝土完全破壞,失去了結(jié)構(gòu)性,但塊體依舊維持著一定的承載力,鋼纖維的高抗拉強(qiáng)度和幾何形狀補(bǔ)償了裂縫的脆性,最終導(dǎo)致主裂縫形成前彎曲韌性和延性的提高。

表4 纖維混凝土抗彎韌性指標(biāo)Table 4 Flexural toughness index of fiber reinforced concrete

當(dāng)水泥基體斷裂時(shí),需要額外的能量將纖維從斷裂的水泥漿體中拔出,使裂縫繼續(xù)擴(kuò)展。素混凝土試樣在開(kāi)裂后沒(méi)有吸收能量,第1次裂紋形成后,直接失效并塌陷。但是FRC由于亂向分布的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),纖維的拉拔可以吸收部分能量,延緩混凝土的失效。

波浪、端鉤形鋼纖維在提高FRC抗彎韌性方面表現(xiàn)出最好的性能,對(duì)試樣峰值后韌性和承載能力的改善作用越顯著,FRC的總韌性和總能量吸收隨著彎曲荷載的增加而增加。

C40端鉤形纖維混凝土剩余強(qiáng)度指標(biāo)R1、R2分別為仿鋼纖維混凝土的1.66、1.43倍, C50波浪形纖維混凝土剩余強(qiáng)度指標(biāo)R1、R2分別為仿鋼纖維混凝土的1.16、1.89倍,I3—I5.5段剩余強(qiáng)度的變化表明混凝土峰后仍保留部分界面粘結(jié)能力,減少了FRC抗彎韌性的損失,I5.5—I10.5段剩余強(qiáng)度的變化表明FRC失穩(wěn)后仍能吸收大量能量,承受部分荷載,抗彎韌性的提高使得FRC能夠在開(kāi)采影響區(qū)內(nèi)抵御地層不均勻沉降帶來(lái)的影響。

4 四點(diǎn)彎曲下聲發(fā)射數(shù)據(jù)分析

4.1 聲發(fā)射累積能量和振鈴計(jì)數(shù)分析

通過(guò)聲發(fā)射累積能量和振鈴計(jì)數(shù),可以推斷微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。聲發(fā)射能量可以反映聲發(fā)射事件的強(qiáng)弱,振鈴計(jì)數(shù)是指聲發(fā)射事件中超過(guò)信號(hào)閾值的波形振蕩次數(shù),可以用來(lái)評(píng)價(jià)FRC變形破壞的過(guò)程。圖8給出了混凝土在彎曲荷載狀態(tài)下的聲發(fā)射參數(shù)曲線,振鈴計(jì)數(shù)和累積能量的變化表現(xiàn)出相似的行為。在波浪鋼纖維混凝土中微裂紋的閉合和擴(kuò)展所引起的峰前區(qū)域只檢測(cè)到很少的聲發(fā)射信號(hào)。累積能量與計(jì)數(shù)曲線與水平軸基本一致,并且微裂縫穩(wěn)定發(fā)育,累積能量輕微上升。在峰值荷載附近,基體出現(xiàn)開(kāi)裂和纖維拔出,AE信號(hào)范圍廣泛且急劇上升,累積能量曲線呈現(xiàn)突變(階躍變化),振鈴計(jì)數(shù)不斷活動(dòng)。由于基體開(kāi)裂后大量的纖維拔出活動(dòng),AE計(jì)數(shù)和能量率一直保持在較高的水平。結(jié)合荷載-位移(圖9),FRC裂紋破壞大致分為4個(gè)階段(圖10):裂紋萌生階段、穩(wěn)定增長(zhǎng)階段、失穩(wěn)開(kāi)裂階段及殘余破壞階段。裂紋萌生階段累積能量幾乎無(wú)增長(zhǎng),振鈴計(jì)數(shù)較少且稀疏,聲發(fā)射信號(hào)活性較低,無(wú)明顯裂紋擴(kuò)展。穩(wěn)定增長(zhǎng)階段,微裂紋不斷累計(jì)達(dá)到峰值,累積能量出現(xiàn)輕微上升,振鈴計(jì)數(shù)不斷上升并逐漸密集,微裂紋不斷累積。失穩(wěn)開(kāi)裂階段,累積能量大幅上升,振鈴計(jì)數(shù)處于高位且密集,荷載作用下微裂紋密度迅速增加形成宏觀裂縫,且峰后出現(xiàn)突降后回升,過(guò)程中出現(xiàn)振鈴計(jì)數(shù)和累積能量消失的片段,表明宏觀裂縫出現(xiàn)后基體突然失穩(wěn)后恢復(fù),鋼纖維阻礙了裂縫延伸。殘余破壞階段,由于鋼纖維的勾連,累積能量存在一定上升,振鈴計(jì)數(shù)逐漸下降。

圖8 四點(diǎn)彎曲下聲發(fā)射累積能量和振鈴計(jì)數(shù)Fig.8 Acoustic emission cumulative energy and ringing count under four-point bending

圖9 波浪鋼纖維混凝土荷載-位移Fig.9 Load-displacement diagram of wave steel fiber reinforced concrete

圖10 彎曲韌性指數(shù)示意Fig.10 Schematic diagram of bending toughness index

4.2 RA-AF分析

聲發(fā)射中RA-AF值可以對(duì)混凝土破壞中的拉伸裂縫和剪切裂縫進(jìn)行分類。平均頻率(AF)為振鈴計(jì)數(shù)除以信號(hào)的持續(xù)時(shí)間(以kHz為單位);RA定義為上升時(shí)間除以幅度(以μs/V為單位)?；谙嚓P(guān)研究[19-21]一般認(rèn)為,剪切裂紋的聲發(fā)射信號(hào)具有較高的RA和較低的AF,而拉伸裂紋的AE信號(hào)具有較高的AF和較低的RA。然而,這2種類型的裂縫并沒(méi)有準(zhǔn)確的分類標(biāo)準(zhǔn),基于高斯混合模型(GMM)分析將聲發(fā)射信號(hào)分為拉伸裂紋和剪切裂紋2類,可以了解這2種裂縫的比例和內(nèi)部裂紋發(fā)展規(guī)律。

GMM是一種基于概率模型的聚類方法[22],假設(shè)樣本服從m個(gè)高斯分布,m個(gè)單高斯模型通過(guò)不同權(quán)重的線性組合逼近數(shù)據(jù),計(jì)算權(quán)重系數(shù)下的結(jié)果,同一分布的樣本被聚為一類。并利用最大期望(EM)算法對(duì)m個(gè)混合的高斯分布擬合,求得每個(gè)分布的均值μj和協(xié)方差εj。具體步驟如下:

(1)步驟1。初始化m個(gè)多元高斯分布的參數(shù)μj和εj。

(2)步驟2。遍歷k個(gè)樣本點(diǎn),計(jì)算樣本點(diǎn)xi(i=1,2,…,k)屬于第j個(gè)高斯分布的概率γi,j。

(5)

式中,p(·)為概率函數(shù);zi為xi所屬的類;d為xi的維度。

(3)步驟3。按照式(6)和式(7)得到各高斯分布參數(shù)μj和εj的更新值μ′j和ε′j。

(6)

(7)

(4)步驟4。重復(fù)上述步驟2、3直到各個(gè)高斯參數(shù)收斂。

(5)步驟5。得出樣本屬于各類別的概率,將樣本歸于概率γi,j最大的一類。

圖11描述了波浪形鋼纖維混凝土RA和AF隨時(shí)間的變化,描述了四點(diǎn)彎曲過(guò)程中拉伸剪切裂縫的歷程,可以顯示每個(gè)試件的失效時(shí)刻。圖12描述了波浪形鋼纖維混凝土失效時(shí)刻拉伸、剪切裂紋的占比。通過(guò)GMM對(duì)裂紋萌生、裂紋穩(wěn)定增長(zhǎng)、裂紋失穩(wěn)破壞處的裂紋進(jìn)行分類,得出圖13波浪形鋼纖維裂紋拓展演化機(jī)制。隨著試樣撓度的增大和斷裂的進(jìn)行,RA逐漸增大,直至試驗(yàn)結(jié)束。雖然裂紋是由拉應(yīng)力引起的,但在破壞過(guò)程中,鋼纖維的橋接使得混凝土可以承受剪切應(yīng)力,隨著裂紋的擴(kuò)展,剪切裂紋變得更加活躍,不斷增加并占到總裂縫的40%,纖維增加了裂縫擴(kuò)展處的咬合力,由于剪切應(yīng)力承擔(dān)了部分應(yīng)力,開(kāi)裂寬度出現(xiàn)一定減小,且FRC內(nèi)部出現(xiàn)的裂縫形式由拉伸型裂縫向剪切型裂縫的過(guò)渡是造成混凝土開(kāi)裂破壞的重要原因。纖維的摻入起到了抗拉、抗剪作用,改變了基體的損傷機(jī)制,提高了FRC斷裂韌性。因此,試件不會(huì)以單一的垂直裂縫斷裂,裂紋以不規(guī)則形式不斷攀升,增加了基體在斷裂過(guò)程中的接觸面積,抑制裂縫形成并儲(chǔ)存能量,提高了變形能力和韌性。

圖11 纖維混凝土RA-AF-時(shí)間散點(diǎn)示意Fig.11 RA-AF-time scatter diagram of fiber reinforced concrete

圖12 纖維混凝土RA-AF散點(diǎn)示意Fig.12 RA-AF scatter diagram of fiber reinforced concrete

圖13 裂紋分類Fig.13 Crack classification

4.3 基于振鈴計(jì)數(shù)、撞擊數(shù)、RA-AF和能量的彎曲韌性評(píng)價(jià)方法

JGJ/T 221—2010《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》雖然能夠較為有效地評(píng)價(jià)彎曲韌性,但初裂點(diǎn)難以確定,對(duì)峰前韌性,峰后韌性評(píng)價(jià)有一定局限性,選取點(diǎn)對(duì)彎曲韌性改善程度依據(jù)不統(tǒng)一,而通過(guò)聲發(fā)射能檢測(cè)裂縫開(kāi)裂情況和混凝土損傷情況[23],基于振鈴計(jì)數(shù)、撞擊數(shù)、RA-AF和能量,研究混凝土試塊性能出現(xiàn)急劇變化的位置,如圖10選定裂紋萌生階段、穩(wěn)定增長(zhǎng)階段、失穩(wěn)開(kāi)裂階段及殘余破壞階段,以裂縫初步穩(wěn)定增長(zhǎng)點(diǎn)A1、初步失穩(wěn)開(kāi)裂點(diǎn)B1、失穩(wěn)開(kāi)裂突降點(diǎn)C1、D1,以及殘余破壞點(diǎn)E1作為評(píng)價(jià)點(diǎn),這些評(píng)價(jià)點(diǎn)與ZHANG等[10]觀察到鋼纖維混凝土峰后線性、非線性階段具有相似性。

記A1、B1、C1、D1、E1點(diǎn)下荷載位移曲線面積為UA1、UB1、UC1、UD1、UE1,記同組 0%纖維摻量穩(wěn)定增長(zhǎng)與失穩(wěn)開(kāi)裂處(即圖10特征點(diǎn)B1點(diǎn))下方荷載位移曲線面積為R0,g取A1、B1、C1、D1、E1,韌性指數(shù)Ig計(jì)算公式見(jiàn)式(8),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

Ig=Ug/R0

(8)

表5 纖維混凝土新韌性指標(biāo)Table 5 New toughness index of fiber reinforced concrete

挑選綜合性能較優(yōu)的C40波浪形纖維混凝土進(jìn)行撞擊數(shù)定量化描述:裂紋萌生階段,隨著荷載的持續(xù)增加,撞擊數(shù)出現(xiàn)且發(fā)展平穩(wěn),數(shù)值較低。裂縫穩(wěn)定增長(zhǎng)階段,此時(shí)聲發(fā)射事件開(kāi)始活躍,撞擊數(shù)隨著荷載緩慢增大,在荷載峰值附近,撞擊數(shù)快速增大并接近峰值,失穩(wěn)開(kāi)裂階段,隨著裂紋的擴(kuò)展,撞擊數(shù)隨著峰值到達(dá)最大,并由于纖維的摻入在峰值后的一段區(qū)域內(nèi)仍然保持較大數(shù)值,殘余破壞階段,撞擊數(shù)以較小數(shù)值發(fā)展,直到試件破壞。混凝土的開(kāi)裂可以描述為混凝土內(nèi)部應(yīng)變能積蓄到某個(gè)臨界值時(shí),應(yīng)變能釋放形成新的裂縫而后重新積蓄應(yīng)變能直到下一次極限[24]。彎曲韌性指數(shù)IA1表明骨料與水泥之間開(kāi)裂、脫黏時(shí)所需積累的能量充足,已經(jīng)達(dá)到同組素混凝土初裂所消耗的變形能的35%,骨料、纖維等對(duì)裂縫萌生已經(jīng)有較大的阻力,IB1表明纖維混凝土初裂所需要的變形能提高50%,混凝土的開(kāi)裂上限提升,IC1、ID1表明開(kāi)裂后仍然具有較強(qiáng)的峰后韌性,D1點(diǎn)較C1點(diǎn)抗彎韌性提高2.15倍,IE1表明混凝土殘余破壞前仍然具有一定的吸能效果,較D1點(diǎn)韌性提升22.1%,整體吸收能量的能力為素混凝土發(fā)生初裂時(shí)所需能量的5.56倍。韌性方法表征混凝土的變形能力具有較強(qiáng)的針對(duì)性,并為韌性參數(shù)特征點(diǎn)的選取提供理論支持。

新的彎曲韌性評(píng)價(jià)方法具有以下優(yōu)點(diǎn)。新的彎曲韌性評(píng)定方法不需要人為定義初裂點(diǎn),能有效區(qū)分和定量描述纖維對(duì)峰前和峰后韌性的影響,并且不局限于上述比較,也可選取自身初裂點(diǎn)B1處進(jìn)行比較,較為靈活。韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)是無(wú)量綱的,不受試樣尺寸、試樣形狀和加載速率的影響,便于與不同試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。不同混凝土開(kāi)裂縫方式不同,可以通過(guò)聲發(fā)射選取如振鈴計(jì)數(shù)或能量等不同數(shù)據(jù)來(lái)表述開(kāi)裂方式、能量損耗,且適用于大部分韌性混凝土,并保證考慮到峰前和峰后區(qū)域,不會(huì)出現(xiàn)韌性特征點(diǎn)不合適所造成的偏差。針對(duì)不同混凝土雖可以建立不同的韌性評(píng)價(jià)體系,但混凝土種類太過(guò)復(fù)雜,聲發(fā)射可以基于混凝土材質(zhì)不同帶來(lái)的應(yīng)變硬化等特殊特征點(diǎn)進(jìn)行定量化表述。

5 結(jié) 論

(1)在軸心抗壓試件中,纖維的加入導(dǎo)致試樣在破壞時(shí)不會(huì)發(fā)生塌陷,提高了抗壓韌性,抑制試件剝落。此外,斷裂所需的時(shí)間也會(huì)增加,在柱等結(jié)構(gòu)單元中使用這種混凝土可以防止其突然倒塌。

(2)在彎曲試件中使用纖維提高了其抗彎韌性和延性,加強(qiáng)了梁受到豎向應(yīng)力時(shí)的抗彎承載力。在第1次裂縫發(fā)生后,纖維抵抗開(kāi)裂,并通過(guò)抑制裂縫處的張力來(lái)提高抗彎性能,防止裂紋擴(kuò)展。

(3)微絲鍍銅鋼纖維在同組纖維中擁有最優(yōu)質(zhì)的抗壓韌性,軸心抗壓強(qiáng)度輕微上升,其中C40、C50混凝土較素混凝土抗壓韌性W0.85提高43.8%、29.2%,W0.5提高36.5%、20.6%,W0.5提高45.2%、55.3%,且開(kāi)裂時(shí)間存在延后,吸收能量的呈現(xiàn)不斷增強(qiáng)的趨勢(shì)。

(4)C40混凝土摻端鉤形纖維、C50混凝土摻波浪形鋼纖維在同組纖維中擁有最優(yōu)質(zhì)的抗彎韌性,初裂強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度均有明顯提升,其中較同組仿鋼纖維,C40彎曲韌性I3提高71.3%,I5.5提高63.7%,I10.5提高59.7%,C50彎曲韌性I3提高77.6%,I5.5提高57.3%,I10.5提高36.7%,纖維的摻入抑制基體開(kāi)裂,提高混凝土變形能力,顯著作用于峰后段韌性,減少裂縫數(shù)量,阻礙了裂縫貫通,產(chǎn)生延性破壞。

(5)基于聲發(fā)射信號(hào)的分析,混凝土彎曲破壞可分為4個(gè)階段:裂紋萌生(Ⅰ),裂紋穩(wěn)定增長(zhǎng)(Ⅱ),失穩(wěn)開(kāi)裂(Ⅲ),殘余破壞(Ⅳ),纖維的摻入能夠使混凝土從拉伸裂縫向剪切裂縫過(guò)渡,避免裂縫的貫穿,減少損傷程度,且新的彎曲韌性評(píng)定方法可以定量地描述纖維對(duì)峰前、峰后韌性的影響。該方法適用于大部分FRC的彎曲韌性評(píng)價(jià)。根據(jù)新的韌性評(píng)定方法,鋼纖維能顯著提高FRC開(kāi)裂后的韌性和承載能力。

(6)基于抗彎韌性和抗壓韌性的綜合性能評(píng)定,C40纖維混凝土建議使用端鉤形鋼纖維,C50纖維混凝土建議使用波浪形鋼纖維,而地表變形較大處可以特定使用上述抗壓韌性或抗彎韌性最優(yōu)的纖維混凝土抵御開(kāi)采導(dǎo)致的地表變形,提高城市防災(zāi)韌性。