骨料－砂漿交界面劈裂損傷聲發(fā)射特性試驗研究

王 巖， 趙海濤， 姚金鑫， 陳育志

（1.河海大學土木與交通學院，江蘇南京210098；2.金陵科技學院建筑工程學院，江蘇南京211169）

研究骨料－砂漿交界面的性能對于混凝土材料科學和混凝土結構工程都具有重要的理論意義和實際價值.由于混凝土的宏觀力學性能在很大程度上取決于細觀組成介質（骨料、水泥砂漿基體及兩者交界面）的性能，但是，與基體相比，交界面具有強度和彈性模量低、滲透性高等特點，從而導致混凝土性能在很大程度上與交界面的幾何和物理性能密切相關[1－2].巖石－混凝土交界面也有其廣泛的工程應用背景，如混凝土壩基與基巖之間的抗滑穩(wěn)定性分析、新老混凝土交界面質量控制等工程實際問題，都與交界面的力學特性和損傷破壞機理有關，故國內外許多學者對界面過渡區(qū)的特性進行了專門研究，試圖解釋交界面過渡區(qū)薄弱的根本原因及其解決方法.目前相關研究主要集中于力學性能及其影響因素[3－5].由于交界面結構形式的特殊而導致采用傳統(tǒng)方法精確測量其變形和宏觀特征十分困難，所以關于交界面整個損傷破壞過程特性的研究較少，尤其在采用何種參數(shù)表征交界面損傷破壞全過程更是缺乏基礎性的研究工作.

聲發(fā)射（acoustic emission，AE）技術是一種實時、動態(tài)、靈敏度高的新型無損檢測技術，已經被應用于混凝土、巖石類準脆性材料損傷破壞過程的研究中.王觀石等[3]初步證實了聲發(fā)射能夠反映混凝土和巖石交界面的損傷演化過程.筆者[4－5]也曾對骨料－砂漿交界面損傷特征進行了分析研究.但是，關于采用何種聲發(fā)射指標量化交界面的損傷尚不明確.為此，本文采用全數(shù)字化聲發(fā)射采集系統(tǒng)和寬頻式聲發(fā)射傳感器同步監(jiān)測并采集交界面從加載到最終破壞過程所伴生的聲發(fā)射信號，探索分析穩(wěn)定的界面損傷聲發(fā)射特性，以期實現(xiàn)采用聲發(fā)射技術來表征界面的損傷過程.

1 試驗

1.1 試件制備

骨料－砂漿交界面試件為圓柱體，沿直徑方向分為骨料和水泥砂漿2部分，其中骨料部分直接從花崗巖母體中鉆芯取得，高度約為60mm，直徑約為64mm，然后再將其切割成尺寸相同的2個半圓柱體試件.先在一個半圓柱體試件的矩形側面上涂抹約2mm厚的水泥砂漿（m（水）∶m（水泥）∶m（砂）＝1.0∶2.2∶3.1），再將另一個半圓柱體試件放在涂抹好的水泥砂漿上，對齊，最后用膠帶把2個半圓柱體試件綁扎好，豎直放置，標準養(yǎng)護.花崗巖和砂漿的軸心抗壓強度分別約為85.5，12.3MPa.

1.2 加載方案

骨料－砂漿交界面劈裂試驗加載示意圖如圖1所示.在試驗過程中，首先將試件表面的浮漿層清除干凈，然后將聲發(fā)射傳感器安裝在骨料表面，通過壓力試驗機施加單調遞增的荷載，直至試件破壞，加載設備為電液伺服萬能試驗機.

圖1 骨料－砂漿交界面劈裂試驗加載裝置示意圖Fig.1 Aggregate－mortar interface splitting test device

2 聲發(fā)射信號采集裝置及系統(tǒng)設置

聲發(fā)射采集系統(tǒng)為美國PAC公司生產的PCI－2全數(shù)字式聲發(fā)射采集系統(tǒng)，其頻率范圍為1kHz～3MHz.聲發(fā)射采集系統(tǒng)以預設閾值的方式探測信號，當信號幅度超過所設定的閾值時，信號采集過程被激發(fā)，此時系統(tǒng)自動提取信號波形特征參數(shù)（見圖2）.

圖2 聲發(fā)射特征參數(shù)示意圖Fig.2 AE signal parameters

3 聲發(fā)射特性

3.1 聲發(fā)射累積特性

試件界面破壞過程的聲發(fā)射撞擊累計數(shù)時程曲線如圖3所示.從圖3可以看出，聲發(fā)射撞擊累積數(shù)曲線基本呈現(xiàn)線性變化，與單調加載曲線的相關性較大，可用來表征試件的力學特性.在整個加載過程中，聲發(fā)射計數(shù)率約為633次／s.在試件的劈裂損傷過程中，聲發(fā)射呈持續(xù)劇烈特征，表明其損傷部位不斷有新的損傷或微裂縫萌生擴展.

圖3 試件聲發(fā)射撞擊累計數(shù)時程曲線Fig.3 Cumulative AE hit number versus time

3.2 聲發(fā)射特征參數(shù)變化特性

3.2.1 聲發(fā)射單參數(shù)時程變化規(guī)律

經過對聲發(fā)射特征參數(shù)進行系統(tǒng)分析后發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射上升時間、持續(xù)時間、振鈴計數(shù)、幅度、信號強度、絕對能量、RMS電壓、平均頻率、混響頻率、初始頻率等特征參數(shù)隨時間變化散點圖的分布規(guī)律基本相同，試件聲發(fā)射特征參數(shù)的時程分布散點圖如圖4所示.由圖4可見，散點圖呈“下密上疏”的分布規(guī)律，表明損傷的累積過程持續(xù)平穩(wěn)且低量值的聲發(fā)射撞擊所占比例較高.

圖4 典型聲發(fā)射特征參數(shù)隨時間的變化散點圖Fig.4 Scatter plot of typical AE parameter vs.time

聲發(fā)射波形FFT峰值頻率隨時間變化的時程分布如圖5所示.由圖5可見，聲發(fā)射峰值頻率集中出現(xiàn)在若干特定頻段，可以將其作為交界面劈裂破壞的特征頻段：20～35，95～105kHz.

圖5 聲發(fā)射峰值頻率時程圖Fig.5 Scatter plot of AE peak frequency vs.time

3.2.2 聲發(fā)射特征參數(shù)關聯(lián)分析

聲發(fā)射持續(xù)時間－振鈴計數(shù)散點圖如圖6所示.由圖6可見，散點集中于一個窄帶范圍內，表明聲發(fā)射持續(xù)時間和振鈴數(shù)近似線性相關，二者關系為y＝12.1x（R2＝0.967）.聲發(fā)射幅度－振鈴計數(shù)分布散點圖如圖7所示.由圖7可見，振鈴數(shù)為0～200且幅度為35～85dB的聲發(fā)射撞擊散點分布呈非線性變化，二者關系為y＝31.38x0.136（R2＝0.830）.

圖6 聲發(fā)射持續(xù)時間－振鈴計數(shù)散點圖Fig.6 Scatter plot of AE duration－count number

圖7 聲發(fā)射幅度－振鈴計數(shù)散點圖Fig.7 Scatter plot of AE amplitude－count number

聲發(fā)射平均頻率－振鈴計數(shù)散點圖如圖8所示.由圖8可見，散點的分布范圍“緊貼”于橫軸附近，這意味著高平均頻率的聲發(fā)射撞擊和高振鈴數(shù)的聲發(fā)射撞擊并不總是相互對應，且振鈴計數(shù)較高的聲發(fā)射撞擊平均頻率相對固定（在75kHz附近）.

圖8 聲發(fā)射振鈴計數(shù)－平均頻率散點圖Fig.8 Scatter plot of AE count number－average frequency

3.3 骨料－砂漿交界面劈裂破壞的聲發(fā)射特性

骨料－砂漿交界面劈裂破壞的聲發(fā)射特性見表1.將表1所列聲發(fā)射特性作為交界面損傷破壞過程的典型特性，可用來識別混凝土損傷破壞機制.

表1 骨料－砂漿交界面劈裂破壞的聲發(fā)射特性Table 1 AE characteristics of split failure processes for aggregate－mortar interface

4 結論

（1）交界面劈裂損傷過程的聲發(fā)射撞擊累積時程曲線近似呈線性變化，表明損傷過程持續(xù)活躍且平穩(wěn)發(fā)展直至最終斷裂；聲發(fā)射累積計數(shù)曲線與加載曲線具有同步變化關系，可較好描述交界面損傷發(fā)生及發(fā)展變化的全過程.

（2）交界面劈裂破壞過程中所伴生的聲發(fā)射信號特征，有助于分析混凝土的損傷破壞過程.

（3）通過聲發(fā)射特征分析和聲發(fā)射特征參數(shù)組合分析，可得到比較穩(wěn)定的界面破壞典型聲發(fā)射特性，這些特性有助于識別混凝土損傷破壞機制.

[1] 陳惠蘇，孫偉，STROEVEN P.水泥基復合材料集料與漿體界面研究綜述（Ⅱ）：界面微觀結構的形成、劣化機理及其影響因素[J].硅酸鹽學報，2004，32（1）：71－81. CHEN Huisu，SUN wei，STROEVEN P.Interfacial transition zone between aggregate and paste in cementitious composites（Ⅱ）：Mechanism of formation and degradation of interfacial transition zone microstructure and its influence factors[J].Journal of Chinese Ceramic Society，2004，32（1）：71－ 81.（in Chinese）

[2] 王瑤，周繼凱，沈德建，等.混凝土中骨料－漿體界面過渡區(qū)的力學性能研究綜述[J].水利水電科技進展，2008，28（2）：89－94. WANG Yao，ZHOU Jikai，SHEN Dejian，et al.Review of study on mechanical property of aggregate－mortar interface transitionzone of concrete[J].Advances in Science and Technology of Water Resources，2008，28（2）：89－94.（in Chinese）

[3] 王觀石，胡世麗，劉洪興，等.用聲發(fā)射監(jiān)測巖石與混凝土界面的破壞過程[J].礦業(yè)工程，2006，4（4）：22－24. WANG Guanshi，HU Shili，LIU Hongxing，et al.The damage process of rock concrete interface by acoustic emission[J]. Mining Engineering，2006，4（4）：22－24.（in Chinese）

[4] 王巖.基于聲發(fā)射技術的混凝土損傷機理試驗研究[D].南京：河海大學，2009. WANG Yan.Experimental study on damage mechanism of concrete based on acoustic emission technique[D].Nanjing：Hohai University，2009.（in Chinese）

[5] 吳勝興，王巖，沈德建.混凝土及其組成材料軸拉損傷過程聲發(fā)射特性試驗研究[J].土木工程學報，2009，42（7）：21－27. WU Shengxing，WANG Yan，SHEN Dejian.Experimental study on acoustic emission characteristics of the damage process of concrete and its components under uniaxial tension[J].China Civil Engineering，2009，42（7）：21－27.（in Chinese）