受載混凝土內部應變及聲發射特征研究

汪皓，王笑然，劉曉斐，李學龍，湛堂啟

(中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州　221116)

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受載混凝土內部應變及聲發射特征研究

汪皓，王笑然，劉曉斐，李學龍，湛堂啟

(中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州221116)

為了研究混凝土試樣破裂失穩過程中內部裂隙演化規律，對預埋應變磚的混凝土試樣進行單軸壓縮實驗，研究了混凝土試樣內部應變隨時間的變化規律，測試并分析了試樣受載破裂演化過程中的聲發射信號特征，得出結論：在壓密階段，混凝土不同方向的應變量均較小，聲發射計數較低；在裂隙穩定擴展階段，試樣內部應變穩定增加，不同方向的局部應變量有明顯不同，聲發射信號也呈現穩定增長趨勢;當混凝土出現局部快速破裂時，會出現應變的突增及聲發射信號激增；在臨界失穩前，局部變形量快速增加，聲發射信號也急劇增加;試樣破裂時，各個方向的局部應變量及聲發射脈沖數均達到峰值。

混凝土；裂隙演化；內部應變；聲發射

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160930.0958.005.html

0　引言

隨著中國經濟飛速發展，各類基礎設施建設逐年遞增，對混凝土材料的消耗巨大，每年因混凝土工程在受載條件下出現失穩造成的事故時有發生。因此，有效地監測監控混凝土在受載條件下的安全狀況具有重要意義。混凝土在載荷作用下，由于晶體間出現滑移，使得內部結構最先開始破裂失穩，由內部的微小位移變形逐步形成裂紋裂隙，并擴展延伸到整個混凝土中，最后發展成為宏觀破裂，導致災害的發生。因此，研究混凝土內部的裂隙在外部載荷作用下的變化規律具有重要的實踐意義。很多學者對混凝土的裂隙演化規律進行了深入研究：賴于樹等[1]研究了在單向載荷作用下混凝土受載實驗全過程變化規律，可以反映混凝土的失穩情況；謝和平[2]對混凝土的損傷機理、強度及損傷斷裂做了較為系統的描述；胡少偉等[3]針對混凝土試樣的斷裂進行了混凝土內部裂隙發展的研究。但針對混凝土試樣的研究大多集中于表面應變、裂隙的發展演化規律，很少對試樣內部裂隙的發展和應變的實時動態變化進行細致的研究。本文借鑒參考文獻[4-5]，提出采用預埋應變磚法來研究載荷作用下試樣內部應變的動態演化規律。

聲發射(Acoustic Emission，AE)是當材料受外力或內力作用產生變形或斷裂，以彈性波的形式向外釋放應變能量的物理現象[6]。自20世紀50年代金屬材料聲發射的Kaiser效應被發現以來，聲發射技術逐步被用于材料特性研究。Lavrov A[7]利用聲發射技術和Kaiser 效應對混凝土損傷破壞過程進行了定性和定量描述；孫強等[8]通過對砂巖聲發射信息的時間特性分析，研究了整個實驗過程中的聲發射信息規律；紀洪廣等[9]對混凝土材料損傷的聲發射進行了動態檢測試驗研究；張茹等[10]研究了峰值應力前聲發射的平靜期現象，并對其成因進行了解釋；董毓利等[11]分析了混凝土受壓全過程聲發射特性，構建了其損傷本構模型；紀洪廣[12]研究了混凝土材料聲發射與應力—應變參量耦合關系，定量描述了混凝土的損傷過程。

對載荷作用下混凝土或煤巖體內部應變演化的研究大多停留在理論階段，實驗研究方面相對不足，基于此，本文通過預埋應變磚法對混凝土模型材料在單軸壓縮條件下內部的應變及其聲發射演化特征進行了實時、動態的監測，描述了其內部的應變實時變化，從而揭示了其內部裂隙演化規律。

1　實驗系統與試樣制作

1.1實驗系統

受載混凝土聲發射響應和裂隙演化實驗系統主要由加載系統、應變采集系統、聲發射數據采集系統組成，如圖1所示。加載系統采用微機控制電液伺服壓力試驗機，實驗采用力控加載方式，加載速率為500 N/s。聲發射信號的采集系統為24通道PCI-8(AEwin Rock Test for Express-8)型聲發射數據采集系統。應變采集系統由應變片、USB8516便攜式數據采集儀、DSG9803應變放大器和DasView2.0軟件組成，能實現應變的實時動態采集。

圖1　實驗系統

1.2試樣制作

為了降低實驗誤差，應變磚和混凝土選用相同配比進行制作。應變磚的制作應在混凝土試樣制作前1～2周內完成，以使其有足夠的時間凝固。用502膠把應變花和端子粘到混凝土塊的中部，然后用萬用表檢查應變花是否短路，用小功率的電焊把應變花引線焊接到端子上，焊接過程中要避免虛焊點的存在。應變磚如圖2所示。

將應變磚埋在試樣中間高度的平面上，在距其正中心左右37.5 mm各埋設一個應變磚，應變磚的布置如圖3(a)、(b)所示。其中一個應變磚貼應變片的面與加載方向垂直，如圖3(c)所示，用來測量壓應變；另一個應變磚貼應變片的面與加載方向平行，如圖3(d)所示，用來測量剪應變。應變花布置如圖3(e)所示。

2　受載混凝土內部應變演化規律

為了減少環境因素的干擾，另接一個電阻應變片作為補償。應變放大器的放大倍數為100倍，電阻應變片的靈敏系數K=2.08，惠斯頓電橋電路的恒定電壓E為2 V。實驗開始前，將應變放大器所接通道全部歸零。根據惠斯特電橋電路可得應變ε與輸出電壓ΔU的關系為

圖3　應變磚埋設布置

(1)

由式(1)可知，輸出電壓值為1 V時，對應產生的應變值為9.615 4×10-3。試樣受載過程中內部應變隨時間的動態變化過程如圖4所示。圖中應變值的正負代表應變片長度的變化，正表示應變片變短，負則表示應變片變長。

圖4混凝土試樣內部應變隨時間動態變化曲線

圖4(a)為試樣的軸向應力、應變隨時間的變化曲線。軸向應變隨時間變化可大致分為3個階段：壓密階段，應變快速升高；線彈性階段，應變緩慢升高；破壞階段，應變瞬間升高。圖4(b)為環境變化引起的應變，大約在0.4×10-6上下波動，與加載過程中引起的應變相比非常小，可以忽略不計。

圖4(c)、(d)、(e)分別為剪90°、剪45°、剪0°測出來的應變，由圖3(d)可知，剪90°測出來的總應變應該和壓機測出來的軸向應變相差不大。粗略計算可以發現，圖4(c)中的曲線與橫軸圍成的面積與壓機測得的總應變相差不大，這表明內部應變花測出的應變可以真實反映試樣加載過程中內部的應變。剪90°應變片測量的是試樣內部某點處的軸向微應變，故在整個過程中測出的應變幾乎都為正值，剪45°應變片測量值先為正值，后變成負值，到加載后期又變成正值，而剪0°應變片在整個加載過程中都為負值，表明試樣在橫向擴大。

圖4(f)、(g)、(h)分別為壓90°、壓45°、壓0°測出來的應變，在整個加載過程中,圖3(c)中的受壓面向外擴增，故這3個應變片除在加載初期有正負波動外，其余加載過程測出的應變都為負值。剪0°、壓90°、壓0°測出的應變非常接近，這是因為這幾個應變片測得的都是試樣向外擴增應變。

3　不同加載階段內部應變及聲發射演化規律

3.1不同階段應變演化規律

根據試樣內部的裂隙演化規律，將試樣整個實驗過程分為3個階段[13]：壓密階段，穩定擴展階段，失穩破壞階段。

在加載初期(0～50 s)，試樣處于壓密階段，試樣內部的微孔隙被壓實，雖試樣的整體應變變化較大(圖4(a)中初期應變快速升高段)，各個方向應變片測得的應變普遍較小，說明這幾處應變磚在混凝土試樣中埋放效果較好，應變磚表面和試樣完全接觸，中間沒有微孔隙、氣泡等。剪90°應變少量增加，說明混凝土試樣在垂直于載荷方向上的微裂隙被壓密，但由于載荷較小，軸向應變仍然基本為零；剪0°、壓90°、壓0°應變量增加，說明此階段混凝土試樣由于彈性變形而有輕微的膨脹現象，擠壓平行于載荷方向上的微裂隙，且壓密程度要大于垂直于載荷方向上的微裂隙壓密程度，從而使剪45°應變量明顯大于壓45°。

當加載到50～100 s時，試樣內部裂紋開始進入穩定擴展階段，試樣內部開始起裂，新生微裂紋逐漸生成，并不斷擴展、延伸，出現典型的耗時現象[14]。剪45°、剪0°、壓90°和壓0°的實時應變都呈現出逐漸增大的趨勢，這是由于軸向載荷逐漸增大，這些方向的應變片受力逐漸增大所致，而在這個過程中，剪90°和壓45°應變幾乎保持為零，說明這2處的應變片還沒開始受力。在100～150 s時，壓90°和壓0°兩處的應變波動較大，說明在該階段這2處的破裂較多。隨著加載繼續進行，直到峰值應力之前(450 s)，除壓45°應變片外，其他各處應變片測量的實時應變基本穩定，試樣的整體變形較為均勻。

隨著加載進一步進行，在峰值應力附近處，試樣產生宏觀裂紋，破裂失穩，在瞬間產生非常大的變形，此時各個方向的應變都產生突變，變化波動大，有的甚至超出量程。

在整個加載過程中，選取11個時間點，前10個時間點之間以50 s為間隔，最后一個時間點在第475 s處，然后畫出2個直角應變花上6個應變片的應變量-時間散點圖，如圖5所示。從圖5可看出，平行于載荷方向的直角應變花上所測應變量大于垂直于載荷方向上直角應變花所測應變量，這個結果和大多數的理論和實驗相符。在0～200 s，剪90°應變量基本為零，其他方向上的應變量與之相比，都有明顯的增大，而總的應變量也增加，說明這個時段內，混凝土實驗內部裂紋的變化基本沒有沿著剪90°方向。200 s以后，剪90°應變量急劇增加，到350 s以后平穩擴展，直到試樣破裂，應變量出現激增。整個實驗過程中,剪45°應變量都比較大，且一直保持在較大值處。另外4個方向應變量也都保持在一個穩定水平，隨時間變化不明顯。剪90°方向(平行于載荷方向上)和剪45°方向的應變量變化最明顯，說明主破裂發生在這2個方向上，這和實驗觀測出的結果相一致。同時，由于混凝土材料的各向異性，混凝土內部應變演化規律也表現為復雜性，各個方向上的應變并不是都呈現出一個規律，即使存在規律重疊，但應變量還是存在很大差異。

圖5　不同時間段各個方向應變同曲線

3.2不同加載階段聲發射信號特征分析

混凝土試樣在單軸壓縮實驗下，其應力、應變、聲發射信號隨時間的變化情況如圖6所示。從圖6可以看出，在壓密階段微裂隙被壓密，所以在加載初期，總的應變量開始增加，隨即產生聲發射信號[15]；在50～200 s時間段內，由于混凝土內部有局部裂隙生成，聲發射信號會出現輕微突增；200～400 s為裂紋穩定擴展階段，混凝土內部開始出現大量裂紋，并不斷擴展、匯合，聲發射信號表現出波動上升趨勢，與此同時，應變量也不斷增加；400 s以后，更多的裂紋匯合貫通，聲發射變形破裂加劇，聲發射信號也急劇增加；加載至475 s時試樣整體失穩破裂，聲發射信號達到峰值，總應變量也達到最大值。綜上，在整個加載過程中，混凝土試樣內部的破裂演化過程和聲發射信號呈明顯的正相關性。

圖6　受載過程中聲發射特征

4　結論

研究受載混凝土試樣內部不同方向上應變隨時間的變化規律及聲發射特征對于認識內部裂隙的演化規律具有重要的指導意義，同時有助于揭示混凝土受載破裂機理。本文得出以下結論：

(1) 在壓密階段，不同方向應變片所測的應變量都比較小，聲發射脈沖數較少。

(2) 在裂隙穩定擴展階段，試樣內部應變穩定增加，不同方向的局部應變量有明顯不同，其中在剪90°和壓45°方向上的應變量較之其他方向最為明顯；聲發射信號呈現穩定增長趨勢，由于試樣局部出現破碎，會出現短暫的聲發射信號激增現象。

(3) 在臨界失穩前，局部變形量快速增加，聲發射信號也急劇增加，試樣破裂時，各方向的局部應變量及聲發射脈沖數均達到峰值。

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Study on internal strain and acoustic emission characteristics of loaded concrete

WANG Hao,WANG Xiaoran,LIU Xiaofei,LI Xuelong,ZHAN Tangqi

(School of Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)

In order to study interior crack evolution rules in rupture and instability process of concrete specimen,uniaxial compression experiment of concrete specimen embedded with strain brick was conducted,variation rule of internal strain of the concrete specimen with time was studied,and acoustic emission signal characteristics of the samples in the evolution process of loading and fracture were measured and analyzed.The following conclusions are obtained:in the compaction stage,variables in different directions are small and acoustic emission count is low; in the stable crack propagation stage,the internal strain of samples increase stably,local strains in different directions are significantly different and acoustic emission signals also show a steady growth trend; when local fast rupture of concrete appears,strain and acoustic emission signal both increase suddenly; before the critical instability,local deformation increases rapidly and the acoustic emission signals increase dramatically; when fracture appears,local strains and acoustic emission pulse number in all directions reaches the peak.

concrete; crack evolution; internal strain; acoustic emission

1671-251X(2016)10-0074-05DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.10.017

汪皓，王笑然，劉曉斐,等.受載混凝土內部應變及聲發射特征研究[J].工礦自動化，2016,42(10)：74-78.

2016-03-09；

2016-08-22；責任編輯：胡嫻。

國家自然科學基金項目(51574231)；教育部科學技術研究項目(113031A)；中國礦業大學第七批優秀創新團隊建設項目(2014ZY001)。

汪皓(1990-)，男，湖北荊州人,碩士研究生，主要研究方向為煤巖動力災害預防，E-mail:544326759@qq.com。通信作者：劉曉斐(1981-)，男，山西晉中人,副教授，博士，主要從事煤礦動力災害預防、安全技術及工程等方面的研究工作，E-mail:Liuxiaofei_1981@163.com。

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A網絡出版時間：2016-09-30 09:58