不同類型混凝土單軸加載損傷的超聲波法研究

陳升平， 蘇子豪

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

不同類型混凝土單軸加載損傷的超聲波法研究

陳升平， 蘇子豪

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

對普通混凝土、高強度混凝土以及礦渣粉煤灰鋼纖維混凝土試件進行單軸壓力實驗，研究不同類型混凝土單軸壓應(yīng)力作用下，超聲波波速的變化規(guī)律。分析加載過程中采集到的波速變化，并以此定義損傷變量，用于反映混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)展。實驗結(jié)果表明，高強度混凝土受壓損傷規(guī)律與普通混凝土有較大差別；加入鋼纖維和礦渣粉煤灰可以改善高強度混凝土的脆性和密實度，減緩裂縫開裂速度；利用波速衰減所得到的損傷規(guī)律，正確反映混凝土內(nèi)部裂縫發(fā)展的過程，該檢測方法同樣適用于疲勞、凍融等內(nèi)部裂縫損傷檢測。

超聲波速； 單軸壓力； 裂縫； 損傷變量； 損傷規(guī)律

混凝土結(jié)構(gòu)的檢測技術(shù)在工程實際驗收、鑒定、事故分析中有著重大作用[1]。目前我國使用的檢測技術(shù)主要有：回彈法、紅外檢測技術(shù)、超聲脈沖檢測等[2]。超聲波法作為目前應(yīng)用較為廣泛的一種檢測技術(shù)，利用超聲波在混凝土中傳播的速度與材料本身密度相關(guān)的特點進行檢測[3]，較常使用的檢測方法為對測法、平測法和斜測法。李俊如等[4]利用平測法檢測了混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的深度并分析了裂縫成因。劉永前等[5]對混凝土密實程度進行了超聲波實驗。朱勁松等[6]構(gòu)筑了以超聲波波速為變量的混凝土雙軸抗壓疲勞損傷模型，反映了混凝土損傷的演化規(guī)律。王懷亮等[7]研究了不同尺寸混凝土受壓狀態(tài)下超聲波的傳播特征。

使用超聲波在破壞過程中進行檢測，得到聲速的變化規(guī)律，可以分析混凝土在加載破壞過程中的損傷演變規(guī)律。本文將通過對混凝土試件進行加載試驗，利用超聲波技術(shù)比較分析不同類型混凝土損傷的演變規(guī)律。

1 基本理論

在經(jīng)典損傷力學(xué)原理中，彈性模量法是以Lemaitre的應(yīng)變等效性假說和Rabotnov的損傷變量D為基礎(chǔ)，由此定義損傷材料的本構(gòu)方程為

σ=E(1-D)ε

(1)

及

(2)

當(dāng)超聲波以一定波頻通過某一固體介質(zhì)時，其傳播波速與該介質(zhì)本身參數(shù)有如下關(guān)系[8]：

(3)

式中:V代表初始條件下超聲波在材料中的傳播速度；ρ為材料的質(zhì)量密度；ν為材料的泊松比。

考慮到混凝土材料本身的特性，可以視為在加載過程中混凝土本身的密度和泊松比不發(fā)生變化，或者變化忽略不計，于是在材料加載破壞過程的波速V公式如下：

(4)

將式(3),(4)與式(2)結(jié)合，就可以得到利用超聲波傳播速度來定義的損傷變量公式

該公式定義下的損傷變量認為混凝土材料初始狀態(tài)的損傷程度為0，達到破壞直至失效狀態(tài)時為1。

本文將基于以上基本理論，以超聲波速考察混凝土內(nèi)部損傷發(fā)展過程及規(guī)律，以普通硅酸鹽高強混凝土為參照，考察礦渣粉煤灰高強混凝土，以及鋼纖維混合高強度混凝土的內(nèi)部裂縫發(fā)展變化與不同，進一步探索超聲波檢測方法在高強度混凝土中的應(yīng)用效果。

在我國傳統(tǒng)的肉羊養(yǎng)殖過程中，在飼料加工利用方面的技術(shù)是較為匱乏的，通常是利用養(yǎng)殖地區(qū)秸稈資源來進行粗放式飼養(yǎng)，但是由于作物秸稈中所含有的木質(zhì)纖維以及纖維素非常豐富，營養(yǎng)能量較低，使得在這種粗放式飼養(yǎng)的過程中肉羊?qū)τ诮斩挼南臀蛰^為困難，不但會造成飼料的浪費，同時也不利于肉羊增重。為了更好的提升肉羊?qū)斩挼奈眨梢詫斩掃M行發(fā)酵處理，通過微貯加工技術(shù)來有效的提升肉羊?qū)τ陲暳现叙B(yǎng)分的吸收率，從而使肉羊可以迅速增重。

2 實驗設(shè)計

2.1材料選取和試件尺寸

本次實驗共制作5組不同類型混凝土試塊，分別為普通素混凝土、高強度素混凝土(OC)、鋼纖維混凝土(GC)、礦渣粉煤灰混凝土(CC)、礦渣粉煤灰鋼纖維混凝土(SC)。每組試塊分為規(guī)格100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊用于測量抗壓強度和100 mm×100 mm×300 mm棱柱體試塊用于測量加載過程中的超聲波速。其中水泥采用三峽牌普通硅酸鹽水泥(標號P42.5)，細骨料采用級配良好的中砂，粗骨料控制顆粒直徑在5～20 mm，粉煤灰和礦渣均為細度較高的微粉，分別以10%和15%取代水泥，鋼纖維采用長度3 cm的波紋剪切型鋼纖維，具體配合比見表1。

表1 實驗用混凝土配合比 kg/m3

2.2實驗方案

本次試驗均在微機控制電液伺服電子萬能機上完成，超聲波數(shù)據(jù)采集使用uit520型非金屬超聲波檢測機，采集方法為對測法，使用凡士林作為耦合劑。所有試件實驗均在混凝土試塊制作完成并在養(yǎng)護池養(yǎng)護28 d后開始。

先測得立方體試塊無損狀態(tài)下的超聲波波速，隨后放入壓力機內(nèi)加載直至破壞，記錄下破壞荷載。棱柱體試塊主要用于測量垂直于加載方向的波速，測量方法是：將棱柱體分階段加載，每階段加載增加強度為立方體抗壓強度換算后的預(yù)計極限荷載的1/10，加載速度為0.5 MPa/s，由于除普通混凝土外其余幾組試塊的強度均超過60 MPa，為高強度混凝土，因此在加載至80%極限荷載后，采用勻速的位移控制加載[9]，利用支架將超聲波探頭固定在試塊相對的兩側(cè)并記錄下每個階段的超聲波速V0，加載示意圖見圖1。

圖 1 實驗加載示意簡圖

3 實驗結(jié)果與分析

3.1混凝土密實度與波速的關(guān)系

在初步測量無損狀態(tài)下波速與強度后，得到結(jié)果見表2。可以看出，普通素混凝土在強度上與高強度混凝土有較大差別，同時波速差距也較大，這是由于普通混凝土水泥用量少，粗骨料成分較多，因此即使不加載外力，其內(nèi)部也會存在較多的微裂縫，使其不夠密實，而高強度混凝土水灰比較大，成分中水泥砂漿較多，凝結(jié)硬化后可以更好地包裹骨料，大大的減少了微裂縫和空隙的存在，因此較為密實，如果把密實程度好的混凝土看成均勻的介質(zhì)，超聲波在其間傳播的速度就會穩(wěn)定快速，而密實程度差的混凝土，由于裂隙的存在，超聲波會在傳播過程中發(fā)生折射，傳播速度就會下降。

表2 混凝土強度與初始狀態(tài)波速

在同一強度等級的試件中對比可以發(fā)現(xiàn)，普通高強度混凝土與使用礦渣粉煤灰取代水泥的混凝土強度基本持平，而添加了鋼纖維后，兩者的強度均有所提高，其中鋼纖維礦渣粉煤灰混凝土提高較多。

波速的反映有所不同。從表2中可以看出，單獨添加鋼纖維不會對波速產(chǎn)生影響，但是添加了粉煤灰礦渣的兩組試件，波速都得到了提升，這是因為粉煤灰顆粒比水泥細，其中存在大量的玻璃微珠，可以起到潤滑作用促進水泥的“解絮”和產(chǎn)生“滾珠軸承”作用，在摻入了礦渣之后，由于水泥，礦渣和粉煤灰之間的顆粒直徑形成了均勻的梯度，微集料填充作用[10-11]得到最大發(fā)揮，進一步減少了細骨料之間的裂縫，使混凝土密實度得到很大程度的提升。

3.2混凝土承壓破壞與波速的關(guān)系

由棱柱體靜載壓力實驗，得到結(jié)果見圖2。可以看出(圖中拐點為峰值點，越過峰值后應(yīng)力下降)，普通混凝土在加載過程中波速持續(xù)下降，在極限壓力20%之前，檢測到波速有所提升，這是因為混凝土受到初始壓力作用，內(nèi)部存在的垂直于荷載方向的微小裂縫開始受壓閉合[7]，使得混凝土整體更加密實。隨著荷載的增加，水泥砂漿開始破裂，波速也出現(xiàn)下降的趨勢，到達65%～80%極限強度時，試件表面已經(jīng)可以看見細小的裂紋，此時水泥砂漿粘結(jié)力將要達到峰值，波速開始明顯下降。之后加載至極限強度的過程中，整個試件開始出現(xiàn)貫通裂縫，裂縫寬度不斷增加，波速在該階段快速下降。經(jīng)過峰值后，應(yīng)力有平緩的下降趨勢。

圖 2 混凝土加載過程波速變化

而高強混凝土在破壞過程中波速變化與普通混凝土有著較大差別，在實驗過程中觀察到，混凝土在破壞之前，并沒有明顯的征兆，試件表面也沒有裂縫的產(chǎn)生，在即將達到破壞臨界點之前，混凝土內(nèi)部可以聽到明顯的破裂聲音，隨即混凝土完全破壞。由圖2可以看出，在20%左右峰值荷載階段，波速沒有出現(xiàn)因混凝土壓實微弱上升的趨勢。在達到峰值荷載的80%之前,波速沒有太大變化，超過80%極限強度之后，波速有一個非常微弱的下降趨勢，在聽見內(nèi)部破裂聲響的瞬間，波速出現(xiàn)了突降，但是從混凝土開始破裂到完全破壞這一過程十分短促，裂縫的發(fā)展過程波速難以測量。

圖 3 高強度不同混凝土加載過程波速圖

從圖3中可以看出(圖中拐點為峰值點，越過峰值后應(yīng)力下降)，高強度的不同混凝土在加載的前期至80%強度左右，反映情況相似，均沒有明顯裂縫和波速變化，在超過80%強度即將達到極限強度的這個階段，每組試塊都會出現(xiàn)首次開裂，聽見開裂聲音，高強度混凝土由于沒有鋼纖維的束縛作用，裂縫快速發(fā)展，波速出現(xiàn)突降(圖4)；單獨添加鋼纖維的混凝土，由于受到了鋼纖維的束縛作用，裂縫出現(xiàn)后發(fā)展受到限制，波速出現(xiàn)較小的突降，隨后開始穩(wěn)定下降，但是下降速度較快，可以明顯的看見混凝土表面裂縫擴大，其中的鋼纖維露出承受拉力，最后鋼纖維被拔出或者拉斷(圖5)；添加了礦渣粉煤灰的鋼纖維混凝土，由于粉煤灰的集料填充作用加強了鋼纖維的束縛作用和膠凝材料對鋼纖維的握力，因此表現(xiàn)最佳，裂縫出現(xiàn)以后，波速下降較其余兩組最慢，混凝土直到實驗結(jié)束仍然保持著完整性。

圖 4 高強度普通混凝土破壞

圖 5 鋼纖維混凝土破壞

3.3不同混凝土加載損傷

混凝土在加載過程中的損傷，是膠凝材料開裂，裂縫不斷發(fā)展的過程，其間破裂所產(chǎn)生的空隙會由空氣或者水分等填充，而超聲波通過這些介質(zhì)的速度遠小于通過混凝土實體的速度，從而發(fā)生波速的衰減，混凝土的損傷程度就是裂縫的發(fā)展程度。由圖6、圖7中可以看出，普通混凝土的損傷有著明顯上升趨勢，而高強度混凝土存在著一個較長階段的無損抗壓過程，隨后由于脆性破壞，出現(xiàn)了損傷突然出現(xiàn)和急速破壞的狀況，在摻加了鋼纖維之后，試件初次損傷出現(xiàn)時的損傷值小于普通混凝土，應(yīng)變應(yīng)力均大于普通混凝土，越過峰值后沒有出現(xiàn)急速破壞的狀況，而同時加入鋼纖維和礦渣粉煤灰的試塊，損傷出現(xiàn)的時間最晚，應(yīng)力應(yīng)變最大，同時損傷值最小，峰值應(yīng)力后的損傷發(fā)展最慢。可見鋼纖維對混凝土損傷的抑制和裂縫發(fā)展的減緩作用明顯。由于裂縫發(fā)展到一定程度后，混凝土表面開裂嚴重，所以無法測得完整的損傷曲線。

圖 6 普通強度混凝土抗壓損傷曲線

圖 7 高強度混凝土抗壓損傷曲線

4 結(jié)論

1)超聲波波速可以反映混凝土的密實程度，密實程度越好的混凝土超聲波傳播速度越快，實驗證明，高強度混凝土密實程度高于普通混凝土，同配比下添加了礦渣粉煤灰的混凝土密實程度得到了提升，而鋼纖維對混凝土密實程度影響不大。

2)在加載過程中，普通混凝土的波速演化過程分為輕微加強和持續(xù)衰減2個階段，而高強度混凝土則分為穩(wěn)定不變和突變2個階段，試件在極限荷載前期波速穩(wěn)定，內(nèi)部沒有裂縫產(chǎn)生，隨后在極限荷載附近裂縫突然出現(xiàn)，波速產(chǎn)生突降。

3)實驗證明，利用超聲波波速定義的損傷變量D，其變化規(guī)律與實際混凝土破壞過程相符，反映了混凝土內(nèi)部裂縫和缺陷的開展情況，因此本文得到的損傷演化規(guī)律可以用于結(jié)構(gòu)承載過程中的損傷檢測，還可以用于裂縫不斷發(fā)展的疲勞、徐變和凍融循環(huán)破壞過程中的檢測。

4)礦渣粉煤灰和鋼纖維的摻入，使得高強度混凝土初次損傷出現(xiàn)時的應(yīng)力應(yīng)變得到提升，損傷出現(xiàn)后的發(fā)展速度也有所緩解，改善了高強度混凝土的脆性，提升了韌性和整體性。

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[責(zé)任編校：張巖芳]

UltrasonicWaveStudyonUniaxialLoadingDamageofDifferentTypesofConcrete

CHEN Shengpin, SU Zihao

(SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

The uniaxial pressure test of ordinary concrete, high strength concrete and slag fly ash steel fiber concrete were carried out to study the variation law of ultrasonic wave velocity under different types of uniaxial compressive stress of concrete.The changes in the velocity of the waves collected during the loading process were also analyzed and the damage variables to reflect the development of cracks in the concrete were defined. The experimental results show that the compressive damage law of high strength concrete is quite different from that of ordinary concrete. Adding bricks and slag fly ash can improve the brittleness and compactness of high strength concrete and slow crack cracking rate. The damage law obtained by decaying the wave velocity accurately reflects the development of cracks in the concrete, so the detection method is also applicable to the internal crack damage detection such as fatigue, freezing and thawing.

ultrasonic velocity; uniaxial pressure; crack; damage variable; injury law

2016-10-08

陳升平(1965-)， 男， 湖南醴陵人，湖北工業(yè)大學(xué)教授，研究方向為高性能纖維增強混凝土，混凝土斷裂與損傷

1003-4684(2017)05-0001-04

TU528.31

A