凍融后煤矸石混凝土受壓損傷聲發射特性

邱繼生， 潘 杜， 關 虓， 王民煌， 鄭娟娟， 肖前慧

(西安科技大學 建筑與土木工程學院， 陜西 西安 710054)

將煤矸石作為粗集料取代普通石子制成混凝土，不僅能夠解決煤矸石大量積存造成的環境問題，而且在自重、溫度裂縫及保溫性方面均優于普通混凝土[1].近些年，在對煤矸石混凝土結構的研究中，學者們偏重考慮安全性能和使用性能，對凍融循環作用造成的材料和結構耐久性損傷則認識不足.聲發射(AE)技術在混凝土損傷檢測方面具有較大的潛力，依據聲發射信號可以確定混凝土的開裂以及內部裂縫的發展過程[2].胡少偉等[3]通過試驗研究了混凝土三點彎曲梁斷裂聲發射特性，實現了對混凝土裂縫發展的動態監測，定性地建立了混凝土斷裂的判斷依據；王巖等[4]將混凝土損傷聲發射信號傳入人工神經網絡模型，實現了對混凝土損傷程度的判別；李冬生等[5]研究了聚乙烯醇纖維摻量不同的混凝土抗凍性能及聲發射特征，采用裕度指標，實現了對聚乙烯醇混凝土損傷程度的定性分析；葛若東等[6]對鋼筋混凝土梁進行加載破壞聲發射試驗后得出，在達到極限應力的40%后，鋼筋混凝土的聲發射參數值會發生驟變，用這一特性可預測梁的極限承載力.

然而，運用聲發射特性參數建立煤矸石混凝土的損傷演化方程，在國內外的研究中還相對較少.本文依據不同凍融循環次數下煤矸石混凝土單軸受壓的聲發射能量參數，對煤矸石混凝土受壓破壞全過程的損傷規律進行了動態分析，并依據聲發射事件累計計數，運用損傷力學和聲發射基本理論，建立了凍融環境下的煤矸石混凝土單軸抗壓損傷演化模型，以期為煤矸石混凝土的理論研究和工程應用提供參考.

1 試驗概況

1.1 原材料和配合比

水泥：陜西西安雁塔水泥有限公司生產的P·O 42.5R 普通硅酸鹽水泥.煤矸石：銅川礦務局徐家溝煤礦生產的煤矸石，最大粒徑25mm.粗集料：粒徑為5～16mm的混合級配普通碎石.細集料：陜西灞橋砂場生產的河砂，細度模數3.0，堆積密度1500kg/m3.外加劑：復合外加劑，其摻量(wa)以膠凝材料質量為基準.水：普通自來水.

本次試驗中CGC-0，CGC-25，CGC-35，CGC-45分別表示凍融循環0，25，35，45次的煤矸石混凝土試件.煤矸石混凝土的水灰比mW/mC為0.5，其具體配合比如表1所示.

表1 煤矸石混凝土的配合比

1.2 試驗方案

軸向受壓試件尺寸為100mm×100mm×300mm， 抗壓強度試件尺寸為100mm×100mm×100mm.煤矸石混凝土凍融試驗依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行.試件經過24d標準養護之后，再放入水中浸泡4d，然后進行快速凍融試驗.完成試驗設定的凍融循環次數后，對試件CGC-0，CGC-25，CGC-35，CGC-45進行單軸抗壓試驗.同時在煤矸石混凝土側面布置聲發射傳感器，記錄煤矸石混凝土受壓過程中的聲發射參數.試件CGC-0，CGC-25，CGC-35，1CGC-45的28d抗壓強度分別為38.81，36.63，32.54，31.60MPa.

1.3 試驗裝置

煤矸石混凝土的凍融試驗選用北京數智意隆儀器有限公司生產的混凝土快速凍融試驗機(KDR-V9)；煤矸石混凝土單軸抗壓試驗采用上海試驗機械制造廠生產的WE-100萬能材料試驗機，最大荷載1000kN.試驗采用位移控制加載的加載方式，加載速率為0.05mm/min；應力應變采集儀選用日本TDS-602S數據采集儀.

聲發射采集系統選用北京聲華興業科技有限公司生產的SAEU2S聲發射儀，濾波器采用100～200kHz 的帶通濾波，換能器諧振頻率選用140kHz，前置放大器增益選為40dB，主放大器增益選為20dB， 耦合劑選用凡士林.試驗裝置示意圖如圖1所示.

圖1 聲發射試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of acoustic emission test device

2 結果及分析

混凝土材料內部裂紋的形成和擴展都會以彈性波的形式釋放能量[7].不同應力作用下試件CGC-0， CGC-25，CGC-35，CGC-45的聲發射能量如圖2所示.為了更直觀地反映不同應力對應的損傷階段，圖2中應力均采用相對應力，即該時刻的應力σ與峰值應力fc之比.

由圖2可知，其凍融循環后的受壓損傷破壞過程可近似概括為如下3個階段.

第1階段為損傷累計階段.在這一階段0<σ<0.4fc，煤矸石混凝土被逐漸壓密，試驗過程中可觀察到其表面基本沒有破壞.煤矸石混凝土內部由于顆粒間不斷摩擦、滑移而釋放少量的能量，但并沒有產生新的裂縫，損傷處于微觀階段.由于初始凍融損傷形成的一些原始微裂縫，在較低水平的應力作用下，釋放的聲發射能量也很少.煤矸石混凝土內部損傷處于逐漸積累階段.

圖2 煤矸石混凝土的聲發射能量Fig.2 Acoustic emission energy of coal gangue concretes

第2階段為微裂縫發展階段.在這一階段0.4fc≤σ<0.8fc，隨著應力逐漸增大，試驗過程中可觀察到煤矸石混凝土試件開始逐漸掉屑，并且經歷凍融循環次數越多的試件掉屑越明顯.凍融損傷形成的初始裂縫已被壓密，并迅速在局部擴展.微裂紋在發展過程中遇到粗骨料時會積累較高的能量，這些能量會隨著內部微破裂帶的形成而釋放，使煤矸石混凝土內部損傷逐漸加劇.同時，一些煤矸石骨料與砂漿間的界面裂縫也迅速擴展并延伸至砂漿內部，與凍融損傷形成的微破裂帶貫通，導致煤矸石混凝土的損傷進一步加重，釋放出大量的聲發射能量.

第3階段為宏觀裂縫形成階段.在這一階段0.8fc≤σ≤fc，隨著應力的不斷增加，試驗過程中可觀察到煤矸石混凝土表面掉屑非常嚴重.試件原有微裂縫不斷擴展，新的裂縫不斷產生，聲發射能量釋放異常劇烈，煤矸石混凝土內部損傷已接近極限值.在壓應力接近峰值應力時，煤矸石混凝土內部較大的裂縫會迅速擴展至其表面，形成可見的宏觀裂縫.在此過程中，能夠聽到煤矸石混凝土發出渾濁的破裂聲，隨后混凝土受壓破壞.

此外，由圖2還可以看出，隨著凍融循環次數的增加，煤矸石混凝土前期釋放的聲發射能量減少，越接近峰值應力，試件破壞越突然，并集中釋放出大量的能量，煤矸石混凝土受壓破壞的脆性表現非常明顯，這說明凍融循環對煤矸石混凝土損傷演化有較大的影響.

3 煤矸石混凝土損傷演化模型的建立

3.1 聲發射事件累計計數與應力模型的建立

Ohtsu[8]通過對混凝土聲發射試驗研究發現，可以用混凝土聲發射事件累計計數N的概率密度函數來描述不同應力下的混凝土聲發射特性，即：

(1)

式中：f(σ)為不同應力下混凝土試件中裂縫的擴展速率.

f(σ)可表示為：

(2)

式中：a，b為與混凝土材料特性及初始損傷有關的參數.a越大，說明混凝土內部結構越密實，初始損傷越小.

將式(2)代入式(1)，并對方程兩邊積分，可得：

N=cσaebσ

(3)

式中：c為積分常數.

式(3)即為煤矸石混凝土聲發射事件累計計數與應力之間的關系模型.

3.2 聲發射事件累計計數與損傷模型的建立

紀洪廣等[9]通過對混凝土損傷特性聲發射機理的研究分析，得出混凝土材料的損傷程度D與聲發射事件累計計數呈正相關，即：

D=kN

(4)

式中：k為比例系數.

根據Loland[10]的宏觀唯象損傷力學基本理論，煤矸石混凝土的損傷程度D可定義為：

(5)

式中：E0為煤矸石混凝土未經歷凍融時的初始動彈性模量；E(σ)為不同應力下煤矸石混凝土的動彈性模量.

聯立式(3)～(5)可得煤矸石混凝土的本構模型：

σ=εE0(1-kcσaebσ)

(6)

式中：ε為煤矸石混凝土的應變.

本文主要研究凍融環境下的煤矸石混凝土損傷規律，因此煤矸石混凝土的初始損傷不可忽略.設煤矸石混凝土凍融初始損傷值為Di，下標i為凍融循環次數，則煤矸石混凝土損傷演化方程可表示為：

D=Di+kN

(7)

式(7)為不同凍融循環次數下的煤矸石混凝土單軸受壓損傷演化模型.聯立式(5)～(7)可得不同凍融循環次數下的煤矸石混凝土單軸受壓本構模型：

σ=εE0(1-Di-kcσaebσ)

(8)

綜上所述，試驗測得煤矸石混凝土聲發射特性參數，由式(3)求出參數a,b,c的值，再由式(8)求出比例系數k的值，代入式(7)便可求得凍融后煤矸石混凝土受壓損傷程度.

4 煤矸石混凝土損傷模型的驗證

依據煤矸石混凝土試驗加載過程中的聲發射事件累計計數，分別對試件CGC-0，CGC-25，CGC-35，CGC-45進行擬合，擬合結果如圖3所示.

圖3 聲發射事件累計計數擬合曲線Fig.3 Fitting curves of AE event cumulative counts

試件CGC-0初始損傷程度為D0=0，將CGC-0組擬合參數a,b,c的值代入式(6)，并與實測煤矸石混凝土應力-應變數據進行擬合，得出E0=5.2×104MPa，k=1.05×10-6，R2=0.986，其應力-應變擬合曲線如圖4所示.

圖4 試件CGC-0的應力-應變擬合曲線Fig.4 Stress-strain fitting curve of CGC-0

將CGC-0組求得的初始動彈性模量E0值代入式(8)，即可得到不同凍融循環次數下煤矸石混凝土的本構方程.將試件CGC-25，CGC-35和CGC-45實測應力-應變數據與式(8)進行最小二乘法擬合，得出各組試件的Di及k值，其結果如表2所示.

表2 煤矸石混凝土的初始損傷程度及k值

將Di及k值代入式(7)，得出試件CGC-0，CGC-25，CGC-35，CGC-45的單軸受壓損傷演化方程.試件CGC-0，CGC-25，CGC-35，CGC-45的受壓損傷程度如圖5所示.

圖5 煤矸石混凝土的損傷程度Fig.5 Damage degree of coal gangue concretes

由圖5可知，煤矸石混凝土的初始損傷程度隨著凍融循環次數的增加而逐漸增大.在受壓前期，煤矸石混凝土內部損傷發展較為緩慢；在達到0.4倍峰值應力之后，煤矸石混凝土內部損傷迅速擴展，直至受壓破壞.由以上驗證過程可知，所建立的煤矸石混凝土損傷演化模型與試驗數據符合較好.

5 結論

(1)煤矸石混凝土內部損傷與聲發射信號特征聯系非常緊密.通過聲發射能量特征能夠準確判斷煤矸石混凝土內部裂縫的形成和發展，整個過程非常直觀，易于辨識.

(2)隨著凍融循環次數的增加，煤矸石混凝土的初始損傷程度逐漸增大，峰值應力逐漸變小，脆性表現得越發明顯.

(3)根據凍融環境下煤矸石混凝土受壓破壞過程中聲發射事件累計計數建立的損傷演化模型，實現了對煤矸石混凝土的損傷定量分析.試驗結果表明所建模型能夠較好地表征煤矸石混凝土在初始凍融損傷后，其單軸抗壓應力與初始損傷程度之間的關系.但是，該模型是在初始凍融和單軸抗壓條件下建立的，要考慮其他受力狀態還需作進一步研究，以建立更加全面的煤矸石混凝土損傷演化模型.

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