基于聲發射技術的凍融劣化混凝土損傷特性研究

馬建斌

摘要：利用動靜力三軸儀進行凍融劣化后的混凝土單軸循環加卸載試驗，試驗過程中同步采用聲發射裝置全程采集聲發射數據，對聲發射能量參數與應力應變的關系進行分析，并進行基于聲發射技術的混凝土損傷特性分析。結果表明：整個循環加卸荷過程中，聲發射的能量數主要集中出現在加載階段，卸載階段的能量數很少或幾乎沒有；混凝土的損傷變量隨著累計塑性應變的增大呈現先緩慢增大、隨后迅速增大、最后趨于緩慢增大的變化趨勢；通過分析不同凍融循環次數、不同應變速率下的損傷變化規律，將混凝土循環加卸荷的損傷過程分為損傷起始、損傷穩定發展、損傷破壞三個階段；在相同應變速率下，隨著凍融循環次數的增加，混凝土的累計塑性應變整體上呈增大的趨勢。

關鍵詞：壓剪；損傷模型；動態性能；加卸荷載；凍融劣化；混凝土

中圖分類號：TU528；TV431

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.028

混凝土作為一種重要的T程材料，廣泛應用于各種工程環境中，如處于高寒地區的大壩、橋梁，不僅常年受到低溫凍融的影響，還受到車輛或波浪等荷載的反復作用，研究凍融劣化混凝土受到循環荷載后的損傷特性尤為重要。

徐善華等進行單調荷載下凍融混凝土應力一應變關系試驗，建立了單調荷載作用下碳化混凝土應力一應變曲線方程；郭寅川等研究了疲勞荷載和凍融循環耦合作用下路面混凝土微裂縫擴展行為；Xie S等通過試驗發現隨著凍融循環次數的增加，峰值應力降低，經過25和50個周期的凍結和解凍，峰值應變逐漸減小；Li Y等從凍融循環和碳化的相互作用人手，介紹了幾種耦合退化機制；Zhang J等研究了不同外加劑對透水混凝土凍融循環性能的影響。劉杰等以砂巖為研究對象，對凍融循環中低應力水平加卸載作用下砂巖物理特性以及動態特性開展試驗。還有不少學者開展了凍融作用下混凝土損傷的相關研究。

國內外學者對混凝土凍融和循環加卸載分別進行了大量且全面的研究，而對于凍融劣化后的循環加卸載過程中混凝土的特性以及損傷發展研究還較少。筆者利用聲發射裝置，實時采集數據，對混凝土從加載到破壞損傷發展演化過程進行全面研究。

1試驗設備和試驗過程

1.1試驗設備

試驗加載所用設備為10 MN多功能液壓伺服靜動力三軸儀。所用的凍融設備為TR - TSDRSL凍融儀，該儀器主要是結合《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（GB/T50082-2009）而研發的，適用于普通混凝土快凍法。聲發射儀器由北京聲華興業科技有限公司研發生產，聲發射采集示意見圖1。

1.2試件的加工與處理

混凝土試件由水泥、砂、自來水、級配碎石按照一定的配合比攪拌振搗而成。水泥為PC32.5復合硅酸鹽水泥，試驗用砂為中砂，級配碎石的粒徑為5～40mm。混凝土配合比為水：水泥：砂：石子=0.46：1.00：1.45：3.38，其中中石和小石的比例為6：4。各材料用量見表1。

試件為300mm×300mm×300mm的立方體，采用鋼模澆筑成型。為了使小石、中石、砂、水泥充分攪拌均勻，先將這4種材料放人攪拌機進行干拌3min，后加人稱量好的自來水進行濕拌，時間不超過10min。攪拌好之后將混凝土鏟人鋼模中，然后用振動棒使混凝土密實。澆筑好之后將混凝土上表面進行統一抹平，靜置24h拆模，將混凝土試件進行編號后放人養護室養護。養護室的溫度和相對濕度通過智能養護控制系統進行調節，將相對濕度和溫度控制在規范要求的范圍，其相對濕度和溫度分別為90%、（20±3）℃，室內養護28d后將試件移至室外自然養護。

1.3試驗過程

正式加載前，分別將浸水飽和后的混凝土試件放人凍融箱中凍融循環0、10、25、35、50次，凍融循環完成后，將試樣取出，稱重，再進行正式加載。

（1）預加載。啟動油泵，加油壓，給試件施加一個20kN的力，同時檢查聲發射是否正常運作。

（2）正式加載。按照設置的加載程序指令進行加載并采集聲發射數據。正式加載結束的同時停止聲發射數據采集并保存正式加載聲發射數據。在正式加載過程中，當應變速率為1×10^-5/s、5×10^-5/s、1×10^-4/s時用輔助伺服油源加載：當應變速率為5×10^-4/s、1×10^-3/s時用主伺服油源加載。

（3）卸載及后續處理。得到完整的試驗曲線后，停止加載，開始卸載，卸載完成后，清理殘渣、儀器歸位。

2聲發射能量參數與應力的關系

聲發射的參數有振鈴計數、撞擊數、能量數、累計能量數等。混凝土在循環加卸荷的過程中必然伴隨著能量的變化，因此這里選用能量數和累計能量數作為研究對象。在循環加卸荷試驗過程中同步進行聲發射跟蹤監測，研究不同凍融循環次數和不同應變速率下混凝土能量數與時間之間的關系以及累計能量數、應力與時間之間的關系，并將他們放在同一坐標系下進行對比分析。圖2（a）、（c）、（e）表示AE瞬時能量、應力與時間的關系，圖2（b）、（d）、（f）表示AE累計能量以及應力與時間的關系（DR50表示凍融循環50次，其后為應變速率，σ為應力，σpk為最大應力）。

由圖2可知，在循環加卸荷的加載過程中，混凝土的能量數采集較多而在卸載階段能量數采集相對較少，這是因為在加載過程中混凝土會產生新的損傷而在卸荷階段混凝土內部一般不會形成新的損傷：在加載過程中混凝土的微裂紋逐漸發展形成不可逆的損傷，在卸載過程中混凝土的裂紋不會繼續發展。在相同凍融循環次數下，隨著應變速率的增大，聲發射能量數的采集隨之減少，由圖2（a）和圖2（c）可以清楚地觀察到這一現象。因為隨著加載速率的增大，混凝土內部的損傷會加快，聲發射采集的時間較短，因此能量數的采集相對減少。在相同應變速率下，隨著凍融循環次數的增加，聲發射采集的有效時間整體上增加，再次證明了凍融劣化在降低混凝土強度的同時，對其延性有增強作用。在較低應變速率（1×l0^-5/s，5×l0^-5/s）下，如圖2（c）和圖2（d），應力隨時間呈現有規律的循環，先增大再減小，并且每一個循環的應力峰值點在整個過程中呈現先增大后減小的趨勢：而在應變速率為l×l0^-3/s時，應力一時間曲線規律不明顯。原因是，應變速率較大時，混凝土從開始加載到破壞的時間很短，受三軸儀靈敏度的影響，采集到的應力數據少且不如應變速率較小時的完整。應變速率為1×10^-3/s時的聲發射累計能量隨時間呈階梯型增長，直到混凝土破壞，說明混凝土在循環加卸荷過程中損傷隨著時間的延長并非一直增加而是有間歇階段，間歇階段主要在混凝土的卸載階段出現。

3聲發射參數與應變的關系

工程實踐中，混凝土應變的大小決定著其延性和抗震性能的優劣，因此應變是其重要指標之一。圖3為不同凍融循環次數和不同應變速率下混凝土能量數、應變與時間之間的關系（DR25表示凍融循環25次，其后為應變速率，ε為應變）。

由圖3可見，混凝土的聲發射能量數主要發生在循環加卸荷的應變增加的階段，而在應變減小的階段聲發射信號較弱，這與聲發射能量與應力之間的規律一致。由圖3（d）和圖3（e）可見，在相同凍融循環次數下，在應變速率為1×10^-5/s和5×10^-5/s時，聲發射能量數較大的值比較分散，在循環加卸荷的整個過程中隨機出現，然而在其他應變速率下，聲發射能量數較大值相對比較集中。

4基于聲發射的混凝土損傷特性分析

4.1損傷變量的確定與計算

聲發射中的很多參數如撞擊數、振鈴計數以及能量數等經過處理后都可以作為混凝土的損傷變量。混凝土在單軸循環加卸荷壓縮全過程中伴隨著能量的變化，因此定義損傷變量D的計算公式為式中：Ew為當前累計能量數；Ew總總為總的累計能量數。

Tang C將聲發射與連續損傷力學的方法相結合，認為損傷變量與聲發射累計數變化規律具有一致性。

聲發射的能量參數是隨時間改變的量，為了直觀地研究混凝土的損傷變量與累計塑性應變之間的關系，必然要消除中間時間變量，具體處理過程如下：

（1）通過三軸儀控制軟件可以得到應變與時間的關系曲線，記錄每次循環結束的時間和變形，并將變形換算成應變。

（2）通過每次循環結束的時間在SAEU2S聲發射系統中找到此時刻的累計能量值。

（3）通過式（1）計算每次循環結束的損傷變量，并建立損傷變量與累計塑性應變之間的關系。

4.2基于聲發射能量的損傷特性分析

按照上述步驟計算得到不同凍融循環次數、不同應變速率下混凝土的損傷變量與累計塑性應變之間的關系，見圖4（這里僅以凍融循環25次和50次為例）。

由圖4可知，用聲發射能量表征的損傷變量隨著塑性應變εp的增大整體上首先緩慢增大，然后迅速增大，最后趨于穩定。根據損傷變量的變化規律可以將整個過程分為：損傷起始、損傷穩定發展、損傷破壞三個階段。

（1）損傷起始階段。混凝土經過凍融循環的劣化作用，加上在澆筑成型搬運等過程中會不可避免地形成一些初始缺陷，使得在加載初期就出現一定的損傷。

（2）損傷穩定發展階段。隨著荷載的增加，混凝土宏觀上表現出變形的增大，細觀上一些微小裂縫逐步形成大裂縫，甚至開裂，隨著持續加載卸載，混凝土內部裂縫經歷一個從小裂縫到大裂縫，大裂縫被壓實合并，又成一個新的裂縫的過程，此過程循環往復，致使砂漿與骨料界面脫離，水泥石開裂甚至骨料發生斷裂，混凝土損傷逐步加劇。

（3）損傷破壞階段。隨著循環加卸載的進行，損傷的速度逐漸減小，最后趨于穩定，試樣已經破壞，喪失承載能力。基于聲發射劃分的損傷破壞階段與基于應力一應變曲線本構模型所劃分的損傷破壞階段類似，這也進一步說明通過聲發射參數劃分的損傷階段的可靠性。

在相同應變速率下，不同凍融循環次數下的損傷變化規律見圖5。由圖5可見，隨著凍融劣化程度的加深，混凝土的累計塑性應變整體上呈增大的趨勢，混凝土損傷曲線的斜率隨著凍融循環次數的增加呈先減小后增大的趨勢，這是因為當凍融35次時，混凝土的微裂紋逐漸增多，含水量增大，在單軸循環加卸荷作用下，黏滯作用阻礙了損傷的發展；當凍融循環50次時，凍融使微裂紋部分貫通，黏滯作用降低，損傷發展速度加快。

在相同凍融劣化程度、不同應變速率下混凝土的損傷變化規律見圖6。由圖6可見，混凝土的損傷隨應變速率的變化規律不明顯。其原因可能是試驗所用混凝土為素混凝土，未加外加劑，凍融循環對混凝土的損傷很大，凍融50次后，部分試件已經降到其自然狀態下強度的50%以下，故應變速率對其影響規律不明顯。

5結論

（1）在循環加卸荷的加載過程中，混凝土的能量數采集較多而在卸載階段能量數采集相對較少。在相同凍融循環次數下，隨著加載速率的增大，聲發射能量數的采集隨之減少。

（2）雖然分析損傷變量的方法不同，但采用聲發射參數所提出的損傷變量計算方法得到的損傷曲線的變化規律，與采用一般應力一應變曲線所確定的損傷變量的變化規律類似，均可將損傷發展全過程分為損傷起始階段、損傷穩定發展階段、損傷破壞階段。

（3）隨著凍融劣化程度的加深，混凝土的累計塑性應變整體呈增大趨勢，混凝土損傷曲線的斜率隨著凍融循環次數的增加呈先減小后增大的趨勢。