不同強(qiáng)度混凝土聲發(fā)射特性對(duì)比試驗(yàn)研究

劉佳奇，花偉東

(1.黑龍江省齊齊哈爾市昂昂溪區(qū)水利站，黑龍江 齊齊哈爾 161031；2.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

0 前 言

基于安全與經(jīng)濟(jì)等因素的考慮出發(fā)，水工建筑物不同位置采用不同強(qiáng)度等級(jí)、不同特性的混凝土，因而其破壞過(guò)程存在一定的差異性。不同強(qiáng)度混凝土受壓破壞、受拉破壞研究已經(jīng)取得了豐碩的研究成果，然而，大部分文獻(xiàn)都將重點(diǎn)放在不同強(qiáng)度等級(jí)混泥土抗壓、抗拉強(qiáng)度和失穩(wěn)韌度等物理量上，對(duì)受壓破壞過(guò)程、斷裂過(guò)程缺乏一定的研究。

聲發(fā)射是指材料加載破壞后，以彈性波的形式向外釋放能量的現(xiàn)象，自Kaise[1]首次發(fā)現(xiàn)金屬斷裂過(guò)程中存在聲發(fā)射現(xiàn)象以來(lái)，聲發(fā)射技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。大量學(xué)者在混凝土破壞過(guò)程中使用聲發(fā)射(AE)參數(shù)變化來(lái)描述混凝土性質(zhì)的變化。Kentaro、Maji和Shah等人利用聲發(fā)射清晰看到裂隙帶大小以及尺寸的發(fā)展，監(jiān)測(cè)了斷裂過(guò)程區(qū)的發(fā)展。

文章基于聲發(fā)射技術(shù)對(duì)不同強(qiáng)度混凝土三點(diǎn)彎曲梁斷裂過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)比較聲發(fā)射參數(shù)的差異性，其中包括撞擊計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)、能量計(jì)數(shù)等，來(lái)對(duì)比分析不同強(qiáng)度混凝土斷裂過(guò)程的差異性，為研究不同強(qiáng)度混凝土破壞過(guò)程提供試驗(yàn)基礎(chǔ)以及監(jiān)測(cè)服役期的水工建筑物運(yùn)行狀況提供借鑒。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料有：①水泥：P·O42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥；②砂：天然中砂；③粗骨料：卵石，粒徑5-20mm；④減水劑：聚羧酸高效減水劑；⑤粉煤灰：河南藍(lán)科Ⅱ級(jí)粉煤灰，密度2.34 g/cm3。

1.2 試件制備

試件采用帶切口的三點(diǎn)彎曲梁，試件尺寸為515mm×100mm×100mm，跨度S為400mm，預(yù)制裂縫單邊切口角度為0°，預(yù)制裂縫深度a0為50mm，縫高比為0.5，裂縫寬度為3mm。 三點(diǎn)彎曲梁試件尺寸，見(jiàn)圖1。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20、C30、C40和C50，不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土配合比及相關(guān)參數(shù)，見(jiàn)表1。

圖1 三點(diǎn)彎曲梁試件尺寸

表1 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土配合比及相關(guān)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

對(duì)斷裂過(guò)程中聲發(fā)射探頭(S1、S2、S3、S4)的位置進(jìn)行布置，聲發(fā)射探頭布置圖，見(jiàn)圖2。

圖2 聲發(fā)射探頭布置圖

2 結(jié)果分析

2.1 不同強(qiáng)度混凝土斷裂P-CMOD曲線(xiàn)比較

不同強(qiáng)度混凝土斷裂過(guò)程P-CMOD曲線(xiàn)，其規(guī)律與學(xué)者們的研究結(jié)果相一致，P-CMOD曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3。

直線(xiàn)上升段反映裂尖處于彈性，裂縫口張開(kāi)位移較小，強(qiáng)度等級(jí)對(duì)其影響較小；曲線(xiàn)上升段反映裂尖出現(xiàn)微裂縫的萌生，斷裂過(guò)程區(qū)開(kāi)始形成，強(qiáng)度越小，彎曲程度越大，過(guò)程區(qū)的發(fā)展速度越大。強(qiáng)度等級(jí)越大，峰值荷載越大，峰值荷載對(duì)應(yīng)的裂縫口張開(kāi)位移越大。C30、C40、C50混凝土峰值荷載以及所對(duì)應(yīng)的裂縫口張開(kāi)位移分別較C20增加了8%、22%、30%。聲發(fā)射參數(shù)發(fā)展歷程圖，見(jiàn)圖4。

圖3 P-CMOD曲線(xiàn)

2.2 不同強(qiáng)度混凝土斷裂過(guò)程聲發(fā)射規(guī)律

Ⅰ撞擊計(jì)數(shù)歷程圖

Ⅱ振鈴計(jì)數(shù)歷程圖

Ⅲ能量計(jì)數(shù)歷程圖圖4 聲發(fā)射參數(shù)發(fā)展歷程圖

由圖4可以看出，聲發(fā)射參數(shù)發(fā)展歷程圖可以看出，聲發(fā)射歷程圖大致分為4個(gè)階段：

1)初始?jí)好茈A段(0-20s)：在試件加載初期，由于試件與壓力機(jī)接觸面壓緊，出現(xiàn)小的撞擊計(jì)數(shù)和振鈴計(jì)數(shù)。

2)線(xiàn)彈性階段(20-50s)：隨著荷載的持續(xù)加載，大致在峰值荷載的40%時(shí)，撞擊數(shù)計(jì)數(shù)開(kāi)始發(fā)展且發(fā)展趨勢(shì)平穩(wěn)，但是相對(duì)應(yīng)的振鈴計(jì)數(shù)與能量計(jì)數(shù)并未產(chǎn)生明顯的發(fā)展，數(shù)值仍然較低。

3)穩(wěn)定擴(kuò)展階段(50-105s): 當(dāng)荷載達(dá)到60%峰值荷載附近時(shí)，撞擊數(shù)和振鈴數(shù)數(shù)值增大，能量計(jì)數(shù)產(chǎn)生較大的局部峰值，此時(shí)聲發(fā)射事件較為活躍，隨著荷載持續(xù)增大，在荷載峰值前鋒附近，撞擊數(shù)和振鈴數(shù)突然增大，接近峰值，在荷載達(dá)到峰值同時(shí)，撞擊數(shù)、振鈴數(shù)和能量計(jì)數(shù)同時(shí)達(dá)到峰值。

4)失穩(wěn)擴(kuò)展階段(105-400s)：隨著裂縫的失穩(wěn)擴(kuò)展，撞擊計(jì)數(shù)和振鈴計(jì)數(shù)在峰值后較小的一段區(qū)域內(nèi)仍保持較大數(shù)值，而后以較小的數(shù)值發(fā)展，直至試件完全破壞[2-3]。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了峰值荷載時(shí)，不同強(qiáng)度對(duì)聲發(fā)射事件活躍程度的影響不同。不同強(qiáng)度混凝土聲發(fā)射參數(shù)變化圖，見(jiàn)圖5。

圖5 不同強(qiáng)度混凝土聲發(fā)射參數(shù)變化圖

由圖5可知，隨著強(qiáng)度的增大，聲發(fā)射參數(shù)值呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，強(qiáng)度越大，聲發(fā)射事件活躍程度越高，相對(duì)能量也越高。C20、C30、C40試件較C50試件撞擊數(shù)峰值減小47%、40%和12%，累計(jì)值減小31%、15%和14%；振鈴計(jì)數(shù)減小35%、26%和6%，累計(jì)值減小38%、31%和13%；能量計(jì)數(shù)峰值減小40%、27%和5%，累計(jì)值減小60%、49%和19%。

2.3 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土損傷定位結(jié)果

混凝土內(nèi)部微裂隙的產(chǎn)生與發(fā)展，以彈性波的形式向外釋放能量，微裂隙發(fā)生位置便成為發(fā)射源，圖為C50混凝土斷裂過(guò)程損傷定位結(jié)果。C50定位結(jié)果，見(jiàn)圖6。

由圖6可以清晰的看出斷裂帶的形成過(guò)程。Otsuka基于能量計(jì)數(shù)值，采用不規(guī)則圖形對(duì)定位源進(jìn)行分類(lèi)，將包含>95%全部能量的區(qū)域定義為斷裂過(guò)程區(qū)(FPZ)，將包含>70%全部能量的區(qū)域定義為斷裂核心區(qū)(FCZ)。基于Otsuka的定義與聲發(fā)射聚類(lèi)結(jié)果，將整個(gè)定位過(guò)程中聚類(lèi)閾值為10時(shí)的聚類(lèi)區(qū)域最大寬度定義為斷裂過(guò)程區(qū)寬度，聚類(lèi)閾值為50時(shí)的聚類(lèi)區(qū)域最大寬度定義為裂縫核心區(qū)寬度。斷裂過(guò)程區(qū)寬度和裂縫核心區(qū)寬度尺寸，見(jiàn)表2。

圖6 C50定位結(jié)果

表2 斷裂過(guò)程區(qū)和裂縫核心區(qū)尺寸

由表2可以看出，斷裂過(guò)程區(qū)寬度隨強(qiáng)度的增大呈現(xiàn)線(xiàn)性減小，C30、C40、C50強(qiáng)度混凝土斷裂過(guò)程區(qū)寬度較C20混凝土分別減小了6%、11.7%和18%，而混凝土強(qiáng)度對(duì)裂縫核心區(qū)域?qū)挾扔绊懖淮螅瑢挾却笾碌扔?倍粗骨料最大粒徑。

3 結(jié) 論

1)隨著強(qiáng)度的提高，線(xiàn)彈性階段的撞擊計(jì)數(shù)明顯減弱，穩(wěn)定擴(kuò)展階段撞擊數(shù)明顯增強(qiáng)，表明強(qiáng)度越高，混凝土抵抗損傷的能力越強(qiáng)。

2)斷裂過(guò)程區(qū)的寬度隨著強(qiáng)度的提高而減小，C50混凝土較C20最大減小18%。