靜載和疲勞荷載作用下橡膠混凝土聲發射特性研究

劉妙燕，陸 俊,2，明 攀，胡少偉

(1.南京水利科學研究院 材料結構研究所， 江蘇 南京 210024；2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室， 江蘇 南京 210098)

聲發射(AE)是材料受到外荷載作用，內部局部能量快速釋放產生應力波的現象[1]。當裂紋在材料中萌生、擴展時，材料內部局部能量釋放產生彈性波，彈性波由附在試樣表面的傳感器檢測到，該波具有足夠的振幅[2]。聲發射技術的優點是可以定量評估混凝土內部損傷以及確定裂紋擴展的位置，并且可以在不干擾與結構相關的任何過程的情況下，同時對整個結構進行測試[3]。

聲發射檢測最初應用于金屬材料的檢測，運用在混凝土檢測中則較晚。Rusch1959年首次對混凝土受力后的聲發射信號進行了研究，并證實了混凝土材料中的凱撒效應僅存在于極限應力的70%～85%以下的范圍內。Hermite等在1959和1960年分析了混凝土在變形過程中的聲發射信號[4]。Robinson等研究了砂漿體及不同骨料摻量、不同骨料粒徑下混凝土的聲發射特征，并指出聲發射監測的兩個優點為：(1) 實時和動態；(2) 對結構影響小[5]。Carpinteri等[6]根據地震學的定義對聲發射的b值進行分析，評估了混凝土的損傷程度。Guo等[7]利用聲發射對三級配混凝土靜載后循環荷載下斷裂過程進行了檢測，發現聲發射擊數分布可直接看出混凝土在各個階段下的損傷程度。劉寶兵等[8]通過分析聲發射信號能量信息以及整個加載階段鋼筋混凝土梁的能量釋放特征，對鋼筋混凝土梁的損傷斷裂進行了預示。彭德紅等[9]提出了基于神經網絡的非線性獨立分量分析(ICA)與維格納分布(WVD)的損傷聲發射信號特征提取與識別的新方法。Behnia等[10]利用聲發射參數分析混凝土構件開裂時有拉伸和剪切兩種模式。Carpinteri等[11]認為聲發射這種非破壞性監測方法有助于研究全尺寸結構，并預測其耐久性和剩余壽命。趙慧子等[12]試驗發現利用聲發射事件率表征損傷能夠很好的反應巖石內部裂紋變化的全過程。

本文利用聲發射監測不同橡膠摻量下的混凝土三點彎曲靜載和疲勞斷裂過程，通過分析聲發射的能量、累積能量和幅值對橡膠混凝土的裂紋擴展情況和材料損傷程度進行評估。

1 橡膠混凝土斷裂試驗研究

試驗裝置為MTS810型液壓伺服試驗機，聲發射裝置為SENSOR HIGHWAY Ⅱ型聲發射采集系統，采樣頻率為1 000 Hz，前放增益為40 dB，預觸發為256 μs，在未加載的情況下，當門檻值設置為35 dB時接收不到背景噪聲信號，故將門檻值設置為35 dB。

試驗采用4種不同橡膠摻量的混凝土，靜載試驗每組設置3根試件，疲勞試驗每組設置5根試件，以減小由于混凝土不均勻性帶來的試驗誤差。用橡膠顆粒等質量替換砂，橡膠顆粒替換率分別為0 wt%、10 wt%、20 wt%和30 wt%，橡膠顆粒和砂的粒徑大小為5 mm～10mm；試驗采用普通的PO42.5水泥，普通粉煤灰，高純SiC粉，普通河砂。試件尺寸為400 mm×100 mm×100 mm(l×h×w)，相對切口深度a0/h=0.3(a0為切口深度)，試驗儀器兩支座間的跨度為s=300 mm，預制切口采用厚度為3 mm的鋼片制成，標準養護28 d。

三點彎曲下混凝土的靜態斷裂試驗以控制位移的方式加載，加載速率為0.001 mm/s，靜載試驗下測得混凝土的抗彎極限強度。三點彎曲疲勞斷裂試驗的荷載加載頻率為2 Hz，加載波形為正弦波，應力水平為0.9，應力比為0.1，通過靜載下的抗彎極限強度確定疲勞荷載下的最大應力和最小應力。

2 聲發射特征曲線與破壞過程分析

代表性的聲發射參數分別有振幅、持續時間、能量、閾值、頻率、上升時間和計數等，每一個參數都可用于判斷材料的損傷程度。本文通過分析能量和振幅對混凝土的裂縫發展和損傷進行分析。

2.1 聲發射能量

聲發射能量是聲發射事件釋放的彈性能。聲發射能量與電壓大小成正比，故將能量定義為下式[13]

(1)

式中：i為記錄聲發射電壓V(t)的通道個數；t0和t1為記錄電壓變化的起始時間和結束時間。

圖1為四種不同橡膠摻量的橡膠混凝土在靜載作用下的時間-荷載和時間-能量曲線。從圖1可以看出，隨橡膠摻量的增加，混凝土能承受的最大荷載明顯降低，與普通混凝土相比，橡膠摻量為10 wt%、20 wt%和30 wt%的橡膠混凝土峰值荷載分別下降了7.5%、18%和34.3%。這主要是因為：(1) 橡膠顆粒和水泥漿體接觸面的粘結性不好，很容易產生裂縫，施加外荷載后裂縫極易從接觸面處展開；(2) 橡膠的強度和剛度遠低于砂石，橡膠等質量取代砂直接大大削弱了原有混凝土砂石框架承載體系的剛度和強度。

圖1 靜載下不同橡膠摻量的混凝土的時間-荷載、能量、累積能量曲線

從圖1可以看出，靜載作用下聲發射能量變化可分為三個階段。第一個階段中混凝土發生彈性變形，荷載線性增加，在該階段中聲發射的能量很小，累積能量曲線趨近水平。第二階段荷載進入非線性增長階段聲發射能量開始增大，聲發射累積能量曲線出現明顯的上升，在這個階段中混凝土內部的微裂紋合并逐漸形成主裂縫；在荷載下降過程中，突然出現一個能量較大的聲發射信號，在該點混凝土內部的局部突然破壞，混凝土試件表面出現了可見的裂縫，聲發射累積能量曲線也會在該點出現驟增。在混凝土表面出現宏觀裂縫后聲發射變化進入第三個階段，在這個階段中聲發射能量較小，累積能量曲線斜率很小，接近水平。

從圖1橡膠混凝土的時間-荷載和時間-能量曲線對比發現，摻入橡膠后，混凝土的聲發射能量信號明顯減少，有以下三種假設可解釋這種現象[14]：(1) 橡膠的彈性模量比骨料和水泥漿體的彈性模量低很多，它在裂縫尖端的存在類似于孔的作用，這會導致應力松弛，減緩微裂紋擴展，延遲微裂紋的合并; (2) 當微裂紋在橡膠顆粒和水泥漿體之間的界面擴展時，裂縫沿界面擴展時的混凝土強度比沿骨料和水泥漿體之間的界面擴展的強度低; (3) 橡膠能夠吸收裂縫產生的大部分彈性波。摻入橡膠后混凝土的聲發射累積能量明顯減小，未摻橡膠的普通混凝土聲發射累積能量最大值約為14×104，橡膠摻量為10 wt%、20 wt%和30 wt%的混凝土的聲發射累積能量分別減小了82.0%、88.6%和99.0%。

圖2—圖5分別為橡膠摻量為0 wt%、10 wt%、20 wt%和30 wt%的混凝土在疲勞荷載作用下的時間-荷載和時間-能量曲線。疲勞荷載作用下的聲發射變化可分為兩個階段。第一個階段為損傷累積階段，由于疲勞加載中的峰值荷載為靜態加載下峰值荷載大小的90%，故在疲勞荷載下混凝土每次循環均進入彈塑性變形階段，但不會直接發生破壞，在每次循環中混凝土的內部的微裂縫萌生、擴展；從圖3(b)、圖4(b)和圖5(b)中可以看出荷載加載初期，聲發射信號有小幅增大，但累積能量曲線未發生明顯變化，該階段中累積能量曲線趨近水平。在經歷多次循環加載后聲發射變化進入第二階段，第二個階段為破壞階段，混凝土內部的微裂縫在前一階段中不斷擴展、合并，最終形成主裂縫，從圖3(c)、圖4(c)和圖5(c)看出主裂縫形成時聲發射能量會突然增大，聲發射累積能量曲線也會在該點發生轉折。出現主裂縫后混凝土仍能承受荷載，混凝土再承受數次荷載后主裂縫擴展至試件完全破壞。第二階段中出現的聲發射信號較第一階段密集。疲勞荷載作用下，聲發射信號大多出現在加載曲線的下降過程中，可推斷出，混凝土內部微裂縫的出現和擴展通常出現在卸載過程中。

圖2 疲勞荷載下橡膠摻量0 wt%的混凝土的時間-荷載、能量、累積能量曲線

圖3 疲勞荷載下橡膠摻量10 wt%的混凝土試驗

圖4 疲勞荷載下橡膠摻量20 wt%的混凝土試驗

2.2 聲發射幅值

幅值是聲發射波形包絡圖最高點的振幅數值，它表示聲發射脈沖信號幅度的最大值，它是測量信號大小最重要的聲發射參數之一。幅值和裂縫大小有著直接的關系，可直接用于鑒別裂縫的大小[15-16]。幅值可以表示為[17]:

(2)

式中：V是聲發射信號的幅值大小；V0是背景噪聲的最大幅值。

從圖6和圖7中可明顯看出，聲發射信號隨橡膠摻量的增加減少，與橡膠摻量為0 wt%的混凝土相比，靜載作用下橡膠摻量為30 wt%的混凝土的聲發射信號減少約98%，這說明橡膠的摻入極大的吸收了混凝土變形、破壞時釋放的能量，使得混凝土能夠承受更大的變形。幅值大小與材料內部損傷大小

圖5 疲勞荷載下橡膠摻量30 wt%的混凝土試驗

圖6 靜載下橡膠摻量對聲發射計數的影響

有關，即幅值較大表征混凝土內部出現的裂縫較大。圖8、圖9分別為橡膠摻量為0 wt%、10 wt%、20 wt%和30 wt%的橡膠混凝土靜載下和疲勞荷載下的時間-荷載和時間-幅值曲線，摻入橡膠后聲發射的幅值點減少，說明橡膠的摻入起到了阻止裂縫產生和擴展的作用，且橡膠摻量越多，阻裂效果越好；摻入橡膠的混凝土在起裂后其聲發射的幅值大小比未摻橡膠的小，說明摻入橡膠后橡膠在混凝土內部能夠組織裂縫擴展，延緩裂縫的合并。

圖7 疲勞荷載下橡膠摻量對聲發射計數的影響

從圖8可以看出，靜態加載下可通過聲發射幅值大小變化將混凝土損傷過程分為兩個階段。第一個階段為開始加載至混凝土起裂，混凝土起裂時的荷載大小約為峰值荷載的75%～85%，在這個階段中混凝土的聲發射信號少且幅值小，該階段中聲發射幅值在50 dB～60 dB之間。說明在該階段中混凝土內部產生的均為微裂縫且該階段產生的微裂縫少。從混凝土的起裂點直至最終試件發生破壞為第二階段在該階段中混凝土內部的微裂縫開始擴展、合并并最終形成主裂縫，摻入橡膠后的混凝土在形成主裂縫時荷載突然發生小幅度的下降，同時聲發射的幅值在該點突然增大，此時幅值大小約為80 dB～90 dB，故可通過聲發射幅值大小判斷混凝土內部是否產生主裂縫。混凝土內部產生主裂縫后試件還能繼續承擔荷載但聲發射幅值減小了；混凝土最終完全破壞時幅值大小約為70 dB左右。

不同橡膠摻量的混凝土在疲勞荷載下的聲發射幅值變化規律如圖9所示。與靜載作用下不同，疲勞荷載作用下，聲發射幅值的變化可分為三個階段。第一階段為荷載初始加載階段，在該階段中混凝土開始承受循環荷載，荷載大小使得混凝土內部出現裂縫但不會完全破壞，聲發射最大幅值大小約為60 dB～80 dB，隨橡膠摻量的增加，該階段的幅值減小，說明橡膠摻入后混凝土內部的微裂縫減少且裂縫尺寸減小。第二階段為聲發射幅值穩定變化階段或裂縫穩定擴展階段，在這個階段中聲發射幅值大小沒有明顯的波動，幅值維持在60 dB～70 dB，從幅值變化情況推斷出混凝土內部的裂縫穩定擴展，混凝土內部沒有出現較大的局部缺陷。第三階段在循環加載后期為混凝土裂縫失穩擴展階段，在這個階段中混凝土內部的微裂縫擴展、合并為主裂縫，幅值信號點數量明顯增多，幅值大小明顯增大，為摻入橡膠的混凝土產生主裂縫時幅值大小為80 dB左右，隨橡膠摻量的增加，產生主裂縫時的幅值減小，橡膠摻量為30wt%的混凝土在產生主裂縫時幅值減小至60 dB左右；產生主裂縫后混凝土繼續承受數次荷載后主裂縫擴展至完全破壞，最終混凝土破壞時聲發射幅值可達到80 dB～90 dB。

圖8 靜載下混凝土的時間-荷載、時間-幅值曲線

圖9 疲勞荷載下不同橡膠摻量的混凝土的時間-荷載、幅值曲線

疲勞荷載作用下，隨橡膠摻量的增加聲發射信號增加，從圖7看出，與普通混凝土相比橡膠摻量為10 wt%、20 wt%、30 wt%的橡膠混凝土聲發射信號分別增加了3.0倍、8.6倍和11.0倍，表明摻入橡膠后，混凝土能承受的循環荷載次數增加，混凝土承受損傷的能力隨橡膠摻量的增加而增強。橡膠摻量為30%的橡膠混凝土的聲發射信號在荷載初始加載和混凝土即將破壞時密集，在加載的中間階段混凝土的聲發射信號明顯減少且幅值較小，幅值大小為35 dB～40 dB，而橡膠摻量為0 wt%、10 wt%和20 wt%的混凝土幅值為35 dB～70dB。

3 結 論

(1) 通過聲發射能量和累積能量分析靜載下橡膠混凝土的損傷和斷裂過程，可將橡膠混凝土的損傷過程分為三個階段；通過聲發射的幅值分析靜載下橡膠混凝土的損傷和斷裂過程，可將橡膠混凝土的損傷過程分為兩個階段，當聲發射幅值達到50 dB～60 dB時，混凝土內部產生裂縫，當聲發射幅值達到80 dB～90 dB時可確定混凝土內部產生了主裂縫。

(2) 疲勞荷載作用下，通過分析聲發射累積能量曲線可將橡膠混凝土的損傷過程分為兩個階段，損傷累計階段和破壞階段；且在疲勞荷載下裂縫通常在卸載過程中發生擴展。通過幅值分析可將疲勞荷載作用下的橡膠混凝土損傷過程分為三個階段，隨橡膠摻量的增加，產生主裂縫時的聲發射幅值降低。

(3) 靜載下，隨橡膠摻量增加聲發射信號減少，橡膠摻量為30%時，與普通混凝土相比聲發射信號減少了約98%。疲勞荷載下，聲發射信號隨橡膠摻量的增加而減少，混凝土在初始加載階段和裂縫失穩階段的幅值降低。橡膠的摻入可以阻止混凝土內部裂縫產生和擴展，橡膠摻量越多，阻裂效果越好，混凝土能夠承受損傷的能力越強。