鋼纖維再生粗骨料混凝土受壓聲發射特性與損傷演化

崔正龍， 費海超， 孫萬吉， 李正元

(遼寧工程技術大學 土木工程學院，遼寧 阜新 123000)

進入21世紀隨著舊房拆遷改造，混凝土固體廢棄物的數量也在不斷增加[1-2]，但資源化利用率非常低，其后果必然導致天然骨料資源不斷減少[3-4]，解決建筑垃圾的處理和資源化利用刻不容緩。將這些廢棄混凝土加以處理后作為骨料重新使用，不僅可以“變廢為寶”，實現廢舊混凝土資源化利用，還能夠有效緩解混凝土原材料緊缺這一現狀，減少天然骨料開采。隨著加快生態文明建設的提出，混凝土固體廢棄物的循環利用符合綠色混凝土的總體方向[5-6]。

聲發射(acoustic emission, AE)是在外荷載作用下，因材料局部受力破壞，以彈性波形式釋放出應變能的現象[7]。1959年Rusch首次將聲發射技術用于混凝土中[8]。

在研究鋼纖維混凝土方面，王春來等[9]建立了鋼纖維體積分數的混凝土損傷本構模型；薛云亮等[10]建立了考慮損傷閥值影響的鋼纖維混凝土損傷本構模型；賀一軒等[11]利用鋼纖維對混凝土進行改性；Chi等[12]提出了纖維混凝土的流動法則與加載面相關的塑性損傷模型。上述學者是從材料外部宏觀表征來分析鋼纖維混凝土內部的損傷規律，且研究鋼纖維再生混凝土相關文獻較少。再生混凝土內部的復雜性決定了以往的研究方法具有一定的局限性，而聲發射技術能夠有效克服這一局限性，從材料內部出發，從本質上闡釋鋼纖維再生混凝土的損傷演化過程。試驗基于C30鋼纖維再生粗骨料混凝土(再生粗骨料取代率(0、100%)及鋼纖維摻量(體積率0、0.8%、1.5%))，結合聲發射特征參數和應力-應變曲線來描述軸壓鋼纖維再生粗骨料混凝土的損傷演化規律，為鋼纖維再生粗骨料混凝土的實際工程應用提供理論依據。

1 試 驗

1.1 原材料準備

鋼纖維：波浪剪切型纖維(長為38.0 mm，直徑為1.1 mm，長徑比為34.5)；再生粗骨料：拆遷某工廠樓板產生的廢棄混凝土塊，經反復破碎篩分后粒徑調整為4.75～26.50 mm；天然粗骨料：4.75～26.55 mm花崗巖類碎石，連續級配；天然細骨料：0.16～4.75 mm河砂，潔凈，中砂(細度模數2.75)；水泥：大鷹牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥；減水劑：萘系高性能減水劑；水：普通自來水。使用原材料的基本物理、力學性能如表1所示。

表1 粗、細骨料的基本性質Tab.1 Basic properties of coarse and fine aggregates

1.2 混凝土配比設計

試驗以再生粗骨料(質量取代率0、100%)及鋼纖維摻量(體積率0、0.8%、1.5%)為變數，設計了C30混凝土。試驗時為了不影響施工和易性能，拌合前根據再生粗骨料一小時吸水率對其進行提前潤濕。混凝土試件命名如下：再生粗骨料取代率為0，鋼纖維摻量(體積率0、0.8%、1.5%)，編號分別為NSF0、NSF0.8、NSF1.5，再生粗骨料取代率為100%，纖維摻量(體積率0、0.8%、1.5%)，編號分別為RSF0、RSF0.8、RSF1.5，具體配合比及28d圓柱體試件抗壓強度見表2。

1.3 試驗設計

C30圓柱體混凝土試件(NSF0、RSF0、NSF0.8、RSF0.8、NSF1.5、RSF1.5)，尺寸為150 mm×150 mm×300 mm。為了避免圓柱體試件出現較大的離散型，每組各制備了3個試件，試驗取中間值試件作為代表性試件。聲發射設備采用北京軟島時代科技有限公司的DS5-8B聲發射系統，經過斷鉛試驗調試，合理設置聲發射采集信號的參數，信號采集門檻：40 dB，采樣頻率：3 MHz，放大器增益：40 dB。壓力機采用濟南時代試金有限公司YAW-2000D電液伺服萬能壓力試驗機，本試驗采用位移控制方式，速率為0.2 mm/min，在試件損傷破壞過程中采集荷載、應變及聲發射特征參數。試件加載過程聲發射試驗裝置布置如圖1所示。

圖1 聲發射試驗裝置布置Fig.1 Arrangement of acoustic emission test device

2 結果與分析

2.1 鋼纖維再生粗骨料混凝土試件AE特征參數歷程圖

試驗基于鋼纖維再生粗骨料混凝土AE信號歷程圖，結合應力-應變特征關系，分析六組試件的損傷過程。混凝土聲發射參數歷程與應力-應變關系由圖2、圖3所示。受壓損傷破壞過程總體上分為四個階段：

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)圖2 能量計數與應力-應變關系圖Fig.2 Energy count and stress-strain diagram

(a)

(b)圖3 累計撞擊計數與應力-應變關系圖Fig.3 Cumulative hit count and stress-strain diagram

微裂縫起裂階段(0<ε<0.05%)：鋼纖維和混凝土共同承受荷載，混凝土內部原始缺陷處(如再生粗骨料混凝土新舊砂漿界面過渡區原始存在的細微裂縫)開始出現應力集中現象，一部分原始細微裂縫開始延伸或擴展，但變化不明顯，監測系統開始接收微弱的聲發射信號，此時聲發射特征參數(能量計數、撞擊計數)相對較小，應力-應變曲線基本上接近線彈性關系。隨著繼續加載，應變達到混凝土開裂的初裂應變時,內部結構開始出現裂變，聲發射信號開始活躍，能量計數與撞擊計數也隨即增多，此時橫跨裂縫的鋼纖維將繼續傳遞應力，保持相對穩定。這與裂縫擴展較快的未摻鋼纖維混凝土試件有著本質性區別，隨著鋼纖維摻量的增加，對混凝土的阻裂效應更加顯著。

裂縫穩定擴展階段(0.05%<ε<0.25%)：隨著持續加載，細微裂縫進一步擴張，開始從砂漿與骨料的界面過渡區逐漸向砂漿內部擴散，一些較短的微裂縫彼此連接發展成較長裂縫，同時不斷有新的裂縫產生，聲發射信號活躍程度越發明顯，能量計數與撞擊計數持續增加。應力-應變曲線逐步進入非線性發展階段，加載過程中未聽見碎裂聲。六組試件在應變0.2%～0.25%左右能量與應力幾乎同時達到峰值。與普通混凝土相比，再生粗骨料混凝土試件在較小的應變時，聲發射信號更活躍，能量計數，撞擊計數相對更富集。其原因在于，再生骨料表面附帶較多舊水泥砂漿，使骨料與新舊砂漿界面交接處粘結力較差，導致裂縫的產生時間更早于普通混凝土試件。鋼纖維的摻入一定程度上提高了混凝土的極限壓應力(對比NSF0，NSF0.8、 NSF1.5分別提高了5.1%和6.9%；對比RSF0，RSF0.8、 RSF1.5分別提高了6.5%和10.0%)，更重要的作用是起到了增韌的效果，使試件整體表現出裂而不散的特征。

宏觀裂縫急速擴展階段(0.25%<ε<0.40%)：峰值應力后隨應變的持續增加，可以觀察到宏觀裂縫不斷出現，聲發射信號活躍程度急速下降，能量計數、撞擊計數與承載能力也明顯降低，試驗過程中可聽到明顯的碎裂聲。隨著鋼纖維摻量的增加，承載力的下降幅度有所平緩，聲發射信號也有所減小。

塑性破壞階段(ε>0.4%)：試件進入軟化衰減階段，宏觀裂縫相互貫通，聲發射信號重新回歸到微弱階段，能量計數、撞擊計數與承載力下降趨勢逐漸平緩，直至試件完全破壞。最終鋼纖維混凝土沒有明顯的壓碎或崩落現象，試件整體保持一定的完整性。

2.2 鋼纖維再生粗骨料混凝土聲發射損傷定位分析

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)圖4 混凝土試件聲發射損傷定位圖Fig.4 Acoustic emission damage location diagram of concrete specimens

2.3 鋼纖維再生粗骨料混凝土損傷模型

2.3.1 損傷模型的建立

根據Lemaitre等[14]基于材料損傷過程的損傷模型理論，混凝土單軸受壓過程中，名義應力作用在持續損傷試件上的應變與實際應力作用在無損傷試件上的應變相同，具體表示為

σ*=σ(1-D)=Eε

(1)

式中：σ*為混凝土的名義應力(MPa);σ為混凝土的有效應力(MPa);E為混凝土彈性模量(MPa);D為混凝土損傷變量。

將損傷變量定義為試件中已經破壞的界面微元體數目與所擁有的總界面微元體數目之比。再生混凝土損傷分為兩個階段，第一階段為初始損傷，即加載前再生粗骨料存在的原始缺陷，且隨再生粗骨料取代率的增加而變大，隨鋼纖維體積率的增加而變小。由損傷力學理論可知，混凝土材料內部的劣化程度可以由其宏觀力學性能進行表征，因此再生混凝土取代率為r，鋼纖維摻量體積率為v的初始損傷變量設為D1

(2)

式中：Erv為再生混凝土取代率為r;鋼纖維摻量體積率為v的彈性模量;E0為未摻鋼纖維的天然混凝土彈性模量。

第二階段的損傷變量在再生混凝土承受載荷作用過程中形成發展，根據等價應變原理，不同鋼纖維摻量再生混凝土的本構關系為

σ=Ervε(1-D2)

(3)

將式(2)代入式(3)得到優化后的再生混凝土受壓過程中應力應變關系

σ=E0ε(1-D1)(1-D2)

(4)

其中再生混凝土總損傷變量表示為

D=D1+D2-D1D2

(5)

假定混凝土材料的微元強度服從Weibull分布，Weibull分布下微元強度的概率密度為

(6)

式中,m、α為Weibull分布函數中的參數。

微元體失效具有隨機性，對上述Weibull分布函數進行積分，可得受荷載時再生混凝土產生的損傷變量D2和試件微元失效的概率密度之間的關系

(7)

聯立式(2)、(5)、(7)得到不同取代率、不同鋼纖維摻量再生混凝土的損傷模型

(8)

將式(7)代入式(3)得到不同取代率鋼纖維再生混凝土的本構模型

(9)

Heiple等[15-16]用AE技術研究了材料損傷演化過程，發現AE撞擊計數與材料中界面破壞和基體損傷釋放的應變能成正比，能夠有效地反映材料性質的變化。通過對本試驗結果的分析，發現聲發射撞擊計數與試件內部裂縫的產生與發展密切相關。根據不同粗骨料取代率鋼纖維再生混凝土試件在加載過程中的聲發射累計撞擊計數，通過Boltzmann函數對再生粗骨料混凝土試件累積撞擊計數與應變之間的關系進行擬合

(10)

式中：ε是應變;Nrv為再生混凝土取代率為r;鋼纖維摻量體積率為v的累計撞擊計數，參數A1、A2、B和C通過擬合獲得。結果表明，整體擬合效果較好，各組試件擬合后得到的參數A1、A2、B、C以及R2,如表3所示。

表3 擬合參數Tab.3 Fitting parameters

聯立式(8)和式(10)得到不同取代率鋼纖維再生混凝土試件聲發射累計撞擊計數與損傷變量之間的函數表達式

(11)

因建立的鋼纖維再生混凝土損傷、本構模型具有m、α兩個未知參數，為了確定參數的取值，取應力-應變曲線峰值點(εP，σP)，此處滿足ε=εP，σ=σP，將其代入式(11)得到

(12)

對式(12)進行求導得到應力-應變曲線斜率與應變發展的關系

(13)

達到峰值應力時曲線斜率為0，由此得到

(14)

聯立式(12)、(14)得到

(15)

(16)

將試驗得到的各組試件峰值應力、應變分別代入式(15)、(16)中，得到各組所對應的參數m、α的值見表4所示。

表4 Weibull分布參數Tab.4 Weibull distribution parameters

根據圓柱體試件在軸心受壓加載過程中的聲發射累計撞擊計數，分別對不同取代率、不同鋼纖維摻量再生粗骨料混凝土試件的位錯、滑移和破壞過程進行損傷演化分析，將試驗測得的各組試件的Erv、ε和擬合參數m、α代入(8)得到應變與損傷變量之間的關系曲線,如圖5所示。

(a)

(b)圖5 試件的損傷變量-應變關系曲線Fig.5 The damage variable-strain curve of specimens

從圖5可以看出，隨著鋼纖維摻量的增加，無論是普通混凝土還是再生混凝土的初始損傷變量均減小，在相同鋼纖維摻量下再生混凝土的初始損傷變量要大于普通混凝土，且鋼纖維普通混凝土損傷變量出現負值。其主要原因在于，再生混凝土試件在前期受壓時因混凝土內部存在各種缺陷(如再生粗骨料自身的缺陷、新舊砂漿界面過渡區黏結力差等)，鋼纖維摻入一方面降低了基體的自由膨脹率，亂向隨機分布的鋼纖維對混凝土的膨脹產生約束作用，另一方面鋼纖維在混凝土中起到了“微筋”的作用，兩種作用疊加，使基體初始損傷變量變小。各組試件的損傷變量發展過程呈現出在較小應力時損傷變量發展較快，當試件進入塑性階段，損傷變量發展趨勢變緩。

2.3.2 模型的驗證

不同鋼纖維摻量、不同再生粗骨料取代率圓柱體混凝土試件單軸受壓應力與應變試驗值與模型計算式(11)對比結果如圖6所示。從驗證結果可以看出，所建立的鋼纖維再生粗骨料混凝土損傷模型的可靠性較高。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)圖6 試件的應力-應變曲線擬合結果Fig.6 Fitting results of stress-strain curve of specimen

3 結 論

(1) 不同摻量鋼纖維再生粗骨料混凝土軸心受壓過程中聲發射特征參數與結構內部損傷聯系緊密。通過不同應力階段的聲發射損傷定位圖能夠清晰地看出不同摻量再生粗骨料混凝土內部裂縫的形成與發展過程，接近峰值應力的損傷定位圖與試件最終破壞位置大致相符。

(2) 基于聲發射累計撞擊計數建立的混凝土損傷模型可用于分析不同鋼纖維摻量、不同再生粗骨料取代率混凝土在軸心受壓下的損傷演化規律。損傷演化過程可分為微裂縫起裂階段、裂縫穩定擴展階段、宏觀裂縫急速擴展階段以及塑性破壞階段。

(3) 基于Weibull分布函數，結合累計撞擊計數得出模型的理論應力-應變曲線趨勢與試驗過程得到的曲線趨勢相近，能夠較合理地反映鋼纖維再生粗骨料混凝土的損傷演化過程。