鋼筋活性粉末混凝土受彎過程聲發(fā)射特性研究

作者簡介：吳林東（1987—），工程師，研究方向：高速公路養(yǎng)護。

摘要：文章通過制備活性粉末混凝土（RPC）與鋼筋活性粉末混凝土（SBRPC），采用三點彎曲試驗研究鋼筋數(shù)量對SBRPC抗彎強度的影響，并利用聲發(fā)射技術(shù)實時監(jiān)測混凝土試件的斷裂過程，分析混凝土試件斷裂過程和失效模式。結(jié)果表明：隨著鋼筋數(shù)量的增加，SBRPC的抗彎強度逐漸提高；SBRPC的彎曲斷裂破壞階段可以根據(jù)撞擊數(shù)和累積振鈴計數(shù)的曲線斜率變化來準確劃分；聲發(fā)射信號間接特征參數(shù)上升角（RA）和平均頻率（AF）值的動態(tài)變化可用于判斷混凝土試件斷裂過程和失效模式；鋼筋的加入會影響鋼筋活性粉末混凝土中剪切和拉伸裂紋的分布。

關(guān)鍵詞：道路工程；鋼筋活性粉末混凝土；抗彎強度；聲發(fā)射技術(shù)

中圖分類號：U416.216⁺.2

0 引言

活性粉末混凝土（RPC）于20世紀90年代提出，其作為一種超高性能混凝土，具有強度高、壽命長、耐久性好等特點，已成為一種廣泛使用的水泥基材料^［1］。此外，RPC的韌性可以通過添加纖維來提高^［2］。然而，RPC仍然具有普通混凝土的力學特性，其抗彎強度通常低于抗壓強度。因此，在混凝土中添加鋼筋成為提高RPC抗彎強度的一種有效方法^［3］。

聲發(fā)射技術(shù)作為一種非破壞性方法，用于檢測結(jié)構(gòu)的真實失效狀態(tài)以及材料的損傷行為，具有靈敏度高、損傷源定位準確、實時監(jiān)測等特點^［4］。混凝土內(nèi)部出現(xiàn)損傷時，會釋放出一定強度的彈性波，并傳播到混凝土表面，這些彈性波由聲發(fā)射傳感器收集并處理為電信號，用于混凝土的損傷分析^［5］。目前，一些學者已經(jīng)通過聲發(fā)射技術(shù)研究了混凝土在斷裂損傷過程中的特性。

本文采用鋼筋制備了鋼筋活性粉末混凝土，來探究鋼筋數(shù)量對活性粉末混凝土抗彎強度的影響。基于聲發(fā)射信號直接參數(shù)對鋼筋活性粉末混凝土的彎曲破壞過程進行評估，并通過聲發(fā)射信號間接參數(shù)對其失效模式進行研究。

1 試驗概況

1.1 原材料

本研究采用P·O 42.5的波特蘭水泥，相應(yīng)的技術(shù)指標如表1所示。采用硅灰作為活性材料，比表面積為18 100 m²/kg。使用不同目數(shù)的石英砂作為骨料，使用400目的石英粉末作為填充材料。采用高效減水劑改善混凝土性能，采用短切玄武巖纖維作為增強材料。HPB300型鋼筋用于制備混凝土，其抗拉強度為445 MPa、屈服強度為335 MPa、彈性模量為2.1×10⁵ MPa。

1.2 鋼筋活性粉末混凝土試件制備

本研究中制備了尺寸為400 mm×100 mm×100 mm的鋼筋活性粉末混凝土（SBRPC）試件，其中活性粉末混凝土（RPC）的比例如表2所示，鋼筋采用砂紙進行打磨。在活性粉末混凝土澆筑之前，將鋼筋鋪設(shè)在模具底部，鋼筋數(shù)量分別為1根、3根和5根，記為SBRPC-1、SBRPC-3和SBRPC-5，鋼筋布設(shè)如下頁圖1所示。試件制備24 h后置于90 ℃的環(huán)境中養(yǎng)生48 h。

1.3 試驗方法

根據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2002），本研究使用試驗機對SBRPC進行三點彎曲試驗測試其彎曲強度。在進行彎曲試驗同時，采用聲發(fā)射技術(shù)對SBRPC的彎曲破壞進行監(jiān)測。試驗的示意圖如下頁圖2所示。

聲發(fā)射技術(shù)可以通過無損檢測方法來監(jiān)測混凝土損傷的萌生和發(fā)展，同時可以判斷其損傷模式。通常，可以通過聲發(fā)射技術(shù)的直接特征參數(shù)和間接特征參數(shù)進行損傷分析研究，其中，直接特征參數(shù)包括振幅、上升時間、能量、撞擊數(shù)、持續(xù)時間和振鈴計數(shù)等；間接特征參數(shù)有上升角（RA）與平均頻率（AF），其計算公式如下：

通過聲發(fā)射技術(shù)，可將混凝土失效模式分為兩類：拉伸破壞（即較小的RA和較大的AF）和剪切破壞（即較大的RA和較小的AF）。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 鋼筋活性粉末混凝土抗彎強度

圖3所示為本研究混凝土試件的抗彎強度測試結(jié)果。由圖3可知，SBRPC的抗彎強度隨著鋼筋數(shù)量的增加而增加。在試驗過程中，SBRPC上表面處于壓縮狀態(tài)而下表面處于張拉狀態(tài)。通常，RPC具有優(yōu)異的抗壓強度，但其抗拉強度不如抗壓強度，而鋼筋具有較好的拉伸性能，因而，鋼筋與RPC的組合可有效提高SBRPC的力學性能。SBRPC-1的抗彎強度小于SBPPC-3和SBRPC-5，這說明少量鋼筋難以顯著提高SBRPC的強度。

2.2 鋼筋活性粉末混凝土彎曲作用下聲發(fā)射特性分析

如圖4所示為混凝土試件在受彎過程中聲發(fā)射信號曲線，荷載水平為某一點的荷載除以最大荷載值。綜合考慮撞擊數(shù)和累積振鈴計數(shù)曲線的斜率變化情況，RPC混凝土的受彎損傷過程可以分為4個階段。在第二階段，撞擊數(shù)和累積振鈴計數(shù)迅速增加，這可歸因于該階段混凝土內(nèi)部出現(xiàn)的大量微裂紋。在第三階段中，上述微裂紋發(fā)生連接及穿透。最后，混凝土試件進入第四階段從而產(chǎn)生破壞。然而，基于傳感器收集的聲發(fā)射特征參數(shù)可視化分析，鋼筋與RPC的結(jié)合可以有效地提高SBRPC的抗彎性能。從圖4（b）～（d）中可以看出，在相同的加載程度下，SBRPC試件彎曲失效出現(xiàn)不同臨界點，這與鋼筋和RPC的共同作用有關(guān)。考慮到撞擊數(shù)和累積振鈴計數(shù)曲線的斜率變化，SBRPC的受彎損傷過程可以分為3個階段。與RPC相比，SBRPC的第一階段持續(xù)時間更長，這表明鋼筋可以有效地承受部分荷載，并抑制荷載過程中微裂紋的產(chǎn)生。此外，與SBRPC-3相比，SBRPC-1和SBRPC-5的撞擊數(shù)和累積振鈴計數(shù)發(fā)生了顯著的突變，因而適當?shù)匿摻顢?shù)量更有利于SBRPC的受力形式。

混凝土試件在受彎過程中聲發(fā)射信號振幅值的分布如圖5所示，同樣進行類似撞擊數(shù)與振鈴計數(shù)的階段劃分。由圖5可知，振幅值隨著荷載水平的增加呈現(xiàn)總體增加趨勢，這與混凝土試件的損傷程度有一定聯(lián)系。隨著混凝土損傷的發(fā)展，越來越多的微裂紋萌生并發(fā)展為宏觀裂紋，釋放出高強度彈性波，從而形成高幅值的聲發(fā)射信號振幅。圖5（a）中大多數(shù)振幅信號出現(xiàn)在第二階段和第三階段，其值在40～60 dB。當SBRPC試件進入損傷階段時，聲發(fā)射信號振幅值＞70 dB。圖5（b）中第一階段的聲發(fā)射信號振幅較小，這表明試件內(nèi)部出現(xiàn)很少微裂紋。當進入第二階段時，振幅值可達到50 dB，并且在70 dB左右的聲發(fā)射信號振幅值增加，表明SBRPC試件出現(xiàn)宏觀損傷。圖5（c）表明，聲發(fā)射信號振幅值隨著荷載水平的增加而增加，第一階段的最大聲發(fā)射信號振幅值達到50 dB，第二階段達到70 dB，第三階段達到80 dB，最后當試件斷裂破壞時，聲發(fā)射信號振幅值將達到90 dB。圖5（d）中，當進入第二階段和第三階段時，聲發(fā)射信號振幅值突然增加，這表明可以采用聲發(fā)射信號振幅值的突變來判斷混凝土試件損傷失效階段的轉(zhuǎn)變。

2.3 聲發(fā)射信號的間接特征參數(shù)分析

下頁圖6所示為混凝土試件彎曲破壞過程的RA和AF曲線。RA和AF值呈動態(tài)變化，這意味著RPC與

SBRPC試件的破壞失效類型在此期間發(fā)生了變化。在試件破壞過程中，混凝土基體中的裂紋萌生順序可認為是從拉伸裂紋開始的，并且隨著裂紋的擴展和纖維拉伸斷裂的發(fā)生，剪切裂紋逐漸增多。在圖6中，與初始RA和AF值相比，處于損傷破壞階段的試樣若具有更大的RA值或更小的AF值，這表明試件損傷時剪切模式處于相對重要主導作用。在裂紋發(fā)展時期，RA和AF值處于動態(tài)波動狀態(tài)，這表明該階段拉伸裂紋和剪切裂紋兩種模式共存。從圖6（a）、圖6（b）可以看出，RPC和SBRPC-1試件的初始RA值較小或初始AF值較大，因此在試件失效破壞過程中則會有更多的剪切裂紋出現(xiàn)，進而導致試件失效破壞。如圖6（c）、圖6（d）所示，SBRPC-3和SBRPC-5試件初始RA值較大或初始AF值較小。因此，相比于RPC和SBRPC-1試件，SBRPC-3和SBRPC-5試件在失效破壞過程中會產(chǎn)生更多的拉伸裂紋。因此，鋼筋和RPC的聯(lián)合作用可能會在一定程度上影響混凝土試件的破壞模式。

3 結(jié)語

本研究制備活性粉末混凝土與鋼筋活性粉末混凝土，并評估了鋼筋數(shù)量對鋼筋活性粉末混凝土抗彎強度的影響。同時，在三點彎曲試驗過程中，利用聲發(fā)射技術(shù)對混凝土試件的失效破壞進行實時監(jiān)測。采用聲發(fā)射信號直接特征參數(shù)和間接特征參數(shù)分析研究了混凝土試件斷裂過程和失效模式。

（1）鋼筋活性粉末混凝土的抗彎強度隨著鋼筋數(shù)量的增加而增大。鋼筋與活性粉末混凝土的組合可有效提高混凝土的抗彎性能。

（2）聲發(fā)射信號參數(shù)可用于描述混凝土試件的破壞過程。綜合考慮撞擊數(shù)和累積振鈴計數(shù)，可以準確界定活性粉末混凝土與鋼筋活性粉末混凝土的失效破壞階段。

（3）鋼筋的加入會影響鋼筋活性粉末混凝土中剪切和拉伸裂紋的分布。通過聲發(fā)射信號間接特征參數(shù)RA與AF值的變化，可以有效判斷鋼筋活性粉末混凝土的損傷模式。

（4）基于聲發(fā)射特性的鋼筋活性粉末混凝土斷裂失效評價，可為該類材料在交通基礎(chǔ)設(shè)施工程應(yīng)用中的損傷監(jiān)測及其失效模式判別提供參考。

參考文獻

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收稿日期：2023-03-20