SAP內養護混凝土斷裂過程聲發射特性

金子恒,謝發祥,蔡定鵬,韓 旭,掌 昀

(河海大學土木與交通學院,南京 210098)

0 引 言

混凝土材料因具有承載能力強、施工成本低和耐久性好等諸多優點,在現代土木工程結構中得到了廣泛應用。然而大量的工程實踐表明,混凝土結構在服役過程中出現的自收縮會導致結構產生裂縫[1-3],嚴重影響結構的承載能力和使用壽命[4-5]。因此,需要對混凝土進行定期養護以防止其收縮開裂。目前,混凝土養護方法主要分為外部養護和內部養護,傳統的養護方法難以對結構內部進行充分養護,尤其對致密性較強的高性能混凝土,因此,在混凝土內部引入養護水分是有效改善混凝土抗裂性能、抑制結構收縮開裂的重要方法[6-8]。Jensen等[9-10]研究表明,利用高吸水性樹脂(super absorbent polymer, SAP)能夠顯著提高混凝土的內部養護效率,SAP是一種理想的內養護材料[11-12],能夠在混凝土結構干燥時逐漸釋放吸收的水分,進而對其結構內部進行有效養護?；炷两Y構在服役中受到風荷載、地震荷載和車輛荷載等動荷載的作用,而混凝土強度具有應變率敏感性[13-14]。因此,研究應變率對SAP混凝土斷裂性能的影響可以全面了解SAP混凝土的動態力學性能,具有實際工程意義。

目前,很多國內外學者已經開展了SAP對混凝土斷裂性能影響的研究。張志強[15]通過四點彎曲試驗發現,隨著SAP摻量的提升,混凝土的抗折強度和彈性模量隨之降低,其自收縮、干縮、塑性開裂性能呈減小趨勢。Yao等[16]研究了工程水泥基復合材料(engineered cementitious composites, ECC)的性能,發現SAP可以很好地改善最大拉伸應變和彎曲撓度,抑制ECC試樣的干燥收縮。楊景玉等[17]通過對路面混凝土的三點彎曲斷裂試驗研究發現,摻入SAP可以推遲開裂荷載的出現時間,并顯著降低混凝土斷裂失穩后的劣化速率。Yang等[18]發現SAP內養護可以降低路面混凝土的收縮應變,延緩起裂時間并改善其斷裂性能。Lyu等[19]通過三點斷裂試驗研究了SAP混凝土的抗裂性,結果表明SAP可以推遲混凝土起裂時間,并提高其斷裂性能。

但是在現有的研究中,鮮有通過聲發射 (acoustic emission, AE) 技術研究SAP內養護混凝土動態斷裂性能的報道,且缺乏應變率變化對內養護混凝土損傷模式影響的研究?；诖?本文開展了三點彎曲狀態下內養護混凝土斷裂過程的AE試驗,研究了SAP混凝土在不同加載速率下的斷裂性能及AE特性,分析了不同加載速率下SAP混凝土的損傷特征變化規律,為SAP混凝土的后續工程應用和損傷檢測等領域提供參考。

1 實 驗

1.1 原材料及配合比

混凝土強度等級設計為C40。水泥采用海螺牌P·O 42.5級硅酸鹽水泥,細集料采用天然河砂,粗骨料采用[15,20] mm的玄武巖碎石,內養護材料采用江蘇省宜興市可信化工有限公司生產的SAP顆粒,其性能參數如表1所示。

表1 SAP的物理力學性能Table 1 Physical and mechanical properties of SAP

SAP的最佳內養護引水量可根據Powers模型[20-21]確定,計算式如式(1)所示。

(1)

式中:Wic為內養護水灰比(表征SAP在混凝土顆粒中的含量),W/C為水灰比。

根據式(1),得到不同SAP含量混凝土梁試件的配合比,結果如表2所示。試件編號表示為SAP-a%-b/(cs-1),其中,a%表示內養護水灰比Wic,b表示試件加載速率,c表示試件應變率。

表2 不同SAP含量混凝土梁試件的配合比Table 2 Mix proportion of cement beam specimens with different SAP content

1.2 試驗方案

SAP混凝土梁試件的加載示意圖如圖1所示。由圖1(a)可知,梁底部支座間的跨徑為300 mm,試件外側離支座的距離為50 mm,初始切口長度a0為30 mm,AE的6個傳感器分別布置在試件的前后和頂部,具體位置如圖1(b)所示。在預制缺口處上方5 mm左右的位置粘貼應變片來獲得起裂荷載值,在預制缺口的下方粘貼薄鋼片來測量荷載下的位移值。

圖1 SAP混凝土梁試件的加載示意圖(單位:mm)Fig.1 Schematic diagram of SAP cement beam specimens (unit: mm)

試驗前,用砂紙打磨試件粘貼區域的表面,再用環氧樹脂膠將應變片粘貼至試件上,待膠水充分固化后方可進行試驗。把試件放在支座上后,將AE傳感器緊貼在試件的表面,為了使試件表面與傳感器完全接觸,在傳感器上涂抹少許凡士林,以更好地接收到試件內部的聲信號。固定好傳感器再連接應變片和應變采集儀后即可開始試驗。加載壓頭與試件輕微接觸后試驗開始,儀器以裂縫張開口位移(crack mouth opening displacement, CMOD)為控制指標,按照既定的加載速率(0.000 5、0.005和0.05 mm/s,分別對應5×10-6、5×10-5、5×10-4s-1的應變率)進行加載。與此同時,AE采集系統與動態應變儀同步開始采集數據,當加載力低至峰值荷載的5%左右時即可停止試驗,此時試件幾乎完全喪失承載能力,接近破壞狀態。

2 結果與討論

2.1 荷載-裂縫張開口位移曲線

試驗得到的部分荷載-裂縫張開口位移(P-CMOD)曲線如圖2所示。由圖2(a)可知,隨著SAP含量增加,峰值載荷逐漸降低,這是由于SAP的加入伴隨著內養護水增多,混凝土總水灰比增加,強度逐漸下降。此外,峰值載荷越大,軟化階段荷載的減小速率越陡,這與文獻[22-23]結果相似。圖2 (b)為不同加載速率下的P-CMOD曲線。由圖2(b)可知,峰值荷載隨加載速率的增加而增大,反映了膠凝材料對應變率的影響[14]。

圖2 三點彎曲試驗的P-CMOD曲線Fig.2 P-CMOD curves of three-point bending tests

根據《水工混凝土斷裂試驗規程》(DL/T 5332—2005)[24],失穩韌度可由式(2)計算得到。

(2)

(3)

計算所得的斷裂性能指標平均值如表3所示。

2)使用飽和水裝置(圖4)對煤樣進行加壓飽水處理，期間每隔12 h將煤樣取出稱重，直至煤樣質量不再增加，可認為煤樣飽和，記錄飽和水煤樣的質量ms。

表3 計算所得的斷裂性能指標平均值Table 3 Average value of the calculated fracture performance index

由表3可知,隨著SAP含量和加載速率的增加,失穩韌度均呈線性遞減的趨勢,表明SAP混凝土具有明顯的應變率效應。將SAP含量、加載速率和失穩韌度進行線性擬合,SAP和加載速率對失穩韌度的影響如圖3所示,不同加載速率下的失穩韌度擬合曲線結果如表4所示。

圖3 SAP含量和加載速率對失穩韌度的影響Fig.3 Effects of SAP content and loading rate on unstable toughness

表4 不同加載速率下的失穩韌度擬合曲線結果Table 4 Fitting curves results of instability toughness under different loading rates

2.2 聲發射能量

AE是一種很有前景的分析混凝土斷裂性能的方法[25]。當材料內部發生微小的斷裂或錯位時,采集系統可以捕獲典型的聲波,典型AE信號如圖4所示。一個AE信號波即為一個AE事件,在這個波段內,從剛剛超過閾值到達峰值幅度的時間稱為上升時間,波段幅值超過閾值的時間為持續時間,波段內的最大電壓值為幅值,超過閾值的波峰數為這一次AE事件的振鈴計數。

圖4 典型AE信號Fig.4 Typical AE signal

在加載過程中,AE振幅、荷載、峰值能量和累積能量的變化可以呈現出損傷過程,不同加載速率下SAP混凝土的AE振幅和能量變化如圖5所示。在初始加載階段,由于試樣和設備之間的接觸和摩擦,會產生少量AE信號。隨著載荷的增加,試件進入彈性變形階段,當試樣內部裂紋穩定擴展時,AE信號逐漸增加。當載荷接近峰值時,AE信號變得密集,能量波動較大,表明裂紋擴展不穩定。同時,試樣中出現宏觀裂紋,釋放出大量能量。在峰值載荷后,能量波動劇烈,伴隨著最強烈的AE信號,表明試樣內部產生了大量微裂紋。隨著載荷的持續施加,AE信號和能量波動逐漸減小,表明裂紋的發展緩慢結束,樣品幾乎完全損壞。SAP混凝土峰值能量和累積能量變化如圖6所示。

圖5 不同加載速率下SAP混凝土的AE振幅和能量變化Fig.5 AE amplitude and energy variation of SAP concrete at different strain rates

圖6 SAP混凝土峰值能量和累積能量的變化Fig.6 Variation of peak energy and cumulative energy of SAP concrete

通過對比圖5(a)、(c)、(e)或(b)、(d)、(f)以及圖6(a)可以發現,峰值能量隨加載速率的增加而增加。對于SAP-0%～SAP-23%的樣品,與應變速率為5×10-4s-1相比,應變速率為5×10-6s-1時的峰值能量降低了約28%、62%、72%、56%、63%。同時,在較高的加載速率下,AE信號相對稀疏,特別是在峰值載荷附近,因為當加載速率較高時,試樣內部的裂紋發展為剪切裂紋,比拉伸裂紋釋放出更多的能量。

圖6(b)顯示了不同SAP含量混凝土在不同加載速率下累積能量的變化。通過比較圖6(b)中SAP混凝土累積能量可以發現,隨著SAP含量的增加,加載過程中釋放的能量顯著減少。在5×10-6s-1的應變速率下,與SAP-0%相比,最大累積能量減少量為SAP-17%的82%。在5×10-5s-1的加載速率下,最大降幅為SAP-23%的80%。最終,在5×10-4s-1的應變速率下,SAP-17%的最大降幅為57%。

2.3 b值研究

b值法最初是由Gutenberg等[26]提出,用于分析地震波以及量化地震活動水平。由于AE事件的典型波形與地震波相似[27],該方法還可以表征混凝土內部的斷裂活動并評估損傷程度。b值的計算如式(4)所示。

(4)

b值表示具有小振幅AE事件的比例,因此當小振幅信號較多時,b值較大,相反,當高振幅的比例提高時,b值會變小。不同的損傷模式會產生不同振幅分布的AE信號,SAP混凝土在不同加載速率下的振幅分布和擬合曲線如圖7所示,得出的b值如表6所示。

圖7 AE振幅分布及擬合曲線Fig.7 Amplitude distribution and fitting curves of AE

表6 不同加載速率率下SAP混凝土的b值Table 6 b value of SAP concrete at different strain rates

由圖7可以看出,不同加載率下的AE振幅與公式所示的AE撞擊數的對數呈良好的線性關系。由表6可以看出,不同SAP含量的b值隨著加載速率的增加而減小。這是因為隨著加載速率的增加,高振幅AE事件產生,同時伴隨著內部裂紋的快速產生。

2.4 RA-AF關聯分析法

在AE分析中,上升時間幅值-平均頻率 (risetime amplitude-average frequency, RA-AF)關聯分析法在混凝土等脆性材料的失效模式識別中已經得到了廣泛應用[28-30]。RA定義為上升時間與AE事件幅值(ms/V)的比值,AF是AE循環計數與持續時間的比值。參考Isoda等[31]建立的關于RA和AF的關系,根據RA-AF法可將裂紋劃分為拉伸型裂縫和剪切型裂縫,結果如圖8所示。基于RA-AF分析可以確定結構失效模式。

圖8 基于RA-AF關聯分析法的典型裂縫分類Fig.8 Typical crack classification based on RA-AF correlation analysis method

SAP混凝土試件的RA-AF值如圖9所示。拉伸型和剪切型裂紋的百分比計算結果和變化情況如圖10所示。

圖9 SAP混凝土試件的RA-AF值Fig.9 RA-AF value of SAP concrete specimens

圖10 不同SAP含量和加載速率下的拉伸型裂縫比例Fig.10 Tensile-type crack ratios at different SAP content and loading rates

從圖9中可以看出,RA-AF關聯分析法表明在相同的SAP含量下,RA值和最大RA值隨加載速率的增加而增加。拉伸型裂縫比例的減小也反映了變化規律,表明混凝土脆性較高。研究結果與Chen等[32]的研究結果一致,即在低加載速率下,拉伸型裂縫主導了對試件的損傷。SAP混凝土的脆性隨荷載速率的增加而增加,AE信號的RA值越大,剪切型裂縫的比例越高。

從圖10(a)中可以看出,隨著加載速率的增加,拉伸裂紋的百分比呈下降趨勢。但對于SAP-23%而言,中間加載速率的增加較小,這可能是混凝土的隨機特性引起的。從圖10(b)中也可以看出,在相同的加載速率下,不同SAP含量的拉伸型裂縫百分比有增減的趨勢。SAP-12%的拉伸型裂縫比例最高(分別為87.4%、81.8%和70.2%),SAP-17%的拉伸型裂縫比例隨后下降,SAP-23%的拉伸型裂縫比例略有增加。這主要是由于:1)隨著SAP含量的提升,相同加載速率下SAP混凝土的強度降低,因為SAP的加入雖然提升了混凝土膠凝材料的水化程度,但是也提升了總水灰比,增加了混凝土的總孔隙率,導致強度降低;2)拉伸型裂縫比例呈先增長后降低的趨勢,因為SAP的內養護能夠有效緩解混凝土早期的自收縮,提升混凝土的水化程度,降低混凝土內部的初始缺陷,而隨著SAP含量的提升,混凝土的脆性提升,破壞時間縮短,裂縫的發展時間受到限制而無法充分發展,骨料之間的剪切增多,進而混凝土試件內部更多的初始缺陷會導致破壞形態向剪切型破壞轉變,拉伸型裂縫的比例降低。正如Kong等[33]所建議的,在混凝土中加入SAP可以在不同的加載應變速率下提高拉伸型裂縫的比例,這有利于減少剪切破壞。

3 結 論

1)隨著加載速率的增加,SAP混凝土的強度增加,而隨著SAP含量的增加,相同的加載速率下SAP混凝土的強度呈降低趨勢。隨著加載速率的增加,SAP混凝土的失穩韌度呈線性降低趨勢。

2)隨著SAP含量的增加,加載過程中釋放的能量顯著減少,最大累積能量在5×10-6、5×10-5和5×10-4s-1的應變速率下分別下降了82%、80%和57%;而隨著加載速率的增加,峰值能量呈增加趨勢。

3)聲發射分析表明,不同SAP含量混凝土試件的b值隨著加載速率的增加而減小,表明隨著加載速率的增加,試件內部的裂紋快速產生和擴展,當加載速率從0.000 5 mm/s增加到0.05 mm/s時,拉伸型裂縫的比例降低約15%;同時研究結果表明,混凝土中摻入適當的SAP可以增加拉伸型裂縫的比例,并降低剪切破壞的可能性。