劉宗輝，潘燕秋

(1.河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454000；2.商丘學院 土木工程學院，河南 商丘 476000)

輕集料混凝土的細觀損傷研究

劉宗輝1，潘燕秋2

(1.河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454000；2.商丘學院 土木工程學院，河南 商丘 476000)

從細觀角度研究輕集料混凝土的動態(tài)損傷特性及損傷演化規(guī)律，對強度等級分別為LC30、LC40的全輕頁巖陶?；炷晾庵w試件進行單軸受壓下的聲發(fā)射試驗。試驗結(jié)果表明:聲發(fā)射參數(shù)振鈴計數(shù)、能量、峰值頻率與試件失穩(wěn)破損過程各階段存在對應關(guān)系，且頁巖陶?；炷恋穆暟l(fā)射峰值頻率可以用來判斷混凝土的開裂對象；通過分析損傷過程中振鈴計數(shù)的變化規(guī)律，建立了損傷變量與振鈴計數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式；基于聲發(fā)射三維空間定位技術(shù)，從細觀上揭示了單軸受壓下，頁巖陶?；炷两Y(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷演化規(guī)律,即混凝土裂紋的萌生、發(fā)展、貫通的演化規(guī)律，對受載混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化有了更進一步的認識。關(guān)鍵詞： 頁巖陶粒混凝土；聲發(fā)射；細觀研究 ；損傷變量；空間定位

混凝土在受壓過程中，會發(fā)生材料晶體間的滑移和錯位，原始裂紋的擴展和連通，新生裂紋的萌生、擴展、貫通等現(xiàn)象，這將導致混凝土最終的宏觀破壞[1]。混凝土細觀研究的對象主要包括水泥砂漿、粗骨料以及兩者間的黏結(jié)面等。普通混凝土中粗骨料的彈性模量要比水泥石的彈性模量大得多，在受力時兩者產(chǎn)生的變形不同，因此會在粗骨料和水泥石的界面區(qū)產(chǎn)生橫向拉應力，且由于存在墻壁效應，水分將會在粗骨料表面聚集，使界面區(qū)的水膠比較大，導致界面區(qū)強度較低。因此，對于普通混凝土來說，界面區(qū)是微裂紋的發(fā)源地[2-3]。對于輕骨料混凝土，由于強度較低，在承受荷載時往往成為混凝土破壞的薄弱環(huán)節(jié)，其強度主要取決于輕骨料自身的顆粒強度及砂漿強度[4-5]，因此不同齡期的陶粒混凝土的破壞既可能首先發(fā)生在砂漿界面或者陶粒，也可能發(fā)生在砂漿與陶粒的黏結(jié)面。

材料或構(gòu)件在受力作用下產(chǎn)生變形或斷裂時，以彈性波的形式釋放應變能的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射[6]。聲發(fā)射檢測技術(shù)包含電子技術(shù)、信號處理技術(shù)、計算機技術(shù)。通過該技術(shù)將聲發(fā)射現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為人們利用和認識的信號，據(jù)此來解釋損傷變化規(guī)律、確定聲發(fā)射源的位置[7]。聲發(fā)射檢測技術(shù)因其實時、動態(tài)、方便、覆蓋面廣等優(yōu)點，在混凝土結(jié)構(gòu)中的應用引起越來越多的關(guān)注[8-9]。目前，聲發(fā)射技術(shù)主要應用在混凝土斷裂機理的研究[10-14]。劉茂軍等[15]通過對不同強度等級的普通混凝土棱柱體試件進行聲發(fā)射試驗，得到的聲發(fā)射特征曲線可以很好地反映混凝土材料內(nèi)部損傷演化規(guī)律；Suzuki等[16]通過聲發(fā)射速率理論對混凝土橋墩進行了損傷定量評估，證明了聲發(fā)射技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測上的可行性。由以上可知：聲發(fā)射技術(shù)在普通混凝土的實時監(jiān)測、損傷評估、斷裂機理研究等方面的應用越來越廣泛，但是在輕骨料混凝土中的應用卻幾乎沒有。對于輕骨料如頁巖陶粒，由于其多孔性、較低的筒壓強度、使用前需要提前預濕及粗骨料的軟化效應，導致其混凝土存在多重損傷。鑒于此，對輕集料混凝土進行損傷細觀研究具有重大的意義。

本文借助聲發(fā)射這一研究手段，從細觀角度出發(fā)，研究不同強度等級全輕頁巖陶?；炷羻屋S受壓后的損傷規(guī)律；建立了振鈴計數(shù)、能量與到達時間之間的關(guān)系，以及峰值頻率與能量的關(guān)系，以此來分析全輕頁巖陶?；炷恋膿p傷變化過程；借助聲發(fā)射振鈴計數(shù)這一參數(shù)，建立了聲發(fā)射統(tǒng)計損傷模型，并通過聲發(fā)射三維空間定位技術(shù)對聲發(fā)射源進行空間定位，對未來研究輕集料混凝土損傷、耐久性及可靠性提供了理論指導和試驗支持。

1 試驗概述

1.1 試件設計制作

1.1.1 原材料

混凝土原材料分別為：頁巖陶粒和頁巖陶砂(以下分別簡稱陶粒和陶砂，色澤為青灰色)，最大粒徑為15 mm，其中，陶粒的堆積密度為660 kg/m3，陶砂的堆積密度為880 kg/m3；水泥為P·O42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為二級粉煤灰；減水劑為聚羧酸母液高效減水劑，減水率為40%，摻量為膠凝材料的0.4%～0.5%；水為自來水。

1.1.2 試件制作

全輕頁巖陶粒混凝土(ALWC)配合比如表1所示。LC30、LC40每組3個共計6個，試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，同時預留3個100 mm×100 mm×100 mm立方體試件用來測試立方體抗壓強度，標準養(yǎng)護28 d。

表1 全輕混凝土的配合比與強度值

注：W/B表示水膠比；fcu28 d表示28 d立方體抗壓強度。

1.2 試驗方案

聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為DS2系列全信息聲發(fā)射信號分析儀，加載設備為WES-1000B液晶顯示萬能試驗機。試驗前用砂紙將試件表面磨平，測量尺寸并檢查外觀的完整性?；炷猎嚰诩虞d過程中，當試件內(nèi)部出現(xiàn)裂紋后，為了防止微裂紋對彈性波傳播的影響，以及壓力試驗機上下壓頭機械噪聲及摩擦噪聲的影響，將傳感器固定在試件上下端部50 mm處，傳感器涂抹凡士林后用夾具固定在試件表面，如圖3所示。壓力試驗系統(tǒng)如圖4所示。

圖3 傳感器布置圖 圖4 試驗系統(tǒng)圖

在進行單軸壓縮實驗前，首先對LC30混凝土試件進行斷鉛試驗，在試件表面距離傳感器約10 cm的位置進行斷鉛，斷鉛時鉛芯與試件表面呈30°，鉛芯長度約為2 mm，共進行4次斷鉛試驗，最終確定聲發(fā)射參數(shù)為：門檻值取45 dB，前置放大器和主放大器的增益均為40 dB,時間參數(shù)PDT、HDT、HLT分別取260 μs、750 μs、1 100 μs。

先啟動試驗機進行預加載，觀察試驗是否正常，再對試件勻速加載，直至試件破壞，加載速率0.05 MPa/s。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 加載現(xiàn)象及破壞形態(tài)

圖5 試件破壞形態(tài)

在加載初始階段，試件處于壓密過程，混凝土應變較小，骨料和砂漿主要發(fā)生彈性變形，聲發(fā)射信號稀疏且強度較小，試件棱角處有不同程度壓碎脫落；隨著荷載的不斷增加，混凝土的應變也逐漸增大，在試件的表面有細微裂縫的產(chǎn)生并逐漸擴展，此時聲發(fā)射信號強度增強，當施加荷載接近極限荷載時，試件發(fā)出破裂聲，此時試件表面裂縫迅速擴展直至貫通，當施加荷載達到極限荷載時，試件發(fā)生破壞，并伴隨有沉悶的破裂聲。試件內(nèi)部的巨大能量被釋放出來，此時聲發(fā)射信號急劇增長，且高頻信號比例較高，圖5為試件破壞照片，試件的破壞形態(tài)與小柱破壞類似，觀察破碎的試件，可以看到試件的斷裂面相對規(guī)整和平滑，試件斷面處的頁巖陶粒均發(fā)生斷裂。

2.2 混凝土試件損傷過程聲發(fā)射參數(shù)分析

2.2.1 聲發(fā)射能量分析

能量是衡量試件聲發(fā)射強度的重要參數(shù)，聲發(fā)射能量分析法通常以能量值和能量率兩種數(shù)據(jù)形式給出。圖6是單軸受壓作用下，LC30、LC40試件的聲發(fā)射能量時程圖，試驗觀察發(fā)現(xiàn)，混凝土在軸向受壓時采集到的聲發(fā)射信號具有連續(xù)性，大部分加載過程中，混凝土試件內(nèi)部的能量釋放是比較平衡的，在某些時間點能量率曲線會出現(xiàn)突起，表明此時試件把之前內(nèi)部經(jīng)歷較長時間積累的能量釋放出來。這些突變點往往都是試件內(nèi)部損傷變化劇烈的時刻。聲發(fā)射的能量時程圖可劃分為三個不同的階段：即初始裂紋階段、初始裂紋的穩(wěn)定發(fā)展和新裂紋的產(chǎn)生階段、新裂紋的擴展與貫通，直至試件的破壞階段。

(1)LC30、LC40混凝土試件分別在0～37 s、0～20 s的時間段。在該階段基本上沒有能量釋放，此時試件的應力值也相對較小，分別為1.6 MPa、1.2 MPa，說明此時聲發(fā)射信號數(shù)量很少，試件內(nèi)部幾乎沒有新的裂紋產(chǎn)生。

(2)LC30、LC40混凝土試件分別在37～350 s、20～630 s的時間段。隨著荷載的增加，聲發(fā)射信號能量開始增加，該階段聲發(fā)射能量值較小，聲發(fā)射能量信號的變化幅度亦較小，說明此時混凝土內(nèi)部的微裂紋處于比較穩(wěn)定的發(fā)展階段。由于試驗所用頁巖陶粒的彈性模量僅為1.2×104MPa，遠遠小于28 d齡期砂漿基體的彈性模量，且28 d時陶粒相對于陶粒與砂漿的黏結(jié)面而言相對較弱，所以說產(chǎn)生裂紋的部位在陶粒。對于普通混凝土，骨料的彈性模量較水泥石高得多，黏結(jié)面處強度較低，因此，黏結(jié)面是內(nèi)部裂紋的發(fā)源地。

(3)LC30、LC40混凝土試件分別在在350～680 s、630～845 s的時間段。此階段聲發(fā)射能量快速提高，且能量值一直處于較高水平，說明此時微裂紋開始穿過陶粒，在這種情況下，陶粒抑制裂紋發(fā)展的能力喪失，裂紋開始傳播到水泥砂漿并引起裂紋的迅速擴展與貫通，試件被完全壓碎，能量出現(xiàn)最大值，此后，由于試件還存在殘余承載力，繼續(xù)施加荷載，聲發(fā)射能量曲線逐漸減小直至消失。對于LC30、LC40混凝土試件分別在355 s、740 s也出現(xiàn)較大的能量值，原因可能是在試件內(nèi)部存在個別強度比較高的頁巖陶粒，裂紋貫穿時需要較大的能量。

通過對比圖7與圖6可以看出，到達時間-累積能量曲線同樣具有三階段特性：即初始裂紋階段、初始裂紋的穩(wěn)定發(fā)展和新裂紋的產(chǎn)生階段、新裂紋的擴展與貫通，直至試件的破壞階段。

圖6 聲發(fā)射能量計數(shù)

圖7 聲發(fā)射能量累積數(shù)

2.2.2 聲發(fā)射振鈴計數(shù)分析

圖8 聲發(fā)射振鈴計數(shù)

振鈴計數(shù)是衡量聲發(fā)射活躍性的重要參數(shù)，振鈴計數(shù)越高，說明試件內(nèi)部的聲發(fā)射越活躍。由圖8可以看出，聲發(fā)射振鈴計數(shù)時程曲線與聲發(fā)射能量時程圖一樣，同樣具有三階段特性：

第I階段，幾乎沒有聲發(fā)射活動產(chǎn)生，隨著荷載的增加，微裂紋遇到粗骨料等較大阻力時，在裂紋處不斷積累能量，當能量增加到可以使骨料開裂時，進入第II階段。在第II階段，裂縫開始貫穿粗骨料以及黏結(jié)面，聲發(fā)射振鈴計數(shù)突然增加，隨著荷載的進一步增加，試件內(nèi)部裂紋擴展到試件表面，且裂紋能夠直接觀察到，在該階段部分粗骨料被裂縫貫穿，且粗骨料與砂漿的黏結(jié)面也開始出現(xiàn)脫開現(xiàn)象，但是在試件內(nèi)部仍然存在大量粗骨料可以阻止裂縫的發(fā)展，故結(jié)構(gòu)仍然具有較大的承載力。第III階段，隨著荷載的進一步增大，越來越多的裂縫被貫穿，材料開始進入失穩(wěn)階段。聲發(fā)射振鈴計數(shù)突然增加，試件的承載力迅速降低。由圖9可知，聲發(fā)射振鈴累積數(shù)同樣表現(xiàn)出三階段特性，在加載初期幾乎沒有聲發(fā)射信號，且能量較低，振鈴計數(shù)很少，所以累積振鈴數(shù)幾乎為零；隨著應力的增加，聲發(fā)射信號開始增多，且能量增加，振鈴數(shù)增加，振鈴累積數(shù)隨之增加；在加載后期試件發(fā)生破壞，聲發(fā)射信號急劇增加，能量值增加明顯，振鈴計數(shù)也增加迅速，累積振鈴數(shù)突增。

通過對比LC30、LC40混凝土的振鈴累計數(shù)以及能量累計數(shù)可知，LC30與LC40混凝土的振鈴累計數(shù)以及能量累積相差很大，主要原因是LC40混凝土的水膠比小于LC30混凝土，混凝土內(nèi)部更加密實，孔隙率更小，骨料與砂漿黏結(jié)面的強度以及水泥石的強度都高于LC30混凝土，因此LC40混凝土破壞時會釋放更多能量，破壞更加劇烈，振鈴數(shù)也相對較多。

圖9 聲發(fā)射振鈴累積數(shù)

2.2.3 聲發(fā)射統(tǒng)計損傷模型

由前文的分析可知，混凝土的損傷和聲發(fā)射信號之間存在一定的相關(guān)性，可以實時、準確的反應混凝土內(nèi)部的損傷變化規(guī)律，因此可以利用損傷理論建立聲發(fā)射損傷模型。

定義混凝土材料斷面上微觀缺陷的面積A與無損時截面面積A0的比值為損傷變量D，那么：

(1)

當混凝土材料截面面積為A0時，材料完全破壞產(chǎn)生的聲發(fā)射事件總數(shù)為N0,那么單位面積破壞時產(chǎn)生的聲發(fā)射事件數(shù)為：

(2)

混凝土在受壓過程中，當截面面積為A時，累積聲發(fā)射事件數(shù)為：

(3)

由式(1)、(3)可知，聲發(fā)射事件數(shù)與損傷變量的關(guān)系為：

(4)

對于準脆性材料混凝土，可用應變ε表達混凝土的損傷規(guī)律：

(5)

由公式 (4)、(5)得：

(6)

(7)

f(x)為概率密度函數(shù)，F(xiàn)(X)為概率分布函數(shù)。式(4)～(7)為聲發(fā)射統(tǒng)計損傷模型。

2.2.4 聲發(fā)射信號頻率分布

圖10為在不同應力作用下，LC30混凝土試件在單軸受壓過程中聲發(fā)射信號能量的頻率分布圖。由圖10可以看出，在不同應力作用下聲發(fā)射信號的頻率也發(fā)生改變。當應力為10MPa時,頻率為0～50kHz的聲發(fā)射信號較多，但是聲發(fā)射信號的能量值較?。浑S著應力的進一步增加，當應力為20MPa時，聲發(fā)射信號數(shù)量沒有發(fā)生較大的變化，但是能量有較大幅度的增加，造成這種現(xiàn)象的根本原因在于頁巖陶粒混凝土的破壞過程存在多種破壞形式，其中，最重要的為水泥砂漿與陶粒的黏結(jié)面開裂、水泥砂漿開裂、粗骨料陶粒的開裂，這幾種破壞形式都與應力的大小存在直接的關(guān)系。對整個單軸受壓聲發(fā)射過程的頻率分布進行分析可以看出，30kHz的信號在受壓過程都有出現(xiàn)，且能量值較大，此時為粗骨料頁巖陶粒的破壞引起的。而對于頻率為170kHz的聲發(fā)射信號在應力達到極限值時能量值有大幅度增加，該階段可認為是水泥砂漿和粗骨料的黏結(jié)面界面以及水泥砂漿的開裂引起的。

圖10 LC30混凝土聲發(fā)射能量的頻率分布

2.2.5 受載混凝土聲發(fā)射空間定位研究

混凝土試件在單軸受壓過程中，裂紋的發(fā)展最終導致混凝土試件的宏觀破壞，但是通過試驗不能觀察到試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)，為了進一步了解混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，對混凝土試件破壞過程進行定位顯得尤為重要。下文從三維空間圖進一步分析裂紋的發(fā)展過程。圖11為LC30混凝土試件各階段混凝土聲發(fā)射事件的三維空間分布圖，從圖11中可以直觀地了解到各個應力階段混凝土內(nèi)部裂紋的發(fā)展狀況。混凝土在0.2 fcu階段內(nèi)，聲發(fā)射事件數(shù)相對較少，在0.2～0.8 fcu內(nèi)為聲發(fā)射信號活躍的階段，此時聲發(fā)射事件在試件的左右兩側(cè)逐漸集聚。混凝土試件在0.4 fcu時，聲發(fā)射事件開始出現(xiàn)明顯的集聚現(xiàn)象，上部的聲發(fā)射數(shù)較下部多，左右兩側(cè)相對較多。隨著荷載的進一步增加，聲發(fā)射事件集聚現(xiàn)象更為明顯，說明在0.4 fcu時試件內(nèi)部的裂紋就開始發(fā)展演化，荷載的增加會加快裂紋的擴展、貫通，直至最后試件的破壞。圖中的聲發(fā)射事件定位圖與單軸受壓試驗中的棱柱體的小柱破壞相符合。

圖11 聲發(fā)射信號源累積空間分布

3 結(jié)論

(1)聲發(fā)射特征參數(shù)振鈴、能量可以準確地反映在受壓作用下頁巖陶粒混凝土的內(nèi)部損傷發(fā)展狀況，頁巖陶?；炷恋钠茐倪^程與普通混凝土相同，同樣具有三階段特性，即：初始裂紋階段、初始裂紋的穩(wěn)定發(fā)展和新裂紋的產(chǎn)生階段、新裂紋的擴展與貫通，直至試件的破壞階段；

(2)頁巖陶?；炷涟l(fā)生破壞的位置首先出現(xiàn)在頁巖陶粒處，當陶粒中的裂紋擴展到砂漿時會迅速貫通，進而使混凝土破壞。通過分析不同受力階段頁巖陶?；炷恋姆逯殿l率與能量的對應關(guān)系，可以判斷頁巖陶粒以及頁巖陶粒與砂漿黏結(jié)面的開裂頻率；

(3)聲發(fā)射事件數(shù)可以用來定義頁巖陶?；炷敛牧系膿p傷變量，并建立聲發(fā)射統(tǒng)計損傷模型；

(4)三維空間定位可反映頁巖陶?；炷猎谑軌哼^程中結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷演化規(guī)律，便于從微觀上分析混凝土內(nèi)部的損傷。

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Study on meso damage of lightweight aggregate concrete

LIU Zong-hui1, PAN Yan-qiu2

(1.SchoolofCivilEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China;2.SchoolofCivilEngineering,ShangqiuUniversity,Shangqiu476000,China)

In order to study the dynamic damage characteristics and damage evolution law of lightweight aggregate concrete in the view of mesoscopic point, the acoustic emission test of full lightweight shale ceramsite aggregate concrete whose strength grade were LC30 and LC40 under uniaxial compression were processed. Research shows that it has corresponding relationship between the different failure damage stages and parameters of acoustic emission of counts, energy, peak frequency, instability. The peak frequency of the acoustic emission of shale concrete could be used to judge the cracking of concrete. Through the analysis of the change of counting process of damage, the function relation between the damage variable and ringing count is established. The damage evolution law of shale ceramsite concrete structure, namely the initiation, development and penetration of concrete crack has been found based on three-dimensional positioning of acoustic emission from the microscopic view and under the uniaxial compression, which further understands the internal structure change of the loaded concrete.

damage; shale aggregate concrete; acoustic emission; meso study; damage variable; spatial localization

2016-11-28

國家自然科學基金項目(41172317)

劉宗輝(1989—)，男，河南平頂山人，碩士研究生。

1674-7046(2017)01-0007-09

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.01.002

TU528.2

A