于 江 袁 飛 秦?fù)碥?/p>

(新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 烏魯木齊 830047)

粗骨料作為混凝土材料的重要組成部分,約占材料總體積的50%～70%[1].在混凝土領(lǐng)域,粗骨料作為材料的剛性骨架,骨料尺寸、種類、形狀、強(qiáng)度以及顆粒級(jí)配等因素,對(duì)混凝土拌制和成品性能都有著不容忽視的影響.本文探究了不同粗骨料粒徑對(duì)混凝土性能的影響和單軸壓縮作用下材料的損傷發(fā)展情況.如今無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已成為土木工程領(lǐng)域中重要的材料損傷評(píng)測(cè)方法,聲發(fā)射(Acoustic Emission,簡(jiǎn)稱AE)技術(shù)作為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中的一種,利用專業(yè)技術(shù)設(shè)備將構(gòu)件內(nèi)部由于材料斷裂釋放的瞬態(tài)彈性波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)[2-3],經(jīng)過(guò)采集及處理,從而反映構(gòu)件內(nèi)部損傷發(fā)展情況.在混凝土領(lǐng)域,聲發(fā)射技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)混凝土構(gòu)件的損傷程度、斷裂部位,以及對(duì)構(gòu)件的破環(huán)階段預(yù)警具有十分重要的意義.試驗(yàn)在課題組已有研究的基礎(chǔ)上,從另一角度出發(fā)研究不同骨料粒徑條件下混凝土聲發(fā)射特性,利用聲發(fā)射參數(shù)分析及空間定位分析,實(shí)現(xiàn)材料的斷裂源定位、斷裂機(jī)理研究以及損傷程度識(shí)別,對(duì)今后材料的損傷可視化、健康度評(píng)測(cè)提供部分參考依據(jù).

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制備與養(yǎng)護(hù)

為避免其它外界因素對(duì)試件造成影響,試驗(yàn)選取相同來(lái)源材料、相同條件進(jìn)行試件制備及養(yǎng)護(hù).采用42.5R級(jí)雁池牌普通硅酸鹽水泥,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30.制備的九塊棱柱體試件尺寸均為：a×b×h=150 mm×150 mm×300 mm,3組試件粗骨料最大粒徑分別為G1：10 mm、G2：20 mm、G3：30 mm,各組骨料經(jīng)篩分、清洗、烘干后如圖1所示.試件配合比為：mwo∶mco∶mso∶mgo=0.45∶1∶1.21∶2.82.為減小試驗(yàn)誤差,實(shí)現(xiàn)3組試件在不同骨料粒徑影響下的可對(duì)比性,所有試件的試驗(yàn)過(guò)程均在新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)樓同條件下進(jìn)行.

圖1 粗骨料現(xiàn)場(chǎng)圖

1.2 聲發(fā)射信息采集試驗(yàn)

分析不同骨料粒徑下混凝土材料聲發(fā)射特性,由于各組材料性質(zhì)有所不同,AE波在材料內(nèi)部傳播、散射、抗阻等衰減程度也不同[4-5],因此在數(shù)據(jù)采集之前需要對(duì)試件進(jìn)行斷鉛試驗(yàn),斷鉛試驗(yàn)實(shí)質(zhì)上是模擬斷裂源信號(hào)以設(shè)定聲發(fā)射試驗(yàn)參數(shù)及測(cè)定AE波傳播速度,斷鉛試驗(yàn)是聲發(fā)射特征參數(shù)采集試驗(yàn)和斷裂源空間定位試驗(yàn)之前必不可少的步驟.

試驗(yàn)中使用鉛芯直徑為0.5 mm的HB鉛筆,斷鉛長(zhǎng)度2.5 mm,聲發(fā)射信息采集裝置使用北京聲華公司生產(chǎn)的SAEU2S型聲發(fā)射采集儀.斷鉛調(diào)試測(cè)得幅值均大于90 dB,基于表1及考慮濾除部分噪聲影響,最終確定門檻值為45 dB.斷鉛試驗(yàn)采用雙通道,探頭與試件接觸面處采取藕合劑隔絕處理,斷鉛試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置位置如圖2所示.

圖2 斷鉛試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖(單位：mm)

根據(jù)聲發(fā)射波的傳播特性,可將斷裂源釋放的瞬態(tài)彈性波分為：縱波、橫波、面波[6].其中縱波(P波)傳播速度最快、衰減程度較小,一般以測(cè)定的P波傳播速度作為設(shè)定聲發(fā)射波速的基礎(chǔ)參數(shù).根據(jù)時(shí)差定位原理：

式中：l1、l2分別為斷鉛點(diǎn)到S1、S2聲發(fā)射探頭之間的距離;Δl為P波從斷鉛點(diǎn)傳播到兩個(gè)探頭的距離差;Δt為時(shí)間差.

表1 門檻值設(shè)定參考區(qū)間及適用范圍

聲發(fā)射斷裂源空間定位試驗(yàn)同特征參數(shù)采集試驗(yàn)探頭布置方式一致,都是在軸心受壓過(guò)程中進(jìn)行數(shù)據(jù)收集,共采用4通道斜對(duì)角布置,設(shè)置O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),探頭坐標(biāo)(單位：mm)：S1(130,0,20)、S2(20,0,280)、S3(20,150,20)、S4(130,150,280),具體 布置及采集方式如圖3、圖4所示.

圖3 空間定位探頭布置坐標(biāo)

圖4 聲發(fā)射信息采集流程

1.3 軸心受壓試驗(yàn)

對(duì)經(jīng)歷28 d養(yǎng)護(hù)齡期的3組不同粗骨料粒徑普通混凝土進(jìn)行軸心受壓加載方案.加載裝置使用濟(jì)南鑫光試驗(yàn)機(jī)制造有限公司生產(chǎn)的YAW-3000型電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī),加載之前清理試件上下承壓面和壓力機(jī)上下承壓板,將試件位置擺放準(zhǔn)確.通過(guò)位移控制加載[7],加載速率控制在0.1 mm/min.試驗(yàn)中使用的壓力機(jī)采集頻率及精度都達(dá)到了一級(jí)指標(biāo)要求,采集的數(shù)據(jù)波動(dòng)性較小.應(yīng)力參數(shù)可通過(guò)試驗(yàn)前設(shè)定加載材料接觸面信息,系統(tǒng)將荷載轉(zhuǎn)化為應(yīng)力.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)A段曲線分析

根據(jù)《GB/T 50081—2002普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)得不同骨料粒徑普通混凝土軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)cp：

式中：F為所測(cè)得的極限荷載(k N);A為棱柱體試件承壓面的面積(mm2).

依據(jù)極限荷載計(jì)算得到3組試件的軸心抗壓強(qiáng)度,如圖5所示.

圖5 棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度指標(biāo)

可看出G1組試件抗壓強(qiáng)度最高,結(jié)果顯示,隨著粗骨料粒徑的增大,軸心抗壓強(qiáng)度呈降低的趨勢(shì).可以說(shuō)明在相同水灰比條件下,粗骨料粒徑對(duì)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度影響較大,骨料粒徑越小,比表面積越大,骨料的包裹程度即水泥石與骨料的黏結(jié)性能越好,抗壓強(qiáng)度越高.

不同粗骨料粒徑普通混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)及變形性能可通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)A段曲線較好地反映,通過(guò)控制位移加載,根據(jù)所測(cè)得的應(yīng)變及其對(duì)應(yīng)3組試件的應(yīng)力平均指標(biāo)繪制應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)A段曲線,如圖6所示.

圖6 應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)A段曲線

根據(jù)圖6可以看出：在0.4～0.5fcp之前,曲線呈線性增長(zhǎng),G1組試件彈性模量較G2、G3組高,曲線上升更陡,G2、G3組彈性模量相對(duì)接近,可見(jiàn)20 mm、30 mm粗骨料最大粒徑對(duì)彈性模量的影響不明顯.比較3組試件的下降段曲線,G1、G2組下降段形狀較為相似、G3組下降段與前兩組比較相對(duì)較緩,可見(jiàn)粗骨料粒徑對(duì)混凝土的延性有所影響,粗骨料粒徑越大,骨料間的咬合作用越為明顯,粗骨料起到了一定的阻裂作用.

2.2 波速分析

因被監(jiān)測(cè)材料種類、聲發(fā)射信息特點(diǎn)、采集部位的需求不一,在聲發(fā)射信息采集試驗(yàn)之前需要進(jìn)行波速測(cè)定,以保證聲發(fā)射參數(shù)及斷裂源空間定位的誤差相對(duì)較小,保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可參考性[8-10].表2為通過(guò)斷鉛試驗(yàn)測(cè)定的3組試件的聲發(fā)射波速,斷鉛點(diǎn)2為校準(zhǔn)點(diǎn),以校準(zhǔn)到達(dá)S1、S2探頭的距離、時(shí)間誤差,以斷鉛點(diǎn)1、斷鉛點(diǎn)3為斷鉛試驗(yàn)位置(P波從斷鉛點(diǎn)到達(dá)兩個(gè)探頭的時(shí)間差分別表示為Δt1、Δt3).

表2 聲發(fā)射波速測(cè)定結(jié)果

對(duì)產(chǎn)生隨骨料粒徑增大,AE波速呈減小趨勢(shì)的現(xiàn)象,解釋如下：在相同水灰比條件下,粗骨料粒徑越大,材料內(nèi)部缺陷增多,波速衰減程度會(huì)相對(duì)增大,其次缺陷也會(huì)對(duì)AE波的反射、衍射及折射產(chǎn)生一定的影響.

2.3 聲發(fā)射能量參數(shù)分析

為研究不同粗骨料粒徑的混凝土聲發(fā)射參數(shù)特征,利用電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)棱柱體試件進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn),實(shí)時(shí)采集試件釋放的聲發(fā)射信息,通過(guò)信息收集、處理得到試件軸心受壓聲發(fā)射能量-時(shí)間特征如圖7所示.

圖7 時(shí)間-聲發(fā)射能量參數(shù)曲線

從圖7可以看出,不同粗骨料粒徑的混凝土聲發(fā)射能量參數(shù)規(guī)律特征明顯且較為相似,各階段發(fā)展趨勢(shì)基本一致,能量參數(shù)隨軸心受壓全過(guò)程表現(xiàn)為明顯的4階段特性,即微裂紋產(chǎn)生階段、裂紋穩(wěn)定增長(zhǎng)階段、裂紋突變階段、破壞階段.以下將從聲發(fā)射能量角度對(duì)此4階段破壞現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)描述.

1)微裂紋產(chǎn)生階段.此階段應(yīng)力水平較低,開(kāi)始試件內(nèi)部無(wú)任何能量的釋放(時(shí)間-能量曲線、時(shí)間-累計(jì)能量曲線與橫軸重合),即內(nèi)部無(wú)裂紋產(chǎn)生,處于材料的彈性階段.該階段后期,由于混凝土材料的非勻質(zhì)性,內(nèi)部存有不同程度的初始缺陷,隨著加載的進(jìn)行,初始孔隙壓密、微裂紋承載變形,此時(shí)會(huì)出現(xiàn)少量的聲發(fā)射信號(hào),標(biāo)志著第一階段結(jié)束,構(gòu)件表面未見(jiàn)裂紋出現(xiàn),未聽(tīng)見(jiàn)明顯斷裂聲.

2)裂紋穩(wěn)定增長(zhǎng)階段.此階段產(chǎn)生持續(xù)的低水平能量,第一階段產(chǎn)生的裂紋繼續(xù)發(fā)展,新的裂紋在水泥石、骨料界面結(jié)合處產(chǎn)生.從時(shí)間-累計(jì)能量曲線可以看出,該階段能量累積緩慢,曲線斜率較為平緩,G1、G2組試件能量釋放基本穩(wěn)定在10 000 m V·μs左右,隨著骨料界面區(qū)域的破壞及部分粗骨料的斷裂,G3組試件能量釋放可達(dá)到20 000 m V·μs.當(dāng)構(gòu)件表面產(chǎn)生第一條較為明顯的裂紋時(shí)標(biāo)志著該階段的結(jié)束,加載過(guò)程中可聽(tīng)見(jiàn)少量斷裂聲.

3)裂紋突變階段.此階段聲發(fā)射能量增長(zhǎng)迅速,時(shí)間-累計(jì)能量曲線陡增,并出現(xiàn)加載全程的能量最大值.可以觀察到裂紋長(zhǎng)度、寬度迅速發(fā)展,裂紋數(shù)量增長(zhǎng)迅速,大量骨料貫穿.峰值能量出現(xiàn)后,構(gòu)件承載性能下降.構(gòu)件表面產(chǎn)生大量裂紋,加載過(guò)程中可聽(tīng)見(jiàn)大量斷裂聲.

4)破壞階段.此階段處于峰值應(yīng)力之后,構(gòu)件承載能力急劇下降,聲發(fā)射能量降為較低水平(30 000 m V·μs以下),時(shí)間-累計(jì)能量曲線發(fā)展逐漸平緩.裂紋貫通直至構(gòu)件完全破壞.

根據(jù)3組時(shí)間-能量參數(shù)曲線可以看出,G1組試件第3階段承載時(shí)間較長(zhǎng),即能量突變過(guò)程中達(dá)到峰值應(yīng)力之前的抗阻能力較好,分析其原因：較小粒徑尺寸的粗骨料,比表面積相對(duì)較大,其被包裹程度、密實(shí)程度,以及骨料間的黏聚性能都相對(duì)較好,以至于承載能力也相對(duì)較高.其次是較小粒徑的試件,其初始缺陷相對(duì)較少,第1、2階段過(guò)渡時(shí)間也相對(duì)較短.根據(jù)承載時(shí)間來(lái)看,G3組試件的持載時(shí)間相對(duì)最長(zhǎng),從裂紋的萌生、發(fā)展,直至貫通,骨料的咬合能力起到了至關(guān)重要的作用.較大骨料的試件,骨料咬合作用相對(duì)明顯,在加載后期也起到了一定阻裂的作用,使構(gòu)件承載時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng).

2.4 聲發(fā)射空間定位分析

試驗(yàn)在聲發(fā)射斷裂源空間定位分析時(shí),利用最小二乘法原理,基于布置的4個(gè)聲發(fā)射探頭實(shí)時(shí)采集到的信息,建立空間、時(shí)間方程組,通過(guò)求解來(lái)確定斷裂源的準(zhǔn)確定位[11].具體方程如下：

式中：x、y、z為需要確定的聲發(fā)射斷裂源位置坐標(biāo);xi、yi、zi為試驗(yàn)前布置的第i個(gè)聲發(fā)射探頭位置坐標(biāo);v為通過(guò)斷鉛試驗(yàn)測(cè)定的聲發(fā)射波速;ti為第i個(gè)聲發(fā)射探頭接收到的聲發(fā)射波時(shí)間;t為產(chǎn)生聲發(fā)射的時(shí)間.

對(duì)于該式,x、y、z、t都是未知的,對(duì)于i個(gè)聲發(fā)射探頭,可列出i個(gè)非線性方程,可將這組方程都減去同一個(gè)方程,留下(i-1)個(gè)線性方程,通過(guò)求解該組線性方程即可求得斷裂源的準(zhǔn)確坐標(biāo).試驗(yàn)對(duì)3組試件進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn),基于聲發(fā)射空間定位原理,對(duì)聲發(fā)射斷裂源實(shí)時(shí)定位,具體定位結(jié)果如圖8所示.

調(diào)高數(shù)罪并罰刑期不是無(wú)限制性的，應(yīng)當(dāng)以符合刑事立法政策的合理性為前提。刑事立法政策合理性，是指刑事立法政策的選擇不僅要符合社會(huì)現(xiàn)實(shí)，而且要符合人類的內(nèi)在邏輯即理性和公平、正義等人的各種內(nèi)在價(jià)值尺度。刑事立法政策合理化就是刑事政策合理性逐漸實(shí)現(xiàn)的過(guò)程，即不斷的廢棄不合理因素的過(guò)程。具體到我國(guó)，我國(guó)刑事立法政策合理化首先，要做到符合法治社會(huì)文明、民主、公平正義的最根本的內(nèi)在要求;其次，同我國(guó)的國(guó)情、文化傳統(tǒng)相適應(yīng)。即我國(guó)刑事立法政策應(yīng)具有科學(xué)性、法治性、人道性、倫理性、本土性(符合國(guó)情性)等合理性內(nèi)涵?！肮被颉罢x”是刑事立法政策合理性的最本質(zhì)要求。［10］

圖8 聲發(fā)射空間定位結(jié)果

聲發(fā)射探頭的布置方式如試驗(yàn)概況部分所述,綜合分析各組試件的定位結(jié)果可以看出：大部分試件在承載過(guò)程中產(chǎn)生的斷裂源坐標(biāo)定位集中在棱柱體軸心附近.G1、G2組試件的定位事件數(shù)較為接近,G3組定位事件數(shù)相對(duì)較少,分析其原因,粗骨料粒徑較大的試件加載過(guò)程中骨料的斷裂較多,骨料粒徑斷裂過(guò)程連續(xù),且產(chǎn)生的能量相對(duì)較大,多為連續(xù)型聲發(fā)射信息,根據(jù)時(shí)差定位原理[12],突發(fā)型信號(hào)較多試件定位效果相對(duì)較好.空間定位圖8與現(xiàn)場(chǎng)破壞圖9對(duì)比分析,G3組試件定位結(jié)果顯示表面定位事件相對(duì)較多,即粗骨料粒徑較大組試件表面破壞結(jié)果更為嚴(yán)重,水泥石、砂漿、粗骨料剝落現(xiàn)象更為明顯.

圖9 試件現(xiàn)場(chǎng)破壞圖

3 材料損傷程度評(píng)價(jià)

可以把混凝土材料在外力作用下的演化過(guò)程看作裂紋從產(chǎn)生、發(fā)展到貫通的一系列發(fā)展過(guò)程.隨著裂紋的發(fā)展,聲發(fā)射事件數(shù)也在增加,混凝土的損傷演化過(guò)程與此應(yīng)力水平下的裂紋發(fā)展程度息息相關(guān),其中應(yīng)力水平表示σ/σmax.本文通過(guò)分析實(shí)時(shí)采集的聲發(fā)射事件數(shù)與應(yīng)力水平建立聯(lián)系,以定量描述混凝土材料的損傷程度.

紀(jì)洪廣,蘇曉波,蔡美峰,等[13-15]對(duì)混凝土材料損傷聲發(fā)射特性研究分析,得到損傷因子與聲發(fā)射參數(shù)的關(guān)系：

其中：Nt為任意加載時(shí)刻的聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù);D為材料的損傷程度;β為與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù).

將4式代入材料的損傷本構(gòu)方程可得：

其中：σ、ε分別表示材料的應(yīng)力、應(yīng)變;E表示材料的彈性模量.

圖10為3組不同粗骨料粒徑下棱柱體試件,任意時(shí)刻的聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)與相對(duì)應(yīng)力水平關(guān)系.

圖10 應(yīng)力水平-事件數(shù)曲線

依據(jù)圖中數(shù)據(jù)分布情況,可將應(yīng)力水平與累計(jì)事件數(shù)規(guī)律用函數(shù)關(guān)系表示為：

其中：a、b表示材料參數(shù),依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定;σt表示t時(shí)刻加載的相對(duì)應(yīng)力水平.

表3 系數(shù)確定

通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn),a值隨粗骨料粒徑的增大呈減小趨勢(shì),b值呈增大趨勢(shì),為得到統(tǒng)一化的公式,通過(guò)對(duì)G1、G2、G3組試件參數(shù)進(jìn)行回歸分析,得到不同粗骨料粒徑下相對(duì)應(yīng)力水平與累計(jì)事件數(shù)變化規(guī)律的函數(shù)表達(dá)式：

其中：Gx表示粗骨料最大粒徑.

將(6)式代入(5)式,得出基于聲發(fā)射參數(shù)的不同粗骨料粒徑混凝土材料損傷本構(gòu)模型：

將本次試驗(yàn)σ、ε、E、a、b的結(jié)果代入式(9),即可求得β的值.G1、G2、G3組試件β值分別為：0.21×10-3、0.32×10-3、0.37×10-3.將3組試件的β值及式(7)代入式(4),得到不同粗骨料粒徑普通混凝土損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)D的變化規(guī)律,如圖11所示.利用聲發(fā)射參數(shù)指標(biāo)即可量化評(píng)估材料的損傷程度.

圖11 應(yīng)力水平-損失因子D關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

本文在課題組對(duì)聲發(fā)射技術(shù)已有研究的基礎(chǔ)上,分析不同粗骨料粒徑普通混凝土的聲發(fā)射與力學(xué)特性,并建立相互之間的聯(lián)系.從另一角度揭示骨料粒徑對(duì)材料性能的影響,對(duì)材料損傷定量化、可視化研究提供了部分參考依據(jù).通過(guò)本次試驗(yàn)及理論分析的探究得出以下結(jié)論：

1)在相同水灰比條件下,隨粗骨料粒徑增大,強(qiáng)度呈下降趨勢(shì),同樣材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較多的缺陷,對(duì)AE波的傳播、衰減、反射、衍射及折射影響較大,通過(guò)斷鉛試驗(yàn)反映出波速減小的趨勢(shì).

2)從聲發(fā)射能量參數(shù)角度分析軸心受壓破壞的全過(guò)程,應(yīng)力水平-累計(jì)能量曲線4個(gè)階段特征分明,能量持續(xù)時(shí)間與粗骨料粒徑尺寸相關(guān)性較大,隨骨料粒徑增大,骨料-骨料、骨料-水泥石間的咬合作用越明顯.

3)通過(guò)聲發(fā)射空間定位分析,斷裂源定位結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試件實(shí)際破壞情況一致,均出現(xiàn)隨骨料粒徑增大,試件表面破壞結(jié)果更為嚴(yán)重,水泥石、砂漿、粗骨料剝落現(xiàn)象更為明顯.

4)將事件數(shù)引入材料損傷本構(gòu)方程建立不同粗骨料粒徑下的損傷演化模型,對(duì)試件的損傷破壞進(jìn)行定量評(píng)估,今后對(duì)于用材多樣、受力及結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜構(gòu)件的研究提供理論參考依據(jù).