王 巖， 趙海濤， 姚金鑫， 陳育志

（1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京210098；2.金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇南京211169）

研究骨料－砂漿交界面的性能對(duì)于混凝土材料科學(xué)和混凝土結(jié)構(gòu)工程都具有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值.由于混凝土的宏觀力學(xué)性能在很大程度上取決于細(xì)觀組成介質(zhì)（骨料、水泥砂漿基體及兩者交界面）的性能，但是，與基體相比，交界面具有強(qiáng)度和彈性模量低、滲透性高等特點(diǎn)，從而導(dǎo)致混凝土性能在很大程度上與交界面的幾何和物理性能密切相關(guān)[1－2].巖石－混凝土交界面也有其廣泛的工程應(yīng)用背景，如混凝土壩基與基巖之間的抗滑穩(wěn)定性分析、新老混凝土交界面質(zhì)量控制等工程實(shí)際問(wèn)題，都與交界面的力學(xué)特性和損傷破壞機(jī)理有關(guān)，故國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)界面過(guò)渡區(qū)的特性進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)研究，試圖解釋交界面過(guò)渡區(qū)薄弱的根本原因及其解決方法.目前相關(guān)研究主要集中于力學(xué)性能及其影響因素[3－5].由于交界面結(jié)構(gòu)形式的特殊而導(dǎo)致采用傳統(tǒng)方法精確測(cè)量其變形和宏觀特征十分困難，所以關(guān)于交界面整個(gè)損傷破壞過(guò)程特性的研究較少，尤其在采用何種參數(shù)表征交界面損傷破壞全過(guò)程更是缺乏基礎(chǔ)性的研究工作.

聲發(fā)射（acoustic emission，AE）技術(shù)是一種實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、靈敏度高的新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，已經(jīng)被應(yīng)用于混凝土、巖石類(lèi)準(zhǔn)脆性材料損傷破壞過(guò)程的研究中.王觀石等[3]初步證實(shí)了聲發(fā)射能夠反映混凝土和巖石交界面的損傷演化過(guò)程.筆者[4－5]也曾對(duì)骨料－砂漿交界面損傷特征進(jìn)行了分析研究.但是，關(guān)于采用何種聲發(fā)射指標(biāo)量化交界面的損傷尚不明確.為此，本文采用全數(shù)字化聲發(fā)射采集系統(tǒng)和寬頻式聲發(fā)射傳感器同步監(jiān)測(cè)并采集交界面從加載到最終破壞過(guò)程所伴生的聲發(fā)射信號(hào)，探索分析穩(wěn)定的界面損傷聲發(fā)射特性，以期實(shí)現(xiàn)采用聲發(fā)射技術(shù)來(lái)表征界面的損傷過(guò)程.

1 試驗(yàn)

1.1 試件制備

骨料－砂漿交界面試件為圓柱體，沿直徑方向分為骨料和水泥砂漿2部分，其中骨料部分直接從花崗巖母體中鉆芯取得，高度約為60mm，直徑約為64mm，然后再將其切割成尺寸相同的2個(gè)半圓柱體試件.先在一個(gè)半圓柱體試件的矩形側(cè)面上涂抹約2mm厚的水泥砂漿（m（水）∶m（水泥）∶m（砂）＝1.0∶2.2∶3.1），再將另一個(gè)半圓柱體試件放在涂抹好的水泥砂漿上，對(duì)齊，最后用膠帶把2個(gè)半圓柱體試件綁扎好，豎直放置，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù).花崗巖和砂漿的軸心抗壓強(qiáng)度分別約為85.5，12.3MPa.

1.2 加載方案

骨料－砂漿交界面劈裂試驗(yàn)加載示意圖如圖1所示.在試驗(yàn)過(guò)程中，首先將試件表面的浮漿層清除干凈，然后將聲發(fā)射傳感器安裝在骨料表面，通過(guò)壓力試驗(yàn)機(jī)施加單調(diào)遞增的荷載，直至試件破壞，加載設(shè)備為電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī).

圖1 骨料－砂漿交界面劈裂試驗(yàn)加載裝置示意圖Fig.1 Aggregate－mortar interface splitting test device

2 聲發(fā)射信號(hào)采集裝置及系統(tǒng)設(shè)置

聲發(fā)射采集系統(tǒng)為美國(guó)PAC公司生產(chǎn)的PCI－2全數(shù)字式聲發(fā)射采集系統(tǒng)，其頻率范圍為1kHz～3MHz.聲發(fā)射采集系統(tǒng)以預(yù)設(shè)閾值的方式探測(cè)信號(hào)，當(dāng)信號(hào)幅度超過(guò)所設(shè)定的閾值時(shí)，信號(hào)采集過(guò)程被激發(fā)，此時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)提取信號(hào)波形特征參數(shù)（見(jiàn)圖2）.

圖2 聲發(fā)射特征參數(shù)示意圖Fig.2 AE signal parameters

3 聲發(fā)射特性

3.1 聲發(fā)射累積特性

試件界面破壞過(guò)程的聲發(fā)射撞擊累計(jì)數(shù)時(shí)程曲線如圖3所示.從圖3可以看出，聲發(fā)射撞擊累積數(shù)曲線基本呈現(xiàn)線性變化，與單調(diào)加載曲線的相關(guān)性較大，可用來(lái)表征試件的力學(xué)特性.在整個(gè)加載過(guò)程中，聲發(fā)射計(jì)數(shù)率約為633次／s.在試件的劈裂損傷過(guò)程中，聲發(fā)射呈持續(xù)劇烈特征，表明其損傷部位不斷有新的損傷或微裂縫萌生擴(kuò)展.

圖3 試件聲發(fā)射撞擊累計(jì)數(shù)時(shí)程曲線Fig.3 Cumulative AE hit number versus time

3.2 聲發(fā)射特征參數(shù)變化特性

3.2.1 聲發(fā)射單參數(shù)時(shí)程變化規(guī)律

經(jīng)過(guò)對(duì)聲發(fā)射特征參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析后發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、振鈴計(jì)數(shù)、幅度、信號(hào)強(qiáng)度、絕對(duì)能量、RMS電壓、平均頻率、混響頻率、初始頻率等特征參數(shù)隨時(shí)間變化散點(diǎn)圖的分布規(guī)律基本相同，試件聲發(fā)射特征參數(shù)的時(shí)程分布散點(diǎn)圖如圖4所示.由圖4可見(jiàn)，散點(diǎn)圖呈“下密上疏”的分布規(guī)律，表明損傷的累積過(guò)程持續(xù)平穩(wěn)且低量值的聲發(fā)射撞擊所占比例較高.

圖4 典型聲發(fā)射特征參數(shù)隨時(shí)間的變化散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter plot of typical AE parameter vs.time

聲發(fā)射波形FFT峰值頻率隨時(shí)間變化的時(shí)程分布如圖5所示.由圖5可見(jiàn)，聲發(fā)射峰值頻率集中出現(xiàn)在若干特定頻段，可以將其作為交界面劈裂破壞的特征頻段：20～35，95～105kHz.

圖5 聲發(fā)射峰值頻率時(shí)程圖Fig.5 Scatter plot of AE peak frequency vs.time

3.2.2 聲發(fā)射特征參數(shù)關(guān)聯(lián)分析

聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間－振鈴計(jì)數(shù)散點(diǎn)圖如圖6所示.由圖6可見(jiàn)，散點(diǎn)集中于一個(gè)窄帶范圍內(nèi)，表明聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間和振鈴數(shù)近似線性相關(guān)，二者關(guān)系為y＝12.1x（R2＝0.967）.聲發(fā)射幅度－振鈴計(jì)數(shù)分布散點(diǎn)圖如圖7所示.由圖7可見(jiàn)，振鈴數(shù)為0～200且幅度為35～85dB的聲發(fā)射撞擊散點(diǎn)分布呈非線性變化，二者關(guān)系為y＝31.38x0.136（R2＝0.830）.

圖6 聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間－振鈴計(jì)數(shù)散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter plot of AE duration－count number

圖7 聲發(fā)射幅度－振鈴計(jì)數(shù)散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter plot of AE amplitude－count number

聲發(fā)射平均頻率－振鈴計(jì)數(shù)散點(diǎn)圖如圖8所示.由圖8可見(jiàn)，散點(diǎn)的分布范圍“緊貼”于橫軸附近，這意味著高平均頻率的聲發(fā)射撞擊和高振鈴數(shù)的聲發(fā)射撞擊并不總是相互對(duì)應(yīng)，且振鈴計(jì)數(shù)較高的聲發(fā)射撞擊平均頻率相對(duì)固定（在75kHz附近）.

圖8 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)－平均頻率散點(diǎn)圖Fig.8 Scatter plot of AE count number－average frequency

3.3 骨料－砂漿交界面劈裂破壞的聲發(fā)射特性

骨料－砂漿交界面劈裂破壞的聲發(fā)射特性見(jiàn)表1.將表1所列聲發(fā)射特性作為交界面損傷破壞過(guò)程的典型特性，可用來(lái)識(shí)別混凝土損傷破壞機(jī)制.

表1 骨料－砂漿交界面劈裂破壞的聲發(fā)射特性Table 1 AE characteristics of split failure processes for aggregate－mortar interface

4 結(jié)論

（1）交界面劈裂損傷過(guò)程的聲發(fā)射撞擊累積時(shí)程曲線近似呈線性變化，表明損傷過(guò)程持續(xù)活躍且平穩(wěn)發(fā)展直至最終斷裂；聲發(fā)射累積計(jì)數(shù)曲線與加載曲線具有同步變化關(guān)系，可較好描述交界面損傷發(fā)生及發(fā)展變化的全過(guò)程.

（2）交界面劈裂破壞過(guò)程中所伴生的聲發(fā)射信號(hào)特征，有助于分析混凝土的損傷破壞過(guò)程.

（3）通過(guò)聲發(fā)射特征分析和聲發(fā)射特征參數(shù)組合分析，可得到比較穩(wěn)定的界面破壞典型聲發(fā)射特性，這些特性有助于識(shí)別混凝土損傷破壞機(jī)制.

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