鄒三兵，楊乃鑫，羅 曦，彭 　剛

（1．三峽地區(qū)地質災害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北宜昌 443002；2．三峽大學土木與建筑學院，湖北宜昌 443002）

?

基于聲發(fā)射的自然與飽水狀態(tài)混凝土動態(tài)劈拉特性對比

鄒三兵1，2，楊乃鑫1，2，羅 曦1，2，彭 剛1，2

（1．三峽地區(qū)地質災害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北宜昌 443002；2．三峽大學土木與建筑學院，湖北宜昌 443002）

摘 要：為研究自然狀態(tài)與飽水狀態(tài)混凝土的動態(tài)劈拉特性，進行了不同應變速率（10－5／s，10－4／s，10－3／s，10－2／s）下的徑向劈拉試驗，對混凝土劈拉強度進行了深入分析，并利用實時采集的聲發(fā)射數(shù)據(jù)分析自然狀態(tài)與飽水狀態(tài)混凝土在劈拉破壞全過程中的能量釋放特性及破壞規(guī)律。結果表明：自然狀態(tài)和飽水狀態(tài)混凝土的劈拉強度隨加載速率的增加而增大。在低應變速率（10－5／s，10－4／s和10－3／s）時，由于自由水的楔入作用，飽水狀態(tài)混凝土的劈拉強度比自然狀態(tài)混凝土的劈拉強度?。辉趹兯俾蕿?0－2／s時，由于Stefan效應，飽水狀態(tài)混凝土的劈拉強度比自然狀態(tài)混凝土大；飽水狀態(tài)混凝土的動態(tài)增強因子比自然狀態(tài)混凝土的大，飽水狀態(tài)混凝土率敏感性更顯著；聲發(fā)射信號特征與混凝土的破壞特性相一致，實時采集的聲發(fā)射信號可對混凝土的劈拉破壞過程進行較準確的監(jiān)測。

關鍵詞：混凝土；飽水狀態(tài)；應變速率；動態(tài)劈拉特性；聲發(fā)射

國內外許多學者對混凝土材料動態(tài)拉伸特性進行了大量試驗研究。Rossi［1］研究得出在沖擊荷載作用下混凝土的動力抗拉強度提高了數(shù)倍，且飽水混凝土抗拉強度的提高較自然狀態(tài)混凝土明顯；尚仁杰［2］在應變速率為10－5／s～10－2／s量級范圍內進行單軸直接拉伸和邊長100 mm立方體試樣單軸壓縮試驗，并研究了試樣尺寸及骨料最大粒徑對混凝土動態(tài)抗拉強度的影響；李偉等［3］利用直徑為100 mm的SHPB壓桿徑向沖擊巴西圓盤和平臺巴西圓盤試件，測試了大理巖在高應變率加載下的動態(tài)力學性能；齊虎等［4］通過將損傷演化粘滯化使得模型能考慮應變加載速率的影響，在模型中引入剛度阻尼應力，對模型進行改進使其能考慮受拉塑性應變。眾多學者進行了大量混凝土材料拉伸特性試驗研究，但對飽水混凝土動態(tài)劈拉試驗研究較少。因此，研究混凝土材料在受拉狀態(tài)時的聲發(fā)射性能對于混凝土結構的穩(wěn)定性評價和可靠監(jiān)測有重要的意義。

1 試驗過程

1．1 試件制備與加工

試驗采用宜昌花林水泥有限公司生產的P．O＿42．5的普通硅酸鹽水泥，經(jīng)檢驗3 d和28 d抗壓、抗折強度等均滿足規(guī)范要求；試驗用水為飲用自來水；粗骨料為5～30 mm連續(xù)級配碎石；細骨料為細度模數(shù)1．8的連續(xù)級配河砂；試件尺寸為Φ150 mm× 150 mm。依據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》（JGJ55—2000），確定混凝土配合比如表1。

表1　混凝土單位體積的材料用量Table 1 Concrete material usage per cubic meter

試驗所用試件采取先整體澆筑后鉆芯的方式，即先在規(guī)劃的區(qū)域內進行整體澆筑，將澆筑好的混凝土用塑料薄膜蓋好，在自然條件下養(yǎng)護90 d，然后采用內徑大小為150 mm的取芯機對澆筑場地進行鉆孔取芯，同時對取芯的樣品按順序進行編號。取芯得到的混凝土試件長度和試件兩端平整度不符合試驗要求，需要對試件進行切割處理。切割時將試件長度預留至155 mm左右，以便打磨時有足夠的長度來保證將試件磨平，磨平后的試件長度控制在（150±2）mm。

1．2 試驗設備

試驗設備為三峽大學和長春朝陽試驗儀器有限公司聯(lián)合研制的10 MN微機控制電液伺服大型多功能動靜力三軸儀，型號TAZW－10000（圖1）。設備配有軸壓、孔隙水壓和圍壓3套獨立的EDC閉環(huán)控制系統(tǒng)，可進行單軸試驗、常三軸試驗（σ2＝σ3）、真三軸試驗（σ1≠σ2≠σ3）、剪切試驗以及水壓條件下（圍壓、孔隙水壓）的混凝土動靜力加載試驗。加載框架系統(tǒng)用于對試件進行軸向加載，豎向最大動、靜力值分別為5 000，10 000 kN，最大應變速率響應值為10－2／s，滿足試驗的相關要求。

圖1　加載系統(tǒng)Fig．1 Loading system

試驗采用由北京聲華興業(yè)科技有限公司生產的SAEU2S聲發(fā)射系統(tǒng)。SAEU2S是由多通道（由多個平行的檢測通道）構成的聲發(fā)射系統(tǒng)（圖2），能夠實時采集和顯示聲發(fā)射信號波形和參數(shù)，可滿足現(xiàn)場和實驗室的各種要求?？蛇\用SAEU2S聲發(fā)射系統(tǒng)所附帶的聲發(fā)射信號采集、分析和顯示等工具對信號波形和參數(shù)數(shù)據(jù)進行更合理的聲發(fā)射信號采集和處理。

圖2　SAEU2S聲發(fā)射系統(tǒng)Fig．2 SAEU2S acoustic emission system

1．3 試驗過程

飽水狀態(tài)試件進行徑向劈拉加載試驗前，進行稱重和記錄，然后把稱重好的自然狀態(tài)試件放入圍壓桶進行飽水預處理，浸泡16～17 h后，電腦軟件顯示圍壓已不隨時間的增加而改變時，認為混凝土試件已達飽水狀態(tài)。處理完畢后，把試件取出，擦干試件表面的水，但試件外表要保持潮濕狀態(tài)，立即再進行稱重。而自然狀態(tài)試件直接進行試驗。具體試驗過程如下：

（1）裝樣。將試件放置在已經(jīng)擺好的劈拉鋼墊條上面，保證小車底座、墊條、試件的中心線、傳力柱嚴格對中。

（2）聲發(fā)射探頭安裝及檢查。將聲發(fā)射探頭均勻涂上一層黃油，貼在試件平整的部位，先慢慢擠壓聲發(fā)射探頭使得黃油均勻分布，然后用力按住幾秒，松手。

（3）建立聲發(fā)射記錄文件。聲發(fā)射參數(shù)根據(jù)試驗條件進行設置：信號門檻設為45 dB，前置放大器均為40 dB，主放大器增益為20 dB；濾波器帶寬選為20～400 kHz，采樣頻率為833 kHz；采樣點數(shù)為2 048；峰值鑒別時間（PDT）為50 μs；撞擊鑒別時間（HDT）為200 μs；撞擊鎖閉時間（HLT）為300 μs。

（4）變形計的安裝與檢查。開啟油泵，將裝有試件的小車移動到指定的位置，根據(jù)試件尺寸，調整變形計的標距，保證所測變形為試件本身變形，不含墊塊的變形。

（5）預加載。進行不同應變速率加載時所需伺服油源不同，加載之前要確認油源開關是否切換。進行應變速率為10－5／s，10－4／s和10－3／s的試驗時，選用輔助伺服油源；進行應變速率為10－2／s的試驗時，選用主伺服油源。待一切連接就位后，啟動油泵并加壓，通過計算機軟件的移動轉換指令使試件緩慢地預加載到2 kN。

（6）正式加載。試驗加載之前預先編寫好加卸載程序，試驗將要開始時，直接調入寫好的加卸載程序，然后設置好采樣頻率，點擊發(fā)送指令，同時開始采集聲發(fā)射信號。

（7）卸載及后續(xù)處理。試件破壞后，停止加載，將變形計以及聲發(fā)射探頭取下，然后以恒定位移控制將小車降到初始位置，對破壞后的試件進行拍照處理并完成試件殘渣的清理工作。

2 動態(tài)劈拉力學參數(shù)分析

試驗測得自然狀態(tài)和飽水狀態(tài)混凝土在不同應變速率（10－5／s，10－4／s，10－3／s及10－2／s）下徑向劈拉峰值應力見表2。2種狀態(tài)混凝土的劈拉強度與應變速率的關系見圖3。

表2　自然狀態(tài)與飽水狀態(tài)混凝土試件在不同應變速率下的劈拉強度Table 2 Splitting tensile strength of concrete in natural and water saturated states at different strain rates

圖3　自然狀態(tài)與飽水狀態(tài)混凝土的劈拉強度與應變速率的關系Fig．3 Relationship between splitting tensile strength and strain rate of concretes in natural and water saturated states

由表2和圖3可知，濕度對混凝土的動態(tài)劈拉強度有顯著影響，劈拉強度隨著應變速率的增加而增大。自然狀態(tài)混凝土劈拉強度最大增幅為24．57%，飽水狀態(tài)混凝土劈拉強度最大增幅為70．91%，飽水狀態(tài)混凝土劈拉強度的增幅遠高于自然狀態(tài)混凝土的增幅。由表2可知，自然狀態(tài)混凝土與飽水狀態(tài)混凝土相比，在應變速率為10－5／s，10－4／s和10－3／s下的劈拉強度要大，即在低應變速率作用下，自然狀態(tài)的混凝土比飽水狀態(tài)混凝土的劈拉強度大，這是由于在較低的加載速率下裂紋中的自由水可以達到裂縫縫端，在表面張力的作用下裂紋中的自由水類似于楔體的楔入作用，加速了飽水狀態(tài)混凝土損傷的發(fā)展［5］。在應變速率為10－2／s時，飽水狀態(tài)混凝土的劈拉強度比自然狀態(tài)混凝土的劈拉強度大，因為在高加載速率下Stefan效應起到主導作用［6－7］，使飽水狀態(tài)混凝土劈拉強度增強。由此可得，在高加載速率下，飽水狀態(tài)混凝土的動態(tài)劈拉強度有較大的提高，與文獻［5，8］的研究結論相一致。

從圖3可知在不同應變速率下，混凝土的劈拉強度與應變速率的對數(shù)呈近似線性增長關系。采用式（1）及利用最小二乘法對其兩者之間的函數(shù)關系進行擬合。不同應變速率下混凝土劈拉強度與應變速率對數(shù)的直線擬合見圖4，擬合參數(shù)見表3。

DIF＝fd／fs＝alg（vd／vs）＋b 。（1）

圖4　自然狀態(tài)與飽水狀態(tài)混凝土DIF與應變速率的關系Fig．4 Relationship between DIF and strain rate of concretes in natural and water saturated states

式中：DIF表示不同應變速率下的劈拉強度與準靜態(tài)劈拉其強度的比值，即混凝土劈拉強度動態(tài)增強因子；fs為標準靜態(tài)應變速率下混凝土的劈拉強度；fd為動態(tài)劈拉強度；vd為應變速率；vs為相應準靜態(tài)應變速率。

表3　自然狀態(tài)與飽水狀態(tài)混凝土擬合參數(shù)Table 3 Fitting parameters of concretes in natural and water saturated states

由表3可知，采用式（1）得到的混凝土劈拉強度隨應變速率變化的擬合效果較好，自然狀態(tài)混凝土與飽水狀態(tài)混凝土的相關度都較高，說明式（1）能較好地反映自然狀態(tài)和飽水狀態(tài)混凝土的劈拉強度隨應變速率的變化規(guī)律。由圖4可知，飽水狀態(tài)混凝土的劈拉強度對應變率的敏感度比自然狀態(tài)混凝土的更加顯著，這是因為在動載下，自然狀態(tài)混凝土強度的增加是由自身慣性效應引起，而飽水混凝土強度增加是由于自身慣性以及內部自由水共同作用的結果［9－11］；自然狀態(tài)與飽水狀態(tài)混凝土的動態(tài)劈拉強度與準靜態(tài)劈拉強度的比值和應變速率的對數(shù)成近似線性增長關系，與文獻［12］中結論一致。

3 聲發(fā)射參數(shù)與應力關系

3．1 自然狀態(tài)混凝土試件時間與聲發(fā)射能量、應力關系

圖5是自然狀態(tài)混凝土試件在不同應變速率下徑向劈拉試驗過程聲發(fā)射能量計數(shù)及應力隨時間的變化圖，縱坐標中的σ0為峰值應力，即混凝土劈拉強度，Nmax為AE能量計數(shù)最大值，N為AE能量計數(shù)瞬時值。

圖5　自然狀態(tài)混凝土試件在不同應變速率下的AE能量計數(shù)及應力與時間關系Fig．5 Curves of stress vs．time and acoustic emission energy counts vs．time for natural concrete samples at different strain rates

由圖5可知，劈拉試驗與混凝土抗壓試驗聲發(fā)射采集信號的規(guī)律不同，混凝土在劈裂抗拉破壞過程中不具有典型的3階段特征，裂紋初始發(fā)展階段不明顯。從圖5（a）可知，加載速率為10－5／s時的前期有少量的聲發(fā)射活動，且非常微弱，而其它加載速率情況下，并未出現(xiàn)這種情況，可能是由于該試件內部存在較多孔隙以及微裂紋，在應力增加時，孔隙被壓密而產生能量信號，達到峰值應力的20%左右時，聲發(fā)射能量信號消失，處于平靜期，內部孔隙以及微裂紋被壓密實；當達到應力的40%左右時，聲發(fā)射能量計數(shù)有較大的增加，形成了第一峰值，達到總能量數(shù)的40%左右；之后聲發(fā)射能量信號回落并持續(xù)了一段時間，當達到應力90%左右時，聲發(fā)射信號成簇增長產生，信號密集而強烈；當達到峰值應力時，試件中部水平拉應力達到最大值，而垂直中部的壓應力為0，聲發(fā)射能量數(shù)急劇增長到最大值，試件內已形成大的斷裂區(qū)，試件內部的應變能得以突然釋放，荷載亦突然下降。試件主破裂完成后，聲發(fā)射能量急劇下降，仍能承擔一定的荷載，但此時試件仍然承受徑向壓力的作用。當荷載作用達到400 s左右時，聲發(fā)射能量占總能量的60%，試件再一次遭受破裂，主要為壓破裂和剪破裂，隨著時間增加，試樣完全被劈開。

當加載速率為10－4／s，10－3／s和10－2／s時，加載前期沒有聲發(fā)射信號產生，當加載應力為峰值應力的50%至峰值應力階段，有少量的信號產生或者零星信號產生，表明試件處于彈性階段，試件幾乎沒有產生破裂，達到破壞荷載即峰值應力時，聲發(fā)射能量信號急劇上升。

總的來說，當應變速率為10－5／s，10－4／s，10－3／s 和10－2／s時，混凝土徑向劈拉加載前期階段產生的聲發(fā)射信號是斷斷續(xù)續(xù)的且比較微弱，甚至有時沒有能量信號產生，加載后期產生信號較多，較強烈，材料的破壞發(fā)生時能量信號突然急劇上升產生很大的能量，突變特征非常明顯，此時達到破壞荷載，試件形成主劈裂面，試件破壞。

3．2 飽水狀態(tài)混凝土試件時間與聲發(fā)射能量、應力關系

圖6是飽水狀態(tài)混凝土試件在不同應變速率下徑向劈拉試驗過程聲發(fā)射能量計數(shù)及應力隨時間的變化圖。從圖6可知，隨著應力的不斷增加，應力峰值前有少量的聲發(fā)射能量信號產生，試件即將破壞時，能量數(shù)突然增大。對比圖5可知，自然狀態(tài)混凝土在達到峰值應力前，有明顯的聲發(fā)射能量信號，而飽水混凝土則表現(xiàn)得不明顯，說明自然狀態(tài)混凝土和飽水混凝土在不同應變速率下達到峰值應力前，試件內部破壞機制有所不同。在應變速率為10－5／s，10－4／s，10－3／s的情況下，自然狀態(tài)混凝土破壞前聲發(fā)射活動比較頻繁而且密集，而飽水混凝土聲發(fā)射活動均勻且少量，這說明自然狀態(tài)混凝土需要更多的能量釋放才能使其劈裂破壞，而飽水混凝土釋放的應變能較少，在物理試驗中，飽水混凝土的劈拉強度比自然狀態(tài)混凝土的劈拉強度低。

圖6　飽水狀態(tài)混凝土試件不同應變速率下AE能量計數(shù)及應力與時間關系Fig．6 Curves of stress vs．time and acoustic emission energy counts vs．time for water saturated concrete samples at different strain rates

4 結 論

通過試驗測得數(shù)據(jù)及采集的聲發(fā)射數(shù)據(jù)分析了自然狀態(tài)和飽水狀態(tài)混凝土在不同應變速率下劈拉性能，得出如下結論：

（1）自然狀態(tài)和飽水狀態(tài)混凝土的劈拉強度隨加載速率的提高而增大。在低應變速率（10－5／s，10－4／s和10－3／s）下，由于自由水的楔入作用加速混凝土的破壞，飽水狀態(tài)混凝土的劈拉強度比自然狀態(tài)混凝土的劈拉強度小。在應變速率為10－2／s時，由于Stefan效應使混凝土的強度增強，飽水狀態(tài)混凝土的劈拉強度比自然狀態(tài)混凝土的劈拉強度大。

（2）飽水狀態(tài)混凝土的劈拉強度動態(tài)增強因子與應變速率的對數(shù)呈線性關系。飽水狀態(tài)混凝土的動態(tài)增強因子比自然狀態(tài)混凝土的大，飽水狀態(tài)混凝土率敏感性更顯著。

（3）聲發(fā)射信號特征與混凝土的破壞特性相一致，實時采集的聲發(fā)射信號可對混凝土的劈拉破壞過程進行較準確的監(jiān)測。并說明自然狀態(tài)混凝土和飽水狀態(tài)混凝土在不同應變速率下達到峰值應力前，試件內部破壞機制不同。

參考文獻：

［1］ ROSSI P．Influence of Cracking in the Presence of Free?water on the Mechanical Behavior of Concrete［J］．Maga?zine of Concrete Research，1991，43（154）：53－57．

［2］ 尚仁杰．混凝土動態(tài)本構行為研究［D］．大連：大連理工大學，1994．

［3］ 李 偉，謝和平，王啟智，等．大理巖動態(tài)拉伸強度及彈性模量的SHPB實驗研究［J］．實驗力學，2005，20（2）：200－204．

［4］ 齊 虎，李云貴，呂西林．混凝土彈塑性損傷本構模型的動力擴展［J］．同濟大學學報（自然科學版），2013，41（3）：324－329．

［5］ 王海龍，李慶斌．不同加載速率下飽和混凝土的劈拉試驗研究及強度變化機理［J］．工程力學，2007，24（2）：105－109．

［6］ ZHENG Dan，LI Qing?bin．An Explanation for Rate Effect of Concrete Strength Based on Fracture Toughness Inclu?ding Free Water Viscosity［J］．Engineering Fracture Me?chanics，2004，71（16／17）：2319－2327．

［7］ ROSSI P，MIER J G M V，BOULAY C，et al．The Dy?namic Behaviour of Concrete：Influence of Free Water［J］．Material and Structure，1992，25（9）：509－514．

［8］ ROSSI P．A Physical Phenomenon Which Can Explain the Mechanical Behavior of Concrete under High Strain Rates ［J］．Materials and Structures，1991，24（6）：422－424．

［9］ 李慶斌，鄭 丹．混凝土動力強度提高的機理探討［J］．工程力學，2005，22（增）：188－193．

［10］BRARA A，KLEPACZKO J R．Experimental Character?ization of Concrete in Dynamic Tension［J］．Mechanics of Materials，2006，38（3）：253－267．

［11］閆東明．混凝土動態(tài)力學性能試驗與理論研究［D］．大連：大連理工大學，2006．

［12］閆東明，林 皋．不同濕度條件下混凝土動態(tài)拉伸特性研究［C］∥第14屆全國結構工程學術會議論文集（第三冊），2005：153－156．

（編輯：曾小漢）

Comparative Analysis on Dynamic Split Characteristics of Natural and Water Saturated Concretes Based on Acoustic Emission

ZOU San?bing1，2，YANG Nai?xin1，2，LUO Xi1，2，PENG Gang1，2
（1．Collaborative Innovation Center for Geo?hazards and Eco?environment in Three Gorges Area，Yichang 443002，China；2．School of Civil Engineering and Architecture，China Three Gorges University，Yichang 443002，China）

Abstract：Radial splitting tensile tests for natural and water saturated concrete specimens with size of Φ150×150mm was carried out under different strain rates（10－5，10－4，10－3and 10－2s－1）．Splitting tensile strength of concrete was analyzed in detail，and energy release characteristics and damage law of natural and water saturated concretes were researched in the whole process of splitting tensile damage by real?time acoustic emission data．The results show that：1）with the increase of loading rate，splitting tensile strength of natural and water saturated concretes increa?ses；2）at low strain rates（10－5，10－4and 10－3／s），the splitting tensile strength of water saturated concrete is smaller than that of natural concrete due to the wedging action of free water，whereas at the strain rate of 10－2／s，the splitting tensile strength of water saturated concrete is larger than that of natural concrete due to Stefan effect；3）dynamic enhancement factor of water saturated concrete is larger than that of natural concrete，and strain rate sensitivity of water saturated concrete is more obvious；4）acoustic emission signal characteristics is in accordance with concrete failure characteristics，and acoustic emission data can be used to accurately monitor the process of concrete splitting tensile failure．

Key words：concrete；water saturated；strain rate；dynamic splitting tensile characteristics；acoustic emission

通訊作者：彭 剛（1963－），男，湖南岳陽人，教授，博士生導師，研究方向為混凝土材料動力特性及結構抗震，（電話）13972604433（電子信箱）gpeng158＠126．com。

作者簡介：鄒三兵（1990－），男，湖北漢川人，碩士研究生，從事結構工程、混凝土材料動力特性及結構抗震的研究，（電話）13277238692（電子信箱）784268182＠qq．com。

基金項目：國家自然科學基金項目（51279092）

收稿日期：2014－08－13；修回日期：2014－09－06

中圖分類號：TV331

文獻標志碼：A

文章編號：1001－5485（2016）03－0141－06