齊寶欣，李 茉，劉 東，宋鋼兵

(1. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110168； 2. 大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧大連 116024； 3. 休斯頓大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，德克薩斯休斯頓 TX77204； 4. 加利福尼亞大學(xué)歐文分校亨利薩繆利工程學(xué)院，加利福尼亞歐文 CA92697)

0 引 言

混凝土是世界上應(yīng)用廣泛、用量最大的建筑材料。混凝土應(yīng)用于基礎(chǔ)建設(shè)時(shí)仍存在不足之處，主要包括：極端荷載作用下的脆性破壞，如開(kāi)裂、剝落沖擊、爆炸荷載作用下的破碎；正常工作荷載下的破壞，混凝土開(kāi)裂引發(fā)鋼筋銹蝕造成結(jié)構(gòu)耐久性不足。此外，針對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的可持續(xù)性問(wèn)題，未來(lái)混凝土材料需要滿足高延展性、高耐久性以及可持續(xù)性。當(dāng)前，材料復(fù)合化是建筑材料發(fā)展的重要途徑，在“均勻配筋”的理念指導(dǎo)下，產(chǎn)生了纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(ECC)，顯著改善了混凝土材料的韌性、耐久性和抗沖擊性。20世紀(jì)90年代初，美國(guó)密歇根大學(xué)Li等[1]提出纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。該種材料在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中具有獨(dú)特的開(kāi)裂特性，即具有多點(diǎn)開(kāi)裂、高韌性、高抗拉應(yīng)變能力，飽和狀態(tài)下的多點(diǎn)開(kāi)裂裂縫間距小于3 mm[2]和具有良好的抗剪切性能[3-8]。ECC作為一種新型材料被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中，例如橋面板連接、大壩修補(bǔ)和高層建筑抗震組合連梁[9-11]。ECC可以提高結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和環(huán)境的可持續(xù)性，具有廣泛的應(yīng)用前景[11-12]。近年來(lái)，在面對(duì)爆炸、沖擊等非設(shè)計(jì)荷載作用時(shí)的安全性正日益受到關(guān)注，其次生災(zāi)害對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞事件也屢見(jiàn)報(bào)道。聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(PVA-ECC)在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用得到廣泛的關(guān)注和深入研究。PVA-ECC材料具有良好的抗沖擊性能[12-15],然而對(duì)火災(zāi)發(fā)生后PVA-ECC材料性能的研究較少，主要集中在火災(zāi)后PVA纖維含量比率與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系[16-17]，且PVA纖維耐熱性較差，作為結(jié)構(gòu)材料，高溫后的性能研究尤其重要，特別是對(duì)具有高溫?fù)p傷的PVA-ECC梁抗沖擊性能及沖擊損傷裂縫的形成和發(fā)展監(jiān)測(cè)缺乏詳細(xì)的研究。

基于上述原因，本文研究了具有高溫?fù)p傷的PVA-ECC梁在低速?zèng)_擊下的損傷特性。在不同高溫?fù)p傷工況下，采用相同落錘高度和相同落錘質(zhì)量進(jìn)行了一系列的沖擊試驗(yàn)。將高溫?fù)p傷后的PVA-ECC梁兩端橫截面中心處粘貼一對(duì)壓電陶瓷智能骨料傳感器，將一端壓電陶瓷智能骨料傳感器作為驅(qū)動(dòng)器，另一端壓電陶瓷智能骨料傳感器作為接收器，通過(guò)監(jiān)測(cè)衰減的傳播信號(hào)診斷裂紋的演化，獲得PVA-ECC梁的抗沖擊性能。此外，基于小波包的能量法分析壓電陶瓷智能骨料傳感器接收的信號(hào)，可為重復(fù)落錘低速?zèng)_擊的PVA-ECC梁的裂紋演化提供一個(gè)沖擊損傷定量指標(biāo)。

1 基于小波包的信號(hào)能量分析

1.1 基本原理

小波包分析在信號(hào)處理、圖像處理、量子力學(xué)、理論物理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文研究了基于小波損傷特征在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[14，18]。小波包分解(WPD)是從小波分解(WD)擴(kuò)展而來(lái)的。小波分解只將頻率軸鎖定到低頻，小波包分解是一個(gè)廣義諧波[18]保持完好的高頻頻段。小波包分解廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理的領(lǐng)域[19]。

1.2 分析方法

通過(guò)所有小波包的能量總和來(lái)計(jì)算信號(hào)的總能量，信號(hào)的總能量可以被表達(dá)成：傳感器信號(hào)S通過(guò)n級(jí)小波包分解為2n個(gè)信號(hào)子集{X1,X2,…,X2n}，分解子集Xj(j為頻帶，j=1,2,…,2n)的表達(dá)式為

Xj={Xj,1,Xj,2,…,Xj,m}

(1)

式中:m為采樣數(shù)據(jù)的數(shù)量。

另外，時(shí)間指數(shù)分解信號(hào)的總能量Eij可以表示為

(2)

因此，分解信號(hào)的總能量可以通過(guò)所有信號(hào)集的求和來(lái)計(jì)算。信號(hào)的總能量E可以采用式(3)計(jì)算

(3)

本文基于小波包的能量分析方法為獲得接收信號(hào)的能量值提供了一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的途徑?；谛〔ò牟煌瑩p傷裂縫信號(hào)的能量值可以直接進(jìn)行比較。

2 試驗(yàn)方案

2.1 高溫?fù)p傷后的PVA-ECC梁制備方法

為了研究高溫?fù)p傷后PVA-ECC梁的抗沖擊性能，在實(shí)驗(yàn)室中澆筑了5根PVA-ECC梁。梁的截面尺寸為400 mm×100 mm×100 mm，試驗(yàn)試件的組成如圖1所示。在澆筑PVA-ECC梁的過(guò)程中使用正方形振動(dòng)臺(tái)振搗，并將PVA-ECC梁壓實(shí)進(jìn)行表面平整處理，將PVA-ECC梁養(yǎng)護(hù)28 d。將養(yǎng)護(hù)28 d后，選取1根PVA-ECC梁進(jìn)行室溫下落錘低速?zèng)_擊試驗(yàn)與其他高溫?fù)p傷后的PVA-ECC梁的落錘沖擊試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。剩余其他4根PVA-ECC梁分別放入加熱爐中，將PVA-ECC梁分別加熱至100，200，230，300 ℃后，將PVA-ECC梁試件隨爐冷卻至室溫，時(shí)間為12 h。最后，進(jìn)行高溫?fù)p傷后PVA-ECC梁落錘低速?zèng)_擊試驗(yàn)，并與室溫下的PVA-ECC梁落錘低速?zèng)_擊試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。采用美國(guó)新澤西州Med Chem Express(MCE)公司生產(chǎn)的PVA纖維、美國(guó)標(biāo)號(hào)C30的水泥砂漿、白色細(xì)沙、粉煤灰、減水劑和水共同攪拌。

2.2 試驗(yàn)步驟

將室溫PVA-ECC梁和具有高溫?fù)p傷的PVA-ECC梁兩端中心處分別粘貼壓電陶瓷智能骨料，如圖2所示。將PVA-ECC梁放置在落錘試驗(yàn)裝置上進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，如圖3所示。

基于壓電陶瓷智能骨料傳感器監(jiān)測(cè)裂縫演化過(guò)程的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖4所示。落錘沖擊高度為1 m，落錘采用比賽標(biāo)準(zhǔn)鉛球，其質(zhì)量為7.257 kg，進(jìn)行多次重復(fù)落錘沖擊加載試驗(yàn)，直到PVA-ECC梁斷裂，試驗(yàn)工況如表1所示。試驗(yàn)PVA-ECC梁兩端分別固定到3個(gè)L形角鋼構(gòu)成的夾具中，形成兩端鉸接約束的邊界條件，并且防止PVA-ECC梁的橫向運(yùn)動(dòng)。為了更好地觀察PVA-ECC梁低速?zèng)_擊損傷裂縫的位置，在梁跨中分別向左右兩側(cè)每隔1 cm距離標(biāo)注一格，左右兩側(cè)分別標(biāo)注3 cm。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括一個(gè)NI-6363數(shù)據(jù)采集板、功率放大器和相應(yīng)的監(jiān)測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)終端。每個(gè)落錘沖擊試驗(yàn)后，用2個(gè)壓電陶瓷智能骨料傳感器進(jìn)行PVA-ECC梁的裂縫監(jiān)測(cè)。初始?jí)弘娞沾芍悄芄橇系膫鞑バ盘?hào)是一個(gè)掃頻正弦波，參數(shù)如表2所示。該信號(hào)由功率放大器放大50倍，通過(guò)智能骨料1傳感器傳播。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)隨后記錄智能骨料2傳感器的傳播信號(hào)響應(yīng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中智能骨料2傳感器的采樣頻率為2 MHz。

表1 試驗(yàn)工況Tab.1 Test Conditions

工況試驗(yàn)梁溫度/℃落錘質(zhì)量/kg落錘高度/m1PVA-ECC-1207.2571.02PVA-ECC-21007.2571.03PVA-ECC-32007.2571.04PVA-ECC-42307.2571.05PVA-ECC-53007.2571.0

表2 激勵(lì)掃頻正弦波信號(hào)參數(shù)Tab.2 Parameters of Excitation Sweep Frequency Sine Wave Signal

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗沖擊性分析

對(duì)室溫下的PVA-ECC梁和不同高溫?fù)p傷后的PVA-ECC梁分別進(jìn)行多次落錘低速?zèng)_擊試驗(yàn)，直至梁完全斷裂，結(jié)束落錘試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

當(dāng)PVA-ECC-1梁在室溫20 ℃時(shí)，經(jīng)過(guò)10次落錘低速?zèng)_擊后完全斷裂；當(dāng)PVA-ECC-2梁加熱至溫度100 ℃時(shí)，經(jīng)12 h恢復(fù)至室溫，經(jīng)過(guò)8次落錘低速?zèng)_擊完全斷裂；當(dāng)PVA-ECC-3梁加熱至溫度200 ℃時(shí)，經(jīng)12 h恢復(fù)至室溫，經(jīng)過(guò)2次落錘低速?zèng)_擊后完全斷裂；當(dāng)PVA-ECC-4梁加熱至溫度230 ℃時(shí)，經(jīng)過(guò)1次低速?zèng)_擊完全斷裂；當(dāng)PVA-ECC-5梁加熱至溫度300 ℃時(shí)，經(jīng)12 h恢復(fù)至室溫，經(jīng)過(guò)1次落錘低速?zèng)_擊后完全斷裂。落錘低速?zèng)_擊試驗(yàn)中，PVA-ECC梁由智能骨料2傳感器接收時(shí)域信號(hào)，基于小波包的信號(hào)能量圖提供了一個(gè)定量的分析，當(dāng)PVA-ECC梁將近斷裂時(shí)，接收的信號(hào)能量損失較大，接近0，因?yàn)閼?yīng)力波不能通過(guò)一個(gè)斷裂的裂縫傳播。當(dāng)PVA-ECC梁未開(kāi)裂時(shí)，應(yīng)力波在PVA-ECC材料均勻彈性條件下保持勻速傳播，隨著傳播距離的增加，應(yīng)力波幅值呈線性衰減；在PVA-ECC梁裂縫開(kāi)展過(guò)程中，壓電智能骨料輸出的信號(hào)隨著單裂縫深度的增加而呈線性減小。

如圖5(c)所示，加熱溫度T=200 ℃時(shí)，PVA-ECC-3梁第1次沖擊后梁沒(méi)有完全斷裂，智能骨料2傳感器接受時(shí)域信號(hào)，基于小波包分析后，接收的信號(hào)能量為0.55×104V2,根據(jù)試驗(yàn)判斷該梁還能夠承受1次落錘低速?zèng)_擊作用，最終導(dǎo)致PVA-ECC-3梁斷裂，接收信號(hào)能量接近0。如圖5(d),(e)所示，PVA-ECC-3梁和PVA-ECC-5梁落錘低速?zèng)_擊試驗(yàn)后，分別由智能骨料2傳感器接收時(shí)域信號(hào)。可以看出，相比于加熱至溫度T≤200 ℃時(shí)的PVA-ECC梁，所有加熱溫度T≥230 ℃時(shí)的PVA-ECC梁在第1次沖擊時(shí)完全斷裂，并沒(méi)有信號(hào)由智能骨料傳感器2檢測(cè)響應(yīng)。

綜上所述，加熱溫度T≤100 ℃時(shí)，經(jīng)12 h恢復(fù)至室溫的PVA-ECC梁具有較好的抗沖擊性，主要是由于振搗均勻，使得PVA纖維在PVA-ECC梁內(nèi)分布均勻，PVA纖維對(duì)水泥、白沙、粉煤灰和水混合均勻攪拌構(gòu)成的水泥基復(fù)合材料內(nèi)部起到“拉結(jié)鋼筋”的作用，增強(qiáng)了PVA-ECC梁的密實(shí)性和抗彎曲變形能力，初始階段落錘低速?zèng)_擊作用下，PVA-ECC梁先沿著梁的跨中受拉區(qū)對(duì)稱均勻地分布微小裂縫，隨著沖擊次數(shù)的增加，跨中沖擊點(diǎn)處的裂縫逐漸變大，最后造成PVA-ECC梁完全斷裂成2段。

圖6為基于壓電主動(dòng)傳感技術(shù)記錄下來(lái)相應(yīng)時(shí)間段的裂紋開(kāi)展過(guò)程和由壓電陶瓷智能骨料傳感器接收到的掃頻波時(shí)域信號(hào)，壓電陶瓷智能骨料傳感器的掃頻波時(shí)域信號(hào)選取為沖擊前、第3次沖擊、第8次沖擊以及最后第10次沖擊的損傷監(jiān)測(cè)時(shí)頻信號(hào)?？梢钥闯鰤弘娞沾芍悄芄橇蟼鞲衅鹘邮盏降臅r(shí)域信號(hào)(壓電幅值)隨著落錘低速?zèng)_擊試驗(yàn)次數(shù)的增加而減小。因此，采用壓電陶瓷智能骨料傳感器能夠監(jiān)測(cè)到落錘低速?zèng)_擊裂紋損傷擴(kuò)展與時(shí)域信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，顯示了工況2～5的監(jiān)測(cè)情況。圖5與圖6所描述情況相同。

3.2 低速?zèng)_擊破壞模式

圖7為不同溫度損傷后PVA-ECC梁的內(nèi)部PVA纖維含量及次生孔隙分布。從圖7可以看出，當(dāng)加熱溫度T≤100 ℃時(shí)，PVA-ECC梁斷裂后，其水泥基復(fù)合材料內(nèi)部還含有大量白色的PVA纖維；當(dāng)加熱溫度T=200 ℃時(shí)，PVA-ECC梁斷裂后，其水泥基復(fù)合材料內(nèi)部含有的PVA纖維由于高溫?zé)嵝?yīng)變成棕色，已經(jīng)不具備室溫時(shí)PVA纖維的高強(qiáng)度和高黏合強(qiáng)度。當(dāng)加熱溫度T≥230 ℃時(shí)，PVA-ECC梁斷裂后，其水泥基復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生次生空隙，隨著加熱溫度的升高，其孔隙率增大；當(dāng)T=230 ℃時(shí)，達(dá)到PVA纖維熔點(diǎn)，其PVA纖維在水泥基復(fù)合材料中心部分已不存在，只是在PVA-ECC梁斷裂邊緣處有少量已經(jīng)因高溫?zé)嵝?yīng)變成深棕色的PVA纖維；當(dāng)T=300 ℃時(shí)，PVA-ECC梁斷裂后，其水泥基復(fù)合材料內(nèi)部不再含有PVA纖維，由于高溫加熱造成原來(lái)的PVA纖維消失，形成次生孔隙。

不同高溫?fù)p傷后PVA-ECC梁與室溫PVA-ECC梁多次重復(fù)落錘低速?zèng)_擊試驗(yàn)后的破壞模式可以看出PVA-ECC梁的最終斷裂處在受多次重復(fù)落錘沖擊的PVA-ECC梁的跨中處。試驗(yàn)表明，PVA-ECC梁的抗沖擊性能隨著溫度的升高而減弱，尤其是當(dāng)溫度達(dá)到PVA纖維熔點(diǎn)時(shí)，PVA-ECC梁僅能承受1次落錘低速?zèng)_擊荷載作用，PVA已經(jīng)失去了高強(qiáng)度、高韌性的材料特性。

3.3 數(shù)值模擬PVA-ECC梁的裂紋演化

由于PVA纖維的熔點(diǎn)是230 ℃，選取表2中PVA-ECC-5梁進(jìn)行數(shù)值模擬，即PVA纖維已超過(guò)熔點(diǎn)。本文試驗(yàn)結(jié)果可知，高溫?fù)p傷后，PVA-ECC梁內(nèi)部PVA纖維已經(jīng)消失，因此對(duì)PVA-ECC-5梁的數(shù)值模擬可以將PVA-ECC梁簡(jiǎn)化考慮成素水泥砂漿梁。采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對(duì)落錘低速?zèng)_擊作用下具有高溫?fù)p傷的PVA-ECC梁進(jìn)行數(shù)值模擬[20-21]，為了描述PVA-ECC梁落錘低速?zèng)_擊的非線性變形及斷裂特性，在計(jì)算中選用MAT_CSCM_CONCRETE材料模型，高溫?fù)p傷后的PVA-ECC-5梁的密度為2 320 kg·m-3，剪切模量為25 GPa，體積模量為28.43 GPa。落錘采用自由落體剛體球模擬，剛體球材料模型為*MAT_RIGID，剛體球的密度為7 850 kg·m-3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。數(shù)值模型如圖8所示。

圖9為PVA-ECC-5梁在沖擊荷載下的破壞模式。PVA-ECC-5梁的數(shù)值模擬結(jié)果與落錘低速?zèng)_擊試驗(yàn)結(jié)果相一致，說(shuō)明本文數(shù)值模擬方法的正確性。圖10為PVA-ECC-5梁落錘低速?zèng)_擊裂紋演化全過(guò)程數(shù)值模擬，其中t為時(shí)間。由數(shù)值模擬結(jié)果可知：落錘沖擊撞擊點(diǎn)在PVA-ECC-5梁跨中上表面處，裂紋首先從垂直跨中沖擊點(diǎn)的下端處產(chǎn)生裂紋，裂紋沿著沖擊點(diǎn)的垂直方向繼續(xù)豎向延伸；當(dāng)裂紋豎向向上延伸至PVA-ECC-5梁截面高度的2/3時(shí)，裂紋開(kāi)始沿著橫向擴(kuò)展；隨后，梁跨中的沖擊點(diǎn)處產(chǎn)生撓度變形，隨著剛體球繼續(xù)下落，PVA-ECC-5梁裂紋繼續(xù)沿著橫向擴(kuò)展，裂縫豎向向上繼續(xù)延伸，直到PVA-ECC-5梁完全斷裂。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)壓電陶瓷智能骨料能夠檢測(cè)低速?zèng)_擊作用下PVA-ECC梁裂紋演化全過(guò)程，隨著裂縫的擴(kuò)展、傳播波衰減，基于小波能量分析能夠計(jì)算和量化壓電陶瓷智能骨料傳感器檢測(cè)到的壓電幅值能量。

(2)在連續(xù)沖擊荷載作用下，計(jì)算傳感器壓電幅值能量的下降趨勢(shì)顯示了PVA-ECC梁裂紋逐漸擴(kuò)展的過(guò)程。

(3)高溫?fù)p傷造成PVA-ECC梁抗沖擊性能減弱。室溫下的PVA-ECC梁有一定抗沖擊能力，但當(dāng)溫度T≥230 ℃時(shí)，達(dá)到甚至超高PVA纖維的熔點(diǎn)，PVA-ECC梁中的PVA纖維消失，產(chǎn)生孔隙，形成素水泥砂漿梁，不具有抗沖擊能力；因此，高溫?fù)p傷造成PVA-ECC喪失了高強(qiáng)度、韌性、耐疲勞的特性。

(4)采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，可以有效地模擬落錘低速?zèng)_擊下PVA-ECC梁裂紋演化全過(guò)程。