洪鐵東, 張大山, 王衛(wèi)華, 蔡敏偉

(1. 華僑大學 土木工程學院， 福建 廈門 361021；2. 華僑大學 廈門市抗火綜合防災工程技術研究中心， 福建 廈門 361021)

聲發(fā)射(AE)是材料在外部荷載作用下發(fā)生變形或損壞時釋放的應變能產生瞬態(tài)彈性波的現象.每一個聲發(fā)射信號對應材料損傷的產生或狀態(tài)的變化，通過對聲發(fā)射信號的采集、記錄和分析，可以實現對材料破壞源機制的分析與追蹤.聲發(fā)射技術作為一種無損檢測技術，具有實時性強、動態(tài)度和靈敏度高等優(yōu)點，已廣泛地應用于金屬、巖石及各種復合材料的破壞機理研究中[1-5].

Rusch[6]首次將聲發(fā)射技術應用于混凝土材料中，而后國內外學者也對混凝土材料的聲發(fā)射特性進行研究.郭慶華等[7]對抗壓強度為10～40 MPa的4種混凝土進行聲發(fā)射特性分析，對混凝土聲發(fā)射事件進行三維空間定位，從微觀上探明受載混凝土裂紋的萌生、發(fā)展和貫通的演化規(guī)律.Ohno等[8]基于聲發(fā)射理論對混凝土進行裂縫分類，通過對振幅比值-平均頻率(RA-AF)關聯(lián)分析和基于信號的矩張量分析格林函數方法進行裂縫的斷裂模式辨別，發(fā)現在一定比例下后者的分析方法比前者更加準確.任會蘭等[9]結合改進的時差定位算法和矩張量理論對聲發(fā)射信號進行分析，反演混凝土巴西劈裂破壞中裂紋位置、裂紋類型和裂紋面運動方向，揭示混凝土宏觀拉伸破壞的細觀裂紋擴展機制.段力群等[10]通過聲發(fā)射技術研究2種不同抗壓強度的泡沫混凝土單軸壓縮下的內部損傷演化規(guī)律，發(fā)現下降階段的事件累計、事件率和能率都急劇增加，相較于峰值應力，聲發(fā)射事件率和能率峰值具有時間滯后性.李建濤等[11]對不同初始缺陷的混凝土單軸壓縮下內部損傷破壞的影響規(guī)律進行聲發(fā)射試驗，隨著初始損傷的逐漸增大，壓密階段的時間不斷增加，雙峰特征逐漸不明顯，立方體抗壓強度顯著降低.Xu等[12]利用聲發(fā)射技術對4種不同骨料取代率的再生骨料混凝土和肋筋之間的粘結進行聲發(fā)射撞擊和能量分析、事件定位、平均頻率分析、b值分析和RA-AF關聯(lián)分析等.

目前，已有的研究對大部分不同類型混凝土的聲發(fā)射特性均有涉及，但對高強自密實再生塊體混凝土進行聲發(fā)射特性的研究尚未報導.自密實再生塊體混凝土是指將廢棄混凝土進行破碎、清洗后，把特征尺寸范圍為60～300 mm[13]的舊混凝土塊狀物作為舊混凝土塊體，再將舊混凝土塊體與自密實混凝土混合攪拌、振搗形成自密實再生塊體混凝土.目前，已有學者將再生塊體混凝土應用于梁、板和柱的研究中[14-16].基于此，本文對高強自密實再生塊體混凝土受載破壞過程的聲發(fā)射特性進行研究.

1 試驗設計及方法

1.1 試驗設備及方法

試驗采用華僑大學結構實驗室的電液伺服萬能試驗機及Micro-Ⅱ型多通道數字聲發(fā)射系統(tǒng)(美國MISTRAS公司).試驗系統(tǒng)示意圖，如圖1所示.

試驗過程采用位移加載，按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行試驗，加載速度為0.18 mm·min-1.布置4個傳感器(R6-A諧振式，門檻為40 dB)，分別置于試塊4個側面的中部；前置放大器增益為40 dB.

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of test system

1.2 試塊制樣

自密實混凝土配合比的水泥、水、砂、石子、減水劑、粉煤灰、礦粉的質量濃度分別為293.0，166.0，798.0，892.0，7.3，63.0，21.0 kg·m-3.自然養(yǎng)護28 d后，自密實混凝土的實測抗壓強度為64.63 MPa.

制作舊混凝土塊體的取代率分別為0%，10%，20%的3組立方體混凝土試塊(即高強自密實再生塊體混凝土，編號為C0～C2)，每組2個試塊(C0組的編號為C0-1，C0-2，其他類似)，試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm(長×寬×高).澆筑前，將舊混凝土塊體于清水中浸泡24 h，以充分吸收水分.制作試塊時，先在模具底部加入厚度約20 mm的自密實混凝土；然后，交替放入舊混凝土塊體(抗壓強度為87.60 MPa)和自密實混凝土， 并用自密實混凝土把模具填滿；最后，在振動臺上機械振搗30 s.完成試塊澆筑后進行自然養(yǎng)護，試驗齡期為60 d，測得立方體混凝土試塊的抗壓強度，如表1所示.表1中：η為取代率；fc為抗壓強度.

表1 立方體混凝土試塊的抗壓強度Tab.1 Compressive strength of cube concrete specimens

2 受壓過程的聲發(fā)射信號分析

聲發(fā)射能量(簡稱能量)是聲發(fā)射信號波形包絡下的面積，與上升時間和幅值有關，可反映聲發(fā)射信號的強度，從而評價材料的損傷程度.聲發(fā)射能量能夠較好地反映混凝土結構的損傷變化情況.

在試驗中，雖然每個試塊采用4個通道收集聲發(fā)射信號，但4個通道采集的聲發(fā)射信號并無明顯差異，故只取通道1的數據進行分析.通過應力(σ)、時間(t)、能量(E)、累計能量(Eacc)等參數分析高強自密實再生塊體混凝土的受壓過程，并根據能量的變化趨勢將整個受壓過程分為4個階段(階段Ⅰ～Ⅳ)，如圖2所示.

(a) C0-1 (b) C0-2

(c) C1-1 (d) C1-2

(e) C2-1 (f) C2-2 圖2 能量、應力、累計能量與時間的變化關系Fig.2 Relationship among energy, stress, accumulation energy and time

1) 壓實階段(階段Ⅰ),荷載為峰值荷載的8%以內.此階段，應力隨時間的變化呈現出凹函數曲線，混凝土內部的微孔隙、微裂縫被壓實，在壓實過程中，微顆粒出現相對錯位、滑移，并產生聲發(fā)射信號.聲發(fā)射能量整體呈先上升后下降的趨勢，在下降階段，大部分微孔隙、微裂縫已經基本被壓實，聲發(fā)射活動逐漸趨于平緩.

2) 裂縫穩(wěn)定發(fā)展階段(階段Ⅱ),荷載約為峰值荷載的8%～90%.此階段，混凝土內部持續(xù)受荷，應力隨時間的變化呈近線性上升，聲發(fā)射能量整體較為平穩(wěn)，累計能量隨荷載的變化呈近線性增加.此時，混凝土內部產生細微裂紋，但結構尚未出現較大損傷，觀察試驗現象未出現明顯裂縫.

3) 破壞階段(階段Ⅲ),荷載約為峰值荷載的90%～100%.此階段，聲發(fā)射能量開始增大，進入活躍期，累計能量快速上升，斜率顯著增加，試塊持續(xù)產生微裂紋，并在內部擴大連通成較大尺度的裂紋，但試件表面仍未出現明顯裂縫.此時，混凝土內部的結構已出現較大損傷.

4) 下降階段(階段Ⅳ),峰值荷載后至試驗結束.此階段，應力開始下降，聲發(fā)射能量保持在較高水平，微裂紋持續(xù)擴大、擴寬，直至形成貫穿試塊的宏觀裂縫，混凝土內部的裂縫快速貫穿，試塊突然崩裂.

自密實混凝土流動性高、均勻性好，膠凝材料之間的內聚力及膠凝材料和骨料之間的粘結都很好，混凝土初始微孔隙、微裂紋較少.當應力約為峰值應力的8%時，自密實再生塊體混凝土被壓實，而普通混凝土在荷載約為峰值荷載的20%時被壓實；當應力約為峰值應力的90%時，自密實再生塊體混凝土進入破壞階段.

3組試塊在階段Ⅰ，Ⅱ無較大差異；在階段Ⅲ時，試塊C0的微裂紋增多，累計能量曲線迅速上升，能量較前兩個階段略有增加，但未出現較大能量.由于舊混凝土塊體本身存在一定數量的微裂紋等固有缺陷，且新、舊混凝土界面的粘結效果劣于自密實混凝土，因此，試塊在峰值荷載前微裂紋擴展為較大的裂紋，使試塊C1，C2在峰值荷載前就出現能量的爆炸性增長，且試塊C2比試塊C1出現得更早，而試塊C0在峰值荷載后才出現能量突增.因此，隨著取代率的提高，塊體自身的開裂及塊體與砂漿的界面連接處的開裂開始增多，使累計能量增大.

綜上可知，3組試塊抗壓強度較高，添加高強塊體對自密實混凝土的抗壓強度影響不大，試塊破壞時帶有明顯的脆性破壞特征，突然崩裂并伴隨著巨大響聲；隨著取代率的提高，能量突增現象會提前，在能量突增前，試塊表面未發(fā)現明顯裂縫，但其內部已有較大的損傷積累；通過聲發(fā)射監(jiān)測技術能夠在試塊發(fā)生破壞前監(jiān)測到能量突增，可以此進行預警.

3 聲發(fā)射能量參數的統(tǒng)計分析

為了更加具體地對聲發(fā)射活動的活躍程度進行探究，采用時域統(tǒng)計方法對能量均值(Eave)、能量峰值(Ep)和活躍系數(λ)等聲發(fā)射能量參數進行分析.

當觀測時間T趨于無窮時，T期間信號的時間平均值(能量均值)是觀測時間內任意信號x(t)的平均值，即

(1)

在觀測時間T內，信號x(t)的值高于其他信號(xi(t))，即信號峰值(能量峰值)，有

(2)

為了反映聲發(fā)射的活躍程度，引入活躍系數，有

(3)

以峰值應力的10%作為一個階段進行分析，到峰值應力的90%時，由于能量增長較快，取應力進程的5%作為一個階段，直至達到峰值應力.由于試塊強度較高，在峰值應力后承載能力迅速下降，下降階段不作為分析對象，故只取前3個階段進行分析.能量均值、能量峰值隨應力進程的數值表，如表2所示.表2中：ps為應力進程.

活躍系數與應力進程的變化關系，如圖3所示.

由表2和圖2,3可知：活躍系數隨應力的變化呈先升后降的趨勢，在峰值應力的90%處，活躍系數最大， 舊混凝土塊體的添加對活躍系數的變化趨勢沒有影響； 應力進程為10%時的能量均值比應力進程為90%時的能量均值更大，能量均值整體呈下降趨勢，應力進程為10%時達到能量峰值后，能量峰值沒有顯著地變化，因而活躍系數隨應力進程呈上升趨勢；在活躍系數的上升階段，試塊C0～C2的活躍系數變化范圍分別為106～272，117～274和124～275，隨著取代率的提高而略有升高，但差別不大；到達應力峰值后，3組試塊的活躍系數開始變小，試塊C0的活躍系數由272左右快速下降到200左右，而試塊C1，C2的活躍系數分別從274，275左右快速下降到21，23左右，試塊C1，C2的活躍系數下降幅度比試塊C0更大；隨著取代率的提高，再生塊體或砂漿界面處的開裂增多，能量均值增大，活躍系數在應力進程為95%處的下降幅度增大；應力進程為90%后，試塊出現開裂，聲發(fā)射信號能量開始普遍增大，特別是試塊C1，C2出現持續(xù)的高能量，能量均值顯著增大，活躍系數變小.

表2 能量均值、能量峰值隨應力進程的數值表Tab.2 NumericalTable of energy mean, energy peak with stress process mV·ms

(a) C0 (b) C1 (c) C2圖3 活躍系數與應力進程的變化關系Fig.3 Relationship between active coefficient and stress process

活躍系數隨應力進程先增大后減小，活躍系數最大時，繼續(xù)承受荷載會使試塊出現致命損傷，活躍系數的快速持續(xù)降低可作為混凝土是否適合繼續(xù)服役的判斷標準；當荷載超過峰值荷載的90%時，活躍系數由上升階段進入快速下降階段，即可判定高強自密實再生塊體混凝土不適合繼續(xù)服役.

4 b值-能量分析

b值分析法起源于地震學，b值的變化可反映地震的震級與頻度的關系.材料脆性破壞產生的彈性波與地震波具有相似性，故b值分析法在聲發(fā)射信號分析中得到了廣泛的應用.b值定義為

lgN=a-b·lgA

.

(4)

式(4)中：N為聲發(fā)射的事件數；A為聲發(fā)射的撞擊幅值；a為常數；b為線性擬合數，可用于表征自密實再生塊體混凝土裂紋開展和損傷程度，b值較高時，表示裂紋的開展規(guī)模和損傷程度較小，b值較低時，表示裂紋的開展規(guī)模和損傷程度較大.

結合b值分析和能量分析兩者的優(yōu)點可以準確判定裂紋的開展程度和試塊的損傷情況.每隔12.8 s計算聲發(fā)射信號的b值.能量、b值與時間的變化關系，如圖4所示.由于凱塞(Kaiser)效應，在峰值荷載后基本測不到聲發(fā)射事件數，故只計算階段Ⅰ～Ⅲ的b值.

(a) C0-1 (b) C0-2

(c) C1-1 (d) C1-2

(e) C2-1 (f) C2-2 圖4 能量、b值與時間的變化關系Fig.4 Relationship between energy, b value and time

由圖4可得以下3點結論.1) 在階段Ⅰ，Ⅱ中，b值的整體變化幅度較小，聲發(fā)射能量整體較低也較穩(wěn)定；試塊C0的b值范圍為1.035～1.140，變化幅度為9.2%～10.1%；試塊C1，C2的b值范圍分別為0.756～0.950，0.833～0.992，變化幅度分別為20.4%～25.7%，16.0%～19.1%.2) 在階段Ⅲ中， 試塊C0～C2的b值范圍分別為0.834～1.048，0.604～0.855，0.637～0.957，變化幅度分別為20.4%～25.7%，29.4%～41.6%，33.4%～50.2%；相較于前兩個階段，階段Ⅲ的變化幅度增大，b值整體呈下降趨勢，聲發(fā)射能量變化明顯，特別是能量突增處的b值下降顯著.3) 相較于階段Ⅰ，Ⅱ，階段Ⅲ的b值變小且變化幅度更大，說明試塊開始出現較大裂紋，損傷程度增大.

整體而言，試塊C1，C2的b值比C0更小，這是因為加入舊混凝土塊體后，骨料與砂漿的連接界面破壞時產生的聲發(fā)射信號增多，b值變??；在階段Ⅰ，Ⅱ中，試塊處于彈性階段，微裂紋較少，產生的信號幅值也較小，故b值較大，進入階段Ⅲ后，試塊開始產生較大、較多的裂紋，聲發(fā)射事件數增多且幅值增大，故b值變??；試塊的最小b值均在峰值應力處，說明到達峰值應力時試塊有較大損傷.

5 結論

1) 不同取代率的高強自密實再生塊體混凝土的受壓破壞都經過壓實階段、裂縫穩(wěn)定發(fā)展階段、破壞階段和下降階段，取代率對試塊抗壓強度的影響較小.隨著取代率的提高，累計能量增大，能量的突增現象在峰值應力之前更早出現，可作為破壞前的預警信息，以便及時采取措施.

2) 引入活躍系數對應力進程的能量參數進行統(tǒng)計分析，活躍系數隨應力進程先增大后減小，在峰值應力約90%處，活躍系數快速下降；隨著取代率的提高，活躍系數由270左右迅速下降至20左右.活躍系數的快速持續(xù)降低可作為混凝土是否適合繼續(xù)服役的判斷標準.

3)b值-能量分析可準確判斷高強自密實再生塊體混凝土軸壓破壞過程中裂紋的開展程度和試塊的損傷情況，在階段Ⅰ，Ⅱ中，b值較大且變化幅度較小，裂紋的開裂程度與試塊的損傷較小；在階段Ⅲ中，b值變小，裂紋的開裂程度與試塊的損傷較大.隨著取代率的提高，b值變小，b值的變化幅度增大.