司秀勇,戶(hù)偉華,潘慧敏

(燕山大學(xué)，河北省土木工程綠色建造與智能運(yùn)維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島 066004)

0 引 言

混凝土是一種非均質(zhì)混合材料，其早期微觀結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程為后期性能奠定了基礎(chǔ)?；炷猎谟不?，其內(nèi)部凝膠體快速生長(zhǎng)，但黏結(jié)力仍比較低，對(duì)外界擾動(dòng)的影響會(huì)比較敏感[1-2]。由于大多數(shù)工程對(duì)施工進(jìn)度要求均較高，新澆筑混凝土?xí)豢杀苊獾厥艿街車(chē)h(huán)境施工擾動(dòng)的影響[3]。擾動(dòng)力會(huì)使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，在混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度尚不能抵抗較大拉應(yīng)力的情況下，混凝土內(nèi)部很可能會(huì)出現(xiàn)微裂紋，強(qiáng)度和耐久性因此降低[4]。宏觀尺度下，混凝土的強(qiáng)度大小與其內(nèi)部細(xì)微觀損傷密切相關(guān)。作為典型脆性材料，混凝土在承載過(guò)程中會(huì)誘發(fā)裂隙擴(kuò)展，并形成損傷甚至破壞。混凝土的破碎和斷裂過(guò)程會(huì)伴隨著聲、光、電磁等物理現(xiàn)象，其中以彈性波形式釋放出瞬時(shí)應(yīng)變能的現(xiàn)象稱(chēng)為聲發(fā)射(acoustic emission， AE)[5]。聲發(fā)射過(guò)程與力學(xué)過(guò)程之間存在緊密的關(guān)系，通過(guò)試樣聲發(fā)射信息可推斷其內(nèi)部形態(tài)變化，反演試樣的破壞機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料缺陷和損傷的檢測(cè)和識(shí)別，因此聲發(fā)射技術(shù)被廣泛應(yīng)用于材料損傷演化研究和結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估[6]。

關(guān)于凝結(jié)硬化期受擾混凝土的性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)和理論研究，做了多方面的探索工作。Chu等[7]研究了爆破振動(dòng)對(duì)混凝土性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)振動(dòng)速度達(dá)到3.5 cm/s時(shí)，振動(dòng)使混凝土的抗壓強(qiáng)度和耐久性降低，且衰減程度隨振動(dòng)速度的增大而增大。蔣正武等[8]模擬車(chē)橋耦合振動(dòng)對(duì)混凝土進(jìn)行了擾動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)改變了混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，孔徑大于200 nm的有害孔占比增大。潘慧敏等[9-10]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，混凝土在硬化早期受到擾動(dòng)后，其內(nèi)部產(chǎn)生了不同程度的損傷，抗折強(qiáng)度有很大損失。受硫酸鹽侵蝕后，受擾混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量較基準(zhǔn)混凝土降低顯著。魏建軍等[11]研究了早期擾動(dòng)對(duì)混凝土劈裂強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)振幅在5 mm以上時(shí)，受擾混凝土的劈裂強(qiáng)度最高降低10%。Dunham等[12]通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M了振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)早齡期混凝土的擾動(dòng)情況，研究發(fā)現(xiàn)，擾動(dòng)顯著降低了混凝土的抗折強(qiáng)度，使其最大損失達(dá)8%。Zhang等[13]研究了早齡期混凝土受爆破振動(dòng)作用后的性能，研究認(rèn)為超出36 h齡期的擾動(dòng)會(huì)使混凝土抗壓強(qiáng)度降低。

綜上，擾動(dòng)對(duì)硬化期混凝土的影響在施工中是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。以上研究均表明，擾動(dòng)會(huì)使混凝土產(chǎn)生砂漿裂縫和骨料位移，對(duì)混凝土造成損傷，但已有的研究多集中于受擾混凝土的力學(xué)強(qiáng)度方面，對(duì)其受荷載作用時(shí)的損傷發(fā)展情況尚未給予關(guān)注，利用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)擾動(dòng)影響進(jìn)行評(píng)價(jià)的研究還比較少?；诖?，本文對(duì)處于初凝至終凝階段的混凝土進(jìn)行了模擬擾動(dòng)，試驗(yàn)基于聲發(fā)射基本原理，全程采集了受擾混凝土單軸受壓破壞過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，通過(guò)比較不同試件的聲發(fā)射特征參數(shù)，研究了凝結(jié)硬化期的擾動(dòng)對(duì)混凝土受壓聲發(fā)射特性的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥；粗集料為破碎石灰?guī)r，符合5～25 mm連續(xù)級(jí)配；細(xì)集料為秦皇島本地產(chǎn)天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.9；拌和用水為普通飲用水；外加劑為質(zhì)量減水率25%的聚羧酸系高效減水劑。

1.2 混凝土配合比

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，各材料質(zhì)量比為m(水泥) ∶m(砂) ∶m(石子) ∶m(水)=1.00 ∶1.86 ∶2.43 ∶0.42。減水劑摻量根據(jù)工作性調(diào)整，混凝土坍落度為130～150 mm。文獻(xiàn)[14]中已對(duì)擾動(dòng)影響的尺寸效應(yīng)進(jìn)行了研究，認(rèn)為擾動(dòng)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響存在明顯的尺寸效應(yīng)，試件尺寸越大，受擾混凝土強(qiáng)度降低越多。鑒于本文以聲發(fā)射特性作為研究重點(diǎn)，故暫未再進(jìn)行尺寸效應(yīng)分析，試驗(yàn)僅選取了一種類(lèi)型的試件，尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，每組3個(gè)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 擾動(dòng)機(jī)制

試驗(yàn)擾動(dòng)源由蘇試DC-1000-15水平電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)提供，振動(dòng)最大速度為37.7 cm/s，振幅為4 mm。根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]對(duì)擾動(dòng)形式的分析，選擇正弦形式的振動(dòng)，頻率為15 Hz。為了減小擾動(dòng)能量的耗散，將試件帶模與振動(dòng)臺(tái)剛性連接。根據(jù)貫入阻力法確定新拌混凝土的凝結(jié)時(shí)間，貫入阻力與凝結(jié)時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖1。將受擾齡期劃分為3段：臨近初凝段、凝結(jié)硬化中期和臨近終凝段，對(duì)應(yīng)的貫入阻力區(qū)段分別為3.5～11.5 MPa、11.5～19.5 MPa和19.5～28.0 MPa。設(shè)置擾動(dòng)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為30 min，擾動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后，將試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d齡期。

圖1 混凝土貫入阻力值與齡期關(guān)系Fig.1 Relationship between penetration resistance and age

1.3.2 超聲波測(cè)試方法

超聲波法是先進(jìn)的混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，為探索擾動(dòng)對(duì)混凝土內(nèi)部損傷的影響，采用超聲波對(duì)測(cè)法對(duì)養(yǎng)護(hù)至28 d齡期的受擾混凝土進(jìn)行檢測(cè)，定義超聲波波速衰減的相對(duì)值為混凝土損傷度D，D值按式(1)計(jì)算[15]。

(1)

式中：vt和v0分別為受擾混凝土和基準(zhǔn)混凝土的波速。

1.3.3 聲發(fā)射檢測(cè)方法

文獻(xiàn)[16]表明，混凝土壓縮聲發(fā)射性能對(duì)于荷載速率的敏感度較高，存在明顯的速率效應(yīng)。為消除加載速度對(duì)聲發(fā)射信號(hào)采集的影響，本試驗(yàn)采用位移控制加載制度，加載速度統(tǒng)一為0.01 mm/min。在對(duì)試件加載的過(guò)程中，采用全信息聲發(fā)射信號(hào)分析儀以4通道同步的方式采集聲發(fā)射信號(hào)，傳感器布置方式見(jiàn)圖2。試驗(yàn)開(kāi)始前，將混凝土試件表層清理干凈，聲發(fā)射探頭與混凝土表面接觸處采用凡士林耦合，并用膠帶固定。采樣率為1 MHz，前置放大器增益為45 dB。為了盡可能減少外界噪聲的干擾[17-18]，達(dá)到過(guò)濾噪聲的目的，首先通過(guò)設(shè)置不同門(mén)檻值，對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行采集，以收集不到噪聲信號(hào)的門(mén)檻值作為最終門(mén)檻值，門(mén)檻值設(shè)定為55 dB。

圖2 傳感器布置圖Fig.2 Sensor layout

2 結(jié)果與分析

2.1 損傷度和峰值應(yīng)力

根據(jù)所測(cè)超聲波速，利用式(1)計(jì)算不同受擾齡期的混凝土試件損傷度。對(duì)混凝土進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn)，得到受擾混凝土的峰值應(yīng)力(抗壓強(qiáng)度)。為分析擾動(dòng)對(duì)混凝土峰值應(yīng)力的影響，定義峰值應(yīng)力降低率，按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：Kσc為峰值應(yīng)力降低率，%；σ′c和σc分別為受擾混凝土和基準(zhǔn)混凝土的峰值應(yīng)力。

不同齡期受擾混凝土的損傷度和峰值應(yīng)力降低率如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，擾動(dòng)使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了不同程度的損傷，受擾混凝土的峰值應(yīng)力也有不同程度的損失。其中，凝結(jié)硬化中期受擾的混凝土損傷度達(dá)到了14.2%，此時(shí)的擾動(dòng)使混凝土峰值應(yīng)力較基準(zhǔn)混凝土降低了25.1%。而臨近初凝和終凝受擾的混凝土損傷度較小，峰值應(yīng)力較基準(zhǔn)混凝土略有降低。說(shuō)明中期的擾動(dòng)對(duì)混凝土影響最大，而臨近初凝和終凝的擾動(dòng)對(duì)混凝土產(chǎn)生的影響較小。

圖3 不同受擾齡期混凝土的損傷度和峰值應(yīng)力降低率Fig.3 Damage degree and peak stress reduction rate ofconcrete with different disturbed ages

2.2 聲發(fā)射能量

研究表明，聲發(fā)射能量可以表示為單位時(shí)間混凝土內(nèi)部裂紋擴(kuò)展所釋放的能量，反映了混凝土破裂過(guò)程的發(fā)生程度[19]。不同受擾齡期的混凝土試件在加載過(guò)程中的能量釋放率變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

由圖4可以看出，在最初加載時(shí)，試件聲發(fā)射能量釋放率緩慢上升，之后逐漸下降。隨著荷載的增大，能量釋放率進(jìn)入一段平穩(wěn)期。當(dāng)壓力即將到達(dá)極限荷載時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)驟然增加，能量釋放率在短時(shí)間內(nèi)上升到峰值。

由圖4(a)可見(jiàn)，基準(zhǔn)混凝土試件的能量釋放在加載初期就非常明顯，整個(gè)加載過(guò)程可以見(jiàn)到多個(gè)能量峰值。這是由于基準(zhǔn)混凝土試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較致密，受荷載作用后，部分區(qū)域出現(xiàn)裂紋，隨著裂紋的搭接和擴(kuò)展，試件內(nèi)部應(yīng)力會(huì)經(jīng)歷重新分配的過(guò)程。盡管已經(jīng)歷短暫的能量釋放，重新調(diào)整應(yīng)力狀態(tài)的試件仍可以繼續(xù)承受壓力。在發(fā)生整體破壞之前，基準(zhǔn)混凝土試件經(jīng)歷了多次的能量釋放。

由圖4(b)～(d)可見(jiàn)，與基準(zhǔn)混凝土相比，在受荷載作用的初期，受擾試件能量釋放率很小，聲發(fā)射活躍區(qū)間出現(xiàn)在加載后期。在相對(duì)應(yīng)力水平未達(dá)30%之前，能量釋放均不明顯。尤其是凝結(jié)硬化中期受擾的混凝土試件，在相對(duì)應(yīng)力水平小于50%時(shí)，幾乎未采集到明顯的聲發(fā)射信號(hào)，聲發(fā)射活性較低。受擾和基準(zhǔn)混凝土試件能量釋放特性之所以存在差異，其原因是擾動(dòng)使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了不同程度的損傷，內(nèi)部損傷的存在導(dǎo)致試件對(duì)內(nèi)部應(yīng)力重新分配平衡的能力大大降低，在損傷部位易出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，接近極限應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，這個(gè)薄弱的應(yīng)力集中區(qū)域就承擔(dān)了整個(gè)試件的開(kāi)裂和破壞過(guò)程，因此聲發(fā)射能量在加載后期集中釋放。文獻(xiàn)[20-21]的研究也發(fā)現(xiàn)了相似的現(xiàn)象。

圖4 混凝土試件受壓能量釋放率Fig.4 Energy release rate of concrete specimen under compression

從圖4還可以觀察到，圖(a)、(c)與(d)中的能量釋放率均在相對(duì)應(yīng)力達(dá)90%時(shí)達(dá)到最大，而圖(b)是在峰值荷載時(shí)達(dá)到最大。造成此差異的原因是，聲發(fā)射信號(hào)由材料內(nèi)部微缺陷本身產(chǎn)生，但加載中的很多因素都會(huì)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生影響。在加載后期，混凝土內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展迅速，骨料和基體弱界面剝離，試件臨近破壞時(shí)釋放大量的彈性能，最終可能使不同試件的聲發(fā)射信號(hào)拾取在一定程度上略有差異[22]。

3 討 論

3.1 聲發(fā)射活性函數(shù)

混凝土中臨界裂縫的存在狀態(tài)與其在壓力作用下的聲發(fā)射活性密切相關(guān)，根據(jù)Ohtsu[23]對(duì)混凝土聲發(fā)射特性的研究，聲發(fā)射活性可以用聲發(fā)射事件概率密度函數(shù)f(σ)定量描述。f(σ)可以表示為：

(3)

式中：σ為相對(duì)應(yīng)力水平；N為聲發(fā)射事件數(shù)。

參考文獻(xiàn)[24],將f(σ)用雙曲線(xiàn)函數(shù)表示：

(4)

式中：a為聲發(fā)射速率參數(shù)；b為聲發(fā)射過(guò)程參數(shù)。

將式(4)代入式(3)并對(duì)式兩邊積分，可得：

N=cσaexp(bσ)

(5)

式中：c為積分系數(shù)。

式(5)即為混凝土材料聲發(fā)射的活性函數(shù)。參考文獻(xiàn)[23,25]，聲發(fā)射速率參數(shù)a可用于衡量材料內(nèi)部的缺陷，其值小于0時(shí)，可認(rèn)為材料中存在較少缺陷或缺陷較穩(wěn)定。相反，a值大于0，就代表了材料中含有大量的缺陷。聲發(fā)射過(guò)程參數(shù)b反映的是聲發(fā)射平均概率密度，其值越大，聲發(fā)射活動(dòng)越活躍。c為常數(shù)，其值與試驗(yàn)加載條件有關(guān)。

3.2 活性函數(shù)參數(shù)分析

聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)是單位時(shí)間越過(guò)門(mén)限信號(hào)的振蕩次數(shù)，反映了混凝土的變形和裂隙擴(kuò)展，采用聲發(fā)射累積振鈴計(jì)數(shù)表征聲發(fā)射事件數(shù)，根據(jù)式(5)對(duì)所得聲發(fā)射事件數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，求得參數(shù)a、b、c，如表1所示，受擾混凝土聲發(fā)射活性函數(shù)擬合結(jié)果見(jiàn)圖5。

表1 聲發(fā)射活性函數(shù)擬合參數(shù)Table 1 Fitting parameters of acoustic emission activity function

由表1可以看出，擬合所得聲發(fā)射速率參數(shù)a均大于0，表明混凝土材料含有較多的初始缺陷。凝結(jié)硬化中期受擾的混凝土試件a值最小，b值最大，說(shuō)明此齡期受擾的混凝土內(nèi)部缺陷較多，受荷早期產(chǎn)生的聲發(fā)射最少，只有加載的最后階段才有大量聲發(fā)射產(chǎn)生，聲發(fā)射事件數(shù)在短時(shí)間內(nèi)升到最高值。這同時(shí)驗(yàn)證了上述聲發(fā)射能量的試驗(yàn)結(jié)果。

由圖5可以看出，根據(jù)式(5)擬合得到的受擾混凝土聲發(fā)射活性函數(shù)曲線(xiàn)與試驗(yàn)所得聲發(fā)射事件數(shù)吻合良好。觀察圖5各曲線(xiàn)形式可以看出，中期受擾的混凝土試件對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射活性函數(shù)曲線(xiàn)早期比較平緩，后期變得很陡。

對(duì)表1中a、b、c值進(jìn)行對(duì)比分析，并結(jié)合圖5聲發(fā)射活性曲線(xiàn)可以看出，通過(guò)b值的大小可以判斷聲發(fā)射活躍區(qū)間出現(xiàn)的時(shí)間，受荷早期活躍度低而后期活躍度高時(shí)，b值會(huì)增大。

圖5 聲發(fā)射活性函數(shù)擬合Fig.5 Acoustic emission activity function fitting

3.3 受擾混凝土損傷微觀機(jī)理淺析

水泥混凝土加水拌和到形成硬化結(jié)構(gòu)的過(guò)程稱(chēng)為水泥混凝土結(jié)構(gòu)形成動(dòng)力學(xué)過(guò)程，在此過(guò)程中，隨著水泥漿逐步凝結(jié)、硬化，混凝土?xí)?jīng)歷由黏塑性到黏彈性的演變過(guò)程。將混凝土看作是由骨料、水泥砂漿及兩者間的界面過(guò)渡區(qū)組成的三相復(fù)合材料，因此界面過(guò)渡區(qū)本質(zhì)上是一層區(qū)別于遠(yuǎn)場(chǎng)砂漿基質(zhì)的含較高孔隙率的近場(chǎng)砂漿材料。從本文試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，擾動(dòng)使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了不同程度的損傷。結(jié)合水泥漿體硬化理論和混凝土結(jié)構(gòu)形成動(dòng)力學(xué)理論[26]可知，可能造成此現(xiàn)象的原因?yàn)椋旱谝?，擾動(dòng)影響了水泥的水化過(guò)程，破壞了凝膠體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；第二，擾動(dòng)影響了界面過(guò)渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，使界面過(guò)渡區(qū)的黏結(jié)性能下降，進(jìn)而影響到混凝土宏觀力學(xué)強(qiáng)度。

在混凝土凝結(jié)硬化初期，水泥水化反應(yīng)首先從局部開(kāi)始進(jìn)行，此時(shí)混凝土性狀以黏、塑性為主，混凝土的斷裂能未能被擾動(dòng)力帶來(lái)的能量超過(guò)，混凝土內(nèi)部裂縫可以維持穩(wěn)定。在臨近終凝時(shí)，混凝土完全失去塑性，界面過(guò)渡區(qū)的水化產(chǎn)物大量增加，骨料與水泥石的黏結(jié)情況較好，此時(shí)混凝土抵抗擾動(dòng)破壞的能力也大大提高。因此臨近初凝和終凝的擾動(dòng)對(duì)混凝土后期強(qiáng)度影響均較小。而凝結(jié)硬化中期的擾動(dòng)使混凝土峰值應(yīng)力降低顯著，其原因是：混凝土處于凝結(jié)硬化中期時(shí)，內(nèi)部凝聚結(jié)構(gòu)初步形成，但是尚未形成規(guī)模，由此產(chǎn)生的凝聚連接力還不足以抵抗外力的干擾。當(dāng)擾動(dòng)力帶來(lái)的能量超過(guò)混凝土的斷裂能后，形成的界面過(guò)渡區(qū)所承受的拉應(yīng)力增大，水泥石與骨料間的黏結(jié)力因此而降低，初始凝聚結(jié)構(gòu)會(huì)由于骨料和硬化水泥石的微應(yīng)變而遭到破壞?；炷羶?nèi)部裂縫不穩(wěn)定，裂縫增多，而且此時(shí)形成的砂漿裂縫與骨料位移有相當(dāng)一部分是不能自愈和恢復(fù)的[1]，因此凝結(jié)硬化中期的擾動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響混凝土的后期強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

(1)擾動(dòng)使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了不同程度的損傷，使混凝土峰值應(yīng)力下降。凝結(jié)硬化中期受擾的混凝土損傷度達(dá)到了14.2%，此時(shí)的擾動(dòng)使混凝土峰值應(yīng)力較基準(zhǔn)混凝土降低了25.1%，對(duì)混凝土性能影響較大。而臨近初凝和終凝的擾動(dòng)使混凝土產(chǎn)生的損傷較小。

(2)基準(zhǔn)混凝土試件的能量釋放在加載初期就非常明顯，整個(gè)加載過(guò)程可以見(jiàn)到多個(gè)能量峰值。受擾試件在加載初期能量釋放率很小，聲發(fā)射活躍區(qū)間產(chǎn)生在加載后期。尤其是凝結(jié)硬化中期受擾的混凝土試件，在相對(duì)應(yīng)力水平小于50%時(shí)，幾乎未采集到明顯的聲發(fā)射信號(hào)。

(3)凝結(jié)硬化中期受擾的混凝土試件其聲發(fā)射速率參數(shù)a值最小，過(guò)程參數(shù)b值最大，說(shuō)明此齡期受擾的混凝土內(nèi)部缺陷較多，使其在受荷早期聲發(fā)射活躍度較低，只有加載的最后階段才有大量聲發(fā)射產(chǎn)生，聲發(fā)射事件數(shù)在短時(shí)間內(nèi)升到最高值，驗(yàn)證了聲發(fā)射能量的試驗(yàn)結(jié)果。