曾志偉，梁 劍，曾宇鑫，余 波,2,3

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，南寧 530004；2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實驗室，南寧 530004； 3.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實驗室，南寧 530004)

0 引 言

混凝土在損傷過程中能量的釋放會產(chǎn)生應(yīng)力波，即發(fā)生聲發(fā)射現(xiàn)象。由于混凝土的損傷演化過程與聲發(fā)射特征參數(shù)的變化規(guī)律存在對應(yīng)關(guān)系[1-2]，所以根據(jù)混凝土損傷演化過程中聲發(fā)射特征參數(shù)的變化規(guī)律可以評估混凝土的開裂情況和損傷程度[3-5]。然而，聲發(fā)射特征參數(shù)的種類繁多，包括計數(shù)類參數(shù)[6]、能量類參數(shù)[7]、經(jīng)歷時間類參數(shù)[8]、幅值類參數(shù)[9]、時域頻率類參數(shù)[10]等。因此，遴選合理的聲發(fā)射特征參數(shù)來描述混凝土的損傷演化過程成為了國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問題。其中，賴于樹等[11]利用聲發(fā)射事件計數(shù)對混凝土軸壓損傷全過程進(jìn)行了階段劃分,Wu等[12]發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射撞擊計數(shù)可以用于監(jiān)測混凝土軸壓損傷全過程的應(yīng)力和應(yīng)變演變,周興宇等[13]通過聲發(fā)射振鈴計數(shù)表征了高溫后混凝土試件的軸壓損傷全過程,Yun等[14]對比分析了頻率、幅值和持續(xù)時間在描述混凝土開裂階段時的適用性,Lee等[15]對比分析了幅值、振鈴計數(shù)和能量在描述混凝土損傷演化過程中的敏感性。由此可見，目前國內(nèi)外學(xué)者對于聲發(fā)射特征參數(shù)的選擇不統(tǒng)一。同時，現(xiàn)有的研究成果集中在軸壓狀態(tài)下混凝土聲發(fā)射特征參數(shù)的演化規(guī)律分析，但在實際工程中混凝土結(jié)構(gòu)處于偏壓狀態(tài)也較為常見。因此，研究軸壓與偏壓狀態(tài)下混凝土聲發(fā)射特征參數(shù)的演化規(guī)律對于指導(dǎo)工程實踐具有重要意義。

鑒于此，本文開展了軸壓和偏壓狀態(tài)下混凝土損傷全過程的聲發(fā)射試驗，研究分析了不同受力狀態(tài)下混凝土損傷全過程聲發(fā)射特征參數(shù)的演化規(guī)律，合理遴選了描述混凝土損傷演化過程的聲發(fā)射特征參數(shù)，揭示了混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征點(diǎn)與聲發(fā)射特征參數(shù)特征點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系。

1 混凝土受壓損傷全過程聲發(fā)射試驗

為研究混凝土受壓損傷全過程聲發(fā)射特征參數(shù)的演化規(guī)律，本試驗共制作了3個強(qiáng)度等級為C35的標(biāo)準(zhǔn)立方體(150 mm×150 mm×150 mm)混凝土試件(分別記為C1、C2和C3)。其中，C1用于開展軸心受壓的基準(zhǔn)試驗，C2用于開展軸心受壓的驗證試驗，C3用于開展偏心受壓試驗?；炷恋呐浜媳?質(zhì)量比)為m(水泥) ∶m(砂) ∶m(石) ∶m(水) ∶m(減水劑)=1 ∶1.575 ∶2.362 ∶0.450 ∶0.008。水泥為華潤水泥(南寧)有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其物理性質(zhì)和化學(xué)組成分別見表1和表2；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)3.0的欽州河砂，粗骨料為5～25 mm連續(xù)級配的石灰石碎石，其物理性質(zhì)見表3；水為自來水；減水劑為固含量13%的聚羧酸高效減水劑。

表1 水泥的物理性質(zhì)Table 1 Physical performance of cement

表2 水泥的主要化學(xué)組成Table 2 Main chemical composition of cement

表3 細(xì)骨料、粗骨料的物理性質(zhì)Table 3 Physical performance of fine and coarse aggregate

聲發(fā)射試驗系統(tǒng)如圖1所示，軸壓試件置于壓力機(jī)上下加載板中央，偏壓試件外邊緣與壓力機(jī)上下加載板外邊緣對齊。加載設(shè)備采用中國科學(xué)院武漢巖石力學(xué)研究所生產(chǎn)的RMT-201巖石與混凝土力學(xué)性能試驗系統(tǒng)，可提供最大1 500 kN的豎向荷載。試驗過程采用速率為0.005 mm/s的位移控制模式進(jìn)行加載，并在試件對稱側(cè)面的中心位置粘貼長度為80 mm的應(yīng)變片，通過江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的DH3816N型靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測試分析系統(tǒng)采集應(yīng)變數(shù)據(jù)。試驗過程中的聲發(fā)射信號由美國物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的Express 8聲發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行采集，采樣頻率設(shè)置為1 MHz。將6個R3-α型聲發(fā)射傳感器布置在粘貼有應(yīng)變片的兩對稱面，接觸面使用高真空脂作為耦合劑，用膠帶和皮筋固定傳感器。根據(jù)現(xiàn)場試驗環(huán)境，設(shè)置門檻值為45 dB，前置放大增益為40 dB。

圖1 聲發(fā)射試驗系統(tǒng)Fig.1 AE test system

2 破壞形態(tài)與聲發(fā)射特征參數(shù)分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線與破壞形態(tài)分析

圖2 混凝土試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of concrete specimens

各混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。由圖可知，三個試件的峰值應(yīng)力分別為44.31 MPa、45.78 MPa和37.45 MPa，峰值應(yīng)變分別為1.69×10-3、1.86×10-3和2.41×10-3。其中C1和C2為軸心受壓構(gòu)件，二者的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本吻合，而C3為偏心受壓構(gòu)件，由于其受力狀態(tài)與C1和C2有所不同，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在顯著差異，表現(xiàn)為峰值應(yīng)力相對較低，而峰值應(yīng)變相對較大。

三個混凝土試件的破壞形態(tài)如圖3所示。其中，C1與C2均呈叉形破壞，試件表面的混凝土基本完全剝落，而C3呈剪切破壞，在偏心受壓區(qū)出現(xiàn)沿受力方向開展的剪切裂縫。C3的偏心受壓區(qū)在受力過程中始終保持較大的壓應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致其偏心受壓區(qū)的混凝土率先開裂，在試件核心混凝土發(fā)生破壞前，偏心受壓區(qū)的表層混凝土已經(jīng)嚴(yán)重剝落，并形成了軸向的貫通裂縫，致使其峰值應(yīng)力相對較低，同時發(fā)生較大變形，最終使其峰值應(yīng)變相對較大。

圖3 混凝土試件的破壞形態(tài)Fig.3 Failure modes of concrete specimens

2.2 聲發(fā)射特征參數(shù)演化規(guī)律分析

根據(jù)定義屬性，可以將聲發(fā)射特征參數(shù)分為5大類[16]，分別為計數(shù)類參數(shù)(包括振鈴計數(shù)和峰值計數(shù))、能量類參數(shù)(包括能量、信號強(qiáng)度和絕對能量)、經(jīng)歷時間類參數(shù)(包括持續(xù)時間和上升時間)、幅值類參數(shù)(包括幅值、平均信號電平ASL和均方根電壓RMS)、時域頻率類參數(shù)(包括平均頻率、初始頻率和反算頻率)。上述5大類聲發(fā)射特征參數(shù)的演化規(guī)律如圖4～圖8所示。

圖4 聲發(fā)射計數(shù)類參數(shù)與應(yīng)力隨應(yīng)變的變化Fig.4 Change of AE count parameters and stress with strain

聲發(fā)射計數(shù)類參數(shù)與應(yīng)力隨應(yīng)變的變化如圖4所示。由圖4可知，根據(jù)計數(shù)類參數(shù)的突變點(diǎn)可以將混凝土受壓損傷全過程分為初始壓密(Ⅰ階段)、裂縫開展(Ⅱ階段)、貫通破壞(Ⅲ階段)3個階段。由圖4(a)與(b)可知，C1的振鈴計數(shù)與峰值計數(shù)在Ⅰ階段和Ⅲ階段的變化規(guī)律基本一致，都在低量級范圍內(nèi)波動；而二者在Ⅱ階段的分布規(guī)律有明顯區(qū)別，振鈴計數(shù)始終在2.4×104附近波動，而峰值計數(shù)在103量級至最大值內(nèi)劇烈振蕩。分析發(fā)現(xiàn)，與峰值計數(shù)比較，振鈴計數(shù)的突變點(diǎn)更易于進(jìn)行三階段劃分，且第Ⅱ階段的變化規(guī)律更易于監(jiān)測，后續(xù)將采用振鈴計數(shù)進(jìn)行C2和C3的分析。由圖4(c)可知，C2和C1的振鈴計數(shù)具有同樣的演化規(guī)律，說明其在軸壓試件的演化規(guī)律具有一致性。另外，由圖4(d)可知，C3振鈴計數(shù)的整體演化規(guī)律與C1和C2基本一致，不同的是在Ⅱ階段后期出現(xiàn)劇烈振蕩，這是C3偏心受壓區(qū)的表面混凝土剝落，在破壞前已經(jīng)形成貫通裂縫所致。由此可見，振鈴計數(shù)適用于分析軸壓與偏壓試件損傷全過程混凝土的階段性變化規(guī)律。

聲發(fā)射能量類參數(shù)與應(yīng)力隨應(yīng)變的變化如圖5所示。由圖5(a)、(b)和(c)可知，C1的能量與信號強(qiáng)度的變化規(guī)律基本一致，各階段劃分點(diǎn)位置與振鈴計數(shù)的階段劃分點(diǎn)位置相同，區(qū)別在于Ⅱ階段能量和信號強(qiáng)度呈先上升后下降趨勢，同時在Ⅱ階段中存在能量與信號強(qiáng)度的最大突變點(diǎn)，與試驗過程中混凝土試件宏觀裂縫發(fā)生時刻相對應(yīng)；C1絕對能量的階段性特征不明顯，但在Ⅱ階段中期出現(xiàn)的最大突變點(diǎn)，與能量和信號強(qiáng)度相對應(yīng)。因此，能量類參數(shù)在第Ⅱ階段的突變點(diǎn)可以作為試件開裂的判斷依據(jù)，后續(xù)重點(diǎn)采用能量與信號強(qiáng)度進(jìn)行分析。由圖5(d)可知，C2的能量值在Ⅱ階段后期達(dá)到儀器量程極限，導(dǎo)致其不能反映試件受壓損傷過程中的損傷演化規(guī)律。根據(jù)圖5(e)可以發(fā)現(xiàn)，信號強(qiáng)度的演化規(guī)律明顯，故優(yōu)選信號強(qiáng)度作為能量類聲發(fā)射特征參數(shù)的推薦參數(shù)進(jìn)行后續(xù)分析。對比圖5(b)、(e)和(f)可知，C3第Ⅱ階段的信號強(qiáng)度突變點(diǎn)要比C1與C2出現(xiàn)的更早，與試驗現(xiàn)象中C3混凝土出現(xiàn)宏觀裂縫更早相對應(yīng)。由此可見，信號強(qiáng)度適用于分析混凝土試件軸壓與偏壓狀態(tài)下?lián)p傷全過程的演化規(guī)律。

聲發(fā)射經(jīng)歷時間類參數(shù)與應(yīng)力隨應(yīng)變的變化如圖6所示。由圖6(a)與(b)可知，C1的持續(xù)時間可以將損傷階段進(jìn)行三階段劃分，且階段劃分點(diǎn)與振鈴計數(shù)和信號強(qiáng)度保持一致；而用振鈴計數(shù)與信號強(qiáng)度的階段劃分點(diǎn)對C1的上升時間進(jìn)行三階段劃分的效果較差，階段分界點(diǎn)不易于辨別，且在第Ⅱ階段的分布沒有明顯規(guī)律，所以采用持續(xù)時間進(jìn)行后續(xù)分析。由圖6(c)與(d)可知，C2與C3持續(xù)時間的分布規(guī)律與C1基本一致，不同的是C3的持續(xù)時間在Ⅱ階段后期出現(xiàn)劇烈振蕩，與其振鈴計數(shù)在Ⅱ階段的規(guī)律一致，均是偏心受壓區(qū)出現(xiàn)貫通裂縫所致。由圖6可知，C1、C2與C3的持續(xù)時間在第Ⅱ階段的分布穩(wěn)定且集中在1×106μs，可以作為Ⅱ階段的判別依據(jù)。因此，持續(xù)時間適用于分析試件軸壓與偏壓狀態(tài)下混凝土損傷全過程的演化規(guī)律。

圖5 聲發(fā)射能量類參數(shù)與應(yīng)力隨應(yīng)變的變化Fig.5 Change of AE energy parameters and stress with strain

圖6 聲發(fā)射經(jīng)歷時間類參數(shù)與應(yīng)力隨應(yīng)變的變化Fig.6 Change of AE elapsed-time parameters and stress with strain

聲發(fā)射幅值類參數(shù)與應(yīng)力隨應(yīng)變的變化如圖7所示。由圖7(a)、(b)和(c)可知，C1的幅值具有明顯的三階段特征，在Ⅰ階段和Ⅲ階段幅值分布范圍較廣，而在Ⅱ階段只存在高水平幅值；而根據(jù)C1的平均信號電平ASL和均方根電壓RMS很難直觀地判別損傷階段，故采用幅值進(jìn)行后續(xù)分析。由圖7(d)可知，C2與C1的幅值分布基本一致。由圖7(e)可知，C3與C1和C2在Ⅱ階段的幅值分布有所區(qū)別，C3的幅值在第Ⅱ階段沒有上升趨勢，一直維持在70 dB以上，而C1和C2在此階段的幅值均呈現(xiàn)出上升趨勢，主要原因在于C3在Ⅱ階段初期偏心受壓區(qū)便有宏觀裂縫出現(xiàn)，此階段C3的幅值迅速攀升。由此可見，幅值適用于分析混凝土試件軸壓與偏壓狀態(tài)下?lián)p傷全過程的演化規(guī)律。

聲發(fā)射時域頻率類參數(shù)與應(yīng)力隨應(yīng)變的變化如圖8所示。由圖8(a)、(b)和(c)可知，C1的平均頻率、反算頻率和初始頻率均具有三階段特征，但考慮到平均頻率是整個持續(xù)時間上的計算頻率，所以優(yōu)選平均頻率進(jìn)行后續(xù)分析。對比圖8(d)和(e)發(fā)現(xiàn)，在第Ⅱ階段C1、C2和C3平均頻率的優(yōu)勢頻率分別為26 kHz、20 kHz和22 kHz，雖然不同試件平均頻率的優(yōu)勢頻率存在一定差距，但其變化幅度不大，且具有明顯的階段性特征，可將其作為Ⅱ階段的判別依據(jù)。因此，平均頻率適用于分析軸壓與偏壓試件混凝土受壓損傷全過程的演化規(guī)律。

圖7 聲發(fā)射幅值類參數(shù)與應(yīng)力隨應(yīng)變的變化Fig.7 Change of AE amplitude parameters and stress with strain

圖8 聲發(fā)射時域頻率類參數(shù)與應(yīng)力隨應(yīng)變的變化Fig.8 Change of AE time-domain frequency parameters and stress with strain

通過分析混凝土試件受壓損傷全過程中聲發(fā)射特征參數(shù)的演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)振鈴計數(shù)、信號強(qiáng)度、持續(xù)時間、幅值和平均頻率均能較好地表征混凝土受壓損傷全過程的演化規(guī)律，且各參數(shù)對混凝土的開裂非常敏感。其中，振鈴計數(shù)與持續(xù)時間對貫通裂縫的出現(xiàn)十分敏感，貫通裂縫的出現(xiàn)會使振鈴計數(shù)與持續(xù)時間產(chǎn)生陡降的現(xiàn)象，而信號強(qiáng)度與幅值對宏觀裂縫的出現(xiàn)十分敏感，宏觀裂縫的出現(xiàn)會使信號強(qiáng)度與幅值產(chǎn)生陡升的現(xiàn)象。

3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征點(diǎn)與聲發(fā)射特征參數(shù)特征點(diǎn)的關(guān)系

根據(jù)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射特征參數(shù)不同階段的分界點(diǎn)與應(yīng)力-應(yīng)變曲線的特征點(diǎn)具有一定的關(guān)聯(lián)性。其中，第一個分界點(diǎn)位于試件壓密階段與彈性階段之間，表征了混凝土試件原始缺陷被壓密以及新裂紋的萌芽；第二個分界點(diǎn)位于試件破壞階段前后，表征了混凝土試件貫通裂縫的形成節(jié)點(diǎn)，與混凝土試件的破壞進(jìn)程有關(guān)。其中，C1與C2的貫通裂縫形成于峰值點(diǎn)之后，而C3的貫通裂紋形成于峰值點(diǎn)之前，主要原因在于C1與C2為軸心受壓構(gòu)件，產(chǎn)生叉形破壞，試件在達(dá)到峰值應(yīng)力前一直沒有產(chǎn)生貫通裂縫，而C3為偏心受壓構(gòu)件，產(chǎn)生剪切破壞，試件在達(dá)到峰值應(yīng)力前已經(jīng)在偏心受壓區(qū)產(chǎn)生軸向的貫通裂縫。另外，信號強(qiáng)度的最大突變點(diǎn)位于試件裂縫穩(wěn)定發(fā)展階段與不穩(wěn)定發(fā)展階段之間，表征了試件第一條宏觀裂縫的形成節(jié)點(diǎn)，與試件的破壞進(jìn)程有關(guān)，C3第一條宏觀裂縫形成的時間節(jié)點(diǎn)早于C1與C2，所以C1和C2在第Ⅱ階段后期出現(xiàn)信號強(qiáng)度的最大突變點(diǎn)，而C3在第Ⅱ階段前期便出現(xiàn)信號強(qiáng)度的最大突變點(diǎn)。通過上述分析發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射特征參數(shù)的特征點(diǎn)可以很好地闡釋試件受壓損傷過程中裂縫的開展情況，且對損傷過程中裂縫的出現(xiàn)異常敏感。

表4為聲發(fā)射特征參數(shù)特征點(diǎn)處的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征值。根據(jù)表4可知，在軸心受壓和偏心受壓混凝土試件的破壞過程中，聲發(fā)射特征參數(shù)特征點(diǎn)中的第一個分界點(diǎn)對應(yīng)于彈性階段的起點(diǎn)，第二個分界點(diǎn)對應(yīng)于峰值應(yīng)力點(diǎn)，信號強(qiáng)度的最大突變點(diǎn)對應(yīng)于試件開裂點(diǎn)。其中，第一個分界點(diǎn)和第二個分界點(diǎn)與應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系較為穩(wěn)定，應(yīng)力水平分別介于12%～17%與95%～98%，應(yīng)變水平分別介于23%～29%與89%～108%；而信號強(qiáng)度的最大突變點(diǎn)與試件實際的開裂情況直接相關(guān)，雖然軸壓試件與偏壓試件信號強(qiáng)度最大突變點(diǎn)處的應(yīng)力水平與應(yīng)變水平?jīng)]有確定的對應(yīng)關(guān)系，但也反映了聲發(fā)射信號對試件裂縫開展的靈敏性。

表4 聲發(fā)射特征參數(shù)特征點(diǎn)處的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征值Table 4 Characteristic value of stress-strain curve at characteristic point of AECPs

4 結(jié) 論

(1)試驗分析表明，利用振鈴計數(shù)、持續(xù)時間、幅值、信號強(qiáng)度和平均頻率可以較好地表征軸壓與偏壓狀態(tài)下混凝土損傷全過程的演化規(guī)律。

(2)混凝土裂縫的開展會直接影響振鈴計數(shù)、持續(xù)時間、幅值與信號強(qiáng)度的演化規(guī)律。其中，貫通裂縫的出現(xiàn)會使振鈴計數(shù)與持續(xù)時間產(chǎn)生陡降的現(xiàn)象，而宏觀裂縫的出現(xiàn)會使信號強(qiáng)度與幅值產(chǎn)生陡升的現(xiàn)象。

(3)混凝土試件受壓破壞過程中聲發(fā)射特征參數(shù)特征點(diǎn)與應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征點(diǎn)之間具有高度的相關(guān)性。其中，混凝土試件在破壞過程中聲發(fā)射特征參數(shù)特征點(diǎn)中的第一個分界點(diǎn)對應(yīng)于應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性階段的起點(diǎn)，第二個分界點(diǎn)對應(yīng)于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力點(diǎn)，信號強(qiáng)度的最大突變點(diǎn)對應(yīng)于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的開裂點(diǎn)。另外，偏心受壓混凝土試件開裂時應(yīng)力水平與應(yīng)變水平相對較低，而軸心受壓混凝土試件開裂時應(yīng)力水平與應(yīng)變水平相對較高，導(dǎo)致偏心受壓狀態(tài)下混凝土信號強(qiáng)度的最大突變點(diǎn)早于軸心受壓混凝土試件。