李京軍，閆 珺，牛建剛

(1. 內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院，包頭 014010；2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程安全與耐久重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，包頭 014010)

自密實(shí)輕骨料混凝土兼有輕骨料混凝土和自密實(shí)混凝土2 種類型混凝土的優(yōu)點(diǎn)及屬性特征，其在澆筑過程中無需機(jī)械振搗，適用于配筋密集且難澆筑部位[1]；輕質(zhì)的特性為高聳、大跨建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、老舊建筑物的修復(fù)和加固提供了新思路[2-3]。目前對自密實(shí)輕骨料混凝土的研究主要集中于配合比設(shè)計(jì)、工作性能以及力學(xué)性能等方面[4]，但對其耐久性方面研究匱乏，阻礙了其推廣及應(yīng)用。自密實(shí)輕骨料混凝土的自密實(shí)屬性賦予其拌和物良好的均質(zhì)性，輕骨料混凝土屬性使混凝土具有良好的保溫隔熱性能、抗凍融性能及抗震性能。不難推斷，采用自密實(shí)輕骨料混凝土制備的混凝土結(jié)構(gòu)與普通振搗混凝土相比，具有更優(yōu)異的耐久性能以及更長的使用壽命。Kosmas 等[5]和Bashandy 等[6]驗(yàn)證了自密實(shí)輕骨料混凝土在氯鹽及硫酸鹽侵蝕環(huán)境中的抗侵蝕能力，及使用壽命顯著優(yōu)于普通振搗混凝土。

我國北方寒冷地區(qū)的混凝土建筑物或構(gòu)筑物常因遭受凍融作用出現(xiàn)病害，服役壽命難以保證[7]。自密實(shí)輕骨料混凝土中由于摻入了輕骨料，其多孔的結(jié)構(gòu)特征可有效抵抗冰結(jié)晶膨脹壓力，使其在嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)的混凝土工程中應(yīng)用前景廣闊。但目前對自密實(shí)輕骨料混凝土的抗凍融性能，特別是凍融后的力學(xué)性能的退化規(guī)律研究不充分。常規(guī)加載試驗(yàn)，只能觀察到試件最終破壞形態(tài)，無法有效反映試件內(nèi)部的動態(tài)損傷開裂過程[8]。聲發(fā)射(acoustic emission, AE)是材料變形及裂縫擴(kuò)展過程的伴生現(xiàn)象。通過研究材料損傷開裂過程中的AE 信號，能夠反演材料內(nèi)部裂紋的發(fā)展演化規(guī)律[9]。AE 技術(shù)常被用于混凝土和大型結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測[10]、識別破壞機(jī)理[11-12]、定位裂縫源位置[13-14]、量化損傷程度[15-17]等。例如，Elaqra 等[18]利用AE 技術(shù)研究混凝土試件在軸壓作用下的損傷和斷裂；Aggelis 等[19]采用AE 特征參數(shù)表征鋼纖維混凝土的損傷過程；Li 等[20]利用AE 技術(shù)研究了鋼纖維混凝土的破壞機(jī)理和纖維增強(qiáng)機(jī)理；邱繼生等[21-22]基于AE 技術(shù)對不同凍融循環(huán)次數(shù)作用后的煤矸石混凝土進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，對其受壓破壞全過程中的損傷特性進(jìn)行動態(tài)分析，建立了煤矸石混凝土的損傷本構(gòu)模型；黃超等[23]利用AE 技術(shù)研究凍融混凝土劈拉破壞過程中的損傷發(fā)展情況。鑒于此，本文通過開展凍融循環(huán)后的單軸壓縮試驗(yàn)，同步使用AE 技術(shù)，建立應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系曲線與AE 特征參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，揭示受荷試件內(nèi)部裂縫損傷開裂規(guī)律，以期為自密實(shí)輕骨料混凝土在北方地區(qū)推廣及應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料及配合比

選用的膠凝材料包括P·O 42.5R 型普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級粉煤灰、硅灰密度，膠凝材料化學(xué)組成成分詳見文獻(xiàn)[24]；粗骨料選用粒徑為5 mm～16 mm的圓球形頁巖陶粒，表觀密度、堆積密度分別為1773 kg/m3、994 kg/m3，筒壓強(qiáng)度11.8 MPa，1 h及24 h 吸水率分別為3.8%、5.3%；細(xì)骨料選用級配良好的Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.7。減水劑選用改性聚羧酸醚減水劑，推薦摻量為0.05%～0.5%。輕粗骨料內(nèi)部疏松多孔特征可起到引氣作用，因此在混凝土制備過程中未摻引氣劑，試驗(yàn)配合比見表1，其28 d 抗壓強(qiáng)度、干表觀密度及自密實(shí)性能指標(biāo)見表2。

表2 自密實(shí)輕骨料混凝土性能指標(biāo)Table 2 Performance index of self-compacting lightweight aggregate concrete

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50082-2009)[25]，每組采用3 塊尺寸為100 mm×100 mm×400 mm 的試件進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)。凍融試驗(yàn)前，試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 d，然后將凍融試件放在(20±2)℃水中浸泡4 d。循環(huán)溫度設(shè)定在-18 ℃～5 ℃，一次凍融循環(huán)周期為4 h，其中凍結(jié)和融化時(shí)間分別為2 h。凍融試驗(yàn)達(dá)到100 次循環(huán)次數(shù)后或相對動彈性模量下降至初始值的60%時(shí)，停止試驗(yàn)。依據(jù)IRTM 方法，選用φ50 mm×100 mm 的圓柱體試件進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，加載設(shè)備采用日本島津AGI-250 高精度材料試驗(yàn)機(jī)，加載速率為0.2 mm/min。加載過程中同步采用美國物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的DISP 系列全數(shù)字聲發(fā)射工作站進(jìn)行AE 信號采集及儲存。AE 系統(tǒng)參數(shù)見表3[4]。為避免環(huán)境噪聲的影響，門檻值設(shè)置為45 dB。采樣頻率設(shè)置為1 MHz，軟件設(shè)置前放增益為40 dB，與前置放大器保持一致。AE 探頭坐標(biāo)位置及示意圖分別見表4 和圖1[4]。

表3 聲發(fā)射系統(tǒng)參數(shù)Table 3 Parameters of AE system

表4 聲發(fā)射探頭位置Table 4 Location of AE probe

圖1 聲發(fā)射探頭布置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of AE sensor location

2 結(jié)果與討論

2.1 凍融損傷指標(biāo)

圖2 給出凍融作用對試件相對動彈性模量和質(zhì)量損失率的影響規(guī)律。100 次凍融循環(huán)周期內(nèi)，各組試件質(zhì)量損失率均為負(fù)值，表明試件質(zhì)量均有所增加，且質(zhì)量損失率絕對值隨循環(huán)次數(shù)增加呈增大趨勢。這是由于輕骨料孔隙率較大，凍融交替變化會將混凝土孔隙內(nèi)空氣逐漸排出，多孔陶粒逐漸吸水飽和；此外，凍融后期，試件表面細(xì)微裂縫吸水飽和也會導(dǎo)致質(zhì)量增加。隨循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土試件劣化程度加大，相對動彈性模量呈下降趨勢。

圖2 質(zhì)量損失率和相對動彈性模量的變化Fig. 2 Variation of mass loss rate and relative dynamic modulus of elasticity

2.2 聲發(fā)射特性

2.2.1 聲發(fā)射特征參數(shù)變化

AE 特征參數(shù)可以能夠反映材料損傷漸進(jìn)破壞的前兆信息[26]。圖3 為單軸壓縮狀態(tài)下壓應(yīng)力和AE 特征參數(shù)與加載時(shí)間的關(guān)系圖。由圖可知，凍融循環(huán)作用對自密實(shí)輕骨料混凝土峰值應(yīng)力有明顯削弱。隨著循環(huán)次數(shù)增加，峰后破壞階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線更加完整，下降段曲線趨于平緩?？惥闧27]指出，混凝土單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段形狀主要由混凝土基體強(qiáng)度決定。

圖3 AE 特征參數(shù)與加載時(shí)間的關(guān)系圖(左: 振鈴計(jì)數(shù)-時(shí)間關(guān)系圖，右: 能量-時(shí)間關(guān)系圖)Fig. 3 Relationship between AE characteristic parameters and loading time(left: the ringing count-time diagram; right: the energy-time diagram)

混凝土應(yīng)力水平與AE 信號之間具有良好相關(guān)性，AE 信號在不同加載階段的變化特征能夠反映試樣內(nèi)部微裂紋發(fā)展演化過程。各組試件在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的AE 特征參數(shù)變化規(guī)律相似。初始階段，各組試件的AE 信號均較少，能量較低，該階段AE 信號主要源于混凝土內(nèi)部原生裂縫或缺陷的擠壓閉合以及新產(chǎn)生裂紋的擴(kuò)展；隨著應(yīng)力水平提高，振鈴計(jì)數(shù)率、能率保持在較低水平，振鈴計(jì)數(shù)及能量數(shù)較平穩(wěn)，應(yīng)力-時(shí)間曲線呈近似線性關(guān)系；當(dāng)外界壓應(yīng)力超過混凝土臨界應(yīng)力值，裂紋密集出現(xiàn)并迅速擴(kuò)展，振鈴計(jì)數(shù)率和能率維持在較高水平。隨著應(yīng)力水平持續(xù)增加，微細(xì)裂紋逐漸匯集成核發(fā)展成宏觀裂紋，試樣內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，進(jìn)入破壞階段[28]，振鈴計(jì)數(shù)及能量數(shù)最大值發(fā)生在試樣達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)。對于未凍融和凍融50 次的試件，能率及振鈴計(jì)數(shù)率也均在峰值應(yīng)力時(shí)達(dá)到最大值。峰后下降段的 AE 信號驟減是由于小裂紋貫通發(fā)展成宏觀大裂縫。經(jīng)歷100 次凍融后，試件內(nèi)陶粒產(chǎn)生破損，砂漿基體產(chǎn)生大量裂縫，峰值應(yīng)力后砂漿顆粒及陶粒內(nèi)部易破損部位的不斷摩擦、錯(cuò)位滑移，產(chǎn)生大量的AE 信號。

2.2.2 RA 和AF 值

AE 特征參數(shù)RA 及AF 值與材料的開裂模式相關(guān)[29]。RA 值是上升時(shí)間與幅值的比值，AF 值是振鈴計(jì)數(shù)與持續(xù)時(shí)間的比值。圖4 為RA 和AF 值隨加載時(shí)間的變化關(guān)系曲線。

圖4 RA 和AF 隨加載時(shí)間的變化Fig. 4 Variation of RA and AF with loading time

由圖4 可知，RA 和AF 值隨著加載時(shí)間的延長呈上下波動趨勢發(fā)展，說明，試件內(nèi)部損壞并非由單一類型的破壞開裂模式控制，而是經(jīng)歷多次的拉伸裂縫與剪切裂縫之間的交替轉(zhuǎn)化，最終導(dǎo)致混凝土主裂縫的形成，使試件產(chǎn)生壓裂破壞[30]。初始階段，AF 值整體呈上升趨勢發(fā)展，期間出現(xiàn)上下波動而非單調(diào)上升，RA 值并沒有顯著變化。表明該階段主要以拉伸裂紋為主，源于砂漿及骨料顆粒中原生裂縫的閉合或延伸擴(kuò)展。隨著應(yīng)力水平的增加，AF 值較穩(wěn)定，但并非恒定不變，期間呈現(xiàn)上下波動變化，RA 值變化幅值較小，說明，該階段拉伸裂縫與剪切裂縫之間的比例以及兩種類型裂縫的交替演化較恒定。進(jìn)入裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展階段，未經(jīng)歷凍融循環(huán)的試件所對應(yīng)的AF 值及RA 值呈上升趨勢發(fā)展，尤其當(dāng)臨近峰值應(yīng)力時(shí)上述兩類特征參數(shù)值迅速增加，表明此時(shí)刻有相當(dāng)數(shù)量的混合裂縫產(chǎn)生，既有拉伸裂縫又有剪切裂縫。混合裂縫主要源于輕骨料顆粒的拉伸開裂以及因環(huán)箍效應(yīng)導(dǎo)致的剪切裂縫[31]。對于經(jīng)歷50 次及100 次凍融循環(huán)的試件而言，在該階段AF 值呈降低趨勢發(fā)展，而RA 值呈上升趨勢發(fā)展，說明，有大量的拉伸裂縫向剪切裂縫轉(zhuǎn)換。這可能是因?yàn)椋嗫纵p質(zhì)粗骨料顆粒是混凝土內(nèi)部的薄弱環(huán)節(jié)，在凍融循環(huán)作用下，由于靜水壓力作用導(dǎo)致粗骨料顆粒產(chǎn)生凍害損傷，使其在受荷前就已存在大量拉伸裂縫，粗骨料顆粒在混凝土內(nèi)的薄弱程度隨凍融損傷的累積而增大，混凝土受荷時(shí)，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)變能主要以剪切裂縫形式耗散。

2.2.3 能量-幅值關(guān)聯(lián)分析

圖5 給出不同凍融循環(huán)次數(shù)后試件單軸壓縮AE 信號能量-幅值關(guān)聯(lián)圖。

圖5 能量-幅值關(guān)聯(lián)圖Fig. 5 Energy- amplitude correlation diagram

由圖5 可知凍融循環(huán)作用對AE 信號的幅值分布影響較小，各組試件信號幅值主要集中于45 dB～100 dB，但對信號能量影響較為顯著，凍融循環(huán)作用顯著降低了信號能量，表明內(nèi)部裂紋萌生、擴(kuò)展更容易。未經(jīng)歷凍融循環(huán)的混凝土試件，信號能量主要集中在0 mV·μs～30000 mV·μs，經(jīng)歷50 次、100 次凍融循環(huán)作用后能量顯著降低，主要集中在0 mV·μs～10000 mV·μs。

2.2.4 信號頻率分布特征

圖6 所示為AE 信號能量-峰值頻率關(guān)聯(lián)圖。

圖6 能量-峰值頻率分布關(guān)系圖Fig. 6 Energy and peak frequency distribution diagram

由圖6 可知，AE 信號的峰值頻率主要分布于15 kHz～45 kHz，85 kHz～105 kHz，235 kHz～255 kHz和285 kHz～320 kHz，這4 個(gè)“優(yōu)勢頻段”，分別對應(yīng)于混凝土內(nèi)部預(yù)存裂紋或孔隙壓密，骨料/砂漿界面增強(qiáng)層的開裂，粗骨料斷裂破壞以及砂漿的開裂[32]。凍融作用沒有對“優(yōu)勢頻段”位置產(chǎn)生明顯影響，但隨著凍融次數(shù)增加，各“優(yōu)勢頻段”所對應(yīng)能量值顯著降低。說明凍融過程能夠顯著降低混凝土開裂過程中所吸收或釋放的能量，裂紋擴(kuò)展延伸更容易，這主要與凍融破壞過程能夠損壞混凝土的性能、降低混凝土強(qiáng)度及密實(shí)程度有關(guān)。圖中存有的能量趨于0，但峰頻高達(dá)400 kHz 以上的散點(diǎn)，源于試樣加載過程中出現(xiàn)的機(jī)械噪聲產(chǎn)生的背景噪聲[33-34]。

2.2.5 軸壓破壞模式及AE 信號空間定位圖

圖7 為試件經(jīng)歷不同凍融次數(shù)后的軸壓破壞形態(tài)圖。由圖7 可知，未凍融試件軸壓破壞呈明顯的剪切破壞形態(tài)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，裂縫趨于沿縱向受力方向開展，這主要與凍融損傷會削弱基體強(qiáng)度有關(guān)。圖7 只能觀測試件表面的宏觀破壞，無法獲知試件內(nèi)部的動態(tài)損傷演化過程。鑒于此，進(jìn)行AE 信號空間定位分析。由AE 信號空間分布圖可直觀看出不同應(yīng)力水平下AE 事件數(shù)量和集中程度，反映試件內(nèi)部損傷開裂演化過程。圖8 所示為未凍融試件、50 次凍融后試件及100 次凍融后試件在不同應(yīng)力水平下的AE 信號空間分布圖。

圖7 軸壓破壞形態(tài)圖Fig. 7 Axial compression failure pattern diagram

由圖8 可知，凍融作用及應(yīng)力水平變化對AE 信號源空間分布具有較大影響。對于各組試樣，應(yīng)力水平為0.2fcu(fcu為試件軸壓強(qiáng)度)時(shí)，AE 事件數(shù)量較少，當(dāng)應(yīng)力水平高于0.2fcu，AE 信號趨于活躍，AE 事件在試樣斷裂面有聚集趨勢。未凍融試件的AE 信號源主要分布在與加載方向呈30°斜向截面上。隨著凍融次數(shù)增加，AE 信號源分布向混凝土試樣中間聚集，靠近試樣表面AE 事件相對較少。這主要是因?yàn)?，混凝土?jīng)受凍融循環(huán)作用的損傷過程是由表及里進(jìn)行的，在混凝土試樣與周圍水環(huán)境接觸表面產(chǎn)生一定厚度損傷層，該厚度范圍內(nèi)混凝土基體強(qiáng)度及密實(shí)度顯著降低，在受荷過程中該層產(chǎn)生的AE 響應(yīng)相對于試樣中間部位顯著降低，因此，AE 信號源隨著凍融循環(huán)作用增加向中間聚集。

圖8 AE 源空間定位圖Fig. 8 AE source spatial location map

3 結(jié)論

文章對經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)(0 次、50 次、100 次)后的自密實(shí)輕骨料混凝土進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，并利用AE 技術(shù)進(jìn)行同步監(jiān)測，分析了單軸壓縮應(yīng)力-時(shí)間曲線與聲發(fā)射特征參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，揭示了加載試件內(nèi)部裂紋損傷和開裂規(guī)律。試驗(yàn)主要結(jié)論如下：

(1) 凍融循環(huán)作用對試件單軸受壓峰值應(yīng)力有明顯削弱作用，隨著凍融次數(shù)增加，軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于完整，下降段更加平緩。

(2) 凍融循環(huán)作用對混凝土單軸壓縮AE 信號的幅值分布影響較小，各組試件信號幅值主要集中于45 dB～100 dB，但對AE 信號能量影響較為顯著，凍融循環(huán)作用顯著降低了AE 信號能量，表明內(nèi)部裂紋開裂更容易萌生、擴(kuò)展。

(3) AE 信號峰值頻率主要分布于15 kHz～45 kHz，85 kHz～105 kHz，235 kHz～255 kHz 和285 kHz～320 kHz 4 個(gè)“優(yōu)勢頻段”區(qū)間，分別對應(yīng)于混凝土內(nèi)部預(yù)存裂紋或孔隙壓密，砂漿基體開裂或者骨料與砂漿界面間脫粘，粗骨料斷裂破壞以及粗骨料內(nèi)部拉伸裂紋發(fā)展。隨著凍融次數(shù)增加，各“優(yōu)勢頻段”所對應(yīng)能量值顯著降低。

(4) 凍融后的試件在軸壓作用下經(jīng)歷拉伸裂縫與剪切裂縫之間的交替轉(zhuǎn)化，最終導(dǎo)致試件形成主裂縫產(chǎn)生破壞。

(5) 對于各組試樣，應(yīng)力水平在0.2fcu各階段內(nèi)，AE 事件數(shù)量較少，當(dāng)應(yīng)力水平高于0.2fcu，AE 信號趨于活躍，AE 事件在試樣斷裂面有聚集趨勢。