基于声发射的自然与饱水状态混凝土动态劈拉特性对比

邹三兵，杨乃鑫，罗 曦，彭 　刚

（1．三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北宜昌 443002；2．三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌 443002）



基于声发射的自然与饱水状态混凝土动态劈拉特性对比

邹三兵1，2，杨乃鑫1，2，罗 曦1，2，彭 刚1，2

（1．三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北宜昌 443002；2．三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌 443002）

摘 要：为研究自然状态与饱水状态混凝土的动态劈拉特性，进行了不同应变速率（10－5／s，10－4／s，10－3／s，10－2／s）下的径向劈拉试验，对混凝土劈拉强度进行了深入分析，并利用实时采集的声发射数据分析自然状态与饱水状态混凝土在劈拉破坏全过程中的能量释放特性及破坏规律。结果表明：自然状态和饱水状态混凝土的劈拉强度随加载速率的增加而增大。在低应变速率（10－5／s，10－4／s和10－3／s）时，由于自由水的楔入作用，饱水状态混凝土的劈拉强度比自然状态混凝土的劈拉强度小；在应变速率为10－2／s时，由于Stefan效应，饱水状态混凝土的劈拉强度比自然状态混凝土大；饱水状态混凝土的动态增强因子比自然状态混凝土的大，饱水状态混凝土率敏感性更显著；声发射信号特征与混凝土的破坏特性相一致，实时采集的声发射信号可对混凝土的劈拉破坏过程进行较准确的监测。

关键词：混凝土；饱水状态；应变速率；动态劈拉特性；声发射

国内外许多学者对混凝土材料动态拉伸特性进行了大量试验研究。Rossi［1］研究得出在冲击荷载作用下混凝土的动力抗拉强度提高了数倍，且饱水混凝土抗拉强度的提高较自然状态混凝土明显；尚仁杰［2］在应变速率为10－5／s～10－2／s量级范围内进行单轴直接拉伸和边长100 mm立方体试样单轴压缩试验，并研究了试样尺寸及骨料最大粒径对混凝土动态抗拉强度的影响；李伟等［3］利用直径为100 mm的SHPB压杆径向冲击巴西圆盘和平台巴西圆盘试件，测试了大理岩在高应变率加载下的动态力学性能；齐虎等［4］通过将损伤演化粘滞化使得模型能考虑应变加载速率的影响，在模型中引入刚度阻尼应力，对模型进行改进使其能考虑受拉塑性应变。众多学者进行了大量混凝土材料拉伸特性试验研究，但对饱水混凝土动态劈拉试验研究较少。因此，研究混凝土材料在受拉状态时的声发射性能对于混凝土结构的稳定性评价和可靠监测有重要的意义。

1 试验过程

1．1 试件制备与加工

试验采用宜昌花林水泥有限公司生产的P．O＿42．5的普通硅酸盐水泥，经检验3 d和28 d抗压、抗折强度等均满足规范要求；试验用水为饮用自来水；粗骨料为5～30 mm连续级配碎石；细骨料为细度模数1．8的连续级配河砂；试件尺寸为Φ150 mm× 150 mm。依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55—2000），确定混凝土配合比如表1。

表1　混凝土单位体积的材料用量Table 1 Concrete material usage per cubic meter

试验所用试件采取先整体浇筑后钻芯的方式，即先在规划的区域内进行整体浇筑，将浇筑好的混凝土用塑料薄膜盖好，在自然条件下养护90 d，然后采用内径大小为150 mm的取芯机对浇筑场地进行钻孔取芯，同时对取芯的样品按顺序进行编号。取芯得到的混凝土试件长度和试件两端平整度不符合试验要求，需要对试件进行切割处理。切割时将试件长度预留至155 mm左右，以便打磨时有足够的长度来保证将试件磨平，磨平后的试件长度控制在（150±2）mm。

1．2 试验设备

试验设备为三峡大学和长春朝阳试验仪器有限公司联合研制的10 MN微机控制电液伺服大型多功能动静力三轴仪，型号TAZW－10000（图1）。设备配有轴压、孔隙水压和围压3套独立的EDC闭环控制系统，可进行单轴试验、常三轴试验（σ2＝σ3）、真三轴试验（σ1≠σ2≠σ3）、剪切试验以及水压条件下（围压、孔隙水压）的混凝土动静力加载试验。加载框架系统用于对试件进行轴向加载，竖向最大动、静力值分别为5 000，10 000 kN，最大应变速率响应值为10－2／s，满足试验的相关要求。

图1　加载系统Fig．1 Loading system

试验采用由北京声华兴业科技有限公司生产的SAEU2S声发射系统。SAEU2S是由多通道（由多个平行的检测通道）构成的声发射系统（图2），能够实时采集和显示声发射信号波形和参数，可满足现场和实验室的各种要求。可运用SAEU2S声发射系统所附带的声发射信号采集、分析和显示等工具对信号波形和参数数据进行更合理的声发射信号采集和处理。

图2　SAEU2S声发射系统Fig．2 SAEU2S acoustic emission system

1．3 试验过程

饱水状态试件进行径向劈拉加载试验前，进行称重和记录，然后把称重好的自然状态试件放入围压桶进行饱水预处理，浸泡16～17 h后，电脑软件显示围压已不随时间的增加而改变时，认为混凝土试件已达饱水状态。处理完毕后，把试件取出，擦干试件表面的水，但试件外表要保持潮湿状态，立即再进行称重。而自然状态试件直接进行试验。具体试验过程如下：

（1）装样。将试件放置在已经摆好的劈拉钢垫条上面，保证小车底座、垫条、试件的中心线、传力柱严格对中。

（2）声发射探头安装及检查。将声发射探头均匀涂上一层黄油，贴在试件平整的部位，先慢慢挤压声发射探头使得黄油均匀分布，然后用力按住几秒，松手。

（3）建立声发射记录文件。声发射参数根据试验条件进行设置：信号门槛设为45 dB，前置放大器均为40 dB，主放大器增益为20 dB；滤波器带宽选为20～400 kHz，采样频率为833 kHz；采样点数为2 048；峰值鉴别时间（PDT）为50 μs；撞击鉴别时间（HDT）为200 μs；撞击锁闭时间（HLT）为300 μs。

（4）变形计的安装与检查。开启油泵，将装有试件的小车移动到指定的位置，根据试件尺寸，调整变形计的标距，保证所测变形为试件本身变形，不含垫块的变形。

（5）预加载。进行不同应变速率加载时所需伺服油源不同，加载之前要确认油源开关是否切换。进行应变速率为10－5／s，10－4／s和10－3／s的试验时，选用辅助伺服油源；进行应变速率为10－2／s的试验时，选用主伺服油源。待一切连接就位后，启动油泵并加压，通过计算机软件的移动转换指令使试件缓慢地预加载到2 kN。

（6）正式加载。试验加载之前预先编写好加卸载程序，试验将要开始时，直接调入写好的加卸载程序，然后设置好采样频率，点击发送指令，同时开始采集声发射信号。

（7）卸载及后续处理。试件破坏后，停止加载，将变形计以及声发射探头取下，然后以恒定位移控制将小车降到初始位置，对破坏后的试件进行拍照处理并完成试件残渣的清理工作。

2 动态劈拉力学参数分析

试验测得自然状态和饱水状态混凝土在不同应变速率（10－5／s，10－4／s，10－3／s及10－2／s）下径向劈拉峰值应力见表2。2种状态混凝土的劈拉强度与应变速率的关系见图3。

表2　自然状态与饱水状态混凝土试件在不同应变速率下的劈拉强度Table 2 Splitting tensile strength of concrete in natural and water saturated states at different strain rates

图3　自然状态与饱水状态混凝土的劈拉强度与应变速率的关系Fig．3 Relationship between splitting tensile strength and strain rate of concretes in natural and water saturated states

由表2和图3可知，湿度对混凝土的动态劈拉强度有显著影响，劈拉强度随着应变速率的增加而增大。自然状态混凝土劈拉强度最大增幅为24．57%，饱水状态混凝土劈拉强度最大增幅为70．91%，饱水状态混凝土劈拉强度的增幅远高于自然状态混凝土的增幅。由表2可知，自然状态混凝土与饱水状态混凝土相比，在应变速率为10－5／s，10－4／s和10－3／s下的劈拉强度要大，即在低应变速率作用下，自然状态的混凝土比饱水状态混凝土的劈拉强度大，这是由于在较低的加载速率下裂纹中的自由水可以达到裂缝缝端，在表面张力的作用下裂纹中的自由水类似于楔体的楔入作用，加速了饱水状态混凝土损伤的发展［5］。在应变速率为10－2／s时，饱水状态混凝土的劈拉强度比自然状态混凝土的劈拉强度大，因为在高加载速率下Stefan效应起到主导作用［6－7］，使饱水状态混凝土劈拉强度增强。由此可得，在高加载速率下，饱水状态混凝土的动态劈拉强度有较大的提高，与文献［5，8］的研究结论相一致。

从图3可知在不同应变速率下，混凝土的劈拉强度与应变速率的对数呈近似线性增长关系。采用式（1）及利用最小二乘法对其两者之间的函数关系进行拟合。不同应变速率下混凝土劈拉强度与应变速率对数的直线拟合见图4，拟合参数见表3。

DIF＝fd／fs＝alg（vd／vs）＋b 。（1）

图4　自然状态与饱水状态混凝土DIF与应变速率的关系Fig．4 Relationship between DIF and strain rate of concretes in natural and water saturated states

式中：DIF表示不同应变速率下的劈拉强度与准静态劈拉其强度的比值，即混凝土劈拉强度动态增强因子；fs为标准静态应变速率下混凝土的劈拉强度；fd为动态劈拉强度；vd为应变速率；vs为相应准静态应变速率。

表3　自然状态与饱水状态混凝土拟合参数Table 3 Fitting parameters of concretes in natural and water saturated states

由表3可知，采用式（1）得到的混凝土劈拉强度随应变速率变化的拟合效果较好，自然状态混凝土与饱水状态混凝土的相关度都较高，说明式（1）能较好地反映自然状态和饱水状态混凝土的劈拉强度随应变速率的变化规律。由图4可知，饱水状态混凝土的劈拉强度对应变率的敏感度比自然状态混凝土的更加显著，这是因为在动载下，自然状态混凝土强度的增加是由自身惯性效应引起，而饱水混凝土强度增加是由于自身惯性以及内部自由水共同作用的结果［9－11］；自然状态与饱水状态混凝土的动态劈拉强度与准静态劈拉强度的比值和应变速率的对数成近似线性增长关系，与文献［12］中结论一致。

3 声发射参数与应力关系

3．1 自然状态混凝土试件时间与声发射能量、应力关系

图5是自然状态混凝土试件在不同应变速率下径向劈拉试验过程声发射能量计数及应力随时间的变化图，纵坐标中的σ0为峰值应力，即混凝土劈拉强度，Nmax为AE能量计数最大值，N为AE能量计数瞬时值。

图5　自然状态混凝土试件在不同应变速率下的AE能量计数及应力与时间关系Fig．5 Curves of stress vs．time and acoustic emission energy counts vs．time for natural concrete samples at different strain rates

由图5可知，劈拉试验与混凝土抗压试验声发射采集信号的规律不同，混凝土在劈裂抗拉破坏过程中不具有典型的3阶段特征，裂纹初始发展阶段不明显。从图5（a）可知，加载速率为10－5／s时的前期有少量的声发射活动，且非常微弱，而其它加载速率情况下，并未出现这种情况，可能是由于该试件内部存在较多孔隙以及微裂纹，在应力增加时，孔隙被压密而产生能量信号，达到峰值应力的20%左右时，声发射能量信号消失，处于平静期，内部孔隙以及微裂纹被压密实；当达到应力的40%左右时，声发射能量计数有较大的增加，形成了第一峰值，达到总能量数的40%左右；之后声发射能量信号回落并持续了一段时间，当达到应力90%左右时，声发射信号成簇增长产生，信号密集而强烈；当达到峰值应力时，试件中部水平拉应力达到最大值，而垂直中部的压应力为0，声发射能量数急剧增长到最大值，试件内已形成大的断裂区，试件内部的应变能得以突然释放，荷载亦突然下降。试件主破裂完成后，声发射能量急剧下降，仍能承担一定的荷载，但此时试件仍然承受径向压力的作用。当荷载作用达到400 s左右时，声发射能量占总能量的60%，试件再一次遭受破裂，主要为压破裂和剪破裂，随着时间增加，试样完全被劈开。

当加载速率为10－4／s，10－3／s和10－2／s时，加载前期没有声发射信号产生，当加载应力为峰值应力的50%至峰值应力阶段，有少量的信号产生或者零星信号产生，表明试件处于弹性阶段，试件几乎没有产生破裂，达到破坏荷载即峰值应力时，声发射能量信号急剧上升。

总的来说，当应变速率为10－5／s，10－4／s，10－3／s 和10－2／s时，混凝土径向劈拉加载前期阶段产生的声发射信号是断断续续的且比较微弱，甚至有时没有能量信号产生，加载后期产生信号较多，较强烈，材料的破坏发生时能量信号突然急剧上升产生很大的能量，突变特征非常明显，此时达到破坏荷载，试件形成主劈裂面，试件破坏。

3．2 饱水状态混凝土试件时间与声发射能量、应力关系

图6是饱水状态混凝土试件在不同应变速率下径向劈拉试验过程声发射能量计数及应力随时间的变化图。从图6可知，随着应力的不断增加，应力峰值前有少量的声发射能量信号产生，试件即将破坏时，能量数突然增大。对比图5可知，自然状态混凝土在达到峰值应力前，有明显的声发射能量信号，而饱水混凝土则表现得不明显，说明自然状态混凝土和饱水混凝土在不同应变速率下达到峰值应力前，试件内部破坏机制有所不同。在应变速率为10－5／s，10－4／s，10－3／s的情况下，自然状态混凝土破坏前声发射活动比较频繁而且密集，而饱水混凝土声发射活动均匀且少量，这说明自然状态混凝土需要更多的能量释放才能使其劈裂破坏，而饱水混凝土释放的应变能较少，在物理试验中，饱水混凝土的劈拉强度比自然状态混凝土的劈拉强度低。

图6　饱水状态混凝土试件不同应变速率下AE能量计数及应力与时间关系Fig．6 Curves of stress vs．time and acoustic emission energy counts vs．time for water saturated concrete samples at different strain rates

4 结 论

通过试验测得数据及采集的声发射数据分析了自然状态和饱水状态混凝土在不同应变速率下劈拉性能，得出如下结论：

（1）自然状态和饱水状态混凝土的劈拉强度随加载速率的提高而增大。在低应变速率（10－5／s，10－4／s和10－3／s）下，由于自由水的楔入作用加速混凝土的破坏，饱水状态混凝土的劈拉强度比自然状态混凝土的劈拉强度小。在应变速率为10－2／s时，由于Stefan效应使混凝土的强度增强，饱水状态混凝土的劈拉强度比自然状态混凝土的劈拉强度大。

（2）饱水状态混凝土的劈拉强度动态增强因子与应变速率的对数呈线性关系。饱水状态混凝土的动态增强因子比自然状态混凝土的大，饱水状态混凝土率敏感性更显著。

（3）声发射信号特征与混凝土的破坏特性相一致，实时采集的声发射信号可对混凝土的劈拉破坏过程进行较准确的监测。并说明自然状态混凝土和饱水状态混凝土在不同应变速率下达到峰值应力前，试件内部破坏机制不同。

参考文献：

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［11］闫东明．混凝土动态力学性能试验与理论研究［D］．大连：大连理工大学，2006．

［12］闫东明，林 皋．不同湿度条件下混凝土动态拉伸特性研究［C］∥第14届全国结构工程学术会议论文集（第三册），2005：153－156．

（编辑：曾小汉）

Comparative Analysis on Dynamic Split Characteristics of Natural and Water Saturated Concretes Based on Acoustic Emission

ZOU San⁃bing1，2，YANG Nai⁃xin1，2，LUO Xi1，2，PENG Gang1，2
（1．Collaborative Innovation Center for Geo⁃hazards and Eco⁃environment in Three Gorges Area，Yichang 443002，China；2．School of Civil Engineering and Architecture，China Three Gorges University，Yichang 443002，China）

Abstract：Radial splitting tensile tests for natural and water saturated concrete specimens with size of Φ150×150mm was carried out under different strain rates（10－5，10－4，10－3and 10－2s－1）．Splitting tensile strength of concrete was analyzed in detail，and energy release characteristics and damage law of natural and water saturated concretes were researched in the whole process of splitting tensile damage by real⁃time acoustic emission data．The results show that：1）with the increase of loading rate，splitting tensile strength of natural and water saturated concretes increa⁃ses；2）at low strain rates（10－5，10－4and 10－3／s），the splitting tensile strength of water saturated concrete is smaller than that of natural concrete due to the wedging action of free water，whereas at the strain rate of 10－2／s，the splitting tensile strength of water saturated concrete is larger than that of natural concrete due to Stefan effect；3）dynamic enhancement factor of water saturated concrete is larger than that of natural concrete，and strain rate sensitivity of water saturated concrete is more obvious；4）acoustic emission signal characteristics is in accordance with concrete failure characteristics，and acoustic emission data can be used to accurately monitor the process of concrete splitting tensile failure．

Key words：concrete；water saturated；strain rate；dynamic splitting tensile characteristics；acoustic emission

通讯作者：彭 刚（1963－），男，湖南岳阳人，教授，博士生导师，研究方向为混凝土材料动力特性及结构抗震，（电话）13972604433（电子信箱）gpeng158＠126．com。

作者简介：邹三兵（1990－），男，湖北汉川人，硕士研究生，从事结构工程、混凝土材料动力特性及结构抗震的研究，（电话）13277238692（电子信箱）784268182＠qq．com。

基金项目：国家自然科学基金项目（51279092）

收稿日期：2014－08－13；修回日期：2014－09－06

中图分类号：TV331

文献标志码：A

文章编号：1001－5485（2016）03－0141－06