基于声发射技术的冻融劣化混凝土损伤特性研究

马建斌

摘要：利用动静力三轴仪进行冻融劣化后的混凝土单轴循环加卸载试验，试验过程中同步采用声发射装置全程采集声发射数据，对声发射能量参数与应力应变的关系进行分析，并进行基于声发射技术的混凝土损伤特性分析。结果表明：整个循环加卸荷过程中，声发射的能量数主要集中出现在加载阶段，卸载阶段的能量数很少或几乎没有；混凝土的损伤变量随着累计塑性应变的增大呈现先缓慢增大、随后迅速增大、最后趋于缓慢增大的变化趋势；通过分析不同冻融循环次数、不同应变速率下的损伤变化规律，将混凝土循环加卸荷的损伤过程分为损伤起始、损伤稳定发展、损伤破坏三个阶段；在相同应变速率下，随着冻融循环次数的增加，混凝土的累计塑性应变整体上呈增大的趋势。

关键词：压剪；损伤模型；动态性能；加卸荷载；冻融劣化；混凝土

中图分类号：TU528；TV431

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.028

混凝土作为一种重要的T程材料，广泛应用于各种工程环境中，如处于高寒地区的大坝、桥梁，不仅常年受到低温冻融的影响，还受到车辆或波浪等荷载的反复作用，研究冻融劣化混凝土受到循环荷载后的损伤特性尤为重要。

徐善华等进行单调荷载下冻融混凝土应力一应变关系试验，建立了单调荷载作用下碳化混凝土应力一应变曲线方程；郭寅川等研究了疲劳荷载和冻融循环耦合作用下路面混凝土微裂缝扩展行为；Xie S等通过试验发现随着冻融循环次数的增加，峰值应力降低，经过25和50个周期的冻结和解冻，峰值应变逐渐减小；Li Y等从冻融循环和碳化的相互作用人手，介绍了几种耦合退化机制；Zhang J等研究了不同外加剂对透水混凝土冻融循环性能的影响。刘杰等以砂岩为研究对象，对冻融循环中低应力水平加卸载作用下砂岩物理特性以及动态特性开展试验。还有不少学者开展了冻融作用下混凝土损伤的相关研究。

国内外学者对混凝土冻融和循环加卸载分别进行了大量且全面的研究，而对于冻融劣化后的循环加卸载过程中混凝土的特性以及损伤发展研究还较少。笔者利用声发射装置，实时采集数据，对混凝土从加载到破坏损伤发展演化过程进行全面研究。

1试验设备和试验过程

1.1试验设备

试验加载所用设备为10 MN多功能液压伺服静动力三轴仪。所用的冻融设备为TR - TSDRSL冻融仪，该仪器主要是结合《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GB/T50082-2009）而研发的，适用于普通混凝土快冻法。声发射仪器由北京声华兴业科技有限公司研发生产，声发射采集示意见图1。

1.2试件的加工与处理

混凝土試件由水泥、砂、自来水、级配碎石按照一定的配合比搅拌振捣而成。水泥为PC32.5复合硅酸盐水泥，试验用砂为中砂，级配碎石的粒径为5～40mm。混凝土配合比为水：水泥：砂：石子=0.46：1.00：1.45：3.38，其中中石和小石的比例为6：4。各材料用量见表1。

试件为300mm×300mm×300mm的立方体，采用钢模浇筑成型。为了使小石、中石、砂、水泥充分搅拌均匀，先将这4种材料放人搅拌机进行干拌3min，后加人称量好的自来水进行湿拌，时间不超过10min。搅拌好之后将混凝土铲人钢模中，然后用振动棒使混凝土密实。浇筑好之后将混凝土上表面进行统一抹平，静置24h拆模，将混凝土试件进行编号后放人养护室养护。养护室的温度和相对湿度通过智能养护控制系统进行调节，将相对湿度和温度控制在规范要求的范围，其相对湿度和温度分别为90%、（20±3）℃，室内养护28d后将试件移至室外自然养护。

1.3试验过程

正式加载前，分别将浸水饱和后的混凝土试件放人冻融箱中冻融循环0、10、25、35、50次，冻融循环完成后，将试样取出，称重，再进行正式加载。

（1）预加载。启动油泵，加油压，给试件施加一个20kN的力，同时检查声发射是否正常运作。

（2）正式加载。按照设置的加载程序指令进行加载并采集声发射数据。正式加载结束的同时停止声发射数据采集并保存正式加载声发射数据。在正式加载过程中，当应变速率为1×10^-5/s、5×10^-5/s、1×10^-4/s时用辅助伺服油源加载：当应变速率为5×10^-4/s、1×10^-3/s时用主伺服油源加载。

（3）卸载及后续处理。得到完整的试验曲线后，停止加载，开始卸载，卸载完成后，清理残渣、仪器归位。

2声发射能量参数与应力的关系

声发射的参数有振铃计数、撞击数、能量数、累计能量数等。混凝土在循环加卸荷的过程中必然伴随着能量的变化，因此这里选用能量数和累计能量数作为研究对象。在循环加卸荷试验过程中同步进行声发射跟踪监测，研究不同冻融循环次数和不同应变速率下混凝土能量数与时间之间的关系以及累计能量数、应力与时间之间的关系，并将他们放在同一坐标系下进行对比分析。图2（a）、（c）、（e）表示AE瞬时能量、应力与时间的关系，图2（b）、（d）、（f）表示AE累计能量以及应力与时间的关系（DR50表示冻融循环50次，其后为应变速率，σ为应力，σpk为最大应力）。

由图2可知，在循环加卸荷的加载过程中，混凝土的能量数采集较多而在卸载阶段能量数采集相对较少，这是因为在加载过程中混凝土会产生新的损伤而在卸荷阶段混凝土内部一般不会形成新的损伤：在加载过程中混凝土的微裂纹逐渐发展形成不可逆的损伤，在卸载过程中混凝土的裂纹不会继续发展。在相同冻融循环次数下，随着应变速率的增大，声发射能量数的采集随之减少，由图2（a）和图2（c）可以清楚地观察到这一现象。因为随着加载速率的增大，混凝土内部的损伤会加快，声发射采集的时间较短，因此能量数的采集相对减少。在相同应变速率下，随着冻融循环次数的增加，声发射采集的有效时间整体上增加，再次证明了冻融劣化在降低混凝土强度的同时，对其延性有增强作用。在较低应变速率（1×l0^-5/s，5×l0^-5/s）下，如图2（c）和图2（d），应力随时间呈现有规律的循环，先增大再减小，并且每一个循环的应力峰值点在整个过程中呈现先增大后减小的趋势：而在应变速率为l×l0^-3/s时，应力一时间曲线规律不明显。原因是，应变速率较大时，混凝土从开始加载到破坏的时间很短，受三轴仪灵敏度的影响，采集到的应力数据少且不如应变速率较小时的完整。应变速率为1×10^-3/s时的声发射累计能量随时间呈阶梯型增长，直到混凝土破坏，说明混凝土在循环加卸荷过程中损伤随着时间的延长并非一直增加而是有间歇阶段，间歇阶段主要在混凝土的卸载阶段出现。

3声发射参数与应变的关系

工程实践中，混凝土应变的大小决定着其延性和抗震性能的优劣，因此应变是其重要指标之一。图3为不同冻融循环次数和不同应变速率下混凝土能量数、应变与时间之间的关系（DR25表示冻融循环25次，其后为应变速率，ε为应变）。

由图3可见，混凝土的声发射能量数主要发生在循环加卸荷的应变增加的阶段，而在应变减小的阶段声发射信号较弱，这与声发射能量与应力之间的规律一致。由图3（d）和图3（e）可见，在相同冻融循环次数下，在应变速率为1×10^-5/s和5×10^-5/s时，声发射能量数较大的值比较分散，在循环加卸荷的整个过程中随机出现，然而在其他应变速率下，声发射能量数较大值相对比较集中。

4基于声发射的混凝土损伤特性分析

4.1损伤变量的确定与计算

声发射中的很多参数如撞击数、振铃计数以及能量数等经过处理后都可以作为混凝土的损伤变量。混凝土在单轴循环加卸荷压缩全过程中伴随着能量的变化，因此定义损伤变量D的计算公式为式中：Ew为当前累计能量数；Ew总总为总的累计能量数。

Tang C将声发射与连续损伤力学的方法相结合，认为损伤变量与声发射累计数变化规律具有一致性。

声发射的能量参数是随时间改变的量，为了直观地研究混凝土的损伤变量与累计塑性应变之间的关系，必然要消除中间时间变量，具体处理过程如下：

（1）通过三轴仪控制软件可以得到应变与时间的关系曲线，记录每次循环结束的时间和变形，并将变形换算成应变。

（2）通过每次循环结束的时间在SAEU2S声发射系统中找到此时刻的累计能量值。

（3）通过式（1）计算每次循环结束的损伤变量，并建立损伤变量与累计塑性应变之间的关系。

4.2基于声发射能量的损伤特性分析

按照上述步骤计算得到不同冻融循环次数、不同应变速率下混凝土的损伤变量与累计塑性应变之间的关系，见图4（这里仅以冻融循环25次和50次为例）。

由图4可知，用声发射能量表征的损伤变量随着塑性应变εp的增大整体上首先缓慢增大，然后迅速增大，最后趋于稳定。根据损伤变量的变化规律可以将整个过程分为：损伤起始、损伤稳定发展、损伤破坏三个阶段。

（1）损伤起始阶段。混凝土经过冻融循环的劣化作用，加上在浇筑成型搬运等过程中会不可避免地形成一些初始缺陷，使得在加载初期就出现一定的损伤。

（2）损伤稳定发展阶段。随着荷载的增加，混凝土宏观上表现出变形的增大，细观上一些微小裂缝逐步形成大裂缝，甚至开裂，随着持续加载卸载，混凝土内部裂缝经历一个从小裂缝到大裂缝，大裂缝被压实合并，又成一个新的裂缝的过程，此过程循环往复，致使砂浆与骨料界面脱离，水泥石开裂甚至骨料发生断裂，混凝土损伤逐步加剧。

（3）损伤破坏阶段。随着循环加卸载的进行，损伤的速度逐渐减小，最后趋于稳定，试样已经破坏，丧失承载能力。基于声发射划分的损伤破坏阶段与基于应力一应变曲线本构模型所划分的损伤破坏阶段类似，这也进一步说明通过声发射参数划分的损伤阶段的可靠性。

在相同应变速率下，不同冻融循环次数下的损伤变化规律见图5。由图5可见，随着冻融劣化程度的加深，混凝土的累计塑性应变整体上呈增大的趋势，混凝土损伤曲线的斜率随着冻融循环次数的增加呈先减小后增大的趋势，这是因为当冻融35次时，混凝土的微裂纹逐渐增多，含水量增大，在单轴循环加卸荷作用下，黏滞作用阻礙了损伤的发展；当冻融循环50次时，冻融使微裂纹部分贯通，黏滞作用降低，损伤发展速度加快。

在相同冻融劣化程度、不同应变速率下混凝土的损伤变化规律见图6。由图6可见，混凝土的损伤随应变速率的变化规律不明显。其原因可能是试验所用混凝土为素混凝土，未加外加剂，冻融循环对混凝土的损伤很大，冻融50次后，部分试件已经降到其自然状态下强度的50%以下，故应变速率对其影响规律不明显。

5结论

（1）在循环加卸荷的加载过程中，混凝土的能量数采集较多而在卸载阶段能量数采集相对较少。在相同冻融循环次数下，随着加载速率的增大，声发射能量数的采集随之减少。

（2）虽然分析损伤变量的方法不同，但采用声发射参数所提出的损伤变量计算方法得到的损伤曲线的变化规律，与采用一般应力一应变曲线所确定的损伤变量的变化规律类似，均可将损伤发展全过程分为损伤起始阶段、损伤稳定发展阶段、损伤破坏阶段。

（3）随着冻融劣化程度的加深，混凝土的累计塑性应变整体呈增大趋势，混凝土损伤曲线的斜率随着冻融循环次数的增加呈先减小后增大的趋势。