BFRP筋混凝土粘结-滑移声发射特性研究∗

陈育志 陈师节

(1 金陵科技学院建筑工程学院 南京 211169)

(2 深圳市市政设计研究院有限公司 深圳 518029)

0 引言

玄武岩纤维是一种性价比高、原材料丰富且具有自主知识产权的新型纤维，玄武岩纤维增强树脂基复合筋(Basalt fiber reinforced polymer bars,BFRP筋)具有强度高、重量轻、免锈蚀、绝缘无磁等优异性能，在建筑结构中有较好的应用前景[1−3]。

BFRP 筋与混凝土之间的粘结性能是两者共同工作的基础。BFRP 筋与钢筋的表面形状和力学性能不同，与混凝土之间的粘结性能也有很大的差异，因此钢筋混凝土粘结性能的研究成果不能简单直接应用于BFRP 筋混凝土。Nanni 等[4]、Ehsani等[5]、Tighiouart 等[6−7]针对FRP 筋种类、锚固长度、直径、混凝土强度等因素对FRP 筋混凝土粘结性能的影响进行了大量研究。薛伟辰等[8]、高丹盈等[9−10]、王勃等[11]对FRP筋与混凝土的粘结性能及机理均进行了深入研究，获得了大量重要数据和成果。

声发射技术被广泛用于各种类型材料损伤特点的研究，并在储油罐、桥梁、管道等实际工程的使用中得到良好反馈。本文在前期钢筋混凝土粘结-滑移的声发射特性研究[12]基础上进行了BFRP 筋混凝土拔出试验，同步采集BFRP 筋混凝土粘结-滑移损伤全过程中的声发射信号，分析BFRP 筋混凝土粘结-滑移的声发射特性，为研究BFRP筋混凝土粘结-滑移损伤提供参考依据。

1 试验方案

1.1 试件制备

采用边长200 mm 的立方体模具，在模具两侧面开孔，用于穿过并固定BFRP 筋，BFRP 筋直径18 mm。BFRP 筋与混凝土之间的粘结长度为2倍直径，即36 mm，粘结范围之外采用PVC 管将BFRP 筋与混凝土隔开，共制备了3 个相同的试件，试件尺寸如图1所示。

1.2 试验加载和采集方案

采用MTS322 试验机进行加载，自制框架安装BFRP 筋混凝土粘结试件，将声发射传感器安装固定在试件表面中部位置，试验装置示意图如图2所示。BFRP 筋与混凝土的相对滑移速率为0.1 mm/s，最大滑移18 mm，按照相同方案进行了3次重复试验，试件编号依次为BFRP-01、BFRP-02及BFRP-03。结合PCI-2TM采集系统的特点，试验的相关参数设置为前置放大器(型号：PAC-2/4/6)带宽为10 kHz～2.0 MHz，增益设置为40 dB；门槛值为35 dB；采样频率为5 MSPS；滤波器带通为1 kHz～3 MHz。声发射传感器是宽频传感器，工作范围是10 kHz～1000 kHz。

图1 试件尺寸示意图Fig.1 Geometry of bond test specimen

图2 试验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of the test

2 结果与分析

2.1 声发射撞击数曲线

为了清楚地总结BFRP 筋混凝土粘结-滑移的声发射特性，将声发射撞击数及滑移进行归一化处理，如图3所示。声发射撞击数在加载初期上升明显，三个试件的曲线非常相似并接近直线，曲线拟合结果如表1所示。拟合方程为Y=0.08+0.92X(R2=0.99，X是归一化滑移，Y是归一化累计撞击数)，说明BFRP 筋与混凝土粘结-滑移破坏过程是一个相对稳定的破坏过程。

图3 声发射撞击数-滑移曲线(归一化)Fig.3 Acoustic emission hit number-displacement curve (normalized)

表1 声发射撞击数-滑移位移(归一化)拟合方程Table1 Fitting equation of acoustic emission hit number-slip displacement (normalized)

2.2 声发射基本特性

3 个试件的BFRP 筋混凝土粘结-滑移的声发射特性非常相近，选取了试件BFRP-03 进行展示。图4是声发射累积能量及撞击数-滑移曲线，图5是声发射振铃计数随着滑移变化图，图6是声发射峰值频率随着滑移变化图。为了便于分析BFRP 筋与混凝土不同粘结-滑移阶段的声发射特性，将荷载-滑移曲线划分成五个阶段，其中：

图4 滑移过程中的声发射累积能量及撞击数Fig.4 Acoustic emission cumulative energy and hit number during slip

图5 滑移过程中的声发射振铃计数Fig.5 Acoustic emission count during slip

图6 滑移过程中的声发射峰值频率Fig.6 Peak frequency of acoustic emission during slip

A阶段(o-a)是微滑移阶段，力学曲线处于线弹性阶段，拔出荷载及滑移量比较小，该阶段BFRP筋与混凝土之间的粘结力主要为化学胶结力。声发射累积能量曲线及声发射累计撞击数曲线也保持直线增加，加载初期就出现较高声发射振铃计数，声发射信号主要来源于BFRP 筋与混凝土之间化学胶结力脱粘的过程，主要在低频段。

B阶段(a-b)是滑移阶段，滑移量的增长逐渐加快，力学曲线开始呈非线性变化。粘结长度上的胶结力丧失后BFRP 筋与混凝土之间的机械咬合力和挤压摩擦力是拔出荷载的主要成分。声发射累积能量曲线由一开始的直线增加逐渐转变成与力学曲线一致的非线性增加趋势，达到总能量45%左右水平。声发射累计撞击数曲线则以最大的增长斜率变化后开始变缓。声发射振铃计数由从较高水平下降后开始逐渐增加，开始分布于各个频段。

C 阶段(b-c)是峰值阶段，滑移继续增加，而荷载几乎不再增加，该阶段粘结力没有突然增加或降低，表明混凝土内部没有明显的劈裂破坏。声发射累积能量曲线随滑移继续缓慢增加，达到总能量的70%左右水平。声发射累计撞击数曲线则以线性趋势增加。声发射振铃计数在此阶段达到最高值后开始下降，高频段的声发射事件稀疏。

D阶段(c-d)是下降段，随着滑移的增加粘结力持续下降，与钢筋混凝土粘结-滑移下降段[12]相比，荷载曲线更平顺光滑，说明BFRP 筋与混凝土之间没有大量的混凝土破碎颗粒，咬合齿混凝土没有完全剪坏。声发射累积能量曲线的增长趋势逐渐减缓直至保持水平。声发射累计撞击数曲线仍保持直线增加趋势，此时声发射事件主要来源于摩擦过程。声发射振铃计数继续衰减，变化趋势与力学曲线变化趋势一致，但声发射事件分布频段变化不大。

E 阶段(d-e)是残余段，与第一次峰值相比，BFRP 筋与混凝土之间的拔出力缺少了化学胶结力，而且由于混凝土的咬合齿在第一峰值处发生部分损坏，机械咬合力与挤压摩擦力均有所降低，第二次峰值荷载较小，约为第一次峰值的50%。声发射累积能量曲线几乎保持水平，声发射累计撞击数曲线趋势基本不变。声发射振铃计数已经变得很小，随着力学变化而无太大变化，高频段的声发射事件变得密集。

图7 声发射事件频段百分比Fig.7 The percentage of the AE hit number in different frequency range

从以上分析中可以看出声发射峰值频率在BFRP 筋混凝土粘结-滑移过程呈现明显的区间特征，主要集中在10 kHz～600 kHz之间，随着滑移量的增加在第一阶段后期逐渐出现高频声发射事件密集的现象。以50 kHz 为间隔划分，分别统计不同频段的声发射事件的分布特点。图7是声发射事件在不同频段的百分比，发现主要集中在10 kHz～50 kHz、50 kHz～100 kHz、100 kHz～150 kHz、250 kHz～300 kHz四个范围。以50 kHz～100 kHz作为第一频率段，250 kHz～300 kHz作为第二频率段，可以推断出BFRP 筋混凝土粘结-滑移过程后期以250 kHz～300 kHz 频段的声发射事件为主。与钢筋混凝土粘结-滑移过程声发射特性[12]对比发现，声发射第一频率段是10 kHz～50 kHz，第二频率段是100 kHz～150 kHz，破坏频率越低钢筋混凝土粘结-滑移引起的裂缝比BFRP 筋尺寸及规模都要大，这与Sagaidak 等[13]得到频率随着裂缝尺寸及规模变化的结论一致。

2.3 声发射b值

声发射b值被众多学者用于研究混凝土类材料损伤过程，它是根据幅度分布计算得到的。BFRP筋混凝土粘结-滑移过程中幅度低的声发射事件所占比例越大，则b值越大，幅度高的声发射事件所占比例越大，则b值越小，所以b值代表了小振幅事件和大振幅事件的比例关系[14−15]。混凝土类材料破坏过程中，裂缝形成和扩展的不同阶段会产生很多幅度不同的声发射事件，因此基于声发射幅度分布计算得到的声发射b值在不同的破坏阶段呈现不同的趋势。将声发射b值作为损伤评价指标对混凝土损伤进行了研究。公式如下：

其中，AdB是用分贝表示的声发射事件峰值振幅；N是频度增量，也就是某一时间，某一振幅范围内的声发射事件数；a是经验系数；b就是b值。

图8是声发射b值随着滑移变化图。声发射b值在A 阶段及B 阶段比较小且随着位移的增加而增加，裂缝初始破坏时声发射事件比较少，高幅度的声发射事件比例偏高，声发射b值小，从1.0 上升到1.5。C 阶段的荷载无明显变化，裂缝的变化不够明显，声发射b值基本保持不变。并且C阶段高幅度的声发射事件比例很高，所以到了C 阶段的结束时声发射b值仍保持较低水平。到了D阶段，荷载开始减小，声发射事件的强度逐渐减小，混凝土裂纹的扩展变得稳定，声发射信号主要来源于BFRP 筋与混凝土之间的摩擦，声发射b值出现了上升，在D阶段后期的声发射b值保持在2.0～3.0 之间波动变化。此时不断有摩擦产生的声发射信号形成，表现出以上特点。

图8 滑移过程中的声发射b 值Fig.8 Acoustic emission b value during slip

因此，声发射b值从1.0 上升到1.5，并且在峰值荷载附近保持稳定，在峰值荷载过后，声发射b值略微变化后开始快速上升，可以将声发射b值1.5～2.0 作为试件粘结-滑移破坏的依据。随后声发射b值在2.0～3.0 之间波动，并且频繁出现快速减小现象，可以认为BFRP 筋混凝土结构已经出现非常严重的粘结-滑移破坏。此时声发射b值还存在低于2.0的情况，仅仅根据声发射b值的大小评估损伤存在不足，表明了基于声发射b值评估BFRP筋混凝土结构损伤需要基于声发射b值的大小及变化过程共同分析的必要性。进一步，通过对BFRP筋混凝土结构进行受力分析计算，进行传感器布设优化，建立重要构件的在线监测历史档案，基于声发射特性的分布特点及定量分析达到评估结构损伤程度的目的。

3 结论

本文基于声发射技术研究BFRP 筋混凝土粘结-滑移破坏过程，特别针对获取破坏预示指标进行了深入分析，主要获得如下探索性结论：

(1)BFRP 筋混凝土粘结-滑移过程中声发射累积能量曲线的变化趋势在峰值荷载之前与力学曲线保持一致，荷载峰值后基本保持不变；声发射累计撞击数曲线在加载初始阶段峰值荷载之前呈上“凸”型抛物线快速增加，之后随着滑移增大保持近似线性增加；声发射振铃计数在荷载峰值时达到最大值，之后与荷载曲线变化保持一致。声发射特性能够真实地反映结构受载情况，并且更加细致地反映损伤演化过程，为结构损伤评估提供了依据。

(2)BFRP 筋混凝土粘结-滑移破坏过程中声发射事件分布于各个频段，以50 kHz～100 kHz作为第一频率段，粘结-滑移损伤后期250 kHz～300 kHz 频段的声发射事件为主。

(3)BFRP 筋混凝土粘结-滑移破坏过程中声发射b值在峰值荷载时逐渐上升并且在1.5～2.0之间，峰值荷载后在2.0～3.0 之间波动变化，摩擦损伤过程b值波动较明显。