不同强度混凝土声发射特性对比试验研究

刘佳奇，花伟东

(1.黑龙江省齐齐哈尔市昂昂溪区水利站，黑龙江 齐齐哈尔 161031；2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

0 前 言

基于安全与经济等因素的考虑出发，水工建筑物不同位置采用不同强度等级、不同特性的混凝土，因而其破坏过程存在一定的差异性。不同强度混凝土受压破坏、受拉破坏研究已经取得了丰硕的研究成果，然而，大部分文献都将重点放在不同强度等级混泥土抗压、抗拉强度和失稳韧度等物理量上，对受压破坏过程、断裂过程缺乏一定的研究。

声发射是指材料加载破坏后，以弹性波的形式向外释放能量的现象，自Kaise[1]首次发现金属断裂过程中存在声发射现象以来，声发射技术已得到广泛应用。大量学者在混凝土破坏过程中使用声发射(AE)参数变化来描述混凝土性质的变化。Kentaro、Maji和Shah等人利用声发射清晰看到裂隙带大小以及尺寸的发展，监测了断裂过程区的发展。

文章基于声发射技术对不同强度混凝土三点弯曲梁断裂过程进行监测，通过比较声发射参数的差异性，其中包括撞击计数、振铃计数、能量计数等，来对比分析不同强度混凝土断裂过程的差异性，为研究不同强度混凝土破坏过程提供试验基础以及监测服役期的水工建筑物运行状况提供借鉴。

1 试验研究

1.1 试验材料

试验材料有：①水泥：P·O42.5R级普通硅酸盐水泥；②砂：天然中砂；③粗骨料：卵石，粒径5-20mm；④减水剂：聚羧酸高效减水剂；⑤粉煤灰：河南蓝科Ⅱ级粉煤灰，密度2.34 g/cm3。

1.2 试件制备

试件采用带切口的三点弯曲梁，试件尺寸为515mm×100mm×100mm，跨度S为400mm，预制裂缝单边切口角度为0°，预制裂缝深度a0为50mm，缝高比为0.5，裂缝宽度为3mm。 三点弯曲梁试件尺寸，见图1。混凝土强度等级为C20、C30、C40和C50，不同强度等级混凝土配合比及相关参数，见表1。

图1 三点弯曲梁试件尺寸

表1 不同强度等级混凝土配合比及相关参数

1.3 试验设计与方法

对断裂过程中声发射探头(S1、S2、S3、S4)的位置进行布置，声发射探头布置图，见图2。

图2 声发射探头布置图

2 结果分析

2.1 不同强度混凝土断裂P-CMOD曲线比较

不同强度混凝土断裂过程P-CMOD曲线，其规律与学者们的研究结果相一致，P-CMOD曲线，见图3。

直线上升段反映裂尖处于弹性，裂缝口张开位移较小，强度等级对其影响较小；曲线上升段反映裂尖出现微裂缝的萌生，断裂过程区开始形成，强度越小，弯曲程度越大，过程区的发展速度越大。强度等级越大，峰值荷载越大，峰值荷载对应的裂缝口张开位移越大。C30、C40、C50混凝土峰值荷载以及所对应的裂缝口张开位移分别较C20增加了8%、22%、30%。声发射参数发展历程图，见图4。

图3 P-CMOD曲线

2.2 不同强度混凝土断裂过程声发射规律

Ⅰ撞击计数历程图

Ⅱ振铃计数历程图

Ⅲ能量计数历程图图4 声发射参数发展历程图

由图4可以看出，声发射参数发展历程图可以看出，声发射历程图大致分为4个阶段：

1)初始压密阶段(0-20s)：在试件加载初期，由于试件与压力机接触面压紧，出现小的撞击计数和振铃计数。

2)线弹性阶段(20-50s)：随着荷载的持续加载，大致在峰值荷载的40%时，撞击数计数开始发展且发展趋势平稳，但是相对应的振铃计数与能量计数并未产生明显的发展，数值仍然较低。

3)稳定扩展阶段(50-105s): 当荷载达到60%峰值荷载附近时，撞击数和振铃数数值增大，能量计数产生较大的局部峰值，此时声发射事件较为活跃，随着荷载持续增大，在荷载峰值前锋附近，撞击数和振铃数突然增大，接近峰值，在荷载达到峰值同时，撞击数、振铃数和能量计数同时达到峰值。

4)失稳扩展阶段(105-400s)：随着裂缝的失稳扩展，撞击计数和振铃计数在峰值后较小的一段区域内仍保持较大数值，而后以较小的数值发展，直至试件完全破坏[2-3]。

根据试验数据，得出了峰值荷载时，不同强度对声发射事件活跃程度的影响不同。不同强度混凝土声发射参数变化图，见图5。

图5 不同强度混凝土声发射参数变化图

由图5可知，随着强度的增大，声发射参数值呈现增大趋势，强度越大，声发射事件活跃程度越高，相对能量也越高。C20、C30、C40试件较C50试件撞击数峰值减小47%、40%和12%，累计值减小31%、15%和14%；振铃计数减小35%、26%和6%，累计值减小38%、31%和13%；能量计数峰值减小40%、27%和5%，累计值减小60%、49%和19%。

2.3 不同强度等级混凝土损伤定位结果

混凝土内部微裂隙的产生与发展，以弹性波的形式向外释放能量，微裂隙发生位置便成为发射源，图为C50混凝土断裂过程损伤定位结果。C50定位结果，见图6。

由图6可以清晰的看出断裂带的形成过程。Otsuka基于能量计数值，采用不规则图形对定位源进行分类，将包含>95%全部能量的区域定义为断裂过程区(FPZ)，将包含>70%全部能量的区域定义为断裂核心区(FCZ)。基于Otsuka的定义与声发射聚类结果，将整个定位过程中聚类阈值为10时的聚类区域最大宽度定义为断裂过程区宽度，聚类阈值为50时的聚类区域最大宽度定义为裂缝核心区宽度。断裂过程区宽度和裂缝核心区宽度尺寸，见表2。

图6 C50定位结果

表2 断裂过程区和裂缝核心区尺寸

由表2可以看出，断裂过程区宽度随强度的增大呈现线性减小，C30、C40、C50强度混凝土断裂过程区宽度较C20混凝土分别减小了6%、11.7%和18%，而混凝土强度对裂缝核心区域宽度影响不大，宽度大致等于2倍粗骨料最大粒径。

3 结 论

1)随着强度的提高，线弹性阶段的撞击计数明显减弱，稳定扩展阶段撞击数明显增强，表明强度越高，混凝土抵抗损伤的能力越强。

2)断裂过程区的宽度随着强度的提高而减小，C50混凝土较C20最大减小18%。