钢纤维再生粗骨料混凝土受压声发射特性与损伤演化

崔正龙， 费海超， 孙万吉， 李正元

(辽宁工程技术大学 土木工程学院，辽宁 阜新 123000)

进入21世纪随着旧房拆迁改造，混凝土固体废弃物的数量也在不断增加[1-2]，但资源化利用率非常低，其后果必然导致天然骨料资源不断减少[3-4]，解决建筑垃圾的处理和资源化利用刻不容缓。将这些废弃混凝土加以处理后作为骨料重新使用，不仅可以“变废为宝”，实现废旧混凝土资源化利用，还能够有效缓解混凝土原材料紧缺这一现状，减少天然骨料开采。随着加快生态文明建设的提出，混凝土固体废弃物的循环利用符合绿色混凝土的总体方向[5-6]。

声发射(acoustic emission, AE)是在外荷载作用下，因材料局部受力破坏，以弹性波形式释放出应变能的现象[7]。1959年Rusch首次将声发射技术用于混凝土中[8]。

在研究钢纤维混凝土方面，王春来等[9]建立了钢纤维体积分数的混凝土损伤本构模型；薛云亮等[10]建立了考虑损伤阀值影响的钢纤维混凝土损伤本构模型；贺一轩等[11]利用钢纤维对混凝土进行改性；Chi等[12]提出了纤维混凝土的流动法则与加载面相关的塑性损伤模型。上述学者是从材料外部宏观表征来分析钢纤维混凝土内部的损伤规律，且研究钢纤维再生混凝土相关文献较少。再生混凝土内部的复杂性决定了以往的研究方法具有一定的局限性，而声发射技术能够有效克服这一局限性，从材料内部出发，从本质上阐释钢纤维再生混凝土的损伤演化过程。试验基于C30钢纤维再生粗骨料混凝土(再生粗骨料取代率(0、100%)及钢纤维掺量(体积率0、0.8%、1.5%))，结合声发射特征参数和应力-应变曲线来描述轴压钢纤维再生粗骨料混凝土的损伤演化规律，为钢纤维再生粗骨料混凝土的实际工程应用提供理论依据。

1 试 验

1.1 原材料准备

钢纤维：波浪剪切型纤维(长为38.0 mm，直径为1.1 mm，长径比为34.5)；再生粗骨料：拆迁某工厂楼板产生的废弃混凝土块，经反复破碎筛分后粒径调整为4.75～26.50 mm；天然粗骨料：4.75～26.55 mm花岗岩类碎石，连续级配；天然细骨料：0.16～4.75 mm河砂，洁净，中砂(细度模数2.75)；水泥：大鹰牌P.O42.5普通硅酸盐水泥；减水剂：萘系高性能减水剂；水：普通自来水。使用原材料的基本物理、力学性能如表1所示。

表1 粗、细骨料的基本性质Tab.1 Basic properties of coarse and fine aggregates

1.2 混凝土配比设计

试验以再生粗骨料(质量取代率0、100%)及钢纤维掺量(体积率0、0.8%、1.5%)为变数，设计了C30混凝土。试验时为了不影响施工和易性能，拌合前根据再生粗骨料一小时吸水率对其进行提前润湿。混凝土试件命名如下：再生粗骨料取代率为0，钢纤维掺量(体积率0、0.8%、1.5%)，编号分别为NSF0、NSF0.8、NSF1.5，再生粗骨料取代率为100%，纤维掺量(体积率0、0.8%、1.5%)，编号分别为RSF0、RSF0.8、RSF1.5，具体配合比及28d圆柱体试件抗压强度见表2。

1.3 试验设计

C30圆柱体混凝土试件(NSF0、RSF0、NSF0.8、RSF0.8、NSF1.5、RSF1.5)，尺寸为150 mm×150 mm×300 mm。为了避免圆柱体试件出现较大的离散型，每组各制备了3个试件，试验取中间值试件作为代表性试件。声发射设备采用北京软岛时代科技有限公司的DS5-8B声发射系统，经过断铅试验调试，合理设置声发射采集信号的参数，信号采集门槛：40 dB，采样频率：3 MHz，放大器增益：40 dB。压力机采用济南时代试金有限公司YAW-2000D电液伺服万能压力试验机，本试验采用位移控制方式，速率为0.2 mm/min，在试件损伤破坏过程中采集荷载、应变及声发射特征参数。试件加载过程声发射试验装置布置如图1所示。

图1 声发射试验装置布置Fig.1 Arrangement of acoustic emission test device

2 结果与分析

2.1 钢纤维再生粗骨料混凝土试件AE特征参数历程图

试验基于钢纤维再生粗骨料混凝土AE信号历程图，结合应力-应变特征关系，分析六组试件的损伤过程。混凝土声发射参数历程与应力-应变关系由图2、图3所示。受压损伤破坏过程总体上分为四个阶段：

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)图2 能量计数与应力-应变关系图Fig.2 Energy count and stress-strain diagram

(a)

(b)图3 累计撞击计数与应力-应变关系图Fig.3 Cumulative hit count and stress-strain diagram

微裂缝起裂阶段(0<ε<0.05%)：钢纤维和混凝土共同承受荷载，混凝土内部原始缺陷处(如再生粗骨料混凝土新旧砂浆界面过渡区原始存在的细微裂缝)开始出现应力集中现象，一部分原始细微裂缝开始延伸或扩展，但变化不明显，监测系统开始接收微弱的声发射信号，此时声发射特征参数(能量计数、撞击计数)相对较小，应力-应变曲线基本上接近线弹性关系。随着继续加载，应变达到混凝土开裂的初裂应变时,内部结构开始出现裂变，声发射信号开始活跃，能量计数与撞击计数也随即增多，此时横跨裂缝的钢纤维将继续传递应力，保持相对稳定。这与裂缝扩展较快的未掺钢纤维混凝土试件有着本质性区别，随着钢纤维掺量的增加，对混凝土的阻裂效应更加显著。

裂缝稳定扩展阶段(0.05%<ε<0.25%)：随着持续加载，细微裂缝进一步扩张，开始从砂浆与骨料的界面过渡区逐渐向砂浆内部扩散，一些较短的微裂缝彼此连接发展成较长裂缝，同时不断有新的裂缝产生，声发射信号活跃程度越发明显，能量计数与撞击计数持续增加。应力-应变曲线逐步进入非线性发展阶段，加载过程中未听见碎裂声。六组试件在应变0.2%～0.25%左右能量与应力几乎同时达到峰值。与普通混凝土相比，再生粗骨料混凝土试件在较小的应变时，声发射信号更活跃，能量计数，撞击计数相对更富集。其原因在于，再生骨料表面附带较多旧水泥砂浆，使骨料与新旧砂浆界面交接处粘结力较差，导致裂缝的产生时间更早于普通混凝土试件。钢纤维的掺入一定程度上提高了混凝土的极限压应力(对比NSF0，NSF0.8、 NSF1.5分别提高了5.1%和6.9%；对比RSF0，RSF0.8、 RSF1.5分别提高了6.5%和10.0%)，更重要的作用是起到了增韧的效果，使试件整体表现出裂而不散的特征。

宏观裂缝急速扩展阶段(0.25%<ε<0.40%)：峰值应力后随应变的持续增加，可以观察到宏观裂缝不断出现，声发射信号活跃程度急速下降，能量计数、撞击计数与承载能力也明显降低，试验过程中可听到明显的碎裂声。随着钢纤维掺量的增加，承载力的下降幅度有所平缓，声发射信号也有所减小。

塑性破坏阶段(ε>0.4%)：试件进入软化衰减阶段，宏观裂缝相互贯通，声发射信号重新回归到微弱阶段，能量计数、撞击计数与承载力下降趋势逐渐平缓，直至试件完全破坏。最终钢纤维混凝土没有明显的压碎或崩落现象，试件整体保持一定的完整性。

2.2 钢纤维再生粗骨料混凝土声发射损伤定位分析

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)图4 混凝土试件声发射损伤定位图Fig.4 Acoustic emission damage location diagram of concrete specimens

2.3 钢纤维再生粗骨料混凝土损伤模型

2.3.1 损伤模型的建立

根据Lemaitre等[14]基于材料损伤过程的损伤模型理论，混凝土单轴受压过程中，名义应力作用在持续损伤试件上的应变与实际应力作用在无损伤试件上的应变相同，具体表示为

σ*=σ(1-D)=Eε

(1)

式中：σ*为混凝土的名义应力(MPa);σ为混凝土的有效应力(MPa);E为混凝土弹性模量(MPa);D为混凝土损伤变量。

将损伤变量定义为试件中已经破坏的界面微元体数目与所拥有的总界面微元体数目之比。再生混凝土损伤分为两个阶段，第一阶段为初始损伤，即加载前再生粗骨料存在的原始缺陷，且随再生粗骨料取代率的增加而变大，随钢纤维体积率的增加而变小。由损伤力学理论可知，混凝土材料内部的劣化程度可以由其宏观力学性能进行表征，因此再生混凝土取代率为r，钢纤维掺量体积率为v的初始损伤变量设为D1

(2)

式中：Erv为再生混凝土取代率为r;钢纤维掺量体积率为v的弹性模量;E0为未掺钢纤维的天然混凝土弹性模量。

第二阶段的损伤变量在再生混凝土承受载荷作用过程中形成发展，根据等价应变原理，不同钢纤维掺量再生混凝土的本构关系为

σ=Ervε(1-D2)

(3)

将式(2)代入式(3)得到优化后的再生混凝土受压过程中应力应变关系

σ=E0ε(1-D1)(1-D2)

(4)

其中再生混凝土总损伤变量表示为

D=D1+D2-D1D2

(5)

假定混凝土材料的微元强度服从Weibull分布，Weibull分布下微元强度的概率密度为

(6)

式中,m、α为Weibull分布函数中的参数。

微元体失效具有随机性，对上述Weibull分布函数进行积分，可得受荷载时再生混凝土产生的损伤变量D2和试件微元失效的概率密度之间的关系

(7)

联立式(2)、(5)、(7)得到不同取代率、不同钢纤维掺量再生混凝土的损伤模型

(8)

将式(7)代入式(3)得到不同取代率钢纤维再生混凝土的本构模型

(9)

Heiple等[15-16]用AE技术研究了材料损伤演化过程，发现AE撞击计数与材料中界面破坏和基体损伤释放的应变能成正比，能够有效地反映材料性质的变化。通过对本试验结果的分析，发现声发射撞击计数与试件内部裂缝的产生与发展密切相关。根据不同粗骨料取代率钢纤维再生混凝土试件在加载过程中的声发射累计撞击计数，通过Boltzmann函数对再生粗骨料混凝土试件累积撞击计数与应变之间的关系进行拟合

(10)

式中：ε是应变;Nrv为再生混凝土取代率为r;钢纤维掺量体积率为v的累计撞击计数，参数A1、A2、B和C通过拟合获得。结果表明，整体拟合效果较好，各组试件拟合后得到的参数A1、A2、B、C以及R2,如表3所示。

表3 拟合参数Tab.3 Fitting parameters

联立式(8)和式(10)得到不同取代率钢纤维再生混凝土试件声发射累计撞击计数与损伤变量之间的函数表达式

(11)

因建立的钢纤维再生混凝土损伤、本构模型具有m、α两个未知参数，为了确定参数的取值，取应力-应变曲线峰值点(εP，σP)，此处满足ε=εP，σ=σP，将其代入式(11)得到

(12)

对式(12)进行求导得到应力-应变曲线斜率与应变发展的关系

(13)

达到峰值应力时曲线斜率为0，由此得到

(14)

联立式(12)、(14)得到

(15)

(16)

将试验得到的各组试件峰值应力、应变分别代入式(15)、(16)中，得到各组所对应的参数m、α的值见表4所示。

表4 Weibull分布参数Tab.4 Weibull distribution parameters

根据圆柱体试件在轴心受压加载过程中的声发射累计撞击计数，分别对不同取代率、不同钢纤维掺量再生粗骨料混凝土试件的位错、滑移和破坏过程进行损伤演化分析，将试验测得的各组试件的Erv、ε和拟合参数m、α代入(8)得到应变与损伤变量之间的关系曲线,如图5所示。

(a)

(b)图5 试件的损伤变量-应变关系曲线Fig.5 The damage variable-strain curve of specimens

从图5可以看出，随着钢纤维掺量的增加，无论是普通混凝土还是再生混凝土的初始损伤变量均减小，在相同钢纤维掺量下再生混凝土的初始损伤变量要大于普通混凝土，且钢纤维普通混凝土损伤变量出现负值。其主要原因在于，再生混凝土试件在前期受压时因混凝土内部存在各种缺陷(如再生粗骨料自身的缺陷、新旧砂浆界面过渡区黏结力差等)，钢纤维掺入一方面降低了基体的自由膨胀率，乱向随机分布的钢纤维对混凝土的膨胀产生约束作用，另一方面钢纤维在混凝土中起到了“微筋”的作用，两种作用叠加，使基体初始损伤变量变小。各组试件的损伤变量发展过程呈现出在较小应力时损伤变量发展较快，当试件进入塑性阶段，损伤变量发展趋势变缓。

2.3.2 模型的验证

不同钢纤维掺量、不同再生粗骨料取代率圆柱体混凝土试件单轴受压应力与应变试验值与模型计算式(11)对比结果如图6所示。从验证结果可以看出，所建立的钢纤维再生粗骨料混凝土损伤模型的可靠性较高。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)图6 试件的应力-应变曲线拟合结果Fig.6 Fitting results of stress-strain curve of specimen

3 结 论

(1) 不同掺量钢纤维再生粗骨料混凝土轴心受压过程中声发射特征参数与结构内部损伤联系紧密。通过不同应力阶段的声发射损伤定位图能够清晰地看出不同掺量再生粗骨料混凝土内部裂缝的形成与发展过程，接近峰值应力的损伤定位图与试件最终破坏位置大致相符。

(2) 基于声发射累计撞击计数建立的混凝土损伤模型可用于分析不同钢纤维掺量、不同再生粗骨料取代率混凝土在轴心受压下的损伤演化规律。损伤演化过程可分为微裂缝起裂阶段、裂缝稳定扩展阶段、宏观裂缝急速扩展阶段以及塑性破坏阶段。

(3) 基于Weibull分布函数，结合累计撞击计数得出模型的理论应力-应变曲线趋势与试验过程得到的曲线趋势相近，能够较合理地反映钢纤维再生粗骨料混凝土的损伤演化过程。