骨料－砂浆交界面劈裂损伤声发射特性试验研究

王 岩， 赵海涛， 姚金鑫， 陈育志

（1.河海大学土木与交通学院，江苏南京210098；2.金陵科技学院建筑工程学院，江苏南京211169）

研究骨料－砂浆交界面的性能对于混凝土材料科学和混凝土结构工程都具有重要的理论意义和实际价值.由于混凝土的宏观力学性能在很大程度上取决于细观组成介质（骨料、水泥砂浆基体及两者交界面）的性能，但是，与基体相比，交界面具有强度和弹性模量低、渗透性高等特点，从而导致混凝土性能在很大程度上与交界面的几何和物理性能密切相关[1－2].岩石－混凝土交界面也有其广泛的工程应用背景，如混凝土坝基与基岩之间的抗滑稳定性分析、新老混凝土交界面质量控制等工程实际问题，都与交界面的力学特性和损伤破坏机理有关，故国内外许多学者对界面过渡区的特性进行了专门研究，试图解释交界面过渡区薄弱的根本原因及其解决方法.目前相关研究主要集中于力学性能及其影响因素[3－5].由于交界面结构形式的特殊而导致采用传统方法精确测量其变形和宏观特征十分困难，所以关于交界面整个损伤破坏过程特性的研究较少，尤其在采用何种参数表征交界面损伤破坏全过程更是缺乏基础性的研究工作.

声发射（acoustic emission，AE）技术是一种实时、动态、灵敏度高的新型无损检测技术，已经被应用于混凝土、岩石类准脆性材料损伤破坏过程的研究中.王观石等[3]初步证实了声发射能够反映混凝土和岩石交界面的损伤演化过程.笔者[4－5]也曾对骨料－砂浆交界面损伤特征进行了分析研究.但是，关于采用何种声发射指标量化交界面的损伤尚不明确.为此，本文采用全数字化声发射采集系统和宽频式声发射传感器同步监测并采集交界面从加载到最终破坏过程所伴生的声发射信号，探索分析稳定的界面损伤声发射特性，以期实现采用声发射技术来表征界面的损伤过程.

1 试验

1.1 试件制备

骨料－砂浆交界面试件为圆柱体，沿直径方向分为骨料和水泥砂浆2部分，其中骨料部分直接从花岗岩母体中钻芯取得，高度约为60mm，直径约为64mm，然后再将其切割成尺寸相同的2个半圆柱体试件.先在一个半圆柱体试件的矩形侧面上涂抹约2mm厚的水泥砂浆（m（水）∶m（水泥）∶m（砂）＝1.0∶2.2∶3.1），再将另一个半圆柱体试件放在涂抹好的水泥砂浆上，对齐，最后用胶带把2个半圆柱体试件绑扎好，竖直放置，标准养护.花岗岩和砂浆的轴心抗压强度分别约为85.5，12.3MPa.

1.2 加载方案

骨料－砂浆交界面劈裂试验加载示意图如图1所示.在试验过程中，首先将试件表面的浮浆层清除干净，然后将声发射传感器安装在骨料表面，通过压力试验机施加单调递增的荷载，直至试件破坏，加载设备为电液伺服万能试验机.

图1 骨料－砂浆交界面劈裂试验加载装置示意图Fig.1 Aggregate－mortar interface splitting test device

2 声发射信号采集装置及系统设置

声发射采集系统为美国PAC公司生产的PCI－2全数字式声发射采集系统，其频率范围为1kHz～3MHz.声发射采集系统以预设阈值的方式探测信号，当信号幅度超过所设定的阈值时，信号采集过程被激发，此时系统自动提取信号波形特征参数（见图2）.

图2 声发射特征参数示意图Fig.2 AE signal parameters

3 声发射特性

3.1 声发射累积特性

试件界面破坏过程的声发射撞击累计数时程曲线如图3所示.从图3可以看出，声发射撞击累积数曲线基本呈现线性变化，与单调加载曲线的相关性较大，可用来表征试件的力学特性.在整个加载过程中，声发射计数率约为633次／s.在试件的劈裂损伤过程中，声发射呈持续剧烈特征，表明其损伤部位不断有新的损伤或微裂缝萌生扩展.

图3 试件声发射撞击累计数时程曲线Fig.3 Cumulative AE hit number versus time

3.2 声发射特征参数变化特性

3.2.1 声发射单参数时程变化规律

经过对声发射特征参数进行系统分析后发现，声发射上升时间、持续时间、振铃计数、幅度、信号强度、绝对能量、RMS电压、平均频率、混响频率、初始频率等特征参数随时间变化散点图的分布规律基本相同，试件声发射特征参数的时程分布散点图如图4所示.由图4可见，散点图呈“下密上疏”的分布规律，表明损伤的累积过程持续平稳且低量值的声发射撞击所占比例较高.

图4 典型声发射特征参数随时间的变化散点图Fig.4 Scatter plot of typical AE parameter vs.time

声发射波形FFT峰值频率随时间变化的时程分布如图5所示.由图5可见，声发射峰值频率集中出现在若干特定频段，可以将其作为交界面劈裂破坏的特征频段：20～35，95～105kHz.

图5 声发射峰值频率时程图Fig.5 Scatter plot of AE peak frequency vs.time

3.2.2 声发射特征参数关联分析

声发射持续时间－振铃计数散点图如图6所示.由图6可见，散点集中于一个窄带范围内，表明声发射持续时间和振铃数近似线性相关，二者关系为y＝12.1x（R2＝0.967）.声发射幅度－振铃计数分布散点图如图7所示.由图7可见，振铃数为0～200且幅度为35～85dB的声发射撞击散点分布呈非线性变化，二者关系为y＝31.38x0.136（R2＝0.830）.

图6 声发射持续时间－振铃计数散点图Fig.6 Scatter plot of AE duration－count number

图7 声发射幅度－振铃计数散点图Fig.7 Scatter plot of AE amplitude－count number

声发射平均频率－振铃计数散点图如图8所示.由图8可见，散点的分布范围“紧贴”于横轴附近，这意味着高平均频率的声发射撞击和高振铃数的声发射撞击并不总是相互对应，且振铃计数较高的声发射撞击平均频率相对固定（在75kHz附近）.

图8 声发射振铃计数－平均频率散点图Fig.8 Scatter plot of AE count number－average frequency

3.3 骨料－砂浆交界面劈裂破坏的声发射特性

骨料－砂浆交界面劈裂破坏的声发射特性见表1.将表1所列声发射特性作为交界面损伤破坏过程的典型特性，可用来识别混凝土损伤破坏机制.

表1 骨料－砂浆交界面劈裂破坏的声发射特性Table 1 AE characteristics of split failure processes for aggregate－mortar interface

4 结论

（1）交界面劈裂损伤过程的声发射撞击累积时程曲线近似呈线性变化，表明损伤过程持续活跃且平稳发展直至最终断裂；声发射累积计数曲线与加载曲线具有同步变化关系，可较好描述交界面损伤发生及发展变化的全过程.

（2）交界面劈裂破坏过程中所伴生的声发射信号特征，有助于分析混凝土的损伤破坏过程.

（3）通过声发射特征分析和声发射特征参数组合分析，可得到比较稳定的界面破坏典型声发射特性，这些特性有助于识别混凝土损伤破坏机制.

[1] 陈惠苏，孙伟，STROEVEN P.水泥基复合材料集料与浆体界面研究综述（Ⅱ）：界面微观结构的形成、劣化机理及其影响因素[J].硅酸盐学报，2004，32（1）：71－81. CHEN Huisu，SUN wei，STROEVEN P.Interfacial transition zone between aggregate and paste in cementitious composites（Ⅱ）：Mechanism of formation and degradation of interfacial transition zone microstructure and its influence factors[J].Journal of Chinese Ceramic Society，2004，32（1）：71－ 81.（in Chinese）

[2] 王瑶，周继凯，沈德建，等.混凝土中骨料－浆体界面过渡区的力学性能研究综述[J].水利水电科技进展，2008，28（2）：89－94. WANG Yao，ZHOU Jikai，SHEN Dejian，et al.Review of study on mechanical property of aggregate－mortar interface transitionzone of concrete[J].Advances in Science and Technology of Water Resources，2008，28（2）：89－94.（in Chinese）

[3] 王观石，胡世丽，刘洪兴，等.用声发射监测岩石与混凝土界面的破坏过程[J].矿业工程，2006，4（4）：22－24. WANG Guanshi，HU Shili，LIU Hongxing，et al.The damage process of rock concrete interface by acoustic emission[J]. Mining Engineering，2006，4（4）：22－24.（in Chinese）

[4] 王岩.基于声发射技术的混凝土损伤机理试验研究[D].南京：河海大学，2009. WANG Yan.Experimental study on damage mechanism of concrete based on acoustic emission technique[D].Nanjing：Hohai University，2009.（in Chinese）

[5] 吴胜兴，王岩，沈德建.混凝土及其组成材料轴拉损伤过程声发射特性试验研究[J].土木工程学报，2009，42（7）：21－27. WU Shengxing，WANG Yan，SHEN Dejian.Experimental study on acoustic emission characteristics of the damage process of concrete and its components under uniaxial tension[J].China Civil Engineering，2009，42（7）：21－27.（in Chinese）