基于声发射参数的不同级配混凝土动态劈拉试验研究

邹三兵，胡伟华，黄仕超，彭 刚

(1.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北宜昌443002;2.三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌 443002)

1 研究背景

国内外许多学者对混凝土材料动态拉伸特性进行大量试验研究。宋玉普等［1］建立考虑不同侧应力和加载速率的破坏准则;尚仁杰等［2］给出了全曲线方程以及在下降段进行卸载与重新加载的曲线方程;肖诗云等［3］发现混凝土的抗拉强度与应变率的对数近似成线性关系，混凝土的弹性模量、吸能能力均随着应变率的增加而增加，泊松比不随应变率的变化而变化;孙吉书等［4］分析应变速率对混凝土抗拉强度、弹性模量等的影响规律;范立新等［5］介绍了HJC模型、RHT模型以及采用数值分析软件LS-DYNAABAQUS程序的模拟过程;卢玉斌等［6］研究不同加载速率下水泥砂浆材料动态劈裂时的裂纹发生和扩展规律，提出一个微观力学模型;陈荣刚等［7］借助大直径分离式霍普金森拉杆实验装置(Split Hopkinson Tension SHTB)对混凝土进行动态直接拉伸实验，对判断低加载率下试件的破坏形式进行了分析和研究。

受拉是混凝土材料的基本力学状态之一，由于混凝土材料的抗拉强度远远低于抗压强度，所以，对于大多数混凝土构件，尤其是受弯构件，其内部的破坏往往首先是从受拉部位开始的。加之，声发射技术能够真实地反映材料内部缺陷的变化和缺陷的具体位置。因此，研究混凝土材料在受拉状态时的声发射性能对于混凝土结构的稳定性评价和可靠监测有特别重要的意义。

2 试验过程

2.1 试件制作及加工

试件尺寸为450 mm×450 mm×450 mm的立方体试件，强度等级为C15。水泥采用湖北三峡水泥厂生产的P·O_42.5硅酸盐水泥，经过检验混凝土3 d以及28 d抗压强度与抗折强度等都满足要求;二级配、三级配、四级配混凝粗骨料分别采用5～40 mm，5～80 mm，5～150 mm连续级配碎石，细骨料均采用细度模数为2.3的天然河砂;采用自来水进行搅拌。试验所用的试件均采用自然养护，当试件的龄期为90 d时进行加载试验。各级配混凝土材料用量如表1。

在浇筑混凝土时，试件的上下面都有一层稀薄的砂浆层，且混凝土的上表面因人工抹平，表面平整度不易控制。因本试验为单轴受压，只需对混凝土一组平行面进行加载，且试件打磨面较粗糙平整度较差。故在试件安装时，选择模具成型侧面作为加载面，混凝土试件可以不进行打磨处理。

表1 3种级配混凝土单位体积的材料用量Table 1 Material usage of per cubic meter of concrete of three gradations kg/m3

2.2 试验设备

加载设备采用三峡大学和长春市朝阳试验仪器有限公司联合研制生产的10 MN微机控制电液伺服大型多功能动静力三轴仪，该系统是由3个独立的油缸来施加荷载。轴向变形范围0～10 mm，径向变形测量范围0～5 mm，位移测量范围0～100 mm，在加载速率为10－6～10－2/s的范围内具有良好的工作性能，能较好地满足试验的要求。

声发射采集设备采用SAEU2S声发射系统对试验信号进行采集，该系统能实时采集记录全部的声发射原始波形数据，提取波形中特征点的参数并能对声源进行准确定位。SAEU2S声发射系统提供多通道接口，每一通道中依次联接传感器、前置放大镜、数据采集卡、计算机。试验信号门槛设为45 db，前置放大器均为40 db，主放大器增益为20 db;滤波器带宽选为20～400 kHz，采样频率为833 kHz;采样长度为2 048;峰值鉴别时间(PDT)=50 us;撞击鉴别时间(HDT)=200 us;撞击锁闭时间(HLT)=300 us。

2.3 试验步骤

(1)装样。将混凝土试件放在水平处，用角尺和铅笔画出立方体试件对称轴线，然后其放置在已经摆好的劈拉钢垫条上面，保证小车底座、垫条、试件的中心线、传力柱对中。

(2)声发射探头及变形计的检查与安装。在混凝土试件平整部位，做好标识，对其部位用砂纸打磨，去除表面的污渍或灰层，将声发射探头均匀涂上黄油，贴在试件平整的部位;再利用带有导向环的自动铅笔对安装的探头进行脉动标定测试。

(3)建立声发射记录文件，根据试验条件设置声发射参数。

(4)加载。加载之前预先编写好加卸载程序，试验开始时，直接调入写好的加卸载程序，然后设置好采样频率，点击发送指令，同时开始采集声发射信号;系统同时开始采集位移值、荷载值、轴向变形值等各种数据。

(5)卸载及后续处理。试件破坏后，停止加载，把变形计和声发射探头取下，以恒定位移控制将小车降到初始位置，关闭电脑控制软件及油泵，对破坏后的试件进行拍照处理并完成试件残渣的清理工作。

3 劈拉基本物理力学参数分析

3.1 不同级配混凝土劈拉强度分析

试验所得峰值负荷按劈拉强度计算公式计算得到，不同级配混凝土在不同速率下的劈拉强度详见表2。不同级配混凝土的劈拉强度与应变速率的关系及不同应变速率下混凝土劈拉强度与级配的关系分别见图1、图2。表2中劈拉强度计算公式为

式中:ft为劈拉强度;P表示劈拉破坏荷载;l为劈拉试件长度。

表2 不同级配混凝土在不同应变速率下的劈拉强度Table 2 Splitting tensile strength of differently graded concretes under different strain rates

图1 不同级配混凝土的劈拉强度与应变速率的关系Fig.1 Relations between splitting tensile strength and strain rate of differently graded concretes

图2 不同应变速率下混凝土劈拉强度与级配的关系Fig.2 Relations between splitting tensile strength and gradation of concrete under different strain rates

由图1知，二级配混凝土随着应变速率的提高，混凝土劈拉强度逐渐增加，但三级配、四级配混凝土在应变速率为10－3/s、10－4/s劈拉强度却在降低。这是由于随着级配的提高，混凝土粗骨料直径加大，混凝土试件缺陷加大，致使混凝土劈拉强度降低。试验以应变率速为10－5/s时的劈拉强度为混凝土的准静态劈拉强度，二级配混凝土劈拉强度相对准静态分别提高6.27%，36.79%，38.34%;三级配混凝土劈拉强度提高幅度分别为13.23%，9.46%，51.61%;四级配混凝土为－5.92%，39.33%，42.29%。

从图2可看出，相同应变速率下，随着混凝土级配的递增混凝土劈拉强度值变化不大，除了应变速率为10－3/s时，三级配混凝土劈拉强度值出现了较大的浮动，其他工况下混凝土劈拉强度值的波动幅度均在5%内，说明混凝土的劈拉强度受骨料级配影响作用较小。

3.2 不同级配混凝土劈拉轴向变形分析

由表3及图3可知，随着应变速率的提高，二级配、四级配混凝土的劈拉轴向峰值变形总体呈增大的趋势，三级配混凝土的劈拉峰值变形则先减少后增加。从图4可以看出，三种级配混凝土轴向峰值变形值均在应变速率为10－4/s时达到最低。同一应变速率下，混凝土的轴向峰值变形随着级配的递增先减少后增大，三种级配混凝土的轴向峰值变形值波动幅值较小;应变速率为10－3/s时，四级配混凝土破坏时其轴向峰值变形最大。

表3 不同级配混凝土在不同应变速率下的劈拉峰值变形Table 3 Peak deformations of differently graded concretes under different strain rates

图3 不同级配混凝土的劈拉峰值变形与应变速率关系Fig.3 Relations between splitting tensile peak deformation and strain rate of differently graded concretes

4 声发射参数与应力、应变的关系

4.1 时间与声发射能量、应力的对应关系

声发射参数有能量计数、撞击计数、AE探头的时间差、AE波初动的上升时间、事件率、事件发生时间的时间分布、振幅、振幅分布、波形及其频谱等。但是，参数的有效程度差异很大，应当结合材料的破坏现象，选择合适的参数分析。本文选能量数对混凝土的破坏过程进行分析描述。

图5是不同级配混凝土试件在应变速率为10－5/s时的劈裂拉伸过程声发射能量数及加载应力随时间的变化曲线，纵坐标中σ0为混凝土试块劈拉破坏时的应力值，Nmax为AE能量最大值，N为AE能量瞬时值。

图4 不同应变速率下混凝土劈拉峰值变形与级配的关系Fig.4 Relations between splitting tensile peak deformation and gradation of concrete under different strain rates

图5 不同级配混凝土AE能量和应力随时间关系Fig.5 Changes of AE energy and stress of concrete of different gradations with time

由图5可知，劈裂试验得到的声发射能量数柱形图与单轴压缩试验的声发射能量数柱形图有很大差别。单轴压缩试验中加载初期声发射能量数较高的现象并未在劈裂拉升试验中出现;劈裂试验中，与混凝土抗压试验不同，混凝土在劈裂抗拉过程中不具有典型的三阶段特征，裂纹初始发展阶段不明显。在拉伸应力较小时，混凝土声发射撞击率比较小，在极限应力的80%之前，声发射撞击率没有明显升高。混凝土试件粗骨料直径的加大，粗骨料与其他混合料之间的单位接触面积减少，材料接触面间的孔隙增多，当应力超过极限应力的80%时，劈裂抗拉试验声发射能量数随着级配的增加明显增大，说明在劈拉破坏时混凝土内部损伤随级配的增加而加大。

4.2 时间与声发射能量、轴向应变的对应关系

不同级配混凝土试件声发射能量、应变与时间的变化见图6，纵坐标中ε0为混凝土试块劈拉破坏时的应变，Nmax为AE能量最大值，N为AE能量瞬时值。

由图6可知，不同级配混凝土试件劈拉破坏时的声发射信号图相似，在初始加载阶段既应变曲线前期，声发射能量数发生较少，混凝土材料内部初始的缺陷缓慢发展，声发射信号基本平稳，只有在接近极限应力时声发射信号才突然变大，表明混凝土试件已破坏，出现了宏观裂纹，随着应变的继续增加，声发射信号开始减弱。可以看出，声发射信号特征与混凝土的破坏过程相一致，可以准确对混凝土的破坏过程进行监测。

图6 不同级配混凝土AE能量和应变随时间关系Fig.6 Changes of AE energy and stress of concrete of different gradations with time

5 结论

通过试验实测数据及采集的声发射数据分析了不同级配、不同应变速率2种因素对混凝土劈拉性能的影响，得出如下结论:

(1)随应变速率的增加，混凝土劈拉强度呈增加的趋势，并随着级配的提高混凝土劈拉强度增加表现的离散性加大。

(2)混凝土在劈裂抗拉过程中不具有典型的三阶段特征，声发射信号较少，裂纹初始阶段发展不明显。应力超过极限应力的80%时，劈裂抗拉试验声发射能量数随着级配的增加明显增大，劈拉破坏时混凝土内部损伤随级配的增加而加大。

(3)声发射信号特征与混凝土的破坏特性相一致，实时采集的声发射信号可以较准确地对混凝土的劈拉破坏过程进行监测。

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