混凝土动态劈拉特性及损伤机理研究

宋来忠　张伟朋　周　斌　彭　刚　田　为

( 1. 三峡大学 理学院， 湖北 宜昌　443002； 2. 三峡大学 土木与建筑学院， 湖北 宜昌　443002)



混凝土动态劈拉特性及损伤机理研究

宋来忠1张伟朋1周斌1彭刚2田为2

( 1. 三峡大学 理学院， 湖北 宜昌443002； 2. 三峡大学 土木与建筑学院， 湖北 宜昌443002)

摘要：利用大型多功能静动力三轴仪分别进行了干燥混凝土与饱和混凝土试件在不同应变速率下的动态劈拉试验．对混凝土的物理力学参数进行了统计分析，研究了加载速率、湿度对混凝土劈拉强度的影响．结果表明：干燥混凝土与饱和混凝土的劈拉强度随应变速率的增大而提高，饱和混凝土的劈拉强度对应变速率更为敏感；低应变速率下，饱和混凝土劈拉强度低于干燥混凝土的，而在高应变速率下饱和混凝土强度更高．建立了干燥混凝土与饱和混凝土在不同应变速率下的应力、时间曲线与同步声发射参数之间的对应关系，在此基础上对比分析了干燥混凝土与饱和混凝土劈拉损伤特性．

关键词：混凝土；劈拉；动态性能；损伤

在水环境中工作的混凝土经常处于饱和状态，这些混凝土结构由于所处环境的不同，一方面混凝土的组成由于自由水的侵入而发生变化，另一方面又承受着比较复杂的静动力荷载作用，力学性能可能会发生改变．混凝土的抗拉强度一般只有抗压强度的1/10～1/15[1]，而混凝土的抗压强度较高，所以混凝土的动态抗拉特性在某种程度上对结构的可靠性和安全性起着决定性作用．可以看出研究饱和混凝土在动荷载作用下的力学特性，不仅具有其理论意义，还具有实际的应用价值．

本文在首先进行了干燥和饱和混凝土应变速率效应的研究分析．在此基础上，研究饱和混凝土的动态力学特性，探讨湿度对混凝土动态抗拉强度的影响．这些试验结果将加深对水环境下混凝土结构性能的认识，一方面较好地揭示了混凝土劈拉损伤破坏机理，一方面为实际工程设计与评估提供了必要的试验依据．

1试验设计

1.1试验设备

试验采用的10MN微机控制电液伺服大型多功能动静力三轴仪(见图1)，设备的最大应变速率响应值为10-2/s，能够根据试件尺寸大小换算成相应的控制变形速度，以保证试验数据采集的精度．

图1　大型多功能静动力三轴仪

试验采用SAEU2S声发射系统(见图2)，并针对本试验调整声发射参数：信号门槛设置为45 db;前置放大器设置为40 db;主放大器增益设置为20 db;滤波器带宽设置为20～400 kHz；采样频率选用833 kHz；采样长度设置为2 048；峰值鉴别时间(PDT)设置为50 μs；撞击鉴别时间(HDT)设置为200 μs；撞击锁闭时间(HLT)设置为300 μs．

图2　声发射系统

SAEU2S声发射系统检测方法在许多方面不同于其它常规无损检测方法，其主要特点表现为：1)声发射检测所得信号完全来自于材料本身，而且灵敏度非常高，对于十分微小的破坏也可以检测到．2)在外加应力下能探测到缺陷的活动情况，但如果无外力就无法检测．3)在试验时，能够通过合理布置AE探头实施被检测材料或结构的整体检测，进而评价结构整体中损伤的状态．4)可提供随载荷、时间、温度等外变量变化缺陷的活动情况．5)对与被检材料的距离要求很低．6)对被检构件的几何形状要求很低．7)混凝土中的化学变化也可以被检测到．8)对人体无伤害，在布置探头时需要人手，在检测时只需留守观测人员．9)容易受到噪声的干扰．

声发射检测方法和其它常规无损检测方法的特点对比见表1．

表1　声发射检测和其它无损检测方法对比

1.2试件制备

本试验选用Φ150 mm×150 mm的混凝土圆柱体试件．采用水泥为强度等级42.5的普通硅酸盐水泥，抗压、抗折强度均满足国家规范要求；拌合水为饮用自来水；粗骨料选用粒径直径范围为5～30 mm连续级配的碎石；细骨料选用连续级配的河砂，筛分测定其细度模数为1.8．配合比见表2．

表2　每立方米普通混凝土的配合比

备料选取场地后采用连续整体浇筑，对混凝土进行自然条件养护90 d后钻孔取芯，对试件编号并打磨．将打磨平整的一批试件称重然后放入烤箱先后采用50℃、100℃温度烘烤一天并称重，试件质量无变化说明已充分干燥处理．记录下干燥后试件的质量作为干混凝土的质量，将称重好的试件放入围压桶进行水饱和处理，保持恒压20 h，显示围压和围位保持不变，可认为混凝土已达饱和状态．

1.3试验过程

试验采用的试件尺寸为Φ150 mm×150 mm，强度为C30．试验分为3个步骤完成：1)将打磨好的混凝土试件放置在摆好的劈拉钢垫条上面，缓缓推入小车，调整小车、垫条、试件和传力柱位置直至对中．安装好变形计、声发射装置，并检测仪器是否正常工作．2)启动油泵并加压，通过计算机控制试件缓慢地预加载至2 kN并持荷2 min．3)调整油泵油压，按照预先设置好的速率加载，同时开始采集声发射信号，系统同时采集荷载值、位移值等数据．试件破坏后，将作动器复位，关闭油源，对破坏后试样拍照，将数据保存并导出，供后期处理使用．

本文完成了饱和混凝土和干燥混凝土在5种应变速率下的径向劈拉试验，每种应变速率下至少试验3个试件，当出现离散型较大的数据时，增加试件保证数据的准确．

2试验结果分析

从表3可以看出，湿度对混凝土的劈拉强度影响较大，随着应变速率的增大混凝土的劈拉强度增大．随着加载速率的升高，饱和混凝土的动态劈拉强度相比干燥混凝土有更大的提高．

表3　混凝土在不同应变速率下的劈拉强度

加载速率在10-2/s时，饱和混凝土劈裂强度比干燥混凝土大；加载速率在10-3/s，10-4/s，10-5/s，饱和混凝土的劈拉强度都比干燥混凝土小．饱和混凝土内部自由水的存在是产生黏性效应的物理机制，对应变率效应有着重要影响．所以低应变速率的静态加载时，自由水表现出楔体的楔入作用[2-3]，促使混凝土内部的裂缝快速发展．而在高应变速率的动态加载时，自由水运动产生了类似Stefan效应[4]的黏性阻力，从而使混凝土的裂纹扩展阻力变大，试件劈拉强度增强．

从表3可以看出，混凝土动态劈拉强度随应变速率的增加幅度与应变速率的对数之间接近线性关系，可以用如下经验公式来描述：

式中，DIF(Dynamic Increase Factor)表示混凝土动抗压强度增长因子，fs为拟静态应变速率下的劈拉强度，fd为当前应变速率下劈拉强度，vd为当前应变速率，vs为拟静态应变速率；a、b为材料参数，通过对试验数据的提取可以得到．

采用式(1)利用最小二乘法分别对两者关系进行拟合，结果为：混凝土强度增量与应变速率关系变化如图3所示，拟合参数见表4，可以看出公式(1)能够较好地反映混凝土峰值应力值随应变速率的变化规律．

表4　干燥与饱和混凝土的直线拟合参数值

图3　混凝土强度增量与应变速率关系图

由表4可知，干燥混凝土与饱和混个凝土的拟合关系度较高说明直线拟合与本文试验结果吻合较好．从图3也可以看出，饱和混凝土的劈拉强度对应变率的敏感度比干燥混凝土的更加显著．

3声发射能量特性对比

图4为干燥与饱和混凝土试件在不同加载速率下劈拉试验过程声发射能量计数随时间的变化关系，纵坐标中N为AE能量计数瞬时值[5]．

图4　各应变速率下AE能量数与时间关系

从图4分析可得，加载前期，没有声发射能量信号，混凝土自身内部孔隙没有被压密，没有微裂纹的萌生．当荷载加载到一定程度时，能量信号增强，混凝土表面出现微裂纹，当接近破坏荷载时，能量信号持续密集增加，微裂缝向加载承压板方向扩展，在达到破坏荷载时，能量信号突增，发出断裂声，试件中心处沿加载轴逐渐分裂为两个半圆柱并继续承载，此时试件已经破坏，试验机上下两个压头与试件的接触点将发生压裂破坏，能量信号渐渐消失．

声发射能量信号的强弱反映了混凝土破坏时的能量释放过程．试件在不同应变速率下，试件在加载阶段产生声发射信号的过程规律差不多一样，只是出现能量信号的强弱和出现的时间有所差异．在应变速率为10-5/s、10-4/s和10-3/s，饱和混凝土出现的声发射能量峰值较早于干燥混凝土，随着加载应力的增加，损伤则不断地积累，并且以应变能的形式均匀地释放出来，饱和混凝土的能量信号在达到峰值前比较弱，而干燥混凝土在能量峰值前有较强的信号，干燥混凝土在劈拉加载破坏时贮存的能量比饱和混凝土的大．饱和混凝土试件内部产生损伤释放的应变能没有干燥混凝土的多，干燥混凝土需要较长时间和较多的能量累积才能劈裂破坏．无论是干燥混凝土还是饱和混凝土在破坏时声发射能量信号释放急剧增加，这是由于试件在劈拉过程中贮存在试件内部的能量集中迅速释放而引起的，材料裂缝扩展发生剧烈变化．

4损伤特性分析

材料内部的损伤大小由声发射信号的强弱变化直接反映，可利用损伤力学理论来建立分析声发射参量与材料变量之间关系的模型[6]．

定义损伤变量D为断面上微缺陷的面积Ad与无损时断面面积A的比值，即

假定材料无初始损伤，材料截面面积为A，截面完全劈拉破坏时累计声发射撞击总数为Zm，则材料完全破坏时单位面积微元的声发射撞击数为

则截面破坏面积Ad时，累计声发射数为

联立式(2)、(4)求解，可知声发射数与损伤变量间存在以下关系[7]即

通过基于材料缺陷面积定义的损伤变量与声发射撞击数建立相互联系，而声发射撞击数能反映材料内部损伤变化情况，两者结合具有一致性，所以式(5)表明利用声发射技术得到的撞击数可用来估计材料的损伤变量值．

本试验采用控制变形的加载方式，声发射信号将会在应变增加到一定的程度时而产生．试验在加载时，试件内部将会产生声发射撞击信号，应变不断增加，撞击计数不断累积直到破坏，它与完全破坏时的总累计撞击总数的比值得到损伤变量，具体计算见式(5)，干燥混凝土和饱和混凝土在不同应变速率下损伤演化规律曲线，如图5所示．

图5　各应变速率下损伤演化对比

由图5可知，干燥和饱和混凝土的劈拉损伤都经历了3个阶段：第一阶段，损伤起始阶段，此阶段混凝土内部缺陷变形以及应力集中导致开始产生局部损伤；第二阶段，损伤累积阶段，随着应变的增加，混凝土内部不断开裂，此阶段混凝土内部损伤增长较快；第三阶段，损伤失稳阶段，混凝土即将破坏，损伤急剧增加，试件完全劈裂破坏．当应变速率为10-5/s、10-4/s和10-3/s时，当应变增加时，饱和混凝土的损伤比干混凝土的损伤严重，应变速率为10-2/s，则相反．

对比文献[8，10-12]及本文试验测得，不同应变速率下混凝土劈拉强度的变化见表5．

表5　不同应变速率下混凝土抗拉强度提升幅值

由图也可知，劈拉试验不像混凝土受压试验，在加载初期，混凝土被压密实会产生发射信号[9]，劈拉试验加载初期没有裂隙压闭合现象，所以不产生声发射信号，当达到峰值应变时曲线斜率为0，试件失去承载力，而后短时间内没有声发射撞击数，曲线出现水平段，损伤变量为1，试件主要破坏面形成．在同种应变速率下，干燥混凝土和饱和混凝土开始产生损伤的应变不同，损伤积累路径有差异．在应变速率为10-5/s、10-4/s和10-3/s，干燥混凝土比饱和混凝土延迟了损伤的发展，较慢地进入破坏阶段，干燥混凝土达到破坏时经历的时间比饱和混凝土的多，所以，干燥混凝土比饱和混凝土较难损伤破坏．这也解释了干燥混凝土在低应变速率下的劈拉强度比饱和混凝土的大，应变速率为10-2/s，则相反，与其他学者研究[8]结论一致．

5结论

1)混凝土的劈拉强度随着应变速率的提高而增大；饱和混凝土对应变速率的敏感性比干燥混凝土的大．

2)在低应变速率下，饱和混凝土的劈拉强度比干燥混凝土劈拉强度小；在高应变速率时，饱和混凝土的劈拉强度比干燥混凝土劈拉强度大．

3)干燥混凝土在劈拉加载破坏时释放的能量的时间与能量比饱和混凝土的大，饱和混凝土出现的声发射能量峰值较早于干燥混凝土．

4)混凝土的劈拉损伤经历了损伤起始阶段、损伤累积阶段、损伤失稳阶段．在应变速率为10-5/s、10-4/s和10-3/s，干燥混凝土延迟了损伤的发展，较慢地进入破坏阶段，干燥混凝土达到破坏时经历的时间比饱和混凝土的多．

参考文献：

[1]胡时胜，王道荣，刘建飞．混凝土材料动态力学性能的实验研究[J]．工程力学，2001，115-120．

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[3]彭刚，王乾锋，梁春华．有压孔隙水环境中的混凝土动态抗压性能研究[J]．土木工程学报，2015，48(1)，11-18．

[4]Rossi P， Van Mier J G M， Boulay C． The Dynamic Behaviour of Concrete： Influence of Free Water[J]． Material and Structure， 1992， 25： 509-514．

[5]纪洪广．混凝土材料声发射性能研究与应用[M]．北京：煤炭工业出版社，2004．

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[9]闫晓鹏．混凝土静态和动态力学性能的试验研究[D]．太原：太原理工大学，2004．

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[责任编辑王康平]

Dynamic Splitting Tensile Behavior and Damage Mechanism of Concrete

Song Laizhong1Zhang Weipeng1Zhou Bin1Peng Gang2Tian Wei2

(1. College of Science, China Three Gorges Univ.,Yichang 443002, China；2. College of Civil Engineering & Architecture, China Three Gorges Univ, Yichang 443002, China)

AbstractThe dynamic splitting tensile test of dry and saturated concrete specimens under five different loading rates were completed using a large multifunction static and dynamic force triaxial apparatus.Statistical analysis of physico-mechanical parameters of concrete is carried out. The influence of strain rate and humidity on the splitting tensile strength of concrete is researched. The results show that the splitting tensile strengths of dry and saturated concretes are proportional to the strain rate; the splitting tensile strength of saturated concrete is more sensitive to strain rate than dry concrete; the splitting tensile strength of saturated concrete is lower than dry concrete under low strain rate, but is higher than dry concrete under high strain rate. The corresponding relationship of dry and saturated concretes among stress, time and synchronous acoustic emission parameter under different strain rates are established. On this basis, the splitting tensile damage characteristics of dry and saturated concretes are analyzed and compared using acoustic emission technology.

Keywordsconcrete;splitting;dynamic performance;damage

基金项目：湖北省科技支撑计划项目(2014BCB035)；硅酸盐建筑材料国家重点实验室(武汉理工大学)开放课题基金(No.SYSJJ2014-05)；三峡大学2014年硕士学位论文创新基金(CX2014004)

收稿日期：2015-09-02

中图分类号：TQ178

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2015)06-0010-05

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.002

通信作者：宋来忠(1962-)，男，教授，主要从事力学计算、计算机辅助几何设计等方面的研究工作．E-mail：slz@ctgu.edu.cn