基于声发射循环加卸载时侧压混凝土损伤特性研究

马小亮，彭 刚，吴 彬，胡伟华

(1.三峡大学 土木与建筑学院, 湖北 宜昌 443002; 2.湖北工业职业技术学院 建筑工程系，湖北 十堰 443000；3. 十堰市建筑设计研究院，湖北 十堰 443000)



基于声发射循环加卸载时侧压混凝土损伤特性研究

马小亮1，彭 刚1，吴 彬2，胡伟华3

(1.三峡大学 土木与建筑学院, 湖北 宜昌 443002; 2.湖北工业职业技术学院 建筑工程系，湖北 十堰 443000；3. 十堰市建筑设计研究院，湖北 十堰 443000)

在水平单向侧压应力作用下，进行了竖向等应变步长循环加卸载的混凝土抗压性能试验。对不同侧应力状态下的外包络线、共同点轨迹线和循环加卸载全曲线进行了分析，研究了侧应力对累积残余塑性应变和刚度退化的影响，探索了混凝土在加载全过程中的能量释放特性，基于声发射事件数构建的损伤变量分析了混凝土的损伤规律。研究结果表明：①在整个循环加卸载试验过程中，声发射事件数主要集中在峰值应力以前，峰值应力以后出现较少，峰值应力后的声发射能量随侧向压应力的增大而增大；②混凝土刚度退化速度及累积残余塑性应变随侧压应力的增加而减小；③不同侧向压应力下混凝土损伤发展路径各异，侧压应力越高，损伤路径越短，水平与竖向荷载间的大小比例，决定了混凝土损伤的主导因素与损伤机制。

混凝土；循环荷载；声发射；损伤特性；刚度退化

1 研究背景

混凝土是工程建设中最常见的材料，对其力学性能的研究[1-9]自其诞生从未停止。当混凝土结构在遭遇地震激励、风致振动、设备与交通设施冲击等荷载的作用下，材料常处于动态复杂应力状态，与目前工程界在进行结构响应分析时采用的材料静态力学理论有较大差异，结构动态损伤机理、损伤描述、实际受力状态下的安全性等问题有待进一步研究。对于复杂应力状态下混凝土的力学特性和损伤规律，由于实验设备和试验手段的限制，相关的研究进展缓慢。

因此，本文结合实际工程中可能出现的工况，对混凝土材料进行了单向侧压作用下等应变步长循环受压混凝土的损伤特性研究，构建了基于声发射参数的损伤描述方法，并在此基础上对混凝土的动态损伤机理进行了研究。

2 试验设备及试验技术

2.1 加载试验设备介绍

试验采用10 MN的微机控制电液伺服大型多功能实验动静力三轴仪。如图1所示，该设备主要由加载框架EDC控制器、数据采集系统、伺服液压动力系统等几个部分组成。

图1 力学试验设备

该三轴仪竖向的最大出力为10 000 kN，侧向最大出力5 000 kN；油缸竖向行程为400 mm，水平活塞行程为200 mm；整机刚度为2 GN/m；设备油箱体积为3 000 L，最大油压为28 MPa，油泵流量为500 L/min，功率为150 kW。

EDC控制系统的采样频率可取至0.002 s，最大可存储30万组样本数据。可采用负荷、变形、位移等多种方式对3个方向的加载速度进行调控，可实现矩形波、三角形波、正弦波等多种波形的加载方式，记录数据并反馈相关信息，实现存储、处理试验数能实时自动采集相据的同步进行，同时具有较好的软件接口与友好的交互界面等特点。

2.2 SAEU2S声发射系统

声发射数据采集系统由北京声华兴业科技有限公司生产，该仪器设有SAEU2S多通道声发射装置，系统提供6通道接口。如图2所示，每个通道由声发射传感器、放大器和数据采集卡构成。该系统能在混凝土试块加载时实时采集和显示试验参数和声发射波形并自动存储，能够满足试验应用的相关要求。

图2 声发射部件

Fig.2 Acoustic emission components

2.3 试件制作及养护

2.3.1 原材料选用

水泥选用袁弘水泥有限公司生产的PO42.5水泥，经过水泥胶砂试验测得其3,28 d龄期的抗压、抗折强度均可以满足国内现行的规范要求；取市政饮用自来水拌合；选用5～40 mm级配连续的碎石为粗骨料；细骨料选用细度模数为2.3且级配连续的天然河砂。

2.3.2 配合比设计

试验所用试件为150 mm的标准立方体试件，依据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55—2011)设计其配合比为0.50∶1.00∶2.04∶3.96(水∶水泥∶砂∶石子)，其中小石(5～20 mm)与中石(20～40 mm)比例为4∶6。

2.3.3 试件制作及养护加工

为使骨料与水泥混合均匀，在试件浇筑过程中采用先干拌后加水湿拌的机械搅拌方式，搅拌均匀后将混凝土浇筑在塑料模具中，并在振动台上振捣密实，48 h后脱模。按20～40 mm的间距摆放，标准养护28 d后，将试件置于自然环境中，试验时的龄期为11个月。

2.4 试验过程

(1) 试样装配：①安装试件前，用磨砂纸对试件前后中心位置(声发射探头黏贴处)进行打磨处理，去除表面污渍及尘土；②把试件安放在底部垫板上，再在试件上表面及左右侧面(侧压为0时除外)加上配套的传力垫块，试件装好后，将装样小车沿轨道推至下置式作动器活塞中心，调整上方传力柱至对中位置；③安装竖向变形计并确保其竖向铅锤，以黄油为耦合剂在预先打磨好的位置安装声发射探头并对其进行状态测试，按表1进行声发射参数设置。

表1 声发射文件的参数设置

(2) 加载试验过程：①预加载5 kN,试件与竖向传力柱接触后对竖向变形计进行清零处理；②施加侧应力至预定水平侧压力值并进行水平向变形计的清零处理；③在水平侧压保持不变的情况下，按事先设置好的等应变步长循环加载程序对试件实施加载，同步启动声发射仪进行声发射数据采集。

3 弹性模量及变形特性分析

3.1 特征曲线定义及特性分析

本文将循环加卸载所得应力-应变曲线外轮廓描绘所得光滑曲线定义为“骨架线”。循环加卸载曲线中，将卸载曲线与再加载曲线的交点定义为“共同点”，将多次加卸载所得全部共同点用光滑曲线依次相连，即为共同点轨迹线。图3为不同侧应力下的包络线及共同点轨迹线。

图3 不同侧压应力作用下的应力-应变关系

从图3可见，混凝土在循环加卸载作用下的外包络线与单调加载时的应力-应变曲线形状相似，共同点轨迹线与相应外包络线形状也存在较大相似性，平移后两者大致重合；在相邻2次循环中，卸载曲线和再加载曲线会相交，构成1个完整的封闭滞回环，前1次循环中共同点以下的应力卸载阶段曲线和后1次循环中共同点以下的加载阶段曲线基本呈线性。

观察各曲线发现，在等应变步长循环加卸载作用下，随循环次数的增加，加载曲线的斜率不断减小，表现出刚度退化现象。每次卸载时都表现出应力下降迅速，而应变的恢复却较小，应力降至共同点之前，卸载曲线基本垂直向下，应变基本没有恢复，但随应力的继续降低，应变恢复速度慢慢加快，当应力降至低于原有卸载应力的20%～30%时，变形恢复速度很快。分析认为，这一现象是由混凝土的塑性引起的应变恢复滞后现象。每次应力卸载至0时，混凝土都会产生残余应变，随循环加载次数的增加,累积残余应变相应增加。

3.2 刚度退化特性分析

为研究混凝土在循环加卸载过程中的损伤情况以及混凝土的刚度退化规律，取初始弹性模量为E0，将加载点和卸载点之间的连线斜率取为刚度E2，并定义刚度退化率为二者的比值E2/E0。采用S=ε/ε0将变量进行无量纲的归一处理，其中，ε为卸载点应变，ε0为峰值应变。图4为典型循环加卸载曲线，图中虚斜线表示割线模量E2。

图4 侧压应力为0时应力-应变曲线

对于等应变步长循环加卸载中再加载曲线的割线模量和初始弹性模量的比值同卸载过程中的某点应变之间的关系满足Student’st分布[10]，具体表达式如式(1)所示。

(1)

式中：S*,αE,n为3个参数；S*值表示E2/E0为最大时所对应的应变；αE值表示E2/E0提高的最大幅度。

利用式(1)对定侧压循环加卸载下的刚度退化规律进行拟合验证分析，拟合参数见表2，拟合结果如图5所示。

表2 参数S*,αE,n及回归系数R2计算值

图5 不同侧压应力下的刚度退化规律

由图5和表2可知，式(1)能较好地描述刚度退化的变化规律。由图5可知，当S较小时，割线模量E2大于或等于原始弹性模量E0。当S大于某一值后，割线模量E2小于原始弹性模量E0。分析认为，混凝土材料是多相非均质复合材料，内部存在一定量的微裂纹等缺陷，开始加载时，应力水平相对较小，该应力使原有内部微裂纹等初始缺陷由于压缩而变密实，弹性模量略有增加。随应力水平的不断增大，混凝土内部裂纹逆转为扩张、新裂纹产生的状态。由于内部损伤的不断加剧，从而导致割线模量的不断下降。

3.3 累积残余塑性应变的分析

通过对循环曲线中的累积残余塑性应变试验数据进行回归分析可得，混凝土累积残余塑性应变和卸载点应变的关系可采用式(2)表示。

(2)

对公式(2)进行归一化后有SP=εP/ε0。式中：ε0为峰值点处应变；εp为卸载至0时的累积残余塑性应变；a和b为累积残余塑性应变参数。利用式(2)得到混凝土在不同侧应力下的拟合参数a,b和回归系数R2值见表3所示，拟合结果见图6所示。

表3 拟合参数a，b及回归系数R2计算值

图6 不同侧压应力下累积残余塑性应变与应变的关系

由图6和表3可见，式(2)能较好地拟合试验曲线。分析认为，在试验开始阶段，累积残余塑性应变曲线呈非线性，随卸载点应变的增大，累积残余塑性应变的增长缓慢。循环加卸载前期混凝土材料产生弹性变形，卸载后变形基本得到恢复。随循环次数的增多，混凝土内部损伤逐渐增大，弹性变形逐渐减小，累积残余塑性应变基本呈线性增长。

4 基于声发射参数的混凝土损伤特性研究

4.1 声发射参数与应力的关系

在承受荷载作用时，混凝土试块内部的变化会引起声发射信号的产生，这些信号能够反映材料内部的损伤情况[11]。在本次试验中，将获得的声发射能量信号与应力值在时间轴上进行叠加，得到如图7所示的不同侧应力下混凝土试件声发射能量、应力在时间轴上的对应关系。图7中，纵坐标中的σ0表示峰值应力、N表示AE能量瞬时值，Nmax表示AE能量最大值。

图7 不同侧压应力下AE能量与应力在时间轴上的对应关系

由图7可知，在单个循环加卸载过程中，声发射能量主要是出现在曲线的加载阶段，在卸载阶段出现的声发射能量很少。分析认为，这一现象表明了在前一次加载过程中形成的裂缝在卸载时基本闭合，在未达到历史上承受过的最大应变前不会有新裂缝再产生，也就是说，在卸载或再加载至历史上出现过的最大应变以前将不会产生新的损伤。但再加载曲线经过共同点后斜率减小，说明试件纵向应变超出原卸载时的最大应变而快速增长，表明又有新的裂缝产生与扩张，损伤继续累积增大。

由图7及图8可见，在单个循环加卸载过程中，当侧应力为0时，卸载段几乎没有声发射能量出现；随侧应力的增大，当应力卸载到一定程度时，出现了声发射信号。当竖向力卸载到侧应力大于竖向应力时，在侧应力的挤压作用下，混凝土内部再次产生声发射信号，当竖向力卸载到0时，在此阶段内声发射能量达到最大。在整个循环加卸载过程中，声发射能量又主要集中在峰值应力以前，峰值应力以后出现得很少；峰值应力后的声发射能量随侧压应力的增加而增大。

图8 侧压应力为0.5fc时AE能量与应力关系的局部放大图

分析认为，水平向荷载与竖向荷载大小间的比例关系，决定了混凝土损伤的主导因素与损伤机制。加载段由超过历史水平的竖向荷载导致垂直向损伤产生，混凝土产生水平横向膨胀变形；当进入卸载阶段后，随着竖向荷载的减小，混凝土出现竖向回弹而产生可恢复应变，同步水平向也产生弹性回缩；当竖向荷载继续下降至双向弹性应变完成时，在水平荷载的驱动下，水平向进入被压缩阶段，从而出现新的损伤。

4.2 声发射参数与应变的关系

图9 不同侧压应力下AE能量与应变在时间轴上的对应关系

4.3 损伤特性分析

文献[12]将微缺陷断面上的面积Ad与无耗损时断面面积A的比值定义为损伤变量D，即

(3)

假定材料没有初始损伤，截面积为A，截面在完全破坏时的累积声发射能量总数为Nm，则单位面积的微元破坏时产生的声发射能量为

(4)

截面破坏面积为Ad时，累积声发射数可表示为

(5)

比较式(3)与式(5)可知，声发射事件数与损伤变量之间存在如下关系,即

(6)

式(6)表明，声发射事件数与损伤破坏程度具有相关性，可见将声发射事件数用于损伤变量值的估计是可行的。

根据式(6)得到如图10所示在不同侧压应力作用下竖向循环加卸载导致的混凝土损伤演化过程。由图10可见，在侧应力较低时线性增长段的斜率比侧应力较高时大，说明无侧应力或低侧应力水平下，随循环次数的增加，损伤增长迅速。而侧应力较高时，由于侧应力的约束作用，随循环次数的增加，损伤增长速度相对较慢。

图10 不同侧压应力下的损伤演化规律Fig.10 Damageevolutionregularityunderdifferentlateralstresses

在不同侧应力下，混凝土损伤的演化路径各不相同，但共同点是损伤演化的起点和终点重合。循环加卸载的过程，实质上就是一个损伤累积与演化的过程，当侧应力较小时，前期损伤累积较大，后期趋于平缓，有一个水平段。随侧应力的增大，损伤累积的路径大幅度缩减而很快进入破坏阶段。

5 结 论

本文对不同侧压时混凝土循环加卸载曲线及其外包络线、共同点轨迹作了分析，并对混凝土材料的累积残余塑性应变的演化规律、刚度退化规律以及损伤特性进行了研究，得到以下几方面的结论。

(1) 在单个循环加卸载过程中，声发射能量数主要出现在加载阶段，卸载阶段出现较少，卸载段的声发射能量随侧压应力的增加而增加；在试验的整个循环加卸载过程中，声发射事件数主要集中在峰值应力以前，峰值应力以后出现较少，峰值应力后的声发射能量随侧向压应力的增大而增大。

(2) 混凝土刚度退化速度及累积残余塑性应变随侧压应力的增加而减小。

(3) 损伤变量的值随累积残余塑性应变的增加而增大，且其速度呈先增加后减小的规律，损伤演化过程可大致分为损伤起始、损伤线性增长、损伤失稳3个阶段。

(4) 不同侧向压应力时的材料损伤演化路径略有区别，但损伤发展的起点和终点总是重合的，侧向压应力越高，损伤路径越短，水平与竖向荷载间的大小比例，决定了混凝土损伤的主导因素与损伤机制。

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(编辑：刘运飞)

Damage Characteristics of Concrete under LateralStress and Vertical Cyclic Loading and Unloading Based on Acoustic Emission

MA Xiao-liang1, PENG Gang1,WU Bin2, HU Wei-hua3

(1.College of Civil Engineering & Architecture, Three Gorges University, Yichang 443002, China;2.Architectural Engineering Department, Hubei Industrial Polytechnic, Shiyan 443000, China;3.Shiyan Architectural Design Institute, Shiyan 443000, China)

The compressive performance of concrete was tested under uniaxial lateral stress and vertically equal strain cyclic loading and unloading. The envelopes, cyclic loading and unloading curves, and common-point (point of the intersection between unloading curve and reloading curve) tracks under different lateral stresses were analyzed. Moreover, the influence of lateral stress on stiffness degradation and cumulative residual plastic strain was studied. The energy release characteristics in the whole loading process were explored, and the damage characteristics of concrete were analyzed based on the damage variable determined by the number of AE event. Results revealed that 1) throughout the course of cyclic loading and unloading tests, the number of AE event was concentrated before the peak stress, and became less after the peak stress, and the AE energy also increased with the increase of lateral stress after peak stress; 2) with the increase of lateral compressive stress, concrete’s stiffness degradation rate and accumulated residual plastic strain decreased; 3) the damage development path was different under different lateral stresses. The higher the lateral stress, the shorter the damage path. The size ratio between horizontal and vertical loads determines the dominant factors and damage mechanism of concrete.

concrete; cyclic loading; acoustic emission; damage characteristics; stiffness degradation

2015-11-19；

2015-12-13

国家自然科学基金(51279092)；三峡大学培优基金(2016PY025)

马小亮(1990-)，男，甘肃陇南人，硕士研究生，研究方向为混凝土材料动力特性及结构抗震，(电话)15572778516(电子信箱)makell77@126.com 。

彭 刚(1963-)，男，湖南岳阳人，教授，博士生导师，研究方向为混凝土材料动力特性及结构抗震，(电话)13972604433(电子信箱)gpeng158@126.com。

10.11988/ckyyb.20150984

2017,34(1):135-141

TU502.6

A

1001-5485(2017)01-0135-07