轻集料混凝土的细观损伤研究

刘宗辉，潘燕秋

(1.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000；2.商丘学院 土木工程学院，河南 商丘 476000)

轻集料混凝土的细观损伤研究

刘宗辉1，潘燕秋2

(1.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000；2.商丘学院 土木工程学院，河南 商丘 476000)

从细观角度研究轻集料混凝土的动态损伤特性及损伤演化规律，对强度等级分别为LC30、LC40的全轻页岩陶粒混凝土棱柱体试件进行单轴受压下的声发射试验。试验结果表明:声发射参数振铃计数、能量、峰值频率与试件失稳破损过程各阶段存在对应关系，且页岩陶粒混凝土的声发射峰值频率可以用来判断混凝土的开裂对象；通过分析损伤过程中振铃计数的变化规律，建立了损伤变量与振铃计数之间的函数关系式；基于声发射三维空间定位技术，从细观上揭示了单轴受压下，页岩陶粒混凝土结构内部的损伤演化规律,即混凝土裂纹的萌生、发展、贯通的演化规律，对受载混凝土的内部结构变化有了更进一步的认识。关键词： 页岩陶粒混凝土；声发射；细观研究 ；损伤变量；空间定位

混凝土在受压过程中，会发生材料晶体间的滑移和错位，原始裂纹的扩展和连通，新生裂纹的萌生、扩展、贯通等现象，这将导致混凝土最终的宏观破坏[1]。混凝土细观研究的对象主要包括水泥砂浆、粗骨料以及两者间的黏结面等。普通混凝土中粗骨料的弹性模量要比水泥石的弹性模量大得多，在受力时两者产生的变形不同，因此会在粗骨料和水泥石的界面区产生横向拉应力，且由于存在墙壁效应，水分将会在粗骨料表面聚集，使界面区的水胶比较大，导致界面区强度较低。因此，对于普通混凝土来说，界面区是微裂纹的发源地[2-3]。对于轻骨料混凝土，由于强度较低，在承受荷载时往往成为混凝土破坏的薄弱环节，其强度主要取决于轻骨料自身的颗粒强度及砂浆强度[4-5]，因此不同龄期的陶粒混凝土的破坏既可能首先发生在砂浆界面或者陶粒，也可能发生在砂浆与陶粒的黏结面。

材料或构件在受力作用下产生变形或断裂时，以弹性波的形式释放应变能的现象称为声发射[6]。声发射检测技术包含电子技术、信号处理技术、计算机技术。通过该技术将声发射现象转化为人们利用和认识的信号，据此来解释损伤变化规律、确定声发射源的位置[7]。声发射检测技术因其实时、动态、方便、覆盖面广等优点，在混凝土结构中的应用引起越来越多的关注[8-9]。目前，声发射技术主要应用在混凝土断裂机理的研究[10-14]。刘茂军等[15]通过对不同强度等级的普通混凝土棱柱体试件进行声发射试验，得到的声发射特征曲线可以很好地反映混凝土材料内部损伤演化规律；Suzuki等[16]通过声发射速率理论对混凝土桥墩进行了损伤定量评估，证明了声发射技术在桥梁结构安全性监测上的可行性。由以上可知：声发射技术在普通混凝土的实时监测、损伤评估、断裂机理研究等方面的应用越来越广泛，但是在轻骨料混凝土中的应用却几乎没有。对于轻骨料如页岩陶粒，由于其多孔性、较低的筒压强度、使用前需要提前预湿及粗骨料的软化效应，导致其混凝土存在多重损伤。鉴于此，对轻集料混凝土进行损伤细观研究具有重大的意义。

本文借助声发射这一研究手段，从细观角度出发，研究不同强度等级全轻页岩陶粒混凝土单轴受压后的损伤规律；建立了振铃计数、能量与到达时间之间的关系，以及峰值频率与能量的关系，以此来分析全轻页岩陶粒混凝土的损伤变化过程；借助声发射振铃计数这一参数，建立了声发射统计损伤模型，并通过声发射三维空间定位技术对声发射源进行空间定位，对未来研究轻集料混凝土损伤、耐久性及可靠性提供了理论指导和试验支持。

1 试验概述

1.1 试件设计制作

1.1.1 原材料

混凝土原材料分别为：页岩陶粒和页岩陶砂(以下分别简称陶粒和陶砂，色泽为青灰色)，最大粒径为15 mm，其中，陶粒的堆积密度为660 kg/m3，陶砂的堆积密度为880 kg/m3；水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰为二级粉煤灰；减水剂为聚羧酸母液高效减水剂，减水率为40%，掺量为胶凝材料的0.4%～0.5%；水为自来水。

1.1.2 试件制作

全轻页岩陶粒混凝土(ALWC)配合比如表1所示。LC30、LC40每组3个共计6个，试件尺寸为100 mm×100 mm×300 mm，同时预留3个100 mm×100 mm×100 mm立方体试件用来测试立方体抗压强度，标准养护28 d。

表1 全轻混凝土的配合比与强度值

注：W/B表示水胶比；fcu28 d表示28 d立方体抗压强度。

1.2 试验方案

声发射数据采集系统为DS2系列全信息声发射信号分析仪，加载设备为WES-1000B液晶显示万能试验机。试验前用砂纸将试件表面磨平，测量尺寸并检查外观的完整性。混凝土试件在加载过程中，当试件内部出现裂纹后，为了防止微裂纹对弹性波传播的影响，以及压力试验机上下压头机械噪声及摩擦噪声的影响，将传感器固定在试件上下端部50 mm处，传感器涂抹凡士林后用夹具固定在试件表面，如图3所示。压力试验系统如图4所示。

图3 传感器布置图 图4 试验系统图

在进行单轴压缩实验前，首先对LC30混凝土试件进行断铅试验，在试件表面距离传感器约10 cm的位置进行断铅，断铅时铅芯与试件表面呈30°，铅芯长度约为2 mm，共进行4次断铅试验，最终确定声发射参数为：门槛值取45 dB，前置放大器和主放大器的增益均为40 dB,时间参数PDT、HDT、HLT分别取260 μs、750 μs、1 100 μs。

先启动试验机进行预加载，观察试验是否正常，再对试件匀速加载，直至试件破坏，加载速率0.05 MPa/s。

2 试验结果及分析

2.1 加载现象及破坏形态

图5 试件破坏形态

在加载初始阶段，试件处于压密过程，混凝土应变较小，骨料和砂浆主要发生弹性变形，声发射信号稀疏且强度较小，试件棱角处有不同程度压碎脱落；随着荷载的不断增加，混凝土的应变也逐渐增大，在试件的表面有细微裂缝的产生并逐渐扩展，此时声发射信号强度增强，当施加荷载接近极限荷载时，试件发出破裂声，此时试件表面裂缝迅速扩展直至贯通，当施加荷载达到极限荷载时，试件发生破坏，并伴随有沉闷的破裂声。试件内部的巨大能量被释放出来，此时声发射信号急剧增长，且高频信号比例较高，图5为试件破坏照片，试件的破坏形态与小柱破坏类似，观察破碎的试件，可以看到试件的断裂面相对规整和平滑，试件断面处的页岩陶粒均发生断裂。

2.2 混凝土试件损伤过程声发射参数分析

2.2.1 声发射能量分析

能量是衡量试件声发射强度的重要参数，声发射能量分析法通常以能量值和能量率两种数据形式给出。图6是单轴受压作用下，LC30、LC40试件的声发射能量时程图，试验观察发现，混凝土在轴向受压时采集到的声发射信号具有连续性，大部分加载过程中，混凝土试件内部的能量释放是比较平衡的，在某些时间点能量率曲线会出现突起，表明此时试件把之前内部经历较长时间积累的能量释放出来。这些突变点往往都是试件内部损伤变化剧烈的时刻。声发射的能量时程图可划分为三个不同的阶段：即初始裂纹阶段、初始裂纹的稳定发展和新裂纹的产生阶段、新裂纹的扩展与贯通，直至试件的破坏阶段。

(1)LC30、LC40混凝土试件分别在0～37 s、0～20 s的时间段。在该阶段基本上没有能量释放，此时试件的应力值也相对较小，分别为1.6 MPa、1.2 MPa，说明此时声发射信号数量很少，试件内部几乎没有新的裂纹产生。

(2)LC30、LC40混凝土试件分别在37～350 s、20～630 s的时间段。随着荷载的增加，声发射信号能量开始增加，该阶段声发射能量值较小，声发射能量信号的变化幅度亦较小，说明此时混凝土内部的微裂纹处于比较稳定的发展阶段。由于试验所用页岩陶粒的弹性模量仅为1.2×104MPa，远远小于28 d龄期砂浆基体的弹性模量，且28 d时陶粒相对于陶粒与砂浆的黏结面而言相对较弱，所以说产生裂纹的部位在陶粒。对于普通混凝土，骨料的弹性模量较水泥石高得多，黏结面处强度较低，因此，黏结面是内部裂纹的发源地。

(3)LC30、LC40混凝土试件分别在在350～680 s、630～845 s的时间段。此阶段声发射能量快速提高，且能量值一直处于较高水平，说明此时微裂纹开始穿过陶粒，在这种情况下，陶粒抑制裂纹发展的能力丧失，裂纹开始传播到水泥砂浆并引起裂纹的迅速扩展与贯通，试件被完全压碎，能量出现最大值，此后，由于试件还存在残余承载力，继续施加荷载，声发射能量曲线逐渐减小直至消失。对于LC30、LC40混凝土试件分别在355 s、740 s也出现较大的能量值，原因可能是在试件内部存在个别强度比较高的页岩陶粒，裂纹贯穿时需要较大的能量。

通过对比图7与图6可以看出，到达时间-累积能量曲线同样具有三阶段特性：即初始裂纹阶段、初始裂纹的稳定发展和新裂纹的产生阶段、新裂纹的扩展与贯通，直至试件的破坏阶段。

图6 声发射能量计数

图7 声发射能量累积数

2.2.2 声发射振铃计数分析

图8 声发射振铃计数

振铃计数是衡量声发射活跃性的重要参数，振铃计数越高，说明试件内部的声发射越活跃。由图8可以看出，声发射振铃计数时程曲线与声发射能量时程图一样，同样具有三阶段特性：

第I阶段，几乎没有声发射活动产生，随着荷载的增加，微裂纹遇到粗骨料等较大阻力时，在裂纹处不断积累能量，当能量增加到可以使骨料开裂时，进入第II阶段。在第II阶段，裂缝开始贯穿粗骨料以及黏结面，声发射振铃计数突然增加，随着荷载的进一步增加，试件内部裂纹扩展到试件表面，且裂纹能够直接观察到，在该阶段部分粗骨料被裂缝贯穿，且粗骨料与砂浆的黏结面也开始出现脱开现象，但是在试件内部仍然存在大量粗骨料可以阻止裂缝的发展，故结构仍然具有较大的承载力。第III阶段，随着荷载的进一步增大，越来越多的裂缝被贯穿，材料开始进入失稳阶段。声发射振铃计数突然增加，试件的承载力迅速降低。由图9可知，声发射振铃累积数同样表现出三阶段特性，在加载初期几乎没有声发射信号，且能量较低，振铃计数很少，所以累积振铃数几乎为零；随着应力的增加，声发射信号开始增多，且能量增加，振铃数增加，振铃累积数随之增加；在加载后期试件发生破坏，声发射信号急剧增加，能量值增加明显，振铃计数也增加迅速，累积振铃数突增。

通过对比LC30、LC40混凝土的振铃累计数以及能量累计数可知，LC30与LC40混凝土的振铃累计数以及能量累积相差很大，主要原因是LC40混凝土的水胶比小于LC30混凝土，混凝土内部更加密实，孔隙率更小，骨料与砂浆黏结面的强度以及水泥石的强度都高于LC30混凝土，因此LC40混凝土破坏时会释放更多能量，破坏更加剧烈，振铃数也相对较多。

图9 声发射振铃累积数

2.2.3 声发射统计损伤模型

由前文的分析可知，混凝土的损伤和声发射信号之间存在一定的相关性，可以实时、准确的反应混凝土内部的损伤变化规律，因此可以利用损伤理论建立声发射损伤模型。

定义混凝土材料断面上微观缺陷的面积A与无损时截面面积A0的比值为损伤变量D，那么：

(1)

当混凝土材料截面面积为A0时，材料完全破坏产生的声发射事件总数为N0,那么单位面积破坏时产生的声发射事件数为：

(2)

混凝土在受压过程中，当截面面积为A时，累积声发射事件数为：

(3)

由式(1)、(3)可知，声发射事件数与损伤变量的关系为：

(4)

对于准脆性材料混凝土，可用应变ε表达混凝土的损伤规律：

(5)

由公式 (4)、(5)得：

(6)

(7)

f(x)为概率密度函数，F(X)为概率分布函数。式(4)～(7)为声发射统计损伤模型。

2.2.4 声发射信号频率分布

图10为在不同应力作用下，LC30混凝土试件在单轴受压过程中声发射信号能量的频率分布图。由图10可以看出，在不同应力作用下声发射信号的频率也发生改变。当应力为10MPa时,频率为0～50kHz的声发射信号较多，但是声发射信号的能量值较小；随着应力的进一步增加，当应力为20MPa时，声发射信号数量没有发生较大的变化，但是能量有较大幅度的增加，造成这种现象的根本原因在于页岩陶粒混凝土的破坏过程存在多种破坏形式，其中，最重要的为水泥砂浆与陶粒的黏结面开裂、水泥砂浆开裂、粗骨料陶粒的开裂，这几种破坏形式都与应力的大小存在直接的关系。对整个单轴受压声发射过程的频率分布进行分析可以看出，30kHz的信号在受压过程都有出现，且能量值较大，此时为粗骨料页岩陶粒的破坏引起的。而对于频率为170kHz的声发射信号在应力达到极限值时能量值有大幅度增加，该阶段可认为是水泥砂浆和粗骨料的黏结面界面以及水泥砂浆的开裂引起的。

图10 LC30混凝土声发射能量的频率分布

2.2.5 受载混凝土声发射空间定位研究

混凝土试件在单轴受压过程中，裂纹的发展最终导致混凝土试件的宏观破坏，但是通过试验不能观察到试件内部结构的破坏形态，为了进一步了解混凝土内部结构的变化，对混凝土试件破坏过程进行定位显得尤为重要。下文从三维空间图进一步分析裂纹的发展过程。图11为LC30混凝土试件各阶段混凝土声发射事件的三维空间分布图，从图11中可以直观地了解到各个应力阶段混凝土内部裂纹的发展状况。混凝土在0.2 fcu阶段内，声发射事件数相对较少，在0.2～0.8 fcu内为声发射信号活跃的阶段，此时声发射事件在试件的左右两侧逐渐集聚。混凝土试件在0.4 fcu时，声发射事件开始出现明显的集聚现象，上部的声发射数较下部多，左右两侧相对较多。随着荷载的进一步增加，声发射事件集聚现象更为明显，说明在0.4 fcu时试件内部的裂纹就开始发展演化，荷载的增加会加快裂纹的扩展、贯通，直至最后试件的破坏。图中的声发射事件定位图与单轴受压试验中的棱柱体的小柱破坏相符合。

图11 声发射信号源累积空间分布

3 结论

(1)声发射特征参数振铃、能量可以准确地反映在受压作用下页岩陶粒混凝土的内部损伤发展状况，页岩陶粒混凝土的破坏过程与普通混凝土相同，同样具有三阶段特性，即：初始裂纹阶段、初始裂纹的稳定发展和新裂纹的产生阶段、新裂纹的扩展与贯通，直至试件的破坏阶段；

(2)页岩陶粒混凝土发生破坏的位置首先出现在页岩陶粒处，当陶粒中的裂纹扩展到砂浆时会迅速贯通，进而使混凝土破坏。通过分析不同受力阶段页岩陶粒混凝土的峰值频率与能量的对应关系，可以判断页岩陶粒以及页岩陶粒与砂浆黏结面的开裂频率；

(3)声发射事件数可以用来定义页岩陶粒混凝土材料的损伤变量，并建立声发射统计损伤模型；

(4)三维空间定位可反映页岩陶粒混凝土在受压过程中结构内部的损伤演化规律，便于从微观上分析混凝土内部的损伤。

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Study on meso damage of lightweight aggregate concrete

LIU Zong-hui1, PAN Yan-qiu2

(1.SchoolofCivilEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China;2.SchoolofCivilEngineering,ShangqiuUniversity,Shangqiu476000,China)

In order to study the dynamic damage characteristics and damage evolution law of lightweight aggregate concrete in the view of mesoscopic point, the acoustic emission test of full lightweight shale ceramsite aggregate concrete whose strength grade were LC30 and LC40 under uniaxial compression were processed. Research shows that it has corresponding relationship between the different failure damage stages and parameters of acoustic emission of counts, energy, peak frequency, instability. The peak frequency of the acoustic emission of shale concrete could be used to judge the cracking of concrete. Through the analysis of the change of counting process of damage, the function relation between the damage variable and ringing count is established. The damage evolution law of shale ceramsite concrete structure, namely the initiation, development and penetration of concrete crack has been found based on three-dimensional positioning of acoustic emission from the microscopic view and under the uniaxial compression, which further understands the internal structure change of the loaded concrete.

damage; shale aggregate concrete; acoustic emission; meso study; damage variable; spatial localization

2016-11-28

国家自然科学基金项目(41172317)

刘宗辉(1989—)，男，河南平顶山人，硕士研究生。

1674-7046(2017)01-0007-09

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.01.002

TU528.2

A