橡胶自密实混凝土弯拉破坏的声发射特性分析

刘嘉勇 张蓓蓓

摘 要 为了研究不同橡胶掺量的自密实混凝土的声发射特征，本文进行了橡胶掺量为0，10%，20%和30%的自密实混凝土的四点弯拉试验，同时采用声发射仪器进行监测。研究结果表明：声发射技术可以识别初始损伤点，随着橡胶掺量的增加，初始损伤点对应变形相近。基于声发射能量曲线分析说明橡胶可以改善自密实混凝土的裂缝扩展形态。因此，声发射技术可以定性的表征橡胶自密实混凝土的破坏特征。

关键词 橡胶自密实混凝土;四点弯拉;橡胶掺量;声发射技术

引言

橡胶自密实混凝土既具有橡胶混凝土和自密实混凝土的优势，大大提高施工效率、混凝土延性、抗冲击性能，同时能够减少橡胶的堆积，保护环境[1]。很多学者[2，3]对橡胶自密实混凝土性能的研究结果发现随着橡胶掺量的增加，其疲劳性能和延性增加，但是对于橡胶自密实混凝土的破坏行为研究较少。为了进一步描述橡胶自密实混凝土的破坏特征，部分学者采用声发射技术进行监测，分析声发射特征参数与橡胶自密实混凝土性能之间的定量或定性关系。Han等[4]利用声发射技术研究了不同橡胶掺量的橡胶混凝土的断裂能和声发射能量之间的关系，验证了断裂能和声发射能量之间的线性相关性。陈徐东等[5]利用声发射技术分析橡胶掺量对橡胶自密实混凝土断裂过程区的影响，揭示了橡胶自密实混凝土断裂破坏特征。基于上述研究，本文拟分析橡胶掺量对橡胶自密实混凝土在四点弯荷载作用下的声发射信号特征的影响，为实际工程中的声发射信号监测及分析提供理论基础。

1试验材料及方法

1.1 试验材料

本文使用的橡胶自密实混凝土的配合比如下表所示，橡胶掺量分别为0%，10%，20%和30%。使用的水泥为马鞍山海螺水泥厂生产的PO.42.5 普通硅酸盐水泥。砂为河砂，细度模数为2.36。石子为石灰岩碎石，最大粒径为19mm。橡胶颗粒是通过在橡胶轮胎上切割得到，密度为1.047kg/m3。硅灰为成都卓越四方环境科技有限公司生产的硅灰，满足规范《砂浆和混凝土用硅灰》（GBT27690-2011）要求。粉煤灰为II级粉煤灰。减水剂为南京瑞迪材料有限公司生产的聚羧酸高效减水剂。

1.2 试验方法

本文采用MTS 322液压伺服试验机进行橡胶自密实混凝土的四点弯拉试验。其中跨距为300mm，加载位置为跨中的两个三分点处。试件底部纯弯段区域布置引伸计，用于测量应变。同时采用引伸计控制加载，加载速率为0.001mm/s。同时，采用美国PAC公司生产的声发射设备进行声发射信号的监测，声发射信号布置形式如图1所示。在试件和声发射探头接触位置，涂抹少量的凡士林，以减小声信号的衰减。本文设置的声发射信号的门槛值为35dB。

2试验结果分析

2.1 力学性能分析

如图2所示为不同橡胶掺量的橡膠自密实混凝土的荷载-应变曲线，从图中可以看出，随着橡胶掺量的增加，荷载-应变曲线更加平滑，峰后段更加平缓，且峰值荷载值降低，峰值荷载对应的应变增加。主要原因是随着橡胶掺量的增加，更多的能量被吸收，从而增加韧性，峰值应变增加。但是由于橡胶与水泥基体之间的界面强度小于骨料与混凝土之间的界面强度，从而导致其强度的降低。

2.2 声发射信号分析

（1） 声发射撞击数

如图3所示为不同橡胶掺量的自密实混凝土弯拉加载过程中的累计声发射撞击数的变化，在峰值荷载前，声发射活性较低。峰值荷载后，声发射活性迅速增加，但是随着橡胶掺量的增大，声发射计数变化斜率下降。最后由于混凝土存在边界效应，声发射活性降低，增加趋势变缓。因此，根据混凝土的荷载-时间特性，将声发射累积计数曲线在整个加载过程中划分为两个区域，如图4所示。

区域1：在这个区域，声发射累计撞击数的发生没有明显的变化。荷载-应变曲线为线性段，橡胶自密实混凝土处于弹性范围。

区域2：橡胶自密实混凝土试件处于非弹性阶段，微裂缝开始形成并发展。荷载曲线从A点开始进入非线性段，从对应的累计声发射撞击数去向的B点开始曲线斜率有明显的变化。结果表明，此时外部荷载约为极限荷载的90%。在这个阶段，微裂纹开始在试样内部产生。到达梁的承载能力后，声发射事件不断增加，荷载-应变曲线开始下降。

综上所述，声发射累计撞击数可以描述橡胶自密实混凝土破坏全过程，且可以识别不同掺量橡胶自密实混凝土的初始损伤点，同时对比研究发现，随着自密实混凝土中橡胶掺量的不同，初始损伤点的位置相近，此时说明橡胶自密实混凝土的起裂时的变形与橡胶掺量无关，主要与基体有关。

（2） 声发射能量

如图5所示为不同橡胶掺量的自密实混凝土累计声发射能量与时间关系曲线图。从图中可以看出累计声发射能量相较于累计撞击数，其曲线比较粗糙，波动较大，存在较多的突变点，如图中红色椭圆区域所示。比较橡胶掺量为0%和10%的曲线，从图中可以看出，橡胶的添加可以增加使得累计声发射能量曲线的突变次数增多，这说明橡胶的添加导致自密实混凝土在破坏过程中形成裂缝，从而证明橡胶自密实混凝土具有延性优势。但是随着橡胶掺量的增加，突变减少，主要是由于接收到的声发射信号较弱引起的，具体的原因将在后文中描述。

如下表所示为不同橡胶掺量的自密实混凝的累计撞击数、振铃计数和能量的变化，从表中可以看出，随着橡胶掺量的增加，累计声发射撞击数、振铃计数和能量都减少，导致该规律的主要原因是[6]：

（1）当微裂纹与橡胶颗粒接触时，存在两种扩展方式，分别是穿过橡胶颗粒或者沿着橡胶颗粒与水泥浆体的界面扩展，并在界面的另一个点上形成新的微裂纹。穿过橡胶颗粒或沿界面的开裂导致强度降低，这可能使事件小于那些在水泥浆体或具有更大强度的骨料中获得的，从而使得声发射信号强度的降低，达到门槛值的信号波减少;

（2）橡胶骨料具有很强的吸声和吸振能力，因此可以吸收大量裂纹产生的弹性波，导致声发射触发率降低。

3结束语

本文进行了不同橡胶掺量的自密实混凝土在四点弯拉试验，同时采用声发射仪器进行监测，分析了声发射特征参数随加载过程的变化规律，探究了橡胶掺量对声发射信号特征的影响。具体研究结论如下：

（1）随着橡胶掺量的增加，橡胶自密实混凝土的韧性增加。

（2）声发射累计撞击数可以较好地表征自密实混凝土的初始损伤点，且橡胶掺量对初始损伤点对应的变形影响较小，主要与基体相关。

（3）声发射累计撞击数、振铃计数和能量随着橡胶掺量的增加而减少，主要是由橡胶与浆体之间的界面黏结强度低和橡胶颗粒的吸声性能导致。

参考文献

[1] 张海波，尚海涛，管学茂.橡胶混凝土性能及界面改善研究进展[J].硅酸盐通报，2013，32（12）：2495-2501.

[2] 王雪芳，陈伟妹，罗素蓉. 橡胶自密实混凝土基本力学性能试验研究[J].水利学报，2014（S1）：147-151.

[3] 张卫东，王振波，何卫忠.冻融循环作用下橡胶自密实混凝土力学性能研究[J].郑州大学学报（工学版），2017，38（2）：78-82.

[4] Han QH， Yang G， Xu J. Experimental study on the relationship between acoustic emission energy and fracture energy of crumb rubber concrete. Structural Control and Health Monitoring，2018.

[5] 陈徐东，黄业博，陈晨.橡胶自密实混凝土断裂性能及声发射特征研究[J].建筑材料学报，2020：9.

[6] Ho AC， Turatsinze A，Hameed R，et al. Effects of rubber aggregates from grinded used tyres on the concrete resistance to cracking[J].Journal of Cleaner Production，2012，23（1）：209-215.