静载和疲劳荷载作用下橡胶混凝土声发射特性研究

刘妙燕，陆 俊,2，明 攀，胡少伟

(1.南京水利科学研究院 材料结构研究所， 江苏 南京 210024；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 江苏 南京 210098)

声发射(AE)是材料受到外荷载作用，内部局部能量快速释放产生应力波的现象[1]。当裂纹在材料中萌生、扩展时，材料内部局部能量释放产生弹性波，弹性波由附在试样表面的传感器检测到，该波具有足够的振幅[2]。声发射技术的优点是可以定量评估混凝土内部损伤以及确定裂纹扩展的位置，并且可以在不干扰与结构相关的任何过程的情况下，同时对整个结构进行测试[3]。

声发射检测最初应用于金属材料的检测，运用在混凝土检测中则较晚。Rusch1959年首次对混凝土受力后的声发射信号进行了研究，并证实了混凝土材料中的凯撒效应仅存在于极限应力的70%～85%以下的范围内。Hermite等在1959和1960年分析了混凝土在变形过程中的声发射信号[4]。Robinson等研究了砂浆体及不同骨料掺量、不同骨料粒径下混凝土的声发射特征，并指出声发射监测的两个优点为：(1) 实时和动态；(2) 对结构影响小[5]。Carpinteri等[6]根据地震学的定义对声发射的b值进行分析，评估了混凝土的损伤程度。Guo等[7]利用声发射对三级配混凝土静载后循环荷载下断裂过程进行了检测，发现声发射击数分布可直接看出混凝土在各个阶段下的损伤程度。刘宝兵等[8]通过分析声发射信号能量信息以及整个加载阶段钢筋混凝土梁的能量释放特征，对钢筋混凝土梁的损伤断裂进行了预示。彭德红等[9]提出了基于神经网络的非线性独立分量分析(ICA)与维格纳分布(WVD)的损伤声发射信号特征提取与识别的新方法。Behnia等[10]利用声发射参数分析混凝土构件开裂时有拉伸和剪切两种模式。Carpinteri等[11]认为声发射这种非破坏性监测方法有助于研究全尺寸结构，并预测其耐久性和剩余寿命。赵慧子等[12]试验发现利用声发射事件率表征损伤能够很好的反应岩石内部裂纹变化的全过程。

本文利用声发射监测不同橡胶掺量下的混凝土三点弯曲静载和疲劳断裂过程，通过分析声发射的能量、累积能量和幅值对橡胶混凝土的裂纹扩展情况和材料损伤程度进行评估。

1 橡胶混凝土断裂试验研究

试验装置为MTS810型液压伺服试验机，声发射装置为SENSOR HIGHWAY Ⅱ型声发射采集系统，采样频率为1 000 Hz，前放增益为40 dB，预触发为256 μs，在未加载的情况下，当门槛值设置为35 dB时接收不到背景噪声信号，故将门槛值设置为35 dB。

试验采用4种不同橡胶掺量的混凝土，静载试验每组设置3根试件，疲劳试验每组设置5根试件，以减小由于混凝土不均匀性带来的试验误差。用橡胶颗粒等质量替换砂，橡胶颗粒替换率分别为0 wt%、10 wt%、20 wt%和30 wt%，橡胶颗粒和砂的粒径大小为5 mm～10mm；试验采用普通的PO42.5水泥，普通粉煤灰，高纯SiC粉，普通河砂。试件尺寸为400 mm×100 mm×100 mm(l×h×w)，相对切口深度a0/h=0.3(a0为切口深度)，试验仪器两支座间的跨度为s=300 mm，预制切口采用厚度为3 mm的钢片制成，标准养护28 d。

三点弯曲下混凝土的静态断裂试验以控制位移的方式加载，加载速率为0.001 mm/s，静载试验下测得混凝土的抗弯极限强度。三点弯曲疲劳断裂试验的荷载加载频率为2 Hz，加载波形为正弦波，应力水平为0.9，应力比为0.1，通过静载下的抗弯极限强度确定疲劳荷载下的最大应力和最小应力。

2 声发射特征曲线与破坏过程分析

代表性的声发射参数分别有振幅、持续时间、能量、阈值、频率、上升时间和计数等，每一个参数都可用于判断材料的损伤程度。本文通过分析能量和振幅对混凝土的裂缝发展和损伤进行分析。

2.1 声发射能量

声发射能量是声发射事件释放的弹性能。声发射能量与电压大小成正比，故将能量定义为下式[13]

(1)

式中：i为记录声发射电压V(t)的通道个数；t0和t1为记录电压变化的起始时间和结束时间。

图1为四种不同橡胶掺量的橡胶混凝土在静载作用下的时间-荷载和时间-能量曲线。从图1可以看出，随橡胶掺量的增加，混凝土能承受的最大荷载明显降低，与普通混凝土相比，橡胶掺量为10 wt%、20 wt%和30 wt%的橡胶混凝土峰值荷载分别下降了7.5%、18%和34.3%。这主要是因为：(1) 橡胶颗粒和水泥浆体接触面的粘结性不好，很容易产生裂缝，施加外荷载后裂缝极易从接触面处展开；(2) 橡胶的强度和刚度远低于砂石，橡胶等质量取代砂直接大大削弱了原有混凝土砂石框架承载体系的刚度和强度。

图1 静载下不同橡胶掺量的混凝土的时间-荷载、能量、累积能量曲线

从图1可以看出，静载作用下声发射能量变化可分为三个阶段。第一个阶段中混凝土发生弹性变形，荷载线性增加，在该阶段中声发射的能量很小，累积能量曲线趋近水平。第二阶段荷载进入非线性增长阶段声发射能量开始增大，声发射累积能量曲线出现明显的上升，在这个阶段中混凝土内部的微裂纹合并逐渐形成主裂缝；在荷载下降过程中，突然出现一个能量较大的声发射信号，在该点混凝土内部的局部突然破坏，混凝土试件表面出现了可见的裂缝，声发射累积能量曲线也会在该点出现骤增。在混凝土表面出现宏观裂缝后声发射变化进入第三个阶段，在这个阶段中声发射能量较小，累积能量曲线斜率很小，接近水平。

从图1橡胶混凝土的时间-荷载和时间-能量曲线对比发现，掺入橡胶后，混凝土的声发射能量信号明显减少，有以下三种假设可解释这种现象[14]：(1) 橡胶的弹性模量比骨料和水泥浆体的弹性模量低很多，它在裂缝尖端的存在类似于孔的作用，这会导致应力松弛，减缓微裂纹扩展，延迟微裂纹的合并; (2) 当微裂纹在橡胶颗粒和水泥浆体之间的界面扩展时，裂缝沿界面扩展时的混凝土强度比沿骨料和水泥浆体之间的界面扩展的强度低; (3) 橡胶能够吸收裂缝产生的大部分弹性波。掺入橡胶后混凝土的声发射累积能量明显减小，未掺橡胶的普通混凝土声发射累积能量最大值约为14×104，橡胶掺量为10 wt%、20 wt%和30 wt%的混凝土的声发射累积能量分别减小了82.0%、88.6%和99.0%。

图2—图5分别为橡胶掺量为0 wt%、10 wt%、20 wt%和30 wt%的混凝土在疲劳荷载作用下的时间-荷载和时间-能量曲线。疲劳荷载作用下的声发射变化可分为两个阶段。第一个阶段为损伤累积阶段，由于疲劳加载中的峰值荷载为静态加载下峰值荷载大小的90%，故在疲劳荷载下混凝土每次循环均进入弹塑性变形阶段，但不会直接发生破坏，在每次循环中混凝土的内部的微裂缝萌生、扩展；从图3(b)、图4(b)和图5(b)中可以看出荷载加载初期，声发射信号有小幅增大，但累积能量曲线未发生明显变化，该阶段中累积能量曲线趋近水平。在经历多次循环加载后声发射变化进入第二阶段，第二个阶段为破坏阶段，混凝土内部的微裂缝在前一阶段中不断扩展、合并，最终形成主裂缝，从图3(c)、图4(c)和图5(c)看出主裂缝形成时声发射能量会突然增大，声发射累积能量曲线也会在该点发生转折。出现主裂缝后混凝土仍能承受荷载，混凝土再承受数次荷载后主裂缝扩展至试件完全破坏。第二阶段中出现的声发射信号较第一阶段密集。疲劳荷载作用下，声发射信号大多出现在加载曲线的下降过程中，可推断出，混凝土内部微裂缝的出现和扩展通常出现在卸载过程中。

图2 疲劳荷载下橡胶掺量0 wt%的混凝土的时间-荷载、能量、累积能量曲线

图3 疲劳荷载下橡胶掺量10 wt%的混凝土试验

图4 疲劳荷载下橡胶掺量20 wt%的混凝土试验

2.2 声发射幅值

幅值是声发射波形包络图最高点的振幅数值，它表示声发射脉冲信号幅度的最大值，它是测量信号大小最重要的声发射参数之一。幅值和裂缝大小有着直接的关系，可直接用于鉴别裂缝的大小[15-16]。幅值可以表示为[17]:

(2)

式中：V是声发射信号的幅值大小；V0是背景噪声的最大幅值。

从图6和图7中可明显看出，声发射信号随橡胶掺量的增加减少，与橡胶掺量为0 wt%的混凝土相比，静载作用下橡胶掺量为30 wt%的混凝土的声发射信号减少约98%，这说明橡胶的掺入极大的吸收了混凝土变形、破坏时释放的能量，使得混凝土能够承受更大的变形。幅值大小与材料内部损伤大小

图5 疲劳荷载下橡胶掺量30 wt%的混凝土试验

图6 静载下橡胶掺量对声发射计数的影响

有关，即幅值较大表征混凝土内部出现的裂缝较大。图8、图9分别为橡胶掺量为0 wt%、10 wt%、20 wt%和30 wt%的橡胶混凝土静载下和疲劳荷载下的时间-荷载和时间-幅值曲线，掺入橡胶后声发射的幅值点减少，说明橡胶的掺入起到了阻止裂缝产生和扩展的作用，且橡胶掺量越多，阻裂效果越好；掺入橡胶的混凝土在起裂后其声发射的幅值大小比未掺橡胶的小，说明掺入橡胶后橡胶在混凝土内部能够组织裂缝扩展，延缓裂缝的合并。

图7 疲劳荷载下橡胶掺量对声发射计数的影响

从图8可以看出，静态加载下可通过声发射幅值大小变化将混凝土损伤过程分为两个阶段。第一个阶段为开始加载至混凝土起裂，混凝土起裂时的荷载大小约为峰值荷载的75%～85%，在这个阶段中混凝土的声发射信号少且幅值小，该阶段中声发射幅值在50 dB～60 dB之间。说明在该阶段中混凝土内部产生的均为微裂缝且该阶段产生的微裂缝少。从混凝土的起裂点直至最终试件发生破坏为第二阶段在该阶段中混凝土内部的微裂缝开始扩展、合并并最终形成主裂缝，掺入橡胶后的混凝土在形成主裂缝时荷载突然发生小幅度的下降，同时声发射的幅值在该点突然增大，此时幅值大小约为80 dB～90 dB，故可通过声发射幅值大小判断混凝土内部是否产生主裂缝。混凝土内部产生主裂缝后试件还能继续承担荷载但声发射幅值减小了；混凝土最终完全破坏时幅值大小约为70 dB左右。

不同橡胶掺量的混凝土在疲劳荷载下的声发射幅值变化规律如图9所示。与静载作用下不同，疲劳荷载作用下，声发射幅值的变化可分为三个阶段。第一阶段为荷载初始加载阶段，在该阶段中混凝土开始承受循环荷载，荷载大小使得混凝土内部出现裂缝但不会完全破坏，声发射最大幅值大小约为60 dB～80 dB，随橡胶掺量的增加，该阶段的幅值减小，说明橡胶掺入后混凝土内部的微裂缝减少且裂缝尺寸减小。第二阶段为声发射幅值稳定变化阶段或裂缝稳定扩展阶段，在这个阶段中声发射幅值大小没有明显的波动，幅值维持在60 dB～70 dB，从幅值变化情况推断出混凝土内部的裂缝稳定扩展，混凝土内部没有出现较大的局部缺陷。第三阶段在循环加载后期为混凝土裂缝失稳扩展阶段，在这个阶段中混凝土内部的微裂缝扩展、合并为主裂缝，幅值信号点数量明显增多，幅值大小明显增大，为掺入橡胶的混凝土产生主裂缝时幅值大小为80 dB左右，随橡胶掺量的增加，产生主裂缝时的幅值减小，橡胶掺量为30wt%的混凝土在产生主裂缝时幅值减小至60 dB左右；产生主裂缝后混凝土继续承受数次荷载后主裂缝扩展至完全破坏，最终混凝土破坏时声发射幅值可达到80 dB～90 dB。

图8 静载下混凝土的时间-荷载、时间-幅值曲线

图9 疲劳荷载下不同橡胶掺量的混凝土的时间-荷载、幅值曲线

疲劳荷载作用下，随橡胶掺量的增加声发射信号增加，从图7看出，与普通混凝土相比橡胶掺量为10 wt%、20 wt%、30 wt%的橡胶混凝土声发射信号分别增加了3.0倍、8.6倍和11.0倍，表明掺入橡胶后，混凝土能承受的循环荷载次数增加，混凝土承受损伤的能力随橡胶掺量的增加而增强。橡胶掺量为30%的橡胶混凝土的声发射信号在荷载初始加载和混凝土即将破坏时密集，在加载的中间阶段混凝土的声发射信号明显减少且幅值较小，幅值大小为35 dB～40 dB，而橡胶掺量为0 wt%、10 wt%和20 wt%的混凝土幅值为35 dB～70dB。

3 结 论

(1) 通过声发射能量和累积能量分析静载下橡胶混凝土的损伤和断裂过程，可将橡胶混凝土的损伤过程分为三个阶段；通过声发射的幅值分析静载下橡胶混凝土的损伤和断裂过程，可将橡胶混凝土的损伤过程分为两个阶段，当声发射幅值达到50 dB～60 dB时，混凝土内部产生裂缝，当声发射幅值达到80 dB～90 dB时可确定混凝土内部产生了主裂缝。

(2) 疲劳荷载作用下，通过分析声发射累积能量曲线可将橡胶混凝土的损伤过程分为两个阶段，损伤累计阶段和破坏阶段；且在疲劳荷载下裂缝通常在卸载过程中发生扩展。通过幅值分析可将疲劳荷载作用下的橡胶混凝土损伤过程分为三个阶段，随橡胶掺量的增加，产生主裂缝时的声发射幅值降低。

(3) 静载下，随橡胶掺量增加声发射信号减少，橡胶掺量为30%时，与普通混凝土相比声发射信号减少了约98%。疲劳荷载下，声发射信号随橡胶掺量的增加而减少，混凝土在初始加载阶段和裂缝失稳阶段的幅值降低。橡胶的掺入可以阻止混凝土内部裂缝产生和扩展，橡胶掺量越多，阻裂效果越好，混凝土能够承受损伤的能力越强。