混凝土单轴压缩过程中损伤演化与声发射分析*

栗 青， 李潜涛， 高 阳， 李 震

(1. 沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870； 2. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室， 武汉 430071； 3. 河南理工大学 土木工程学院， 河南 焦作 454000)

声发射(acoustic emission，AE)是材料在外部载荷或者其他外部作用下材料内部裂隙产生和裂隙发育的过程中，能量以弹性波释放的过程.作为材料损伤的无损探测方法之一，声发射具有其独特的优越性，设备轻便，可以多参数综合分析，数据直观，监测简单，监测对象既可以取回实验室，也可现场进行，被广泛应用于隧道工程、水电工程、采矿工程、航空航天工程等重要领域.周辉等[1]基于声发射监测数据进行了硬岩启裂强度和损伤强度取值方法的探讨；纪洪广等[2]研究了花岗岩在常规三轴压缩下的声发射特征，发现了振铃计数、能量累计数在岩石破裂过程中的整体变化趋势基本相同，与岩石力学过程形成良好的对应；吴贤振等[3]研究了岩石不同破坏模式下声发射特征及其参数与应力、应变、损伤变量之间的关系；郭清露等[4]研究了大理岩热损伤声发射力学特性，通过声发射数据建立了损伤变量及大理岩本构模型；曾正文等[5]研究了单节理岩体变形与破坏过程中声发射能量的特征，发现了岩石破裂过程中，声发射能量率越大，裂隙扩展越大；Rusch[6]研究了混凝土受压破坏时的Kaiser效应；郭庆华等[7]对混凝土声发射信号频率与强度指标的关系进行了研究，认为混凝土强度指标影响混凝土声发射信号频率特征参数；赖于树等[8]研究了受载混凝土破坏全过程声发射信号频带能量特征，通过FFT变换及小波变换研究了不同破坏阶段声发射信号频率分布、频带能量的变化规律，并从声发射信号频率变迁与裂纹扩展关系角度阐释了混凝土破坏机理；杨跃飞等[9]对单轴多级循环加载条件下混凝土进行了研究，通过分析试验过程中的能量演化规律，引入活跃系数Act对声发射现象发生的活跃程度进行表述.

通过上述研究成果可以看出，声发射监测技术可以揭示岩土材料在外部作用下的裂隙产生及扩展过程.对混凝土材料而言，其声发射参数变化反映了混凝土的损伤变化，与混凝土内部缺陷的演化程度直接相关.本文结合声发射参数变化特征，对试验加载过程中混凝土试样的损伤演化规律进行分析，研究混凝土内部裂隙的扩展规律，通过定义损伤变量，定量描述混凝土的损伤程度，研究成果对工程安全性评价与灾害预防具有重要意义.

1 试验方案

1.1 试验设备

试验采用的设备组件如图1所示.加载系统采用RMT-150C岩石力学试验系统，该系统通过电液伺服试验机进行加载，垂直液压缸最大出力1 000 kN，试验加载速率为0.002 mm/s，为减小试样与试验机压头的摩擦效应，在接触面涂抹凡士林作为润滑剂.试验声发射监测采用The AE Sensor Highyway ⅡTM，前置放大器为45 dB，门阈值为45 dB，振谐频率为1 kHz～1 MHz，采用其中三个通道(86、87、88)进行信息采集，声发射探头与试样之间采用真空润滑脂作为耦合剂，用乳胶套将声发射探头固定在试样表面，以保证探头与岩样始终接触良好.声发射设备与加载设备同时开始与结束，以保证数据时间节点上的对应性.试验开始前用断铅法检验传感器是否正常工作.

图1 试验系统组件Fig.1 Test system components

1.2 试样配比

针对武汉长江隧道支护管片，试验采用C50混凝土，材料配合比为水泥∶粉煤灰∶砂∶石子∶水∶减水剂=2.53∶0.67∶4.61∶7.50∶1∶0.05.试样制备参考《公路工程岩石力学试验规范》(JTG-E41-2005)[10]，利用钻机取出直径50 mm、高100 mm的圆柱体，对两端细致打磨，保证试样两端面平面度公差小于0.05 mm.

1.3 试验过程

为研究混凝土加载过程中的损伤演化规律，在对混凝土试样进行单轴压缩试验时，使用声发射设备采集整个试验过程中的声发射信号，试验过程及结果如图2所示.通过综合分析试样受压全过程中裂隙的产生、发育与声发射的计数、能量等特征参数的对应关系，利用总能量的释放规律来建立连续介质损伤本构方程，对比验证试验数据，分析试样破坏过程中的损伤系数演化规律.

2 试验结果分析

2.1 单轴压缩力学性质分析

图2 混凝土单轴压缩试验过程及结果Fig.2 Process and results of uniaxial compression test of concrete

(1)

(2)

则有

(3)

(4)

式中，μ为泊松比.体积应变为

εv=ε1+ε2+ε3

(5)

体积模量

(6)

裂隙体应变为

(7)

将式(6)代入式(7)则有

(8)

表1 试样参数Tab.1 Specimen parameters

图3 轴向应力轴向应变曲线Fig.3 Axial stress-axial strain curves

图4 应力应变曲线Fig.4 Stress-strain curves

2.2 单轴压缩破坏声发射特征分析

声发射撞击数是单位时间内捕捉并记录下的幅值超过门阈的信号次数，能量率是单位时间内捕捉到的能量之和.本文对微裂隙发育过程中产生的低于阈值而未记录的极小部分能量损失不予考虑.

基于连续介质损伤力学基本理论，参照刘保县等[12]定义的损伤变量.本文将能量与裂隙扩展演化联系起来，假设应力达到应力残余值前声发射捕捉到的累计释放的总能量为Pc，应力残余值前第i段释放的能量为Pi，且为了便于计算，取试样失去承载力时对应的损伤变量D′为1，保证D′是不可逆的增函数，定义D′c为损伤临界值，由于试样达到残余强度时未全部破坏，故D′c值可记为

(9)

式中，σc为残余应力.定义损伤变量为

(10)

(11)

图5 轴向应力时间曲线和通道计数时间曲线Fig.5 Axial stress-time curves and channel count-time curves

图6 轴向应力时间曲线和能量时间曲线Fig.6 Axial stress-time curves and energy-time curves

(12)

(13)

图7 轴向应力时间曲线和损伤变量时间曲线Fig.7 Axial stress-time curves and damage variable-time curves

图8 模型应力应变曲线和损伤变量应变曲线Fig.8 Model stress-strain curves and damage variable-strain curves

图9 试验应力应变曲线和理论应力应变曲线Fig.9 Experimental stress-strain curves and theoretical stress-strain curves

3 结 论

本文通过混凝土试样的单轴压缩试验及声发射监测，综合分析了试验过程中裂隙的发育、扩展和对应的声发射特征.通过声发射能量，建立了描述混凝土试样加载过程力学性质的损伤本构模型，得到如下结论：

2) 通过综合分析裂隙体积应变的变化规律和声发射参数演化规律，建立了混凝土单轴压缩损伤本构模型，并验证了其合理性.