沙漠砂混凝土声发射损伤特性与损伤模型

秦拥军 孟 军 崔 壮 潘昌远 乔恒煊

(1.新疆大学 建筑工程学院，乌鲁木齐 830047；2.新疆生产建设兵团 建筑科学技术研究院，乌鲁木齐 830054)

沙漠砂混凝土(desert and sand concrete，DSC)是一种新兴的绿色建筑材料，即采用资源丰富的沙漠砂取代天然细骨料，可用于缓解地区天然中粗砂资源短缺与建设高速发展之间的供需矛盾，同时沙漠砂资源再利用，可大大降低建设成本，对沙漠地区开发建设、环境保护、社会效益的提高均具有重大意义.目前国内外学者已经对各地区DSC基本性能展开了相关的研究，并均采用当地沙漠砂资源成功配置出符合强度要求的混凝土材料[1-4].刘海峰等[5-7]针对毛乌素沙漠探讨了高温对DSC基本力学性能的影响机理.李志强[8-10]针对古尔班通古特沙漠开展了DSC土基本力学性能研究.声发射信号可用于描述岩石、混凝土材料在受压过程中的变形、裂缝延伸、拓展等演变规律[11-13].邱继生[14]、许富威[15]均在不同种类混凝土中获得较好的损伤模型.基于此，目前学者针对DSC损伤演化规律研究内容相对较少，本文采用声发射(acoustic emission，AE)参数与损伤因子建立并描述塔克拉玛干DSC轴心受压的损伤演变规律，建立DSC损伤演化方程，为DSC在基础建设中的应用提供科学依据.

1 试验概况

1.1 原材料及配合比

水泥选用天山牌P.O42.5普通硅酸盐水泥；为保证DSC后期强度与流动性，选用粉煤灰为矿物掺合料，粉煤灰与水泥化学成分见表1.粗骨料为5～20 mm连续级配的新疆地区卵石，其体积密度为2 700 kg/m3，压碎指标为3.86%；细骨料为天然水洗中粗砂，其细度模数为2.97，表观密度为2 487.5 kg/m3；沙漠砂来自新疆地区最大的塔克拉玛干沙漠，取砂地点为新疆巴音郭楞自治州轮台县塔河油田沙漠公路62 km处背风浮砂，细度模数为0.855，并对其进行X射线衍射(X-Ray Diffraction，XRD)分析，可得其矿物成分与天然砂成分基本一致，如图1所示；外加剂选自乌鲁木齐西部建设混凝土搅拌站，其减水率大于等于32%.基于课题组前期对塔克拉玛干沙漠砂混凝土配合比的研究成果[16]，分别制作沙漠砂掺量为0%、20%、30%、40%四组DSC棱柱体(即S0、S1、S2、S3)，为测得其应力-应变曲线关系以及减少试验误差，每组制作6块尺寸为150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体，DSC配合比见表2.

图1 沙漠砂XRD能谱分析结果

表1 胶凝材料化学成分质量分数表 (单位：%)

表2 DSC试件配合比

1.2 试验仪器及方法

1.2.1 试验仪器

微机控制电液伺服压力试验机：新疆大学建筑工程学院试验中心WHY-3000型全自动微机控制电液伺服压力试验机，最大负荷3 000 kN，荷载示值准确度±1%，位移测量范围0～80 mm，位移示值准确度±0.5%.

DH3816静态应变采集箱：全智能化的巡回数据采集系统，通过计算机完成自动平衡、采样控制、自动修正、数据存贮等操作.

AE：AE仪器产自北京声华兴业科技有限公司，通过声发射信号可以对材料在应力作用下的变形与裂纹扩展进行有效评估与预测.

1.2.2 试验方法

试验采用微机控制电液伺服压力试验机以0.01 mm/min进行位移加载；同时DH3816静态应变采集箱采集DSC试件应变数据；采用北京声华科技声发射仪(SAEU2S)在DSC试件侧面对角布置声发射探头4个，用于采集AE参数，耦合剂选用凡士林，加载装置与声发射探头传感器布置如图2所示.

图2 加载装置及声发射探点布置图

2 试验结果与分析

2.1 DSC抗压强度变化规律

图3为不同沙漠砂掺量下DSC应力-应变曲线，可以看出不同掺量下DSC与普通混凝土的轴心受压应力-应变曲线整体图形大致相似，均呈现抛物线形状，但DSC应力-应变上升段斜率与普通混凝土有一定的出入.对比曲线可发现，其峰值应力介于20～30 MPa，并呈现一定规律性：S1>S2>S0>S3.表明随沙漠砂替代率等增加，混凝土强度先增加后减小，沙漠砂替代率为20%时强度最高，当替代率达到40%时，强度最低，低于普通混凝土，且DSC应力-应变曲线上升段斜率十分相似.DSC下降段较陡，且其峰值应变远小于普通混凝土，表明DSC脆性特征明显，且沙漠砂掺量为20%时抗压强度表现较好.

图3 不同沙漠砂掺量DSC应力-应变曲线对比图

2.2 DSC声发射振铃计数规律

图4为不同沙漠砂掺量下DSC轴心受压试验全过程时间与累积振铃计数之间的关系，用于分析混凝土在整个加载过程中的声发射活动性.由图4可知，不同沙漠砂掺量DSC混凝土试件AE参数累积振铃计数整体相似，其4条曲线均呈现上升趋势，且整个过程均可以分为4个阶段：线弹性阶段，稳定发展阶段，快速增长阶段，峰值后破坏阶段.

图4 不同沙漠砂掺量下DSC试件受压过程累积振铃计数图

对比图4(a)、(b)、(c)、(d)的阶段Ⅰ可发现，DSC与普通混凝土相同，在整个轴心受压过程中前期阶段，随着时间推移，其AE参数累积振铃计数与时间成正比关系，累积振铃计数增长速度较小，处于弹性阶段，验证了DSC应力-应变曲线前期线弹性阶段存在的真实可靠性.且在弹性阶段中，AE参数累积振铃计数相对较少，表明DSC内部初始损伤程度较小，并处于一个压密状.随着时间进一步推移，荷载逐步增大，DSC进入稳定发展阶段(阶段Ⅱ)，此阶段中裂缝在逐渐扩展、贯通，原有裂缝逐渐延伸、拓宽，且DSC界面薄弱区域开始逐步被破坏，但此时天然骨料仍具有较高强度，因此DSC结构仍有较好的承载力.荷载进一步增大，此时DSC进入裂缝快速增长、拓宽阶段(阶段Ⅲ)，天然骨料开始被击穿，骨料界面处裂缝开始大量延伸、贯通直至试件表面，此时DSC内部结构损伤程度达到峰值，大量声发射信号迅速产生，且结构承载力达到峰值.该阶段过后进入破坏阶段(阶段Ⅳ)，DSC结构丧失承载力，其峰值逐渐下降，AE参数累积振铃计数增长极为缓慢并呈现曲线平滑，表明结构内部已完全损伤，不会有新的损伤出现.

通过对比图4(a)、(b)、(c)、(d)可发现，DSC在整个破坏过程中，其内部损伤过程与普通混凝土有一定细微差别，DSC在阶段Ⅱ和阶段Ⅲ与普通混凝土有区别，但在阶段Ⅰ(弹性阶段)、阶段Ⅳ(峰值破坏后阶段)十分相似.阶段Ⅱ、Ⅲ中DSC的AE参数累积振铃计数要明显高于普通混凝土，其原因为沙漠砂颗粒比表面积大，DSC薄弱界面范围大，且过早被破坏，故在经历此阶段过程时，振铃数增长较快.沙漠砂掺量越大，阶段Ⅲ斜率越高，AE参数累积振铃计数增长快且大.其原因为在同一水胶比下，DSC随着沙漠砂掺量的不断提高，需要更多的砂浆包裹沙漠砂颗粒，这会导致一定量的沙漠砂无法被包裹，黏附在骨料界面处，从而在阶段Ⅲ产生的声发射信号较强，损伤也较为严重.

相对累积振铃计数与相对应力关系如图5所示，不同沙漠砂掺量DSC累积振铃计数随着应力水平的增大而逐渐增大，其曲线同累积振铃计数试件受压过程曲线较为相似，整体呈现为下凹趋势.从图5可看出，普通混凝土试件声发射陡峭增长点约在破坏强度的95%处，而DSC试件声发射陡峭增长点约在破坏强度的78%处，表明DSC较普通混凝土其损伤发展较快.

图5 相对累积振铃计数与不同掺量下DSC相对应力对比图

2.3 DSC声发射能量特征规律

DSC同普通混凝土内部破坏形式整体相似，其内部损伤破坏均以弹性波的形式释放能量.由图6可看出，在不同沙漠砂掺量下DSC轴心受压过程中，能量与时间的关系与累积振铃计数整体规律较为相似，在混凝土试件轴心受压前期普通混凝土与DSC释放出的能量较少，表明DSC与普通混凝土前期损伤均较小；在轴心受压中后期，释放能量开始迅速增加，并增大至峰值，此时试件内部裂缝迅速发展、贯穿直至破坏，释放能量较大.

对比图6(a)、(b)、(c)、(d)可发现，DSC相较于普通混凝土前期能量释放量较高，但峰值能量却有所降低，且随着沙漠砂掺量不断增加，DSC前期能量释放量明显增加，峰值能量呈先增长后下降趋势.当掺量为30%时，其峰值能量最高，占普通混凝土峰值应变的73%，原因是适量的沙漠砂虽然能在一定程度上提高混凝土的密实性，增加混凝土的强度，但是由于其比表面积大，胶凝材料难以完全将其包裹，造成沙漠砂与胶凝材料的界面区域比较薄弱，故损伤破坏前期就在不断释放能量，破坏进行较早，导致峰值能量低于普通混凝土，尤其是沙漠砂替代率达到40%时，薄弱区域更加明显.

图6 不同沙漠砂掺量下DSC瞬时能量图

图7为不同沙漠砂掺量下相对应力与相对累积能量之间的关系.由图7可发现，在不同沙漠砂掺量下，其累积能量均随着相对应力水平增加而逐渐增大，且4条曲线均在不同相对应力水平点产生累积能量“突变”，表明DSC与普通混凝土同样具有较明显的脆性.

图7 相对累积能量与相对应力关系图

对比4条曲线可发现，随着沙漠砂掺量的不断增加，其相对累积能量“突变”点呈现一定规律性.S0组“突变”点在相对应力的约78%处；S1组“突变”点在相对应力的约81%处；S2组“突变”点在相对应力的约75%处；S3组“突变”点在相对应力的约72%处.相对累积能量“突变”点表明其试件在达到峰值应力前的某一特殊值时，内部裂缝开始大量拓展、延伸，“突变”点越靠前，表明混凝土内部损伤程度越严重.通过图7可看出，当沙漠砂掺量为20%时，其内部损伤程度较小，当沙漠砂掺量为40%时内部损伤较大.此结论与声发射振铃数表征规律一致.

3 DSC损伤演化模型

由于沙漠砂自身颗粒较细且光滑，在DSC制作的过程中，自身会产生一定的损伤缺陷，当DSC试件在受压的过程中，其内部的初始缺陷使裂缝不断地拓展、延伸，从而降低材料的宏观性能.通过上述试验结果表明，AE参数可以有效反映DSC内部损伤的过程.为描述DSC损伤过程引入损伤参数D，定义为：

(1)

A=Ae+Ad

(2)

式中：D为损伤DSC损伤变量；Ae为混凝土的有效面积；Ad为DSC产生损伤的面积；A为DSC初始面积.当D=0时表示材料完全无损，随着荷载增加，Ad不断增加且Ae不断减小，最终导致D=1，表示材料发生破坏.

在此基础上假定N为DSC试件轴心受压过程中AE参数累积振铃计数；Nd为DSC试件单位面积所释放的AE累积振铃计数值，有：

(3)

由此可以得到DSC试件损伤缺陷面积为Ad时，其AE累积振铃计数率Nt为

(4)

转化得到AE累积振铃计数的损伤定义式：

(5)

即DSC试件损伤变量定义为在该时刻所释放的AE累积振铃计数值与DSC试件轴心受压全过程的总AE累积振铃计数值的比值.建立以AE参数累积振铃计数为指标的概率密度函数：

(6)

(7)

联立式(6)、(7)并对两边积分可得

N=Cσaexp(bσ)

(8)

联立方程(5)、(8)得到DSC试件损伤演化方程:

(9)

式中：σ为DSC在轴心受压过程中任意时刻相对应的应力；a、b、C均为材料相关系数，可通过试验确定.

利用式(9)对轴心受压下DSC试件应力水平与相应的AE累积振铃计数进行拟合，拟合结果见表3.根据表3中损伤方程，绘制曲线可得不同沙漠砂掺量下DSC试件的AE累积振铃计数拟合曲线，如图8所示.

图8 不同沙漠砂掺量下DSC损伤方程拟合曲线

表3 不同掺量下DSC损伤方程拟合结果

参数C体现了材料内部损伤的程度，其中C值越小，表明混凝土结构内部损伤程度越小，内部结构裂缝损伤越小.由表3可看出，当沙漠砂掺量为20%时，C值最小，此时DSC试件骨架体系较为密实.且随着沙漠砂掺量的不断提高，C值大致呈现增大趋势，表示随着沙漠砂掺量的不断提高，DSC内部损伤程度越高，导致DSC峰值应力逐渐降低.

图9为不同掺量下DSC损伤演化曲线对比，从图中可以看出，当DSC掺量为20%，DSC在轴心受压过程中前期内部损伤要小于普通混凝土且内部损伤程度小，此结论与图8结论相一致.同时也验证了以AE参数累积振铃计数为损伤变量的损伤演化模型符合DSC的损伤变化过程.

图9 不同掺量下DSC损伤演化曲线对比

4 结 论

1)在DSC轴心受压过程中，其内部损伤与普通混凝土内部损伤过程大致相似，整体均可分为线弹性阶段、稳定发展阶段、快速增长阶段、峰值后破坏4个阶段，且采用适当掺量沙漠砂取代部分天然中粗砂配置混凝土可提高混凝土强度.

2)通过应力-应变曲线与AE参数分析，均表明DSC的最佳掺量为20%，此时DSC内部损伤程度较小，且优于普通混凝土，但随着沙漠砂的掺量不断提高，其内部损伤程度逐渐增大.

3)基于AE参数累积振铃计数所建立的损伤演化方程，可较为准确描述DSC在轴心受压过程中的损伤演化规律，并较清晰地揭示出DSC相较于普通混凝土脆性特征明显.