凝结硬化期扰动对混凝土受压声发射特性的影响

2021-07-13司秀勇户伟华潘慧敏

硅酸盐通报 2021年6期

司秀勇,户伟华,潘慧敏

(燕山大学，河北省土木工程绿色建造与智能运维重点实验室，秦皇岛 066004)

0 引言

混凝土是一种非均质混合材料，其早期微观结构的形成过程为后期性能奠定了基础。混凝土在硬化前，其内部凝胶体快速生长，但黏结力仍比较低，对外界扰动的影响会比较敏感[1-2]。由于大多数工程对施工进度要求均较高，新浇筑混凝土会不可避免地受到周围环境施工扰动的影响[3]。扰动力会使混凝土内部产生拉应力，在混凝土的黏结强度尚不能抵抗较大拉应力的情况下，混凝土内部很可能会出现微裂纹，强度和耐久性因此降低[4]。宏观尺度下，混凝土的强度大小与其内部细微观损伤密切相关。作为典型脆性材料，混凝土在承载过程中会诱发裂隙扩展，并形成损伤甚至破坏。混凝土的破碎和断裂过程会伴随着声、光、电磁等物理现象，其中以弹性波形式释放出瞬时应变能的现象称为声发射(acoustic emission， AE)[5]。声发射过程与力学过程之间存在紧密的关系，通过试样声发射信息可推断其内部形态变化，反演试样的破坏机制，实现对材料缺陷和损伤的检测和识别，因此声发射技术被广泛应用于材料损伤演化研究和结构安全性评估[6]。

关于凝结硬化期受扰混凝土的性能，国内外学者通过试验和理论研究，做了多方面的探索工作。Chu等[7]研究了爆破振动对混凝土性能的影响，结果表明，当振动速度达到3.5 cm/s时，振动使混凝土的抗压强度和耐久性降低，且衰减程度随振动速度的增大而增大。蒋正武等[8]模拟车桥耦合振动对混凝土进行了扰动试验，发现振动改变了混凝土的孔隙结构，孔径大于200 nm的有害孔占比增大。潘慧敏等[9-10]通过研究发现，混凝土在硬化早期受到扰动后，其内部产生了不同程度的损伤，抗折强度有很大损失。受硫酸盐侵蚀后，受扰混凝土的相对动弹模量较基准混凝土降低显著。魏建军等[11]研究了早期扰动对混凝土劈裂强度的影响，发现振动振幅在5 mm以上时，受扰混凝土的劈裂强度最高降低10%。Dunham等[12]通过试验模拟了振动压路机对早龄期混凝土的扰动情况，研究发现，扰动显著降低了混凝土的抗折强度，使其最大损失达8%。Zhang等[13]研究了早龄期混凝土受爆破振动作用后的性能，研究认为超出36 h龄期的扰动会使混凝土抗压强度降低。

综上，扰动对硬化期混凝土的影响在施工中是一个不容忽视的问题。以上研究均表明，扰动会使混凝土产生砂浆裂缝和骨料位移，对混凝土造成损伤，但已有的研究多集中于受扰混凝土的力学强度方面，对其受荷载作用时的损伤发展情况尚未给予关注，利用声发射检测技术对扰动影响进行评价的研究还比较少。基于此，本文对处于初凝至终凝阶段的混凝土进行了模拟扰动，试验基于声发射基本原理，全程采集了受扰混凝土单轴受压破坏过程中产生的声发射信号，通过比较不同试件的声发射特征参数，研究了凝结硬化期的扰动对混凝土受压声发射特性的影响。

1 实验

1.1 原材料

水泥为P·O 42.5R普通硅酸盐水泥；粗集料为破碎石灰岩，符合5～25 mm连续级配；细集料为秦皇岛本地产天然河砂，细度模数2.9；拌和用水为普通饮用水；外加剂为质量减水率25%的聚羧酸系高效减水剂。

1.2 混凝土配合比

混凝土强度等级为C40，各材料质量比为m(水泥) ∶m(砂) ∶m(石子) ∶m(水)=1.00 ∶1.86 ∶2.43 ∶0.42。减水剂掺量根据工作性调整，混凝土坍落度为130～150 mm。文献[14]中已对扰动影响的尺寸效应进行了研究，认为扰动对混凝土强度的影响存在明显的尺寸效应，试件尺寸越大，受扰混凝土强度降低越多。鉴于本文以声发射特性作为研究重点，故暂未再进行尺寸效应分析，试验仅选取了一种类型的试件，尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，每组3个。

1.3 试验方法

1.3.1 扰动机制

试验扰动源由苏试DC-1000-15水平电动振动试验系统提供，振动最大速度为37.7 cm/s，振幅为4 mm。根据参考文献[9]对扰动形式的分析，选择正弦形式的振动，频率为15 Hz。为了减小扰动能量的耗散，将试件带模与振动台刚性连接。根据贯入阻力法确定新拌混凝土的凝结时间，贯入阻力与凝结时间的关系见图1。将受扰龄期划分为3段：临近初凝段、凝结硬化中期和临近终凝段，对应的贯入阻力区段分别为3.5～11.5 MPa、11.5～19.5 MPa和19.5～28.0 MPa。设置扰动持续时长为30 min，扰动试验结束后，将试件标准养护至28 d龄期。

图1 混凝土贯入阻力值与龄期关系Fig.1 Relationship between penetration resistance and age

1.3.2 超声波测试方法

超声波法是先进的混凝土无损检测技术，为探索扰动对混凝土内部损伤的影响，采用超声波对测法对养护至28 d龄期的受扰混凝土进行检测，定义超声波波速衰减的相对值为混凝土损伤度D，D值按式(1)计算[15]。

(1)

式中：vt和v0分别为受扰混凝土和基准混凝土的波速。

1.3.3 声发射检测方法

文献[16]表明，混凝土压缩声发射性能对于荷载速率的敏感度较高，存在明显的速率效应。为消除加载速度对声发射信号采集的影响，本试验采用位移控制加载制度，加载速度统一为0.01 mm/min。在对试件加载的过程中，采用全信息声发射信号分析仪以4通道同步的方式采集声发射信号，传感器布置方式见图2。试验开始前，将混凝土试件表层清理干净，声发射探头与混凝土表面接触处采用凡士林耦合，并用胶带固定。采样率为1 MHz，前置放大器增益为45 dB。为了尽可能减少外界噪声的干扰[17-18]，达到过滤噪声的目的，首先通过设置不同门槛值，对噪声信号进行采集，以收集不到噪声信号的门槛值作为最终门槛值，门槛值设定为55 dB。

图2 传感器布置图Fig.2 Sensor layout

2 结果与分析

2.1 损伤度和峰值应力

根据所测超声波速，利用式(1)计算不同受扰龄期的混凝土试件损伤度。对混凝土进行单轴受压试验，得到受扰混凝土的峰值应力(抗压强度)。为分析扰动对混凝土峰值应力的影响，定义峰值应力降低率，按式(2)计算。

(2)

式中：Kσc为峰值应力降低率，%；σ′c和σc分别为受扰混凝土和基准混凝土的峰值应力。

不同龄期受扰混凝土的损伤度和峰值应力降低率如图3所示。由图3可见，扰动使混凝土内部产生了不同程度的损伤，受扰混凝土的峰值应力也有不同程度的损失。其中，凝结硬化中期受扰的混凝土损伤度达到了14.2%，此时的扰动使混凝土峰值应力较基准混凝土降低了25.1%。而临近初凝和终凝受扰的混凝土损伤度较小，峰值应力较基准混凝土略有降低。说明中期的扰动对混凝土影响最大，而临近初凝和终凝的扰动对混凝土产生的影响较小。

图3 不同受扰龄期混凝土的损伤度和峰值应力降低率Fig.3 Damage degree and peak stress reduction rate ofconcrete with different disturbed ages

2.2 声发射能量

研究表明，声发射能量可以表示为单位时间混凝土内部裂纹扩展所释放的能量，反映了混凝土破裂过程的发生程度[19]。不同受扰龄期的混凝土试件在加载过程中的能量释放率变化曲线见图4。

由图4可以看出，在最初加载时，试件声发射能量释放率缓慢上升，之后逐渐下降。随着荷载的增大，能量释放率进入一段平稳期。当压力即将到达极限荷载时，声发射信号骤然增加，能量释放率在短时间内上升到峰值。

由图4(a)可见，基准混凝土试件的能量释放在加载初期就非常明显，整个加载过程可以见到多个能量峰值。这是由于基准混凝土试件内部结构比较致密，受荷载作用后，部分区域出现裂纹，随着裂纹的搭接和扩展，试件内部应力会经历重新分配的过程。尽管已经历短暂的能量释放，重新调整应力状态的试件仍可以继续承受压力。在发生整体破坏之前，基准混凝土试件经历了多次的能量释放。

由图4(b)～(d)可见，与基准混凝土相比，在受荷载作用的初期，受扰试件能量释放率很小，声发射活跃区间出现在加载后期。在相对应力水平未达30%之前，能量释放均不明显。尤其是凝结硬化中期受扰的混凝土试件，在相对应力水平小于50%时，几乎未采集到明显的声发射信号，声发射活性较低。受扰和基准混凝土试件能量释放特性之所以存在差异，其原因是扰动使混凝土内部产生了不同程度的损伤，内部损伤的存在导致试件对内部应力重新分配平衡的能力大大降低，在损伤部位易出现应力集中区域，接近极限应力状态时，这个薄弱的应力集中区域就承担了整个试件的开裂和破坏过程，因此声发射能量在加载后期集中释放。文献[20-21]的研究也发现了相似的现象。

图4 混凝土试件受压能量释放率Fig.4 Energy release rate of concrete specimen under compression

从图4还可以观察到，图(a)、(c)与(d)中的能量释放率均在相对应力达90%时达到最大，而图(b)是在峰值荷载时达到最大。造成此差异的原因是，声发射信号由材料内部微缺陷本身产生，但加载中的很多因素都会对声发射信号产生影响。在加载后期，混凝土内部微裂纹扩展迅速，骨料和基体弱界面剥离，试件临近破坏时释放大量的弹性能，最终可能使不同试件的声发射信号拾取在一定程度上略有差异[22]。

3 讨论

3.1 声发射活性函数

混凝土中临界裂缝的存在状态与其在压力作用下的声发射活性密切相关，根据Ohtsu[23]对混凝土声发射特性的研究，声发射活性可以用声发射事件概率密度函数f(σ)定量描述。f(σ)可以表示为：

(3)

式中：σ为相对应力水平；N为声发射事件数。

参考文献[24],将f(σ)用双曲线函数表示：

(4)

式中：a为声发射速率参数；b为声发射过程参数。

将式(4)代入式(3)并对式两边积分，可得：

N=cσaexp(bσ)

(5)

式中：c为积分系数。

式(5)即为混凝土材料声发射的活性函数。参考文献[23,25]，声发射速率参数a可用于衡量材料内部的缺陷，其值小于0时，可认为材料中存在较少缺陷或缺陷较稳定。相反，a值大于0，就代表了材料中含有大量的缺陷。声发射过程参数b反映的是声发射平均概率密度，其值越大，声发射活动越活跃。c为常数，其值与试验加载条件有关。

3.2 活性函数参数分析

声发射振铃计数是单位时间越过门限信号的振荡次数，反映了混凝土的变形和裂隙扩展，采用声发射累积振铃计数表征声发射事件数，根据式(5)对所得声发射事件数试验数据进行拟合，求得参数a、b、c，如表1所示，受扰混凝土声发射活性函数拟合结果见图5。

表1 声发射活性函数拟合参数Table 1 Fitting parameters of acoustic emission activity function

由表1可以看出，拟合所得声发射速率参数a均大于0，表明混凝土材料含有较多的初始缺陷。凝结硬化中期受扰的混凝土试件a值最小，b值最大，说明此龄期受扰的混凝土内部缺陷较多，受荷早期产生的声发射最少，只有加载的最后阶段才有大量声发射产生，声发射事件数在短时间内升到最高值。这同时验证了上述声发射能量的试验结果。

由图5可以看出，根据式(5)拟合得到的受扰混凝土声发射活性函数曲线与试验所得声发射事件数吻合良好。观察图5各曲线形式可以看出，中期受扰的混凝土试件对应的声发射活性函数曲线早期比较平缓，后期变得很陡。

对表1中a、b、c值进行对比分析，并结合图5声发射活性曲线可以看出，通过b值的大小可以判断声发射活跃区间出现的时间，受荷早期活跃度低而后期活跃度高时，b值会增大。

图5 声发射活性函数拟合Fig.5 Acoustic emission activity function fitting

3.3 受扰混凝土损伤微观机理浅析

水泥混凝土加水拌和到形成硬化结构的过程称为水泥混凝土结构形成动力学过程，在此过程中，随着水泥浆逐步凝结、硬化，混凝土会经历由黏塑性到黏弹性的演变过程。将混凝土看作是由骨料、水泥砂浆及两者间的界面过渡区组成的三相复合材料，因此界面过渡区本质上是一层区别于远场砂浆基质的含较高孔隙率的近场砂浆材料。从本文试验结果来看，扰动使混凝土内部产生了不同程度的损伤。结合水泥浆体硬化理论和混凝土结构形成动力学理论[26]可知，可能造成此现象的原因为：第一，扰动影响了水泥的水化过程，破坏了凝胶体的网络结构；第二，扰动影响了界面过渡区的微观结构，使界面过渡区的黏结性能下降，进而影响到混凝土宏观力学强度。

在混凝土凝结硬化初期，水泥水化反应首先从局部开始进行，此时混凝土性状以黏、塑性为主，混凝土的断裂能未能被扰动力带来的能量超过，混凝土内部裂缝可以维持稳定。在临近终凝时，混凝土完全失去塑性，界面过渡区的水化产物大量增加，骨料与水泥石的黏结情况较好，此时混凝土抵抗扰动破坏的能力也大大提高。因此临近初凝和终凝的扰动对混凝土后期强度影响均较小。而凝结硬化中期的扰动使混凝土峰值应力降低显著，其原因是：混凝土处于凝结硬化中期时，内部凝聚结构初步形成，但是尚未形成规模，由此产生的凝聚连接力还不足以抵抗外力的干扰。当扰动力带来的能量超过混凝土的断裂能后，形成的界面过渡区所承受的拉应力增大，水泥石与骨料间的黏结力因此而降低，初始凝聚结构会由于骨料和硬化水泥石的微应变而遭到破坏。混凝土内部裂缝不稳定，裂缝增多，而且此时形成的砂浆裂缝与骨料位移有相当一部分是不能自愈和恢复的[1]，因此凝结硬化中期的扰动会严重影响混凝土的后期强度。