橡胶自密实混凝土疲劳断裂全过程声发射特征辨识参量试验研究

陈徐东，王佳佳，田华轩

(河海大学 土木与交通学院，南京 210098)

最近几年，人们对橡胶自密实混凝土的疲劳特性表现出了强烈的兴趣。由于人类对混凝土材料耐久性需求，要求混凝土在循环荷载下也能正常使用，因此重复荷载对桥梁及路面等混凝土建筑物的强度影响是一个值得探究的问题。人们已经认识到即使较低的重复荷载也能使高强度混凝土内部出现斜裂缝，最终发生疲劳破坏。另一方面，世界自然资源的过度消耗量和工业垃圾的累积量都在急剧增长，这些都要求我们在建筑行业走可持续发展道路。然而用废弃物(例自密实混凝土是一项创新技术，其特点是能够在不借助外部机械振捣下使混凝土达到密实[1]。同时自密实混凝土相比传统混凝土，有三大优势：节能、经济和环保。提高自密实混凝土可持续性的途径之一是用工业废弃材料部分替代混凝土的自然原料，例如：火山灰、大理石粉尘、再生骨料、硅石粉尘、废橡胶、玻璃骨料和粉煤灰等[2-5]。

目前，世界上废旧橡胶的年产量约2 000万吨，日益增加的废弃橡胶处理问题关系到全球环境及资源问题，合理回收利用这些废旧橡胶具有重要意义。由于橡胶自密实混凝土具有较大的延展性、抗疲劳性和抗冲击性能等优点[6-9]，已经被应用到混凝土桥板及路面等领域，每天都要承受几百万次以上的重复荷载。虽然在混凝土中掺入橡胶废料(橡胶粉和轮胎片)会导致抗压强度和劈裂抗拉强度显著降低[10-12]，但是可以提高混凝土其他方面的性能，如耐磨、耐冲击[13]，和振动的吸收和延展性。Turatsinze等[14]通过试验观察到，与基准混凝土相比，橡胶混凝土的断裂特征有所改善。Ling等人[15]认为在混凝土中掺入橡胶粉末可以提高混凝土路面板的耐冲击性能。一些研究也指出通过在混凝土中掺入橡胶可以减少混凝土的易脆性，提高混凝土吸收外界能量的能力[16-17]。Sukontasukkul和Chaikaew[18]观察到当用橡胶颗粒以10%和20%的比例分别代替细骨料和粗骨料时，混凝土试样的韧度会显著增加。Gupta等[19]试验了橡胶纤维对混凝土性能的影响。研究发现，通过在混凝土中掺入橡胶可以提高混凝土的抗冲击性能。Sibal等[20]认为在沥青混凝土中加入橡胶可提高其疲劳性能，并且采用橡胶沥青混凝土可使混凝土的路面厚度降低。罗素蓉等[21]对掺入橡胶颗粒的橡胶自密实混凝土和自密实混凝土断裂特性的差别进行了讨论，并考虑了不同橡胶颗粒掺量对橡胶自密实混凝土产生的影响。另外声发射技术作为一种实时、动态无损检测技术已经被广泛应用于研究混凝土的损伤破坏过程[22]。

本文对橡胶自密实混凝土的疲劳破坏行为进行系统分析，对橡胶自密实混凝土进行了疲劳荷载试验，结合试验结果和理论分析建立了橡胶自密实混凝土疲劳破坏的数学模型，并使用声发射技术监测了橡胶自密实混凝土梁裂缝发展特性，对声发射的振铃计数、能量和b值变化进行分析，讨论了橡胶自密实混凝土循环加载过程中声发射信号特征参数反映的裂缝发展情况。

1 试验方案

1.1 试件准备

试验中所用的试件的掺合料及用量如表1所示。试验中使用的原料有硅酸盐水泥、砂(密度为2 600 kg/m3)、粉煤灰、硅灰、橡胶颗粒及碎石子，其中橡胶颗粒粒径为0.5 mm，密度1 060 kg/m3，橡胶颗粒含量占砂总体积的10%。试验中所使用的橡胶自密实混凝土的水灰比为0.519，砂率为53%。在橡胶自密实混凝土制备过程中，根据中华人民共和国JGJ/T283—2012《自密实混凝土应用技术规程》，对自密实混凝土的填充性、间隙通过性以及抗离析性进行了评价，利用坍落扩展度和扩展时间T500来衡量橡胶自密实混凝土的填充性，利用扩展度与J环扩展度的差值来评价间隙通过性，利用离析率测量桶测得离析率准确评价橡胶自密实混凝土的工作性能，测得T500为3 s，坍落度为695 mm，J环扩展度为673 mm，离析率为5.4%，可以看出本试验配制的橡胶自密实混凝土的工作性能满足自密实的要求。静态弯拉试验和疲劳弯拉试验所使用的试样尺寸都为100 mm×100 mm×400 mm，在跨中预制40 mm深的裂缝，其中静态弯拉试验需要3个试件，疲劳弯拉试验需要18个试件，一共需配制21个试件。试验试样分2批次浇筑，每批都包括11个标准弯拉试验试样和6个尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试样。这些立方体试样用于测试每批混凝土浇筑28天后的抗压强度、抗拉强度和弹性模量。所有试样浇筑24 h后脱模，然后放在水箱中养护。为了避免梁式试样弯拉强度在自然环境中增强，所有梁式试样都在水里养护至少60天，养护温度为20 ℃，直到进行疲劳试验。立方体试样28天后的抗压强度为31.46 MPa，抗拉强度为2.29 MPa，弹性模型为30.46 MPa。

表1 混凝土配合比

1.2 静态弯拉试验

为了确定橡胶自密实混凝土梁的静态弯拉强度，首先采用液压闭环伺服材料试验机MTS322试验装置对预制裂缝梁式试样进行静态弯拉试验。选取3个试样进行静态弯拉试验，取三次的平均值为平均静态弯拉强度。静态弯拉试验采用裂缝张开口位移CMOD进行控制，控制速率为0.001 mm/s。试验还使用直线位移传感器LVTD监测了混凝土试样跨中预制裂缝上部两个侧面的垂直位移(挠度δ)。试验装置如图1(a)所示。一些典型的P-CMOD曲线如图1(b)所示。

1.3 疲劳弯拉试验

采用液压闭环伺服材料试验机MTS322试验装置对预制裂缝梁式试样进行疲劳弯拉试验，同时采用美国PAC公司研制的八通道的SAMOSTM声发射检测系统来动态监测裂缝的开展情况，试验装置如图1(a)所示。声发射检测系统的门槛值设为35 dB，前置增益为35 dB，滤波频率为1～60 kHz。疲劳弯拉测试是在不同的应力水平S(S=fmax/fr,fmax为最大疲劳应力，fr为静态弯拉强度)和应力比R(R=fmin/fmax，fmin为最小疲劳应力)下进行的，橡胶自密实混凝土梁的疲劳弯拉试验一共有6种工况，分别为S=0.95,R=0.1;S=0.95,R=0.2;S=0.9,R=0.1;S=0.9,R=0.2;S=0.85,R=0.1;S=0.85,R=0.2，对应工况的编号为B12-1、B12-2、B12-3、B12-4、B12-5、B12-6，每种工况下的疲劳弯拉试验重复三次。为了在合理的时间范围内完成各个试样的疲劳试验，加载频率为2 Hz，采用裂缝张开口位移CMOD进行控制，控制速率为0.001 mm/s。每个试件在不同的应力水平和应力比下进行的从开始到破坏的循环次数记为疲劳寿命N。在常幅循环荷载下预制裂缝长度混凝土梁的一些典型的荷载P与CMOD曲线如图2所示。由于疲劳试验是一个周期很长的试验过程，所以把200万次疲劳加载作为试验上限。即无论试件破坏还是疲劳寿命N达到设定的上限，疲劳试验即终止。混凝土试样在不同疲劳荷载工况下的破坏形态如图3所示，疲劳破坏断裂面由于橡胶颗粒填充了孔隙，断裂面比较致密，没有大量的孔隙出现。

(a)试验装置图

图2 典型的P-CMOD曲线

图3 典型的试样破坏形式

2 试验结果与分析

2.1 断裂韧度的计算

对于试验结果进行相关的整理和计算，Shah等[23]对混凝土断裂参数进行了研究，使用公式(1)来计算杨氏模量E。

(1)

式中:Ci是初始柔度, 通过P-CMOD曲线用公式(2)计算得到。d为混凝土试件的高度，b为混凝土试件的宽度。a0是预制裂缝的初始长度。

(2)

这里的CMODi和Pi分别是P-CMOD曲线的初始值。公式(3)中的V1(α)用式(3)表示。

(3)

其中α=(a0+h0)/(d+h0)，h0为刀口薄钢片的厚度。结合上面的表达式关系可以计算出裂缝长度的变化过程量，如方程式(4)所示。

(4)

(5)

这里的F(α)是关于α的函数，如下所示：

(6)

其中

(7)

计算得到的橡胶自密实混凝土梁的断裂韧度KIC为39.110 N/mm3/2，有效裂缝长度ac为49.999 mm。

2.2 预测模型

对循环加载试验的数据进行分析，可以发现在初始循环加载时试样内部就已经开始产生微裂隙，随着加载循环的进行，在试样中间区域逐渐生成一条主裂缝，最终导致疲劳破坏。当应力比较高时，在第一条可见裂缝产生后，试件破坏几乎是立即发生的。然而，当应力水平较低时，即使第一条可见裂缝产生，试件也可以承受持续的疲劳循环加载，其断裂时的裂缝张开口和挠度的位移都比较明显。

对试验数据进行处理，首先对受疲劳荷载的混凝土梁的柔度进行标定，得到了柔度与裂缝长度之间的表达式，如式(8)所示。图5展示了裂缝长度的扩展与疲劳次数的关系,说明了随着应力水平和应力比的增加，梁的循环加载的次数减少，裂缝长度的增长在达到破坏之前的一段时间里都是比较稳定的，裂缝长度增长得比较缓慢，当达到破坏条件时，裂缝长度就会突然增加。而在应力水平比较高的条件下，反应的效果不明显，因为应力水平高的情况下，试件很快就达到了破坏条件而断裂。图6展示了KIn/KIC(KIn代表第n次循环后的应力强度因子)与疲劳次数的关系。从图中可以明显的观察到试件达到破坏的条件，应力水平比较高的情况下也可以观察到。KIn/KIC与疲劳次数之间有着明显的关系，因此对它们两个之间的关系进行了讨论。

图4 裂缝长度/试样高度与柔度的关系曲线

图5 不同加载工况下裂缝长度与循环次数的关系曲线

图6 不同加载工况下KIn/KIC与循环次数对数的关系曲线

(8)

(R2=0.999)

图7可以看出疲劳寿命与应力水平和应力比的关系，疲劳寿命的对数lgN与应力水平S基本成线性关系，不同的两个应力比R的lgN-S曲线基本平行，因此可以说明lgN与R之间存在函数关系。发现lg(n)与KIn/KIC符合幂函数关系，因此可以令lg(n)与KIn/KIC满足式(9)，然后通过试验数据对式(9)中的参数a、b、c进行拟合。参数a、b、c为S和R的函数，最后得到lg(n)与KIn/KIC的关系表达式。

图7 不同应力比下疲劳寿命与应力水平的关系曲线

(9)

(10)

(R2=0.963 4)

b=723.7-1 019R-1 487×…

S+1 027RS+754.6S2

(11)

(R2=0.995 9)

c=-9.43S+11.58

(12)

(R2=0.923 1)

观察图8所示，可以看出，模型预测结果与试验结果基本吻合，说明损伤预测模型对于不同应力水平和应力大小的试件，预测其损伤过程是可靠的。

图8 试验结果与模型结果对比图

2.3 声发射数据分析

声发射现象是由混凝土内部产生微裂缝时局部能量快速释放而产生的瞬态弹性波引起的。当混凝土发生断裂或损伤加剧时，内部会产生瞬态的弹性应力波，类似波形可以通过声发射仪器进行采集。在进行混凝土损伤评价时，其内部损伤程度通常与声发射信号强弱的程度是直接相关的。声发射基本特征参数包括累计振铃计数、信号幅值、持续时间、能量等。声发射信号的强度主要由幅值、能量等特征参数来表述，代表每个单一声发射信号的强弱特征，幅值越大、能量越高表明信号强度越大，混凝土损伤程度越大；活度由单位时间内所发生的振铃计数或累计振铃计数曲线来表述，代表声发射信号源的活动程度，反映缺陷如裂纹的实时变化和发展情况，累计振铃计数增长越快表明信号活度越大，说明损伤发展速率越大。本节通过分析橡胶自密实混凝土在疲劳试验的不同阶段产生的声发射信号的强度和活度特征，评价其疲劳损伤发展情况和疲劳性能。

由图9可知，橡胶自密实混凝土的累积振铃计数-时间曲线可以区分为典型的3个阶段。从循环加载开始到疲劳寿命的1%时间内，曲线斜率较大，声发射信号活度高；在疲劳寿命的1%到98%时间范围内，橡胶混凝土的撞击总数增长缓慢，曲线斜率很小；从疲劳寿命的98%到破坏，撞击总数再次出现迅速增长趋势，这是因为随着循环次数的增加，疲劳荷载产生的能量除了部分被橡胶颗粒吸收外，其余的能量将不断地在裂纹尖端累积，当能量累积到一定程度时裂纹迅速扩展、交错搭接和相互贯通形成宏观裂纹，最后导致橡胶自密实混凝土的宏观破坏。并且随着应力水平S的提高，声发射信号的撞击总数减少。这是由于应力水平越高时，疲劳循环的加载值越大，对应试件的疲劳寿命越短，混凝土破坏越迅速。因此，与低应力水平条件相比，高应力水平条件下声发射信号活度更小。

(a)S=0.95, R=0.1

疲劳实验中橡胶自密实混凝土自循环加载到试件最终破坏过程中实时跟踪监测的幅度-时间图如图10所示。从图可以看出：随着应力水平S的增大，声发射信号的幅值随时间的分布逐渐稀疏，信号量相对较少，说明在应力水平越低的情况下，声发射的探头接受的信号越多，橡胶自密实混凝土内部产生的裂缝越多，橡胶自密实混凝土梁的损伤疲劳损伤程度更大。这一分布特征与累积振铃计数-时间曲线一致，进一步证明低应力水平条件下声发射信号活度和混凝土疲劳损伤程度更大。对于橡胶自密实混凝土在不同应力水平下，当临近破坏时，往往出现接近90 dB的高强信号，该信号是由混凝土基体的宏观开裂及骨料断裂的破坏机制引起的，说明混凝土疲劳断裂时损伤程度最大。

(a)S=0.95, R=0.1

b值是用于表征地震的震级-频度关系的参数，1941年经Gutenberg等[24]进一步明确和推广应用。如今b值的研究己不局限于地震领域，在岩石混凝土等材料中也有了广泛的应用。人们把混凝土受力破坏中的声发射(AE)事件当作地震活动(微震)，通过研究不同条件下混凝土损伤破坏过程中AE的b值变化规律，揭示混凝土失稳破坏的前兆特征。在b值理论中，对于频率较低的AE事件，其幅值较高，相反频率高的AE事件幅值较低。因此Richter通过计算幅值分布斜率即b值统计AE事件的幅值分布规律。b值表达式为:

lgN=a-blgAmV

(13)

式中:N为AE信号峰值幅值大于A时的累计AE事件数，mV;a为经验常数;b为不同幅值的AE事件分布斜率。

本研究采用的计算方法为最小二乘法，基于自行编写的matlab程序计算b值。在应力比为0.1，应力水平分别为0.95，0.90，0.85时，b值与时间的关系如图11所示。

图11 应力比为0.1时b值与时间的关系曲线

在应力比为0.2，应力水平分别为0.95，0.90，0.85时，b值与时间的关系如图12所示。

图12 应力比为0.2时b值与时间的关系曲线

加载初期，试件内部的声发射信号并不多，b值会有轻微的减小，无明显变化趋势，试件内部的破坏以小尺度为主。加载中后期，b值会出现一段明显的增长，说明此段时间试件内部以微裂纹扩展为主，微裂纹扩展迅速。当试件临近破坏时，会出现b值的突降，这说明了疲劳往复荷载会对试件造成损伤，并不断累积导致裂缝不断开展，直到宏观大裂缝形成，试件突然破坏。试件的破坏分三个阶段，第一个阶段是b值下降阶段，表明有一定程度的大裂纹扩展，释放出较多应变能；第二个阶段是b值的波动阶段，表明此时橡胶自密实混凝土梁内部的裂纹生长以微裂纹扩展为主；第三阶段是b值得快速下降阶段，表明大裂纹开始扩展，应变能开始剧烈释放，即试件破坏。这与前面描述的振铃计数得出的结果相同。

3 结 论

本文在试验和理论分析的基础上，研究了橡胶自密实混凝土的断裂性能，以及断裂损伤的预测模型，并结合声发射技术分析了橡胶自密实混凝土的断裂过程，得出的主要结论如下所示：

(1)KIn/KIC与疲劳次数的对数之间存在着幂函数的数学关系，疲劳寿命的对数与应力水平和应力比之间存在着线性的关系。文中建立的损伤预测模型可以很好地模拟橡胶自密实混凝土的疲劳破坏。

(2)利用声发射分析了橡胶混凝土疲劳破坏过程。其累积振铃计数随时间变化发展呈现出三阶段特点:从加载开始到疲劳寿命的1%时间段为线性发展阶段，对应于混凝土的裂纹引发和萌生阶段；从疲劳寿命的1%～98%时间段为平稳发展阶段，幅度随时间变化分布松散，对应于混凝土的裂缝稳定扩展阶段；从疲劳寿命的98%到最终疲劳破坏为线性阶段；对应于混凝土的裂缝失稳扩展阶段。并对比不同应力水平下声发射信号的幅值随时间的分布，进一步证明低应力水平条件下声发射信号活度和混凝土疲劳损伤程度更大。