橡胶混凝土轴拉破坏过程中声发射特性

2022-04-28卜静武徐慧颖羌宇杰白文杰徐龚欢

建筑科学与工程学报 2022年2期

卜静武，徐慧颖，羌宇杰，周宣，白文杰，徐龚欢

(扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州 225009)

0 引言

随着中国汽车工业的发展，废弃轮胎的数量繁多，其回收利用率一直很高，但无害化利用率却很低[1]。将废弃轮胎经过处理变成橡胶颗粒掺入混凝土形成土木工程材料，不仅能够提高废弃轮胎的利用率，而且可以有效缓解橡胶固体废弃物对环境造成的影响。将具有弹性的橡胶颗粒等体积取代部分细骨料，可以提升混凝土的延性、抗冲击性及耐久性等特性[2-6]。因此，进行橡胶混凝土试验与研究不仅对国家经济循环、可持续发展具有重要意义，而且对土木工程材料领域的发展也起到促进作用。

目前，国内外已有许多学者开展了橡胶混凝土力学性能的研究。大量研究表明橡胶的掺入对混凝土中细小裂纹的扩展有抑制阻碍作用，能够改善混凝土的韧性[7]。由于橡胶颗粒弹性模量较小，且与水泥基材料的黏结较弱，因此会降低混凝土的强度[8-10]，且细橡胶微粒较粗橡胶微粒对混凝土强度影响更大。葛文慧[11]研究了粒径分别为2～4 mm、20～40目和60～80目的橡胶颗粒对橡胶混凝土力学性能的影响，发现橡胶取代率为15%时，掺入橡胶颗粒为2～4 mm的橡胶混凝土抗压强度和拉伸强度均达到最大。胡艳丽等[12]对5种不同橡胶取代率的混凝土试件分别展开了单轴受压、单轴劈拉和纯剪试验，发现橡胶混凝土的基本受力性能及破坏机理基本一致，强度均随橡胶掺量的增加而降低，而混凝土塑性变形能力增大，其中单轴抗压强度受橡胶取代率的影响最大。对于混凝土材料，裂缝的出现以及结构的破坏往往是由于抗拉能力的不足，轴向拉伸试验是确定混凝土拉伸断裂特性最直接的方法[13]。综合国内外文献，学者们越来越关注混凝土的拉伸性能[14-15]，但对带裂缝的橡胶混凝土轴拉试验的研究成果极少，所以亟需补充相关的试验研究。

声发射技术是一种可以对材料内部损伤进行检测的无损检测方法，可以对受到荷载作用的脆性材料内部裂缝的产生与发展进行实时检测[16-17]。李建涛等[18]发现利用声发射事件数、声发射振铃计数等声发射特征参数，可揭示含初始缺陷的立方体混凝土损伤破坏机理。于江等[19]从声发射波速、能量参数、空间定位分析、损伤演化规律等角度综合评价了不同粗骨料粒径普通混凝土的材料特性。Guo等[20]通过分析AF和RA值的变化判别不同加载速率下混凝土构件的破坏模式，同时利用声发射b值的变化分析了不同加载速率下混凝土的破坏形式。吴胜兴等[21]借助声发射特征参数和波形频谱特征对轴拉荷载作用下的混凝土及其组成材料损伤过程进行分析，证实声发射技术有助于解释混凝土的损伤断裂机理。上述研究表明，声发射监测结果能够清晰明了地向研究者展示混凝土内部损伤程度，声发射特征参数能够反映试验所测得的混凝土力学特性，因此本文采用声发射技术获得不同橡胶掺量下混凝土破坏损伤的声发射特性，以便更好地揭示橡胶混凝土的破坏机理。

为确保裂纹扩展在标尺范围内，并能够获得稳定的峰后响应，本文选用带缺口橡胶混凝土试件，通过声发射技术对其展开单轴拉伸破坏试验，研究不同橡胶体积掺量对混凝土断裂性能的影响，并获得不同橡胶掺量混凝土损伤破坏的声发射特性。

1 试验概况

1.1 试验材料

采用标号为P.O42.5的普通硅酸盐水泥，表观密度为2 540 kg·m-3的河砂，粗骨料选用最大粒径为20 mm的石灰岩碎石，采用经废弃轮胎切碎加工处理的粒径为2～4 mm、密度为1 060 kg·m-3的橡胶颗粒，并掺入水泥质量0.5%的聚羧酸高效减水剂以提高混凝土拌合物的流动性。

1.2 试验准备

选择一种混凝土的配合比作为基准配合比，以等体积橡胶颗粒取代混凝土拌合物中的河砂，橡胶颗粒取代率(橡胶体积掺量，简称橡胶掺量)分别为0%、5%、10%、15%、20%，得到5组不同橡胶掺量的橡胶混凝土配合比，如表1所示。

表1 橡胶混凝土配合比Table 1 Mix Proportions of Rubber Concretes

橡胶混凝土试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm(图1)，试件浇筑完成24 h后拆模，置于温度为20 ℃、湿度90%以上的养护室内养护28 d。试验前用切割机对养护好的混凝土试件进行切割，预制裂缝深度为10 mm，宽度为2 mm，每组橡胶混凝土分别成型2个棱柱体试件。

图1 试件尺寸(单位:mm)Fig.1 Specimen Size (Unit:mm)

1.3 单轴拉伸试验

橡胶混凝土单轴拉伸试验采用型号为MTS322的液压伺服试验机进行加载。试验装置如图2所示。试验前，将自制的与试件等截面大小的钢盘用结构胶粘贴于试件的两端使其成为一个整体。为了使试件能够始终处于轴拉受力状态，使用球铰连接试件与试验机。试件表面固定3个标距为30 mm的引伸计，分别置于试件的3个侧面。试验过程中均以0.000 6 mm·s-1的加载速率对试件进行加载。对不同橡胶掺量混凝土试件分别重复进行2次试验。

图2 试验装置Fig.2 Test Device

1.4 声发射试验

本文所有试件的声发射参数均由美国PAC公司研制的8通道SAMOSTM声发射检测系统监测并采集，门槛值设为35 dB，前置增益为35 dB，滤波频率为1～60 kHz。在试件前后表面布置2个传感器，在声发射传感器与试件的接触面上涂抹凡士林，并用松紧带缠绕固定传感器。

2 试验结果与分析

2.1 轴拉力学性能

2.1.1 应力-裂缝张开位移曲线

初次踏上这片土地，那是1997年的8月，阳光灿烂的地方——甘肃省夏河县。阳光照得人几乎无法完全睁开眼睛，空气在我记忆中顿时变得透明起来：深蓝色的天空，红色的拉卜愣寺，亮丽的服饰，黝黑的肌肤，一切都那么神秘和新奇。之前听说当地人喜欢活佛的相片，于是我专门到照像馆找来一些随身带着，到寺庙附近看人们转经筒，见到牧民就赠一张。“嘎真齐！”——这是我学会的第一句藏语，意思是“谢谢！”一位老年人接过相片，回赠我一个友善的笑容，手捧着相片举到了头顶。

图3为单轴拉伸试验所得到的不同橡胶掺量混凝土的应力-裂缝张开位移(σ-δ)曲线。由图3可知，随着橡胶掺量的增加，橡胶混凝土的抗拉强度整体呈下降趋势，峰值裂缝张开位移呈上升趋势。橡胶混凝土峰值荷载和裂缝张开位移及其相较于基准混凝土试件的强度下降率和位移增长率见表2。从表2可以看出：橡胶掺量在15%以内时，强度下降率不超过20%；当橡胶掺量增加至20%时，强度发生骤降，下降率达到35.41%；相比普通混凝土，橡胶掺量大于10%时，峰值位移增长率超过40%。橡胶颗粒是一种弹性材料，其弹性模量较小，强度远低于天然骨料，有较强的变形能力。混凝土失稳荷载降低，一方面是由于橡胶颗粒等体积取代混凝土拌合物中的河砂，使得橡胶混凝土的强度和弹性模量低于基准混凝土，另一方面是由于橡胶属于有机材料，与作为无机材料的混凝土之间的黏结性较差，其与水泥的结合界面易形成薄弱面，从而使橡胶混凝土抵抗裂缝扩展的能力也相应地降低。通过上述试验结果发现，掺入橡胶能起到增加变形能力并降低强度的作用。掺入橡胶的目的是希望既能增加塑性变形能力，又能使强度降低较小。从试验结果看出：橡胶掺量小于15%时，变形性能增加不明显；橡胶掺量大于15%时，对强度影响较大。综合强度和变形性能来看，橡胶掺量为15%时能够发挥橡胶颗粒较好的变形性能，且对强度影响较小。

图3 不同橡胶掺量下混凝土的应力-裂缝张开位移曲线Fig.3 σ-δ Curves of Concrete Under Different Rubber Contents

表2 橡胶混凝土峰值荷载及对应的裂缝张开位移Table 2 Peak Loads and Corresponding Crack Opening Displacements of Rubber Concretes

2.1.2 断裂能

混凝土本构关系中，断裂能是指宏观裂缝开展后混凝土应力-裂缝张开位移曲线下方的面积[22]。混凝土在拉伸荷载作用下的应力-位移关系可以分为裂缝外混凝土的应力-应变关系(过程区)和裂缝本身的应力-裂缝张开位移关系[23]，如图4所示，其中ft为混凝土抗拉强度，GF、GF1、GF2分别为总断裂能、裂缝外断裂能和裂缝本身断裂能，E0为混凝土的初始弹性模量，W0为临界裂缝张开位移，W为裂缝张开位移，F为轴向拉力。峰值前尚未形成宏观裂缝，位移引伸计测得的变形基本由材料弹性变形造成，因此可以用平均应力-应变关系来表示，峰值后宏观裂缝形成，产生应力松弛，此时用位移引伸计测量得到的变形由应变和裂纹的张开造成，可以用应力-裂缝张开位移关系来表示。

图4 混凝土应力-位移关系Fig.4 Relationship of Concrete Stress-displacement

5组混凝土试件断裂能如图5所示。可以看出，当橡胶掺量在5%～15%之间，断裂能随橡胶掺量的增加而增加；橡胶掺量由15%上升至20%时，断裂能有所减小，但仍然高于基准混凝土的断裂能。断裂能的增加是因为随着橡胶掺量的增加，裂缝扩展断面上橡胶颗粒数目逐渐增多，橡胶混凝土具有增韧减脆的特点，其受力变形后与砂浆界面起到摩阻的效果，黏聚力增大，所消耗的能量也增大；橡胶掺量由15%上升至20%时，断裂能有所减少，可能是由于过多橡胶的掺入使得薄弱界面数量增加，大大削弱了橡胶混凝土的强度。

图5 不同橡胶掺量混凝土断裂能Fig.5 Fracture Energies of Concretes with Different Rubber Contents

2.2 声发射信号分析

2.2.1 声发射累计振铃计数和累计撞击次数

声发射振铃计数和撞击次数可以描述混凝土损伤累计的发展过程[21]。图6为荷载、累计振铃计数和累计撞击次数随时间变化曲线。从图6可以看出，不同橡胶掺量下，声发射累计振铃计数和累计撞击次数随时间的变化曲线均有2个明显的拐点，这2个拐点将声发射信号分为3个阶段。第1个拐点对应于峰值荷载，此后进入到软化阶段，第2个拐点出现在峰后的软化阶段，第1阶段声发射累计振铃计数和累计撞击次数的增长速率较慢，第2阶段声发射累计振铃计数和累计撞击次数的增长速率有着显著的提高，第3阶段声发射累计振铃计数和累计撞击次数的增长速率有所减缓。

图6 荷载、累计振铃计数和累计撞击次数随时间变化关系曲线Fig.6 Relationship Curves of Load, Acoustic Emission Accumulate Counts and Hits Versus Time

第1阶段声发射信号开始活跃，声发射累计振铃计数和累计撞击次数增加，表明混凝土微裂缝产生，并在荷载作用下开始扩展，从而在混凝土试件的最低强度区域和局部拉伸区域产生新的微裂缝，并不断发展产生宏观裂缝，当达到峰值荷载时，曲线进入到软化阶段，此时试件还尚未失稳破坏，混凝土试件仍具备一定的承载能力，试件进入裂缝稳定增长区，此时声发射振铃计数和累计撞击次数增长较快，由于混凝土断裂能存在尺寸效应，进入第3阶段，断裂过程区尖端到达试件边界，当断裂过程区尖端与试件边界接触时，断裂能会逐渐减少，此时声发射振铃计数和累计撞击次数的增长速率也随之降低。

2.2.2 声发射峰值频率

峰值频率为频率域中振幅最大值点所对应的频率，发射信号高频值对应内部小尺度裂纹的萌生，低频值则对应大裂缝的形成。声发射试验过程中，获得的声发射峰值频率均在0～800 kHz之间，为研究不同橡胶掺量混凝土试件在加载过程中峰值频率的分布规律，将其划分为12个区段，0～550 kHz以50 kHz为间隔划分为11个区段，550～800 kHz为第12区段。图7为不同橡胶掺量混凝土的峰值频率分布图。从图7可以看出，掺入橡胶的混凝土试件的各区段峰值频率分布规律基本一致，其声发射峰值频率信号基本集中在0～50 kHz、100～150 kHz及250～300 kHz区段，而橡胶掺量为0%的混凝土试件的声发射峰值频率信号基本集中在50～150 kHz、250～300 kHz及400～450 kHz。相较于掺入橡胶的橡胶混凝土，橡胶掺量为0%的混凝土峰值频率分布更为分散，该变化表明未加入橡胶的混凝土损伤破坏规律更为复杂，破坏模式更具多样性。从图7还可以发现，橡胶混凝土声发射峰值频率信号主要集中在0～50 kHz，当橡胶掺量为20%时，该频段占比达到70%以上，这表明在橡胶混凝土单轴拉伸破坏过程中，该频段对应橡胶混凝土损伤破坏中最主要的破坏模式。低频值代表大裂纹的形成，低频值占比越大，试件破坏也越严重。随着橡胶掺量的增加，0～50 kHz频段占比逐渐增大，250～300 kHz频段占比逐渐减小，表明随橡胶掺量的增加，橡胶混凝土的破坏逐渐严重，这与橡胶的掺入使混凝土试件的抗拉强度降低有关。

图7 不同橡胶掺量混凝土声发射峰值频率分布Fig.7 Distributions of Acoustic Emission Peak Frequencies of Concretes with Different Rubber Contents

2.2.3 声发射b值

最早应用于地震活动水平测量的b值(小振幅声发射事件占总声发射事件的比例)已经成为衡量混凝土裂纹扩展的重要参数，通过分析b值，能够有效评估混凝土结构中裂纹的发展。声发射b值的计算公式[13]为

(1)

式中：AdB为声发射峰值振幅；N为振幅大于AdB的声发射命中次数；a为经验常数；b为声发射b值。

图8为不同橡胶掺量混凝土的声发射b值。从图8可以看出，b值均随时间的变化整体呈现波动下降的趋势，峰值荷载过后，b值均有下降趋势，随后b值波动集中，之后趋于分散。b值的上升表现为微观裂纹的产生，b值的下降表现为宏观裂纹的形成，因此b值在整个过程中的波动行为表明混凝土是在微裂纹不断产生汇聚成宏观裂纹的往复过程中破坏的。到达峰值荷载后，b值的骤降表明产生的微裂纹已扩展成为宏观裂纹，b值波动集中且剧烈表明声发射活跃度高，主宏观裂纹正在加速形成，之后b值趋于分散表明主裂缝已形成，裂缝扩展剧烈程度趋于平缓。

图8 不同橡胶掺量混凝土声发射b值Fig.8 Acoustic Emission b-values of Concretes with Different Rubber Contents

从图8可以看出，橡胶掺量为0%的混凝土声发射b值下降略慢，在b值密度较大阶段可以明显看出曲线有先下降后上升再下降的2个下降阶段，随着橡胶掺量的增加，峰值荷载后b值的下降速率逐渐加快，2个下降阶段的划分趋于模糊，说明橡胶掺量越大，混凝土强度越小，试件破坏越容易，主裂纹的形成越迅速，声发射b值下降速率也越快。随着橡胶掺量的增加，b值呈上升趋势，这是因为橡胶混凝土的断裂幅度小于橡胶掺量为0%的混凝土，而b值在橡胶混凝土中也相对较大。

表3为第1阶段即主裂纹形成期间b值的大小，从表3可以看出，该阶段b值最大值和最小值的差值随着橡胶掺量的增加先减小后增大，该阶段是混凝土断裂模式从微裂纹向宏观裂纹的转变阶段，b值的变化说明橡胶掺量的增加能够改善混凝土的断裂性能。橡胶掺量的增加在一定程度上会阻碍裂缝的扩展，导致峰后承载力及韧性增强。此外，大量微裂纹在扩展阶段会吸收消耗一部分能量，导致断裂能增大，这与之前提及的断裂能变化规律一致。

表3 第1阶段不同橡胶掺量混凝土的声发射b值Table 3 Acoustic Emission b-values of Concretes with Different Rubber Contents in the First Stage

3 讨论

本文主要研究橡胶掺量对单轴拉伸荷载下混凝土断裂性能的影响。结果表明，随着橡胶掺量的增加，混凝土抗拉强度呈现下降的趋势，变形能力有所提高，与文献[12]、[24]～[31]中的研究结果一致。图9总结了文献[12]、[24]～[31]中不同橡胶掺量的混凝土强度相对于基准混凝土(橡胶掺量为0%)的降低情况。从图9可以看出，混凝土各种强度均随着橡胶掺量的增加而降低，但是由于试验条件和原材料的差异，研究结果略有不同。总体来看，橡胶掺量在40%以内时，强度随掺量增加呈现逐渐减小的趋势，且以20%为分界线，强度降低速率随着掺量的增大而减小。橡胶掺入混凝土的另一个作用是提高其抵抗变形的能力，橡胶弹性模量较小，在较小外力作用下会产生较大变形，能够延缓混凝土裂纹的扩展，所以橡胶的掺入可以提高混凝土抵抗变形的能力。综上所述，掺入橡胶颗粒能否起到改善混凝土综合力学性能的作用，主要取决于两方面：一是需要有一定数量的橡胶来增强混凝土的韧性，另一方面，掺入的橡胶颗粒不致使混凝土强度显著降低。