SAP内养护混凝土断裂过程声发射特性

金子恒,谢发祥,蔡定鹏,韩 旭,掌 昀

(河海大学土木与交通学院,南京 210098)

0 引 言

混凝土材料因具有承载能力强、施工成本低和耐久性好等诸多优点,在现代土木工程结构中得到了广泛应用。然而大量的工程实践表明,混凝土结构在服役过程中出现的自收缩会导致结构产生裂缝[1-3],严重影响结构的承载能力和使用寿命[4-5]。因此,需要对混凝土进行定期养护以防止其收缩开裂。目前,混凝土养护方法主要分为外部养护和内部养护,传统的养护方法难以对结构内部进行充分养护,尤其对致密性较强的高性能混凝土,因此,在混凝土内部引入养护水分是有效改善混凝土抗裂性能、抑制结构收缩开裂的重要方法[6-8]。Jensen等[9-10]研究表明,利用高吸水性树脂(super absorbent polymer, SAP)能够显著提高混凝土的内部养护效率,SAP是一种理想的内养护材料[11-12],能够在混凝土结构干燥时逐渐释放吸收的水分,进而对其结构内部进行有效养护。混凝土结构在服役中受到风荷载、地震荷载和车辆荷载等动荷载的作用,而混凝土强度具有应变率敏感性[13-14]。因此,研究应变率对SAP混凝土断裂性能的影响可以全面了解SAP混凝土的动态力学性能,具有实际工程意义。

目前,很多国内外学者已经开展了SAP对混凝土断裂性能影响的研究。张志强[15]通过四点弯曲试验发现,随着SAP掺量的提升,混凝土的抗折强度和弹性模量随之降低,其自收缩、干缩、塑性开裂性能呈减小趋势。Yao等[16]研究了工程水泥基复合材料(engineered cementitious composites, ECC)的性能,发现SAP可以很好地改善最大拉伸应变和弯曲挠度,抑制ECC试样的干燥收缩。杨景玉等[17]通过对路面混凝土的三点弯曲断裂试验研究发现,掺入SAP可以推迟开裂荷载的出现时间,并显著降低混凝土断裂失稳后的劣化速率。Yang等[18]发现SAP内养护可以降低路面混凝土的收缩应变,延缓起裂时间并改善其断裂性能。Lyu等[19]通过三点断裂试验研究了SAP混凝土的抗裂性,结果表明SAP可以推迟混凝土起裂时间,并提高其断裂性能。

但是在现有的研究中,鲜有通过声发射 (acoustic emission, AE) 技术研究SAP内养护混凝土动态断裂性能的报道,且缺乏应变率变化对内养护混凝土损伤模式影响的研究。基于此,本文开展了三点弯曲状态下内养护混凝土断裂过程的AE试验,研究了SAP混凝土在不同加载速率下的断裂性能及AE特性,分析了不同加载速率下SAP混凝土的损伤特征变化规律,为SAP混凝土的后续工程应用和损伤检测等领域提供参考。

1 实 验

1.1 原材料及配合比

混凝土强度等级设计为C40。水泥采用海螺牌P·O 42.5级硅酸盐水泥,细集料采用天然河砂,粗骨料采用[15,20] mm的玄武岩碎石,内养护材料采用江苏省宜兴市可信化工有限公司生产的SAP颗粒,其性能参数如表1所示。

表1 SAP的物理力学性能Table 1 Physical and mechanical properties of SAP

SAP的最佳内养护引水量可根据Powers模型[20-21]确定,计算式如式(1)所示。

(1)

式中:Wic为内养护水灰比(表征SAP在混凝土颗粒中的含量),W/C为水灰比。

根据式(1),得到不同SAP含量混凝土梁试件的配合比,结果如表2所示。试件编号表示为SAP-a%-b/(cs-1),其中,a%表示内养护水灰比Wic,b表示试件加载速率,c表示试件应变率。

表2 不同SAP含量混凝土梁试件的配合比Table 2 Mix proportion of cement beam specimens with different SAP content

1.2 试验方案

SAP混凝土梁试件的加载示意图如图1所示。由图1(a)可知,梁底部支座间的跨径为300 mm,试件外侧离支座的距离为50 mm,初始切口长度a0为30 mm,AE的6个传感器分别布置在试件的前后和顶部,具体位置如图1(b)所示。在预制缺口处上方5 mm左右的位置粘贴应变片来获得起裂荷载值,在预制缺口的下方粘贴薄钢片来测量荷载下的位移值。

图1 SAP混凝土梁试件的加载示意图(单位:mm)Fig.1 Schematic diagram of SAP cement beam specimens (unit: mm)

试验前,用砂纸打磨试件粘贴区域的表面,再用环氧树脂胶将应变片粘贴至试件上,待胶水充分固化后方可进行试验。把试件放在支座上后,将AE传感器紧贴在试件的表面,为了使试件表面与传感器完全接触,在传感器上涂抹少许凡士林,以更好地接收到试件内部的声信号。固定好传感器再连接应变片和应变采集仪后即可开始试验。加载压头与试件轻微接触后试验开始,仪器以裂缝张开口位移(crack mouth opening displacement, CMOD)为控制指标,按照既定的加载速率(0.000 5、0.005和0.05 mm/s,分别对应5×10-6、5×10-5、5×10-4s-1的应变率)进行加载。与此同时,AE采集系统与动态应变仪同步开始采集数据,当加载力低至峰值荷载的5%左右时即可停止试验,此时试件几乎完全丧失承载能力,接近破坏状态。

2 结果与讨论

2.1 荷载-裂缝张开口位移曲线

试验得到的部分荷载-裂缝张开口位移(P-CMOD)曲线如图2所示。由图2(a)可知,随着SAP含量增加,峰值载荷逐渐降低,这是由于SAP的加入伴随着内养护水增多,混凝土总水灰比增加,强度逐渐下降。此外,峰值载荷越大,软化阶段荷载的减小速率越陡,这与文献[22-23]结果相似。图2 (b)为不同加载速率下的P-CMOD曲线。由图2(b)可知,峰值荷载随加载速率的增加而增大,反映了胶凝材料对应变率的影响[14]。

图2 三点弯曲试验的P-CMOD曲线Fig.2 P-CMOD curves of three-point bending tests

根据《水工混凝土断裂试验规程》(DL/T 5332—2005)[24],失稳韧度可由式(2)计算得到。

(2)

(3)

计算所得的断裂性能指标平均值如表3所示。

2)使用饱和水装置(图4)对煤样进行加压饱水处理，期间每隔12 h将煤样取出称重，直至煤样质量不再增加，可认为煤样饱和，记录饱和水煤样的质量ms。

表3 计算所得的断裂性能指标平均值Table 3 Average value of the calculated fracture performance index

由表3可知,随着SAP含量和加载速率的增加,失稳韧度均呈线性递减的趋势,表明SAP混凝土具有明显的应变率效应。将SAP含量、加载速率和失稳韧度进行线性拟合,SAP和加载速率对失稳韧度的影响如图3所示,不同加载速率下的失稳韧度拟合曲线结果如表4所示。

图3 SAP含量和加载速率对失稳韧度的影响Fig.3 Effects of SAP content and loading rate on unstable toughness

表4 不同加载速率下的失稳韧度拟合曲线结果Table 4 Fitting curves results of instability toughness under different loading rates

2.2 声发射能量

AE是一种很有前景的分析混凝土断裂性能的方法[25]。当材料内部发生微小的断裂或错位时,采集系统可以捕获典型的声波,典型AE信号如图4所示。一个AE信号波即为一个AE事件,在这个波段内,从刚刚超过阈值到达峰值幅度的时间称为上升时间,波段幅值超过阈值的时间为持续时间,波段内的最大电压值为幅值,超过阈值的波峰数为这一次AE事件的振铃计数。

图4 典型AE信号Fig.4 Typical AE signal

在加载过程中,AE振幅、荷载、峰值能量和累积能量的变化可以呈现出损伤过程,不同加载速率下SAP混凝土的AE振幅和能量变化如图5所示。在初始加载阶段,由于试样和设备之间的接触和摩擦,会产生少量AE信号。随着载荷的增加,试件进入弹性变形阶段,当试样内部裂纹稳定扩展时,AE信号逐渐增加。当载荷接近峰值时,AE信号变得密集,能量波动较大,表明裂纹扩展不稳定。同时,试样中出现宏观裂纹,释放出大量能量。在峰值载荷后,能量波动剧烈,伴随着最强烈的AE信号,表明试样内部产生了大量微裂纹。随着载荷的持续施加,AE信号和能量波动逐渐减小,表明裂纹的发展缓慢结束,样品几乎完全损坏。SAP混凝土峰值能量和累积能量变化如图6所示。

图5 不同加载速率下SAP混凝土的AE振幅和能量变化Fig.5 AE amplitude and energy variation of SAP concrete at different strain rates

图6 SAP混凝土峰值能量和累积能量的变化Fig.6 Variation of peak energy and cumulative energy of SAP concrete

通过对比图5(a)、(c)、(e)或(b)、(d)、(f)以及图6(a)可以发现,峰值能量随加载速率的增加而增加。对于SAP-0%～SAP-23%的样品,与应变速率为5×10-4s-1相比,应变速率为5×10-6s-1时的峰值能量降低了约28%、62%、72%、56%、63%。同时,在较高的加载速率下,AE信号相对稀疏,特别是在峰值载荷附近,因为当加载速率较高时,试样内部的裂纹发展为剪切裂纹,比拉伸裂纹释放出更多的能量。

图6(b)显示了不同SAP含量混凝土在不同加载速率下累积能量的变化。通过比较图6(b)中SAP混凝土累积能量可以发现,随着SAP含量的增加,加载过程中释放的能量显著减少。在5×10-6s-1的应变速率下,与SAP-0%相比,最大累积能量减少量为SAP-17%的82%。在5×10-5s-1的加载速率下,最大降幅为SAP-23%的80%。最终,在5×10-4s-1的应变速率下,SAP-17%的最大降幅为57%。

2.3 b值研究

b值法最初是由Gutenberg等[26]提出,用于分析地震波以及量化地震活动水平。由于AE事件的典型波形与地震波相似[27],该方法还可以表征混凝土内部的断裂活动并评估损伤程度。b值的计算如式(4)所示。

(4)

b值表示具有小振幅AE事件的比例,因此当小振幅信号较多时,b值较大,相反,当高振幅的比例提高时,b值会变小。不同的损伤模式会产生不同振幅分布的AE信号,SAP混凝土在不同加载速率下的振幅分布和拟合曲线如图7所示,得出的b值如表6所示。

图7 AE振幅分布及拟合曲线Fig.7 Amplitude distribution and fitting curves of AE

表6 不同加载速率率下SAP混凝土的b值Table 6 b value of SAP concrete at different strain rates

由图7可以看出,不同加载率下的AE振幅与公式所示的AE撞击数的对数呈良好的线性关系。由表6可以看出,不同SAP含量的b值随着加载速率的增加而减小。这是因为随着加载速率的增加,高振幅AE事件产生,同时伴随着内部裂纹的快速产生。

2.4 RA-AF关联分析法

在AE分析中,上升时间幅值-平均频率 (risetime amplitude-average frequency, RA-AF)关联分析法在混凝土等脆性材料的失效模式识别中已经得到了广泛应用[28-30]。RA定义为上升时间与AE事件幅值(ms/V)的比值,AF是AE循环计数与持续时间的比值。参考Isoda等[31]建立的关于RA和AF的关系,根据RA-AF法可将裂纹划分为拉伸型裂缝和剪切型裂缝,结果如图8所示。基于RA-AF分析可以确定结构失效模式。

图8 基于RA-AF关联分析法的典型裂缝分类Fig.8 Typical crack classification based on RA-AF correlation analysis method

SAP混凝土试件的RA-AF值如图9所示。拉伸型和剪切型裂纹的百分比计算结果和变化情况如图10所示。

图9 SAP混凝土试件的RA-AF值Fig.9 RA-AF value of SAP concrete specimens

图10 不同SAP含量和加载速率下的拉伸型裂缝比例Fig.10 Tensile-type crack ratios at different SAP content and loading rates

从图9中可以看出,RA-AF关联分析法表明在相同的SAP含量下,RA值和最大RA值随加载速率的增加而增加。拉伸型裂缝比例的减小也反映了变化规律,表明混凝土脆性较高。研究结果与Chen等[32]的研究结果一致,即在低加载速率下,拉伸型裂缝主导了对试件的损伤。SAP混凝土的脆性随荷载速率的增加而增加,AE信号的RA值越大,剪切型裂缝的比例越高。

从图10(a)中可以看出,随着加载速率的增加,拉伸裂纹的百分比呈下降趋势。但对于SAP-23%而言,中间加载速率的增加较小,这可能是混凝土的随机特性引起的。从图10(b)中也可以看出,在相同的加载速率下,不同SAP含量的拉伸型裂缝百分比有增减的趋势。SAP-12%的拉伸型裂缝比例最高(分别为87.4%、81.8%和70.2%),SAP-17%的拉伸型裂缝比例随后下降,SAP-23%的拉伸型裂缝比例略有增加。这主要是由于:1)随着SAP含量的提升,相同加载速率下SAP混凝土的强度降低,因为SAP的加入虽然提升了混凝土胶凝材料的水化程度,但是也提升了总水灰比,增加了混凝土的总孔隙率,导致强度降低;2)拉伸型裂缝比例呈先增长后降低的趋势,因为SAP的内养护能够有效缓解混凝土早期的自收缩,提升混凝土的水化程度,降低混凝土内部的初始缺陷,而随着SAP含量的提升,混凝土的脆性提升,破坏时间缩短,裂缝的发展时间受到限制而无法充分发展,骨料之间的剪切增多,进而混凝土试件内部更多的初始缺陷会导致破坏形态向剪切型破坏转变,拉伸型裂缝的比例降低。正如Kong等[33]所建议的,在混凝土中加入SAP可以在不同的加载应变速率下提高拉伸型裂缝的比例,这有利于减少剪切破坏。

3 结 论

1)随着加载速率的增加,SAP混凝土的强度增加,而随着SAP含量的增加,相同的加载速率下SAP混凝土的强度呈降低趋势。随着加载速率的增加,SAP混凝土的失稳韧度呈线性降低趋势。

2)随着SAP含量的增加,加载过程中释放的能量显著减少,最大累积能量在5×10-6、5×10-5和5×10-4s-1的应变速率下分别下降了82%、80%和57%;而随着加载速率的增加,峰值能量呈增加趋势。

3)声发射分析表明,不同SAP含量混凝土试件的b值随着加载速率的增加而减小,表明随着加载速率的增加,试件内部的裂纹快速产生和扩展,当加载速率从0.000 5 mm/s增加到0.05 mm/s时,拉伸型裂缝的比例降低约15%;同时研究结果表明,混凝土中掺入适当的SAP可以增加拉伸型裂缝的比例,并降低剪切破坏的可能性。