蒸养再生骨料混凝土断裂声发射特征*

陈育志 宁英杰 陈徐东 宣卫红 郭玉柱

(1 金陵科技学院建筑工程学院 南京 211169)

(2 河海大学土木与交通学院 南京 210098)

(3 浙江交工集团股份有限公司 杭州 310051)

0 引言

混凝土因具有强度高、可塑性好、成本低等优点，已成为应用最广泛的建筑材料，但其大量应用也带来了资源消耗巨大、环境污染严重等问题。我国混凝土及其制品每年大约需要消耗132亿吨的砂石骨料[1]。而城市化建设过程中大量的老旧建筑被拆除，每年产生的建筑垃圾也达数十亿吨[2]。采用再生骨料制备再生骨料混凝土(Recycled aggregate concrete,RAC)，不仅能够减轻废弃混凝土造成的环境压力，还可以大幅度减少对自然资源的开采。为推进RAC在工程中的广泛应用，各国研究人员均对RAC 开展了大量研究工作。研究混凝土断裂力学理论对于揭示混凝土拉伸破坏过程具有十分重要的意义。Musiket等[3]开展了不同尺寸RAC梁的断裂试验，研究显示，RAC 梁的断裂荷载存在尺寸效应。Wang 等[4]研究显示，再生骨料对混凝土在高温下的抗断裂性不利。黄书岭[5]试验显示，RAC的断裂韧度低于普通混凝土，大约为其断裂韧度的75%～97%。罗素蓉等[6]通过三点弯曲试验，基于双K 断裂参数评价再生混凝土的断裂性能，再生混凝土的起裂韧度和失稳韧度随再生骨料取代率的增加而降低。

在建筑工业化背景下，采用预制构配件进行装配将成为混凝土结构的重要生产方式。混凝土预制构件生产过程中通过高温蒸汽养护可以提高混凝土早期强度，从而缩短脱模时间，提高生产效率，但过高的蒸养温度或蒸养时间过长也会对混凝土力学性能造成不利影响[7-9]。目前关于蒸养RAC 断裂性能及损伤机理的研究还相对较少。

为深入研究高温蒸养对RAC断裂性能的影响，本文采用MTS322 试验机对RAC 试件开展三点弯曲试验，并利用声发射(Acoustic emission,AE)技术对混凝土内部损伤过程进行了监测分析。

1 试验方案

1.1 试验材料

水泥为海螺牌PO42.5 普通硅酸盐水泥，矿渣为S95 磨细粒化高炉矿渣粉。水泥、矿渣的比表面积分别为378 m2/kg 和420 m2/kg，水泥和矿粉的化学组成如表1 所示。参照《蒸养混凝土制品用掺合料》(JC/T 2554–2019)中蒸养活性指数试验方法对本文所用的矿粉进行测试，得到3 d 和28 d 蒸养活性指数分别为106.9%和119.4%。粗骨料全部采用再生骨料，最大公称粒径为26.5 mm，压碎值为15.2% (压碎指标II类)，细骨料采用天然河砂，细度模数为2.5。

表1 胶凝材料的化学组分含量Table 1 Chemical component content of cementitious material(单位: %)

1.2 配合比

RAC的配合比如表2所示，粗骨料为再生骨料，砂率0.46，水灰比0.3，减水剂采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的PCA 聚羧酸高性能减水剂，掺量为胶凝材料的0.7%，混凝土拌合物流动性较好，实测塌落度190～200 mm。采用矿粉做为掺合料代替部分水泥，水泥和矿粉的质量比为0.5:0.5。

表2 RAC 配合比Table 2 Mix ratio of RAC(单位: kg/m3)

1.3 试件制备和养护

本文试验采用的试件为100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱体，试件成型时养护条件分为标准养护和蒸汽养护两种。蒸养过程包括静停阶段、升温阶段、恒温阶段和降温阶段，本文试验具体设计的养护温度和恒温时间如表3 所示。静停3 h 是指从RAC 浇筑至模具中开始，在20°C 的环境中放置3 h；升温时间指从20°C 经过2 h 升温至目标蒸养温度；恒温时间是指在目标蒸养温度下养护的时间；降温时间是指从蒸养温度经过2 h降温至20°C。在蒸养结束后，将混凝土试件脱模，然后置于标准养护条件下养护至28 d龄期开展试验。采用标准养护的试件编号为RAC20，60°C 恒温12 h 蒸养的试件编号为RAC6012，80°C恒温9 h蒸养的试件编号为RAC8009。

表3 蒸汽养护方案Table 3 Steam curing scheme

1.4 加载方案

在试件一个侧面沿跨中截面切割深度30 mm的初始裂缝，对应缝高比(a0/h)为0.3，切割后用自来水将切割处冲洗干净，对应的另一个侧面为加载面。采用MTS322 试验机对试件进行三点弯曲加载，支座跨度为300 mm，夹式引伸计安装固定于试件初始裂缝开口处，用于测量记录裂缝张开口位移(Crack mouth opening displacement,CMOD)，并作为控制参数进行加载控制，加载速度为0.002 mm/s。加载过程中，MTS 试验机采集记录荷载和CMOD 值，采用AE 对断裂过程进行监测。AE 设备为美国物理声学公司生产的Sensor Highway III 声发射系统，采用6 个传感器进行信号采集，通过松紧带将传感器固定在试件表面预设位置，并用凡士林作为耦合剂使传感器与混凝土表面紧密贴合。传感器型号为PK6I，工作频率介于35～65 kHz 之间，谐振频率≤55 kHz，内置26 dB 低功率放大器，信号采集的门槛值为40 dB，采样率设置为1 MSPS。具体试验装置如图1所示。

图1 混凝土三点弯曲断裂试验装置Fig.1 Three-point bending fracture test device for concrete

2 结果与分析

2.1 F-CMOD曲线

养护条件对RAC 断裂F-CMOD 曲线的影响如图2 所示。与蒸汽养护相比，标准养护的RAC断裂破坏荷载较高，但标准养护试件峰后曲线的下降速率很快，曲线相对较陡。标准养护和60°C-12 h、80°C-9 h 蒸汽养护下的峰值荷载分别为7.12 kN、5.74 kN 和6.33 kN，对应CMOD值分别为0.025 mm、0.024 mm 和0.022 mm，蒸养RAC 的断裂荷载峰值有不同程度的减小，混凝土抵抗开裂能力有所降低，但与标养试件相比，蒸汽养护混凝土的F-CMOD 曲线下降速度相对较缓慢，说明蒸养RAC的脆性有所降低。

图2 不同蒸养制度RAC F-CMOD 曲线Fig.2 F-CMOD curve of RAC with different steam curing systems

2.2 AE事件定位

AE 源的定位是映射混凝土试件内部损伤情况的一种有效手段。时差定位方法是AE 事件定位的常用方法，其基本原理是将多个传感器采集到的撞击收集到某一AE 事件中，并分析该事件命中的时间差以生成源位置的过程。本试验采用Sensor Highway III 声发射系统内置的三维定位模式，该模式在时差定位方法的基础上使用多个事件进行多元回归分析以减小单个事件到达时间的误差，可以产生更准确的源位置。图3 为3 组试件断裂加载过程中AE 信号源的分布情况，每种工况2 幅图对应2个加载阶段，分别为：(I) 加载开始至峰值Fmax阶段；(II) 峰值Fmax至30%～20%Fmax阶段(峰后荷载快速下降阶段)。

图3 试件的AE 源定位Fig.3 AE source location

从图3 中可以发现，整个加载过程中AE 定位的损伤源主要集中分布在跨中裂缝发展区域，加载至峰值荷载前，除了局部应力集中位置，混凝土内部以微裂缝的形成为主，AE 事件少，AE 可以识别的损伤点较少。而且峰值前还未形成主裂缝，试件内在两个支座之间初始裂缝高度以上部分，均存在大小不等的应力状态，因此在第I 阶段，AE 信号源比较发散，除了跨中截面，其他位置也可见AE信号源。达到峰值后第II 阶段，混凝土内的微裂缝开始聚集并逐渐扩展，产生大量的AE 事件，对应着AE信号源急剧增加。

对比不同蒸养制度试件AE 源分布情况，可以发现，标准养护和80°C-9 h 养护总的AE 事件数量比较接近，在裂缝开展过程中产生更多的AE 事件；而60°C-12 h养护试件的AE事件数量明显偏少。

2.3 AE振铃计数

振铃计数是反映AE 现象是否活跃的指标，与阈值的大小有关，从其变化趋势可以得到试件内部损伤发展的剧烈程度，AE 振铃计数累计值(Accumulative AE counts)能够反映试件加载过程中AE活动的总量和频率。

图4 为标准养护、60°C-12 h 和80°C-9 h 蒸养试件AE 振铃计数累计值与荷载-时间曲线图。从图4中可以看出，AE 振铃计数累计值曲线总体趋势为：荷载上升阶段对应AE 振铃计数累计值小幅增长；荷载峰值阶段对应AE 振铃计数累计值平缓段；荷载峰后第一阶段即荷载迅速降低阶段，对应AE振铃计数累计值迅速增加；荷载峰后第二阶段即荷载缓慢降低阶段，AE 振铃计数累计值增长速度开始减缓。

图4 AE 振铃计数累计值与荷载-时间曲线图Fig.4 Accumulated value of AE ringing count and load-time curve

加载上升阶段，该过程AE 事件较少，AE 信号强度也较低，因此AE 振铃计数累计值增长较小，表明试件内除了初始裂缝尖端或初始缺陷等应力集中的局部位置，整体上还未出现开裂，以微裂缝为主。加载至荷载峰值时，AE振铃计数累计值增长进入平缓阶段，AE 信号活动性很低，说明混凝土内主要是微裂缝聚集形成过程区的阶段，对应微裂缝的聚合会持续一段时间。峰值后荷载迅速降低阶段为过程区迅速发展的过程，AE 振铃计数累计值曲线迅速上升，AE 信号最活跃，表明该阶段裂缝张开位移增大同时生成新的裂缝，裂缝发展的比较充分。峰后第二阶段荷载曲线缓慢降低的过程，AE 振铃计数累计值曲线增长幅度减缓，该阶段主要是宏观裂缝的开展，裂缝已经扩展至试件顶部区域，不再生成新的裂缝，对应着AE信号活跃性降低。

蒸汽养护对混凝土的内部损伤有显著影响，标养试件的振铃计数累计值为16.19×105，80°C-9 h养护试件的振铃计数累计值为14.28×105，相比减少了12%，60°C-12 h 养护试件的振铃计数累计值为8.25×105，减少幅度为49%，主要原因是高温蒸养增大了混凝土内部的微观孔结构，导致其抵抗开裂能力降低，混凝土内裂缝形成扩展过程中AE 信号有所降低。

2.4 AE撞击数分布

AE 波形越过门槛值且向某一通道输入信号便形成一次撞击。AE 撞击数(AE hits)的分布能够反映单位时间内损伤源的活跃程度。图5 为3 组试件AE 撞击数与荷载-时间曲线图。与图4 AE 振铃计数累计值曲线类似，加载上升阶段AE 撞击数很少，峰后荷载迅速降低阶段，撞击数开始急剧增加，峰后荷载缓慢降低阶段，AE撞击数开始降低。

图5 AE 撞击数与荷载-时间曲线图Fig.5 AE hits number and load-time curve

对比不同养护条件对AE 撞击数的影响，标准养护试件的AE 撞击数最多，80°C-9 h 养护试件与标准养护比较接近，但略有降低，60°C-12 h 养护试件的AE 撞击数降低明显。AE 撞击数与振铃计数均为AE 活动性的反应，两者在加载过程中表现出近似的变化趋势。

2.5 声发射b值分析

混凝土作为准脆性材料，与岩石类似，受力破坏也是内部裂纹萌生、扩展、成核并形成宏观破裂面的过程，由于AE的b值特征能够反映材料内部微裂纹尺度的变化情况，b值的突变也可作为混凝土发生宏观破坏的前兆，对b值特性的研究已逐渐成为认识混凝土破坏特性的重要方法[10-11]。

适用于AE 参数的Gutenberg-Richter 公式如式(1)所示[12]：

式(1)中，N为幅值大于AdB的AE 事件数；AdB为AE 事件的幅值；a为经验常数；b是描述AE 幅度分布规律的参数。

b值在统计意义上代表了幅值较小的AE 事件在总的AE 事件中所占比例。高b值表示微观裂缝主导，而低b值表示宏观裂缝主导。

图6为3组试件b值与荷载-时间曲线图。从图6中可以看出，在荷载达到峰值后进入峰后荷载快速下降阶段，b值呈现波动下降的趋势，直至荷载降到约30%峰值区域后，b值开始转为低位震荡趋势。

图6 b 值与荷载-时间曲线图Fig.6 b-value and load-time curve

在荷载峰值处，微裂缝开始聚集形成过程区，以微裂缝的产生和聚集为主，对应较高的b值；在峰后荷载快速降低阶段，过程区逐渐扩展到最大尺寸，在长度延伸的同时张开位移也逐渐增大，对应着新的微裂缝生成和微裂缝向宏观裂缝扩展的过程，此时b值呈震荡降低的走势；峰后荷载缓慢降低阶段，裂缝已经延伸至试件顶部区域，不再继续产生新的微裂纹，随着宏观裂缝形成并快速扩展，高能量AE事件占主导地位，该过程b值在低位震荡。加载过程中b值的变化特征，充分表明了b值与裂缝发展过程有着较好的对应关系，而且b值突然出现或突然上升，预示着微裂缝的出现和聚集，表明混凝土变形达到了峰值应变。

2.6 声发射Ib值分析

为了能够过滤可能干扰计算结果的异常(过高或过低的异常数值)幅值信号，Shiotani 等[13]提出了声发射b值改进值，即Ib 值分析方法，如公式(2)所示：

式(4)中，σ和μ分别为AE 事件幅值的标准差和均值；α1和α2为自定义计算系数。

当AE 事件在任意时间段内连续发生时，会产生许多大小不同且随机的信号，这些信号会直接反映在AE 事件振幅的分布上。因此，每个瞬时振幅的波动将直接影响AE 事件的Ib值。Ib值波动的强度与裂缝的发育密切相关，这就是Ib 值的瞬态特性。

图7为3组试件AE 的Ib值和荷载-时间曲线图，从图7 中可以看出，整个加载过程Ib 值呈现震荡变化的特征，荷载峰值区域以及峰后荷载快速下降阶段，Ib 值震荡比较密集，表明该阶段裂缝扩展比较活跃，交织着微裂缝的形成和过程区的扩展，荷载下降至较低值时，过程区扩展为宏观裂缝，不再有新裂缝产生，此时Ib 值波动频率明显降低。

图7 Ib 值和荷载-时间曲线图Fig.7 Ib-value and load-time curve

对比不同养护制度的区别，由于标养试件荷载在峰后下降得更迅速，可以看出标准养护试件Ib值震荡密集阶段持续时间相对较短，表明标准养护的试件内部过程区的发展也更快，高温蒸养使试件内具有更复杂的孔隙结构延缓了过程区的开展过程，表现为具有更好的延性。

3 结论

本文开展了标准养护和两种蒸养制度掺矿粉RAC 三点弯曲断裂试验，采用AE 对加载过程进行了监测。研究了养护条件对RAC 断裂性能的影响，分析了断裂过程裂缝扩展和损伤演化规律，得到以下主要结论：

(1) 高温蒸养降低了RAC 断裂峰值荷载，蒸养混凝土的F-CMOD 峰后曲线下降缓慢，脆性降低，蒸养RAC 断裂过程中AE 信号强度低于标准养护试件。

(2) AE 振铃计数、撞击数等参数能够准确反映RAC 断裂过程损伤演变规律，声发射b值能够识别微裂纹的出现和扩展过程。加载上升阶段，AE信号活动性很低，试件内以微裂纹的形成为主；加载至荷载峰值，AE 振铃计数累计值增长对应平缓阶段，混凝土内微裂缝的聚合会持续一段时间；荷载达到峰值迅速降低阶段AE信号也最活跃，声发射b值呈波动降低趋势，Ib 值波动密集，对应着裂缝迅速发展的过程；荷载缓慢降低的过程，AE 信号活跃性降低，主要是宏观裂缝的开展，裂缝扩展至试件顶部区域，不再生成新的裂缝。

尽管蒸养能够快速提升RAC 早期强度，但也会造成后期抵抗开裂能力的降低，从声发射分析结果推测可能与高温蒸养引起RAC 内部孔结构劣化相关，需要进一步通过微观试验加以验证。在RAC预制构件生产中应综合生产效率、能源消耗以及混凝土后期力学、耐久性能合理确定蒸养制度，并选用合适的矿物掺合料和外加剂以降低蒸养的不利影响。