普通混凝土和橡膠混凝土彎曲損傷過程的聲發射研究＊

張亞梅，王 超，路 宜，馬愛斌

（1.東南大學江蘇省土木工程材料重點實驗室，江蘇南京 211189；2.河海大學材料科學與工程學院，江蘇南京 210098）

聲發射技術靈敏度高、可動態實時監測材料內部微觀結構變化，作為一種成熟的無損檢測方法已被廣泛應用于航空航天、石油化工、材料試驗等領域，是一種頗具活力和發展前景的新方法，對材料及其結構性能的研究具有很大的促進作用.

20世紀50年代，德國科學家Kaiser根據前人的工程經驗將聲發射和材料的力學過程聯系起來［1］.1970年，Green首次明確指出聲發射與混凝土的破壞全過程是相關聯的［2］.1991年Ohtsu研究了混凝土破壞機理，并取得了較好的效果［3］.1995年，董毓利［4］建立了混凝土受壓損傷本構模型，并用反映聲發射特性的損傷能確定了模型中的損傷因子.之后又有不少研究者將聲發射運用到混凝土損傷因子的測定，從而確立了聲發射在混凝土研究領域的重要地位.1999年，陳兵［5］等得出了集料尺寸影響混凝土斷裂性能的結論.2001年Keru Wu［6］以及2006年Bing Chen［7］得出了集料尺寸與混凝土斷裂韌度的相關關系.2002年，Ohtsu等根據聲發射數據提出了一種評估損傷的方法［8］.2006年，Thummen等得到了不同疲勞階段的聲發射特征［9］.到目前為止，聲發射技術的研究對象已從由金屬為主擴展到巖石、混凝土、復合材料、陶瓷、木材等幾乎所有的固體材料.

橡膠混凝土是在普通混凝土中加入了橡膠顆粒的混凝土.與普通混凝土相比，橡膠混凝土具有優異的抗裂性、抗凍性和疲勞性能等［10－13］.美國等已將橡膠混凝土用于鋪設試驗路段路面，取得了很好的效果.然而，關于橡膠混凝土的損傷破壞機理方面的研究還很少.本文采用聲發射技術研究不同強度的普通混凝土及橡膠混凝土在彎曲荷載下的損傷破壞過程，并對損傷區域進行定位研究，以期掌握不同混凝土損傷破壞過程的聲發射特性，為運用聲發射技術研究混凝土的損傷破壞過程提供理論支撐.

1 試驗原材料、配合比及試驗設計

1.1 原材料

水泥：南京江南水泥廠生產的“金寧羊”牌P·Ⅱ42.5R硅酸鹽水泥；石子：粒徑為5～20mm連續級配的玄武巖碎石；砂：普通黃砂，中砂，細度模數2.4；橡膠顆粒：南通某公司生產的10～14目廢棄輪胎橡膠顆粒；外加劑：江蘇省建科院生產的JM－PCA聚羧酸系高效減水劑.

1.2 配合比及成型養護

試驗以設計抗壓強度為C50，C60和C70等級的普通混凝土計算配合比，同時配制了C50強度等級的橡膠混凝土，每種混凝土各成型3個立方體試樣（用于測試抗壓強度）和3個長方體試樣（用于彎曲試驗）.橡膠混凝土是以C50的普通混凝土為基準，用10～14目的橡膠顆粒取代砂，1m3混凝土中橡膠混凝土的摻量為63kg.為了比較同等抗壓強度的橡膠混凝土與普通混凝土的彎曲損傷過程，橡膠混凝土采用了較低的水灰比.混凝土中加入了適量的JM－PCA減水劑改善新拌混凝土流動性，混凝土的坍落度控制在160～200mm之間.各組混凝土的配合比見表1，其中KB表示基準普通混凝土，RC表示橡膠混凝土，R表示橡膠顆粒.

彎曲試驗所用混凝土試件采用100mm×100 mm×400mm的長方體試塊，成型后的試樣經24h標準養護后脫模，并送往標準養護室中養護28d.

表1 混凝土配合比及抗壓強度Tab.1 Mix proportion of raw materials

1.3 試驗方法及主要參數

彎曲試驗在MTS810上進行.在彎曲加載過程中同步采用PCI－2AE聲發射系統對試驗過程中的聲發射信號進行實時采集.聲發射信號采集時采用6個傳感器（為以后進行定位分析），固定于試件上下表面，由于4點彎曲的損傷主要產生于中間100 mm段，故將傳感器分布于試件中截面兩側100mm處，如圖1所示.傳感器選用R6型，其中心頻率為60kHz.

根據文獻［3，8，14］和以往試驗經驗，聲發射儀的固定門檻值設為40dB，前放增益設置為40dB，濾波設置為20～400kHz，定時參數為峰值鑒別事件（PDT，為確定Hit信號的上升時間而設置的新最大峰等待時間間隔）：50μs；波擊鑒別事件（HDT，為確定Hit信號的終點而設置的等待時間間隔）：200μs；波擊閉鎖事件（HLT，為避免反射波或遲到波的干擾而設置的關閉測量電路的時間間隔）：300 μs.使用凡士林作為耦合劑，將聲發射傳感器黏貼于打磨光滑的試樣表面.試驗前，通過斷鉛試驗檢查聲發射探頭和試樣的耦合情況.經過預實驗，發現這些設置和措施可有效地排除外部的撞擊、摩擦等機械噪聲，只接收斷裂區附近產生的聲發射信號.

圖1 聲發射信號采集用傳感器分布圖Fig.1 The location of the sensors for AE test

試驗加載方式為先載荷控制，加載速度為1kN／min；當力達到峰值荷載后采用位移控制，加載速度為0.05mm／min，通過這樣的加載方式可以在峰值前提高加載速率，峰值后為減小數據的離散性而放慢加載速率.試驗采用4點彎曲的加載方式.試驗過程中同步采用日本產TMR－7200動態數字采集儀采集應變，應變片黏貼于試件底部中間位置.

2 試驗結果及分析

2.1 抗折強度和峰值應變

若試件下邊緣斷裂位置處于兩個集中荷載作用線之間，則試件的抗折強度ff（MPa）可按標準計算得出.由于試驗中采用100mm×100mm×400mm試件，所以應將測得的強度值乘以尺寸換算系數0.85.試驗結果平均值見表2.試驗測得的各個試件的典型彎曲荷載－應變曲線如圖2所示.

試驗結果表明，混凝土強度等級提高，抗折強度也相應地提高.分析比較KB C50和RC C50混凝土可知，同樣抗壓強度的橡膠混凝土比普通混凝土的抗折強度有所增大，增大幅度超過20%，另外橡膠混凝土的平均峰值應變比普通混凝土增大約50%.這是由于摻入了橡膠顆粒的混凝土塑性明顯增強，在受載過程中通過微裂紋的應力集中減小，因此斷裂韌性提高，可承受的抗折荷載比普通混凝土大.同時，摻入橡膠可以有效地吸收裂紋起裂和擴展時釋放的能量，起到了增韌減脆的作用.

表2 混凝土彎曲試驗結果平均值Tab.2 Bending test results of concretes

圖2 混凝土試件的彎曲載荷－應變曲線Fig.2 Load－strain curve of concretes under bending load

從圖2可以看出，橡膠混凝土載荷－應變曲線峰值附近比較圓潤，而普通混凝土的峰值附近曲線比較尖銳，這是因為橡膠顆粒的存在緩解了裂紋尖端的應力集中，裂紋的匯聚和擴展較緩慢.普通混凝土因其脆性較大，峰值荷載之前通過微裂紋匯聚迅速形成主裂紋，達到峰值荷載后由于宏觀裂紋的迅速擴展而導致承載力迅速下降.在與其他混凝土相同的加載速率的條件下，KBC70混凝土在極限荷載之后很快斷裂.因此，同種混凝土的強度等級越高，表現出的脆性越明顯.

2.2 聲發射測試結果與分析

經比較發現，不同種類混凝土的聲發射信號有明顯差異，而同種混凝土的聲發射信號則相類似.故在以下試驗中只取較為典型的信號進行分析.

2.2.1 聲發射信號活度

聲發射一個通道上所探測到的聲發射信號數量稱為撞擊數，常用于評價聲發射活動性，可分為撞擊總數和撞擊率，分別反映聲發射活動的總量和頻度.

圖3所示為各組試件的撞擊總數及彎曲荷載隨試件底面中部應變的代表性變化曲線.

從圖3中可以看出，各組試件的聲發射撞擊總數隨應變的變化規律與彎曲載荷的變化曲線有很大的相關性.在加載初期至峰值荷載前，隨著荷載的增加，混凝土內部由于微裂紋的產生，聲發射的撞擊數迅速增長.當載荷增加到接近峰值載荷時，撞擊數增長速率開始下降，峰值荷載后曲線迅速趨于平緩.這表明，在峰值附近混凝土內部的微裂紋匯聚形成宏觀裂紋，損傷源只集中在局部區域，撞擊累計總數也不再有明顯的增加.

圖3 撞擊總數、彎曲荷載－應變曲線Fig.3 Accumulative hit number，bending load－strain curve

比較各強度普通混凝土的撞擊數隨應變的變化可以發現，隨著普通混凝土強度的升高，撞擊累計總數減小.這說明高強度普通混凝土在彎曲折斷過程中表現出明顯的脆性斷裂的可能性增大，裂紋一旦形成，便迅速沿著一個主要路徑擴展，達到峰值荷載時便瞬間破壞，延伸性小，撞擊累計總數也因此得不到連續增長，所以撞擊總數少.比較C50普通混凝土與橡膠混凝土可以發現，普通混凝土的聲發射信號活度大于橡膠混凝土.在荷載峰值附近，RC混凝土的撞擊累計總數曲線斜率是緩慢變化的.因此，從彎曲過程中撞擊累計總數增長的趨勢及破壞程度方面均能說明：摻入橡膠顆粒有效地降低了混凝土的損傷程度，而且在峰值荷載到來之前，損傷的演變速率明顯比普通混凝土慢，混凝土抵抗破壞的能力增強，這對提高混凝土結構的安全性是有利的.2.2.2 聲發射信號強度

幅度是指聲發射事件信號波形的最大振幅值，與事件的大小有直接的關系，是表征信號源強弱的特征參數.不同類型的波源產生的信號幅度范圍也不同，因此可以用幅度來鑒別波源的類型、強度及衰減情況.

圖4所示為各組試件的幅度值隨彎曲應變的分布關系圖.圖中應變所取的范圍為0～500×10－6mm／mm，主要是考慮峰值荷載過后形成了宏觀裂紋，此時位于試件底面中部的應變片的測量會存在誤差，另外對于C70這樣的高強度的混凝土來說，峰值過后迅速形成了宏觀裂紋，在500×10－6mm／mm處即折斷.

從圖中可以看出：普通混凝土在加載到峰值荷載之前，隨著應變的增長，幅值分布很密集.普通混凝土強度越高，幅值在加載過程中分布越密集，幅值的范圍也越寬.對于高強度的混凝土來說，在損傷發展的初期幅值就很高，出現了一些大于80dB的高幅值信號，且高幅值信號貫穿整個測試過程.這表明，混凝土的強度越高，脆性越大，裂紋在荷載的驅動下迅速開裂擴展而產生高幅值的聲發射信號，損傷程度大，速度快.比較普通混凝土和橡膠混凝土聲發射信號可以看出，橡膠混凝土聲發射信號的幅值總體要小于普通混凝土，而且加載的中間階段分布較稀疏，這可能是因為微裂紋發展至橡膠顆粒后擴展受阻.接近峰值荷載時，聲發射信號分布重新變得密集，說明裂紋越過橡膠顆粒，損傷有明顯的增長.且高幅值信號在峰值荷載后產生，說明橡膠混凝土盡管在峰值荷載后承載能力下降，但混凝土內部的損傷程度此時并沒有達到最大.

圖4 聲發射信號幅度－應變曲線Fig.4 Amplitude of acoustic emission－strain curve

圖5 撞擊數－幅度曲線Fig.5 Hit number－amplitude curve

圖5所示為各組混凝土試件彎曲折斷過程的撞擊數與信號幅度之間的關系圖.從圖中可以看出：普通混凝土及橡膠混凝土在彎曲加載過程中撞擊數均隨幅度的增大而減小，70dB以上的高幅度信號較少.由圖4中的幅度隨應變的分布可知，這些高幅度信號主要集中在峰值荷載附近及高強混凝土的全過程.高幅值信號的產生主要源于混凝土內部高強度損傷的迅速發展，40～60dB低強度信號所占比例較大，并且低幅值信號出現的撞擊數也較多.對于普通混凝土，隨著強度的升高，低幅度值信號所占比例減少而高幅度值信號增多，說明脆性增大.比較普通混凝土與橡膠混凝土聲發射信號的幅值可以發現，橡膠混凝土的低幅值信號撞擊數及高幅值信號撞擊數均少于普通混凝土，45dB以上的聲發射信號很少.

2.2.3 聲發射信號定位

聲發射定位計算的基礎理論與地震定位一樣，是通過聲速v及傳感器收到信號的時差Δt的相關計算，確定其聲源位置.經斷鉛試驗，測得普通混凝土的聲速為4 600m／s，而橡膠混凝土的聲速為4 500m／s.

由圖6對信號定位的空間分布可以看出，聲發射信號的定位大部分集中在試件中部的純彎段（雖然RC和C70大部分集中在旁側，但這也與實際抗折試驗中的破壞形態相對應，見圖6中的試樣照片）.所以可以認為聲發射信號主要集中在斷裂面附近，定位是準確的.

比較普通混凝土時可以發現，隨著強度的升高，聲發射事件是逐漸減少的，這也與前文所分析的抗折試驗聲發射的信號活度隨著強度的升高而降低是相符合的.而與相同抗壓強度的普通混凝土相比，橡膠混凝土的聲發射信號則較為集中.

圖6 抗折試驗的聲發射信號定位Fig.6 AE location in bending tests

3 結果分析

混凝土是一種多相非均質的復合材料，水泥砂漿與集料界面是結構內部的薄弱環節，存在著微裂紋等缺陷.當試件開始承載時，原有缺陷會產生很高的應力集中，并導致微裂紋的萌生和擴展.由于加載初期試件承受荷載較小，且該階段微裂紋的發生和發展是在亞微觀和微觀層次的最薄弱區域，裂紋擴展過程中不會被較大的阻力所抑制而在尖端積累大量能量，也就不會有較大的能量釋放而產生強的聲發射信號［13－14］.但混凝土基體強度越高，裂紋在形成及擴展過程中在尖端積累的能量越大，聲發射信號的強度也越大.而由于應變能的集中釋放，導致了高強混凝土的累計聲發射信號較少.

比較普通混凝土及橡膠混凝土，從聲發射信號產生的源頭分析，一方面，橡膠的吸聲性能使得聲發射信號經過橡膠后發生衰減，信號的強度有所降低；另一方面，由于橡膠顆粒的加入使得橡膠混凝土塑性增強，在彎曲加載過程中具有較好的變形能力，通過橡膠顆粒的變形消耗部分彎曲荷載產生的能量，起到能量耗散的作用，有效地緩解了裂紋尖端的應力集中現象，抑制了裂紋的擴展，降低了混凝土的彎曲破壞損傷程度和損傷演化的速率，延遲了破壞損傷的時間.因此，與普通混凝土相比，橡膠混凝土在彎曲靜載過程中產生的聲發射信號總體上表現為撞擊數減少，幅值范圍較小且隨應變過程的分布松散，能量值較低，說明橡膠混凝土內部損傷程度低，抗折性能大幅度提高.通過聲發射的定位可以看出，聲發射信號主要集中在斷裂面附近，這是因為斷裂面附近的損傷發展較為劇烈.因此聲發射定位可以很好地判斷損傷發生的位置.對比橡膠混凝土和普通混凝土發現，橡膠混凝土的聲發射信號較為集中，這是因為橡膠顆粒的存在阻止了微裂紋的橫向擴展，使損傷區域變小.

4 結 論

本文研究了不同強度的普通混凝土及橡膠混凝土在彎曲試驗過程中的聲發射信號特性，并借助聲發射信號的活度和強度變化規律分析了混凝土的損傷過程，得到如下主要結論：

1）在混凝土中摻加橡膠顆粒后，混凝土的抗折強度比同等級抗壓強度的普通混凝土提高了約20%，極限荷載時的應變提高了近50%.

2）聲發射結果分析表明，在相同的加載速率下，隨著普通混凝土強度的提高，混凝土脆性增大，損傷演變加快，裂紋迅速匯聚成宏觀裂縫并開裂，聲發射源較少，聲發射活度降低；同時，混凝土基體強度越高，伴隨損傷的發展產生信號的幅值總體上也就越高，聲發射強度升高，損傷程度也越大.

3）在相同的加載速率下，橡膠混凝土的聲發射活度和強度均小于相同抗壓強度的普通混凝土，表明加載過程中橡膠混凝土內部的損傷累積緩慢且程度小，因此，抗折強度高.

4）聲發射定位可以有效地監測混凝土的損傷區域，橡膠混凝土中的聲發射信號較為集中，說明了橡膠顆粒的存在限制了裂紋的擴展.

［1］ KAISER J.An investigation into the occurrence of noises in tensile tests，or a study of acoustic phenomena in tensile tests［D］.Munich，Germany：Technische Hochschule Münschen，1950.

［2］ GREEN A T.Stress wave emission and fracture of prestressed concrete reactor vessel material［C］／／Proceedings of the 2nd Inter－American Conference on Materials Technology.New York：American Society of Mechanical Engineers，1970：635－649.

［3］ OHTSU M.Simplified moment tensor analysis and unified decomposition of acoustic emission source application to in situ hydrofracturing test［J］.Journal of Geophysical Research，1991，96（4）：6211－6221.

［4］ 董毓利，謝和平.砼受壓全過程聲發射特性及其損傷本構模型［J］.力學與實踐，1995，17（4）：25－28.DONG Yu－li，XIE He－ping.The AE characteristic and damage model of concrete compression［J］.Mechanics and Practice，1995，17（4）：25－28.（In Chinese）

［5］ 陳兵，張東.用AE技術研究集料尺寸對混凝土斷裂性能的影響［J］.建筑材料學報，1999，2（4）：303－307.CHEN Bing，ZHANG Dong.Study of the influence of aggregate size on fracture properties of concrete by acoustic emission technique［J］.Journal of Building Materials，1999，2（4）：303－307.（In Chinese）

［6］ WU Ke－ru，CHEN Bing，WU Yao.Study of the influence of aggregate size distribution on mechanical properties of concrete by acoustic emission technique［J］.Cement and Concrete Research，2001，31（6）：919－923.

［7］ CHEN Bing，LIU Juan－yu.Investigation of effects of aggregate size on the fracture behavior of high performance concrete by acoustic emission［J］.Construction and Building Materials，2006，21（8）：1696－1701.

［8］ OHTSU M，UCHIDA M，OKAMOTO T，et al.Damage assessment of reinforced concrete beams qualified by acoustic emission［J］.ACI Structural Journal，2002，99（4）：411－417.

［9］ THUMMEN F，OLAGNON C，GODIN C.Cyclic fatigue and lifetime of a concrete refractory［J］.Journal of the European Ceramic Society，2006，26：3357－3363.

［10］TOPCU I B.The properties of rubberized concretes［J］.Cement and Concrete Research，1995，25（2）：304－310.

［11］胡鵬，朱涵.橡膠集料混凝土滲透性能的研究［J］.天津理工大學學報，2006，22（4）：8－12.HU Peng，ZHU Han.Experimental study on permeability of crumb rubber concrete［J］.Journal of Tianjin University of Technology，2006，22（4）：8－12.

［12］PAINE K A，DHIR R K，KOPASAKIS.Use of crumb rubber to achieve freeze thaw resisting concrete［C］／／Proceedings of the International Conference on Concrete for Extreme Conditions.London，United Kingdom：Thomas Telford Services Ltd，2002：468－498.

［13］王立燕.彈性橡膠混凝土的疲勞損傷性能研究［D］.南京：東南大學，2009.WANG Li－yan.Research on fatigue damage property of rubberized concrete［D］.Nanjing：Southeast University，2009.（In Chinese）

［14］張順祥.混凝土軸心受拉聲發射Kaiser效應試驗研究［D］.南京：河海大學，2007.ZHANG Shun－xiang.Research on Kaiser effect of acoustic emission in concrete under axis tension［D］.Nanjing：Hohai U－niversity，2007.（In Chinese）

［15］劉乃亮，齊暑華，周文英，等.吸聲功能橡膠研究進展［J］.特種橡膠制品，2008，29（4）：45－50.LIU Nai－liang，QI Shu－hua，ZHOU Wen－yin.Progress in research of sound absorption functional rubber［J］.Special Purpose Rubber Products，2008，29（4）：45－50.（In Chinese）