混凝土動態劈拉特性及損傷機理研究

宋來忠　張偉朋　周　斌　彭　剛　田　為

( 1. 三峽大學 理學院， 湖北 宜昌　443002； 2. 三峽大學 土木與建筑學院， 湖北 宜昌　443002)

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混凝土動態劈拉特性及損傷機理研究

宋來忠1張偉朋1周斌1彭剛2田為2

( 1. 三峽大學 理學院， 湖北 宜昌443002； 2. 三峽大學 土木與建筑學院， 湖北 宜昌443002)

摘要：利用大型多功能靜動力三軸儀分別進行了干燥混凝土與飽和混凝土試件在不同應變速率下的動態劈拉試驗．對混凝土的物理力學參數進行了統計分析，研究了加載速率、濕度對混凝土劈拉強度的影響．結果表明：干燥混凝土與飽和混凝土的劈拉強度隨應變速率的增大而提高，飽和混凝土的劈拉強度對應變速率更為敏感；低應變速率下，飽和混凝土劈拉強度低于干燥混凝土的，而在高應變速率下飽和混凝土強度更高．建立了干燥混凝土與飽和混凝土在不同應變速率下的應力、時間曲線與同步聲發射參數之間的對應關系，在此基礎上對比分析了干燥混凝土與飽和混凝土劈拉損傷特性．

關鍵詞：混凝土；劈拉；動態性能；損傷

在水環境中工作的混凝土經常處于飽和狀態，這些混凝土結構由于所處環境的不同，一方面混凝土的組成由于自由水的侵入而發生變化，另一方面又承受著比較復雜的靜動力荷載作用，力學性能可能會發生改變．混凝土的抗拉強度一般只有抗壓強度的1/10～1/15[1]，而混凝土的抗壓強度較高，所以混凝土的動態抗拉特性在某種程度上對結構的可靠性和安全性起著決定性作用．可以看出研究飽和混凝土在動荷載作用下的力學特性，不僅具有其理論意義，還具有實際的應用價值．

本文在首先進行了干燥和飽和混凝土應變速率效應的研究分析．在此基礎上，研究飽和混凝土的動態力學特性，探討濕度對混凝土動態抗拉強度的影響．這些試驗結果將加深對水環境下混凝土結構性能的認識，一方面較好地揭示了混凝土劈拉損傷破壞機理，一方面為實際工程設計與評估提供了必要的試驗依據．

1試驗設計

1.1試驗設備

試驗采用的10MN微機控制電液伺服大型多功能動靜力三軸儀(見圖1)，設備的最大應變速率響應值為10-2/s，能夠根據試件尺寸大小換算成相應的控制變形速度，以保證試驗數據采集的精度．

圖1　大型多功能靜動力三軸儀

試驗采用SAEU2S聲發射系統(見圖2)，并針對本試驗調整聲發射參數：信號門檻設置為45 db;前置放大器設置為40 db;主放大器增益設置為20 db;濾波器帶寬設置為20～400 kHz；采樣頻率選用833 kHz；采樣長度設置為2 048；峰值鑒別時間(PDT)設置為50 μs；撞擊鑒別時間(HDT)設置為200 μs；撞擊鎖閉時間(HLT)設置為300 μs．

圖2　聲發射系統

SAEU2S聲發射系統檢測方法在許多方面不同于其它常規無損檢測方法，其主要特點表現為：1)聲發射檢測所得信號完全來自于材料本身，而且靈敏度非常高，對于十分微小的破壞也可以檢測到．2)在外加應力下能探測到缺陷的活動情況，但如果無外力就無法檢測．3)在試驗時，能夠通過合理布置AE探頭實施被檢測材料或結構的整體檢測，進而評價結構整體中損傷的狀態．4)可提供隨載荷、時間、溫度等外變量變化缺陷的活動情況．5)對與被檢材料的距離要求很低．6)對被檢構件的幾何形狀要求很低．7)混凝土中的化學變化也可以被檢測到．8)對人體無傷害，在布置探頭時需要人手，在檢測時只需留守觀測人員．9)容易受到噪聲的干擾．

聲發射檢測方法和其它常規無損檢測方法的特點對比見表1．

表1　聲發射檢測和其它無損檢測方法對比

1.2試件制備

本試驗選用Φ150 mm×150 mm的混凝土圓柱體試件．采用水泥為強度等級42.5的普通硅酸鹽水泥，抗壓、抗折強度均滿足國家規范要求；拌合水為飲用自來水；粗骨料選用粒徑直徑范圍為5～30 mm連續級配的碎石；細骨料選用連續級配的河砂，篩分測定其細度模數為1.8．配合比見表2．

表2　每立方米普通混凝土的配合比

備料選取場地后采用連續整體澆筑，對混凝土進行自然條件養護90 d后鉆孔取芯，對試件編號并打磨．將打磨平整的一批試件稱重然后放入烤箱先后采用50℃、100℃溫度烘烤一天并稱重，試件質量無變化說明已充分干燥處理．記錄下干燥后試件的質量作為干混凝土的質量，將稱重好的試件放入圍壓桶進行水飽和處理，保持恒壓20 h，顯示圍壓和圍位保持不變，可認為混凝土已達飽和狀態．

1.3試驗過程

試驗采用的試件尺寸為Φ150 mm×150 mm，強度為C30．試驗分為3個步驟完成：1)將打磨好的混凝土試件放置在擺好的劈拉鋼墊條上面，緩緩推入小車，調整小車、墊條、試件和傳力柱位置直至對中．安裝好變形計、聲發射裝置，并檢測儀器是否正常工作．2)啟動油泵并加壓，通過計算機控制試件緩慢地預加載至2 kN并持荷2 min．3)調整油泵油壓，按照預先設置好的速率加載，同時開始采集聲發射信號，系統同時采集荷載值、位移值等數據．試件破壞后，將作動器復位，關閉油源，對破壞后試樣拍照，將數據保存并導出，供后期處理使用．

本文完成了飽和混凝土和干燥混凝土在5種應變速率下的徑向劈拉試驗，每種應變速率下至少試驗3個試件，當出現離散型較大的數據時，增加試件保證數據的準確．

2試驗結果分析

從表3可以看出，濕度對混凝土的劈拉強度影響較大，隨著應變速率的增大混凝土的劈拉強度增大．隨著加載速率的升高，飽和混凝土的動態劈拉強度相比干燥混凝土有更大的提高．

表3　混凝土在不同應變速率下的劈拉強度

加載速率在10-2/s時，飽和混凝土劈裂強度比干燥混凝土大；加載速率在10-3/s，10-4/s，10-5/s，飽和混凝土的劈拉強度都比干燥混凝土小．飽和混凝土內部自由水的存在是產生黏性效應的物理機制，對應變率效應有著重要影響．所以低應變速率的靜態加載時，自由水表現出楔體的楔入作用[2-3]，促使混凝土內部的裂縫快速發展．而在高應變速率的動態加載時，自由水運動產生了類似Stefan效應[4]的黏性阻力，從而使混凝土的裂紋擴展阻力變大，試件劈拉強度增強．

從表3可以看出，混凝土動態劈拉強度隨應變速率的增加幅度與應變速率的對數之間接近線性關系，可以用如下經驗公式來描述：

式中，DIF(Dynamic Increase Factor)表示混凝土動抗壓強度增長因子，fs為擬靜態應變速率下的劈拉強度，fd為當前應變速率下劈拉強度，vd為當前應變速率，vs為擬靜態應變速率；a、b為材料參數，通過對試驗數據的提取可以得到．

采用式(1)利用最小二乘法分別對兩者關系進行擬合，結果為：混凝土強度增量與應變速率關系變化如圖3所示，擬合參數見表4，可以看出公式(1)能夠較好地反映混凝土峰值應力值隨應變速率的變化規律．

表4　干燥與飽和混凝土的直線擬合參數值

圖3　混凝土強度增量與應變速率關系圖

由表4可知，干燥混凝土與飽和混個凝土的擬合關系度較高說明直線擬合與本文試驗結果吻合較好．從圖3也可以看出，飽和混凝土的劈拉強度對應變率的敏感度比干燥混凝土的更加顯著．

3聲發射能量特性對比

圖4為干燥與飽和混凝土試件在不同加載速率下劈拉試驗過程聲發射能量計數隨時間的變化關系，縱坐標中N為AE能量計數瞬時值[5]．

圖4　各應變速率下AE能量數與時間關系

從圖4分析可得，加載前期，沒有聲發射能量信號，混凝土自身內部孔隙沒有被壓密，沒有微裂紋的萌生．當荷載加載到一定程度時，能量信號增強，混凝土表面出現微裂紋，當接近破壞荷載時，能量信號持續密集增加，微裂縫向加載承壓板方向擴展，在達到破壞荷載時，能量信號突增，發出斷裂聲，試件中心處沿加載軸逐漸分裂為兩個半圓柱并繼續承載，此時試件已經破壞，試驗機上下兩個壓頭與試件的接觸點將發生壓裂破壞，能量信號漸漸消失．

聲發射能量信號的強弱反映了混凝土破壞時的能量釋放過程．試件在不同應變速率下，試件在加載階段產生聲發射信號的過程規律差不多一樣，只是出現能量信號的強弱和出現的時間有所差異．在應變速率為10-5/s、10-4/s和10-3/s，飽和混凝土出現的聲發射能量峰值較早于干燥混凝土，隨著加載應力的增加，損傷則不斷地積累，并且以應變能的形式均勻地釋放出來，飽和混凝土的能量信號在達到峰值前比較弱，而干燥混凝土在能量峰值前有較強的信號，干燥混凝土在劈拉加載破壞時貯存的能量比飽和混凝土的大．飽和混凝土試件內部產生損傷釋放的應變能沒有干燥混凝土的多，干燥混凝土需要較長時間和較多的能量累積才能劈裂破壞．無論是干燥混凝土還是飽和混凝土在破壞時聲發射能量信號釋放急劇增加，這是由于試件在劈拉過程中貯存在試件內部的能量集中迅速釋放而引起的，材料裂縫擴展發生劇烈變化．

4損傷特性分析

材料內部的損傷大小由聲發射信號的強弱變化直接反映，可利用損傷力學理論來建立分析聲發射參量與材料變量之間關系的模型[6]．

定義損傷變量D為斷面上微缺陷的面積Ad與無損時斷面面積A的比值，即

假定材料無初始損傷，材料截面面積為A，截面完全劈拉破壞時累計聲發射撞擊總數為Zm，則材料完全破壞時單位面積微元的聲發射撞擊數為

則截面破壞面積Ad時，累計聲發射數為

聯立式(2)、(4)求解，可知聲發射數與損傷變量間存在以下關系[7]即

通過基于材料缺陷面積定義的損傷變量與聲發射撞擊數建立相互聯系，而聲發射撞擊數能反映材料內部損傷變化情況，兩者結合具有一致性，所以式(5)表明利用聲發射技術得到的撞擊數可用來估計材料的損傷變量值．

本試驗采用控制變形的加載方式，聲發射信號將會在應變增加到一定的程度時而產生．試驗在加載時，試件內部將會產生聲發射撞擊信號，應變不斷增加，撞擊計數不斷累積直到破壞，它與完全破壞時的總累計撞擊總數的比值得到損傷變量，具體計算見式(5)，干燥混凝土和飽和混凝土在不同應變速率下損傷演化規律曲線，如圖5所示．

圖5　各應變速率下損傷演化對比

由圖5可知，干燥和飽和混凝土的劈拉損傷都經歷了3個階段：第一階段，損傷起始階段，此階段混凝土內部缺陷變形以及應力集中導致開始產生局部損傷；第二階段，損傷累積階段，隨著應變的增加，混凝土內部不斷開裂，此階段混凝土內部損傷增長較快；第三階段，損傷失穩階段，混凝土即將破壞，損傷急劇增加，試件完全劈裂破壞．當應變速率為10-5/s、10-4/s和10-3/s時，當應變增加時，飽和混凝土的損傷比干混凝土的損傷嚴重，應變速率為10-2/s，則相反．

對比文獻[8，10-12]及本文試驗測得，不同應變速率下混凝土劈拉強度的變化見表5．

表5　不同應變速率下混凝土抗拉強度提升幅值

由圖也可知，劈拉試驗不像混凝土受壓試驗，在加載初期，混凝土被壓密實會產生發射信號[9]，劈拉試驗加載初期沒有裂隙壓閉合現象，所以不產生聲發射信號，當達到峰值應變時曲線斜率為0，試件失去承載力，而后短時間內沒有聲發射撞擊數，曲線出現水平段，損傷變量為1，試件主要破壞面形成．在同種應變速率下，干燥混凝土和飽和混凝土開始產生損傷的應變不同，損傷積累路徑有差異．在應變速率為10-5/s、10-4/s和10-3/s，干燥混凝土比飽和混凝土延遲了損傷的發展，較慢地進入破壞階段，干燥混凝土達到破壞時經歷的時間比飽和混凝土的多，所以，干燥混凝土比飽和混凝土較難損傷破壞．這也解釋了干燥混凝土在低應變速率下的劈拉強度比飽和混凝土的大，應變速率為10-2/s，則相反，與其他學者研究[8]結論一致．

5結論

1)混凝土的劈拉強度隨著應變速率的提高而增大；飽和混凝土對應變速率的敏感性比干燥混凝土的大．

2)在低應變速率下，飽和混凝土的劈拉強度比干燥混凝土劈拉強度小；在高應變速率時，飽和混凝土的劈拉強度比干燥混凝土劈拉強度大．

3)干燥混凝土在劈拉加載破壞時釋放的能量的時間與能量比飽和混凝土的大，飽和混凝土出現的聲發射能量峰值較早于干燥混凝土．

4)混凝土的劈拉損傷經歷了損傷起始階段、損傷累積階段、損傷失穩階段．在應變速率為10-5/s、10-4/s和10-3/s，干燥混凝土延遲了損傷的發展，較慢地進入破壞階段，干燥混凝土達到破壞時經歷的時間比飽和混凝土的多．

參考文獻：

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[責任編輯王康平]

Dynamic Splitting Tensile Behavior and Damage Mechanism of Concrete

Song Laizhong1Zhang Weipeng1Zhou Bin1Peng Gang2Tian Wei2

(1. College of Science, China Three Gorges Univ.,Yichang 443002, China；2. College of Civil Engineering & Architecture, China Three Gorges Univ, Yichang 443002, China)

AbstractThe dynamic splitting tensile test of dry and saturated concrete specimens under five different loading rates were completed using a large multifunction static and dynamic force triaxial apparatus.Statistical analysis of physico-mechanical parameters of concrete is carried out. The influence of strain rate and humidity on the splitting tensile strength of concrete is researched. The results show that the splitting tensile strengths of dry and saturated concretes are proportional to the strain rate; the splitting tensile strength of saturated concrete is more sensitive to strain rate than dry concrete; the splitting tensile strength of saturated concrete is lower than dry concrete under low strain rate, but is higher than dry concrete under high strain rate. The corresponding relationship of dry and saturated concretes among stress, time and synchronous acoustic emission parameter under different strain rates are established. On this basis, the splitting tensile damage characteristics of dry and saturated concretes are analyzed and compared using acoustic emission technology.

Keywordsconcrete;splitting;dynamic performance;damage

基金項目：湖北省科技支撐計劃項目(2014BCB035)；硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室(武漢理工大學)開放課題基金(No.SYSJJ2014-05)；三峽大學2014年碩士學位論文創新基金(CX2014004)

收稿日期：2015-09-02

中圖分類號：TQ178

文獻標識碼：A

文章編號：1672-948X(2015)06-0010-05

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.002

通信作者：宋來忠(1962-)，男，教授，主要從事力學計算、計算機輔助幾何設計等方面的研究工作．E-mail：slz@ctgu.edu.cn