BFRP筋混凝土粘結(jié)-滑移聲發(fā)射特性研究?

陳育志 陳師節(jié)

(1 金陵科技學院建筑工程學院 南京 211169)

(2 深圳市市政設計研究院有限公司 深圳 518029)

0 引言

玄武巖纖維是一種性價比高、原材料豐富且具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型纖維，玄武巖纖維增強樹脂基復合筋(Basalt fiber reinforced polymer bars,BFRP筋)具有強度高、重量輕、免銹蝕、絕緣無磁等優(yōu)異性能，在建筑結(jié)構(gòu)中有較好的應用前景[1?3]。

BFRP 筋與混凝土之間的粘結(jié)性能是兩者共同工作的基礎。BFRP 筋與鋼筋的表面形狀和力學性能不同，與混凝土之間的粘結(jié)性能也有很大的差異，因此鋼筋混凝土粘結(jié)性能的研究成果不能簡單直接應用于BFRP 筋混凝土。Nanni 等[4]、Ehsani等[5]、Tighiouart 等[6?7]針對FRP 筋種類、錨固長度、直徑、混凝土強度等因素對FRP 筋混凝土粘結(jié)性能的影響進行了大量研究。薛偉辰等[8]、高丹盈等[9?10]、王勃等[11]對FRP筋與混凝土的粘結(jié)性能及機理均進行了深入研究，獲得了大量重要數(shù)據(jù)和成果。

聲發(fā)射技術(shù)被廣泛用于各種類型材料損傷特點的研究，并在儲油罐、橋梁、管道等實際工程的使用中得到良好反饋。本文在前期鋼筋混凝土粘結(jié)-滑移的聲發(fā)射特性研究[12]基礎上進行了BFRP 筋混凝土拔出試驗，同步采集BFRP 筋混凝土粘結(jié)-滑移損傷全過程中的聲發(fā)射信號，分析BFRP 筋混凝土粘結(jié)-滑移的聲發(fā)射特性，為研究BFRP筋混凝土粘結(jié)-滑移損傷提供參考依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 試件制備

采用邊長200 mm 的立方體模具，在模具兩側(cè)面開孔，用于穿過并固定BFRP 筋，BFRP 筋直徑18 mm。BFRP 筋與混凝土之間的粘結(jié)長度為2倍直徑，即36 mm，粘結(jié)范圍之外采用PVC 管將BFRP 筋與混凝土隔開，共制備了3 個相同的試件，試件尺寸如圖1所示。

1.2 試驗加載和采集方案

采用MTS322 試驗機進行加載，自制框架安裝BFRP 筋混凝土粘結(jié)試件，將聲發(fā)射傳感器安裝固定在試件表面中部位置，試驗裝置示意圖如圖2所示。BFRP 筋與混凝土的相對滑移速率為0.1 mm/s，最大滑移18 mm，按照相同方案進行了3次重復試驗，試件編號依次為BFRP-01、BFRP-02及BFRP-03。結(jié)合PCI-2TM采集系統(tǒng)的特點，試驗的相關(guān)參數(shù)設置為前置放大器(型號：PAC-2/4/6)帶寬為10 kHz～2.0 MHz，增益設置為40 dB；門檻值為35 dB；采樣頻率為5 MSPS；濾波器帶通為1 kHz～3 MHz。聲發(fā)射傳感器是寬頻傳感器，工作范圍是10 kHz～1000 kHz。

圖1 試件尺寸示意圖Fig.1 Geometry of bond test specimen

圖2 試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the test

2 結(jié)果與分析

2.1 聲發(fā)射撞擊數(shù)曲線

為了清楚地總結(jié)BFRP 筋混凝土粘結(jié)-滑移的聲發(fā)射特性，將聲發(fā)射撞擊數(shù)及滑移進行歸一化處理，如圖3所示。聲發(fā)射撞擊數(shù)在加載初期上升明顯，三個試件的曲線非常相似并接近直線，曲線擬合結(jié)果如表1所示。擬合方程為Y=0.08+0.92X(R2=0.99，X是歸一化滑移，Y是歸一化累計撞擊數(shù))，說明BFRP 筋與混凝土粘結(jié)-滑移破壞過程是一個相對穩(wěn)定的破壞過程。

圖3 聲發(fā)射撞擊數(shù)-滑移曲線(歸一化)Fig.3 Acoustic emission hit number-displacement curve (normalized)

表1 聲發(fā)射撞擊數(shù)-滑移位移(歸一化)擬合方程Table1 Fitting equation of acoustic emission hit number-slip displacement (normalized)

2.2 聲發(fā)射基本特性

3 個試件的BFRP 筋混凝土粘結(jié)-滑移的聲發(fā)射特性非常相近，選取了試件BFRP-03 進行展示。圖4是聲發(fā)射累積能量及撞擊數(shù)-滑移曲線，圖5是聲發(fā)射振鈴計數(shù)隨著滑移變化圖，圖6是聲發(fā)射峰值頻率隨著滑移變化圖。為了便于分析BFRP 筋與混凝土不同粘結(jié)-滑移階段的聲發(fā)射特性，將荷載-滑移曲線劃分成五個階段，其中：

圖4 滑移過程中的聲發(fā)射累積能量及撞擊數(shù)Fig.4 Acoustic emission cumulative energy and hit number during slip

圖5 滑移過程中的聲發(fā)射振鈴計數(shù)Fig.5 Acoustic emission count during slip

圖6 滑移過程中的聲發(fā)射峰值頻率Fig.6 Peak frequency of acoustic emission during slip

A階段(o-a)是微滑移階段，力學曲線處于線彈性階段，拔出荷載及滑移量比較小，該階段BFRP筋與混凝土之間的粘結(jié)力主要為化學膠結(jié)力。聲發(fā)射累積能量曲線及聲發(fā)射累計撞擊數(shù)曲線也保持直線增加，加載初期就出現(xiàn)較高聲發(fā)射振鈴計數(shù)，聲發(fā)射信號主要來源于BFRP 筋與混凝土之間化學膠結(jié)力脫粘的過程，主要在低頻段。

B階段(a-b)是滑移階段，滑移量的增長逐漸加快，力學曲線開始呈非線性變化。粘結(jié)長度上的膠結(jié)力喪失后BFRP 筋與混凝土之間的機械咬合力和擠壓摩擦力是拔出荷載的主要成分。聲發(fā)射累積能量曲線由一開始的直線增加逐漸轉(zhuǎn)變成與力學曲線一致的非線性增加趨勢，達到總能量45%左右水平。聲發(fā)射累計撞擊數(shù)曲線則以最大的增長斜率變化后開始變緩。聲發(fā)射振鈴計數(shù)由從較高水平下降后開始逐漸增加，開始分布于各個頻段。

C 階段(b-c)是峰值階段，滑移繼續(xù)增加，而荷載幾乎不再增加，該階段粘結(jié)力沒有突然增加或降低，表明混凝土內(nèi)部沒有明顯的劈裂破壞。聲發(fā)射累積能量曲線隨滑移繼續(xù)緩慢增加，達到總能量的70%左右水平。聲發(fā)射累計撞擊數(shù)曲線則以線性趨勢增加。聲發(fā)射振鈴計數(shù)在此階段達到最高值后開始下降，高頻段的聲發(fā)射事件稀疏。

D階段(c-d)是下降段，隨著滑移的增加粘結(jié)力持續(xù)下降，與鋼筋混凝土粘結(jié)-滑移下降段[12]相比，荷載曲線更平順光滑，說明BFRP 筋與混凝土之間沒有大量的混凝土破碎顆粒，咬合齒混凝土沒有完全剪壞。聲發(fā)射累積能量曲線的增長趨勢逐漸減緩直至保持水平。聲發(fā)射累計撞擊數(shù)曲線仍保持直線增加趨勢，此時聲發(fā)射事件主要來源于摩擦過程。聲發(fā)射振鈴計數(shù)繼續(xù)衰減，變化趨勢與力學曲線變化趨勢一致，但聲發(fā)射事件分布頻段變化不大。

E 階段(d-e)是殘余段，與第一次峰值相比，BFRP 筋與混凝土之間的拔出力缺少了化學膠結(jié)力，而且由于混凝土的咬合齒在第一峰值處發(fā)生部分損壞，機械咬合力與擠壓摩擦力均有所降低，第二次峰值荷載較小，約為第一次峰值的50%。聲發(fā)射累積能量曲線幾乎保持水平，聲發(fā)射累計撞擊數(shù)曲線趨勢基本不變。聲發(fā)射振鈴計數(shù)已經(jīng)變得很小，隨著力學變化而無太大變化，高頻段的聲發(fā)射事件變得密集。

圖7 聲發(fā)射事件頻段百分比Fig.7 The percentage of the AE hit number in different frequency range

從以上分析中可以看出聲發(fā)射峰值頻率在BFRP 筋混凝土粘結(jié)-滑移過程呈現(xiàn)明顯的區(qū)間特征，主要集中在10 kHz～600 kHz之間，隨著滑移量的增加在第一階段后期逐漸出現(xiàn)高頻聲發(fā)射事件密集的現(xiàn)象。以50 kHz 為間隔劃分，分別統(tǒng)計不同頻段的聲發(fā)射事件的分布特點。圖7是聲發(fā)射事件在不同頻段的百分比，發(fā)現(xiàn)主要集中在10 kHz～50 kHz、50 kHz～100 kHz、100 kHz～150 kHz、250 kHz～300 kHz四個范圍。以50 kHz～100 kHz作為第一頻率段，250 kHz～300 kHz作為第二頻率段，可以推斷出BFRP 筋混凝土粘結(jié)-滑移過程后期以250 kHz～300 kHz 頻段的聲發(fā)射事件為主。與鋼筋混凝土粘結(jié)-滑移過程聲發(fā)射特性[12]對比發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射第一頻率段是10 kHz～50 kHz，第二頻率段是100 kHz～150 kHz，破壞頻率越低鋼筋混凝土粘結(jié)-滑移引起的裂縫比BFRP 筋尺寸及規(guī)模都要大，這與Sagaidak 等[13]得到頻率隨著裂縫尺寸及規(guī)模變化的結(jié)論一致。

2.3 聲發(fā)射b值

聲發(fā)射b值被眾多學者用于研究混凝土類材料損傷過程，它是根據(jù)幅度分布計算得到的。BFRP筋混凝土粘結(jié)-滑移過程中幅度低的聲發(fā)射事件所占比例越大，則b值越大，幅度高的聲發(fā)射事件所占比例越大，則b值越小，所以b值代表了小振幅事件和大振幅事件的比例關(guān)系[14?15]?；炷令惒牧掀茐倪^程中，裂縫形成和擴展的不同階段會產(chǎn)生很多幅度不同的聲發(fā)射事件，因此基于聲發(fā)射幅度分布計算得到的聲發(fā)射b值在不同的破壞階段呈現(xiàn)不同的趨勢。將聲發(fā)射b值作為損傷評價指標對混凝土損傷進行了研究。公式如下：

其中，AdB是用分貝表示的聲發(fā)射事件峰值振幅；N是頻度增量，也就是某一時間，某一振幅范圍內(nèi)的聲發(fā)射事件數(shù)；a是經(jīng)驗系數(shù)；b就是b值。

圖8是聲發(fā)射b值隨著滑移變化圖。聲發(fā)射b值在A 階段及B 階段比較小且隨著位移的增加而增加，裂縫初始破壞時聲發(fā)射事件比較少，高幅度的聲發(fā)射事件比例偏高，聲發(fā)射b值小，從1.0 上升到1.5。C 階段的荷載無明顯變化，裂縫的變化不夠明顯，聲發(fā)射b值基本保持不變。并且C階段高幅度的聲發(fā)射事件比例很高，所以到了C 階段的結(jié)束時聲發(fā)射b值仍保持較低水平。到了D階段，荷載開始減小，聲發(fā)射事件的強度逐漸減小，混凝土裂紋的擴展變得穩(wěn)定，聲發(fā)射信號主要來源于BFRP 筋與混凝土之間的摩擦，聲發(fā)射b值出現(xiàn)了上升，在D階段后期的聲發(fā)射b值保持在2.0～3.0 之間波動變化。此時不斷有摩擦產(chǎn)生的聲發(fā)射信號形成，表現(xiàn)出以上特點。

圖8 滑移過程中的聲發(fā)射b 值Fig.8 Acoustic emission b value during slip

因此，聲發(fā)射b值從1.0 上升到1.5，并且在峰值荷載附近保持穩(wěn)定，在峰值荷載過后，聲發(fā)射b值略微變化后開始快速上升，可以將聲發(fā)射b值1.5～2.0 作為試件粘結(jié)-滑移破壞的依據(jù)。隨后聲發(fā)射b值在2.0～3.0 之間波動，并且頻繁出現(xiàn)快速減小現(xiàn)象，可以認為BFRP 筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)非常嚴重的粘結(jié)-滑移破壞。此時聲發(fā)射b值還存在低于2.0的情況，僅僅根據(jù)聲發(fā)射b值的大小評估損傷存在不足，表明了基于聲發(fā)射b值評估BFRP筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷需要基于聲發(fā)射b值的大小及變化過程共同分析的必要性。進一步，通過對BFRP筋混凝土結(jié)構(gòu)進行受力分析計算，進行傳感器布設優(yōu)化，建立重要構(gòu)件的在線監(jiān)測歷史檔案，基于聲發(fā)射特性的分布特點及定量分析達到評估結(jié)構(gòu)損傷程度的目的。

3 結(jié)論

本文基于聲發(fā)射技術(shù)研究BFRP 筋混凝土粘結(jié)-滑移破壞過程，特別針對獲取破壞預示指標進行了深入分析，主要獲得如下探索性結(jié)論：

(1)BFRP 筋混凝土粘結(jié)-滑移過程中聲發(fā)射累積能量曲線的變化趨勢在峰值荷載之前與力學曲線保持一致，荷載峰值后基本保持不變；聲發(fā)射累計撞擊數(shù)曲線在加載初始階段峰值荷載之前呈上“凸”型拋物線快速增加，之后隨著滑移增大保持近似線性增加；聲發(fā)射振鈴計數(shù)在荷載峰值時達到最大值，之后與荷載曲線變化保持一致。聲發(fā)射特性能夠真實地反映結(jié)構(gòu)受載情況，并且更加細致地反映損傷演化過程，為結(jié)構(gòu)損傷評估提供了依據(jù)。

(2)BFRP 筋混凝土粘結(jié)-滑移破壞過程中聲發(fā)射事件分布于各個頻段，以50 kHz～100 kHz作為第一頻率段，粘結(jié)-滑移損傷后期250 kHz～300 kHz 頻段的聲發(fā)射事件為主。

(3)BFRP 筋混凝土粘結(jié)-滑移破壞過程中聲發(fā)射b值在峰值荷載時逐漸上升并且在1.5～2.0之間，峰值荷載后在2.0～3.0 之間波動變化，摩擦損傷過程b值波動較明顯。