混凝土單軸壓縮過程中損傷演化與聲發射分析*

栗 青， 李潛濤， 高 陽， 李 震

(1. 沈陽工業大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870； 2. 中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室， 武漢 430071； 3. 河南理工大學 土木工程學院， 河南 焦作 454000)

聲發射(acoustic emission，AE)是材料在外部載荷或者其他外部作用下材料內部裂隙產生和裂隙發育的過程中，能量以彈性波釋放的過程.作為材料損傷的無損探測方法之一，聲發射具有其獨特的優越性，設備輕便，可以多參數綜合分析，數據直觀，監測簡單，監測對象既可以取回實驗室，也可現場進行，被廣泛應用于隧道工程、水電工程、采礦工程、航空航天工程等重要領域.周輝等[1]基于聲發射監測數據進行了硬巖啟裂強度和損傷強度取值方法的探討；紀洪廣等[2]研究了花崗巖在常規三軸壓縮下的聲發射特征，發現了振鈴計數、能量累計數在巖石破裂過程中的整體變化趨勢基本相同，與巖石力學過程形成良好的對應；吳賢振等[3]研究了巖石不同破壞模式下聲發射特征及其參數與應力、應變、損傷變量之間的關系；郭清露等[4]研究了大理巖熱損傷聲發射力學特性，通過聲發射數據建立了損傷變量及大理巖本構模型；曾正文等[5]研究了單節理巖體變形與破壞過程中聲發射能量的特征，發現了巖石破裂過程中，聲發射能量率越大，裂隙擴展越大；Rusch[6]研究了混凝土受壓破壞時的Kaiser效應；郭慶華等[7]對混凝土聲發射信號頻率與強度指標的關系進行了研究，認為混凝土強度指標影響混凝土聲發射信號頻率特征參數；賴于樹等[8]研究了受載混凝土破壞全過程聲發射信號頻帶能量特征，通過FFT變換及小波變換研究了不同破壞階段聲發射信號頻率分布、頻帶能量的變化規律，并從聲發射信號頻率變遷與裂紋擴展關系角度闡釋了混凝土破壞機理；楊躍飛等[9]對單軸多級循環加載條件下混凝土進行了研究，通過分析試驗過程中的能量演化規律，引入活躍系數Act對聲發射現象發生的活躍程度進行表述.

通過上述研究成果可以看出，聲發射監測技術可以揭示巖土材料在外部作用下的裂隙產生及擴展過程.對混凝土材料而言，其聲發射參數變化反映了混凝土的損傷變化，與混凝土內部缺陷的演化程度直接相關.本文結合聲發射參數變化特征，對試驗加載過程中混凝土試樣的損傷演化規律進行分析，研究混凝土內部裂隙的擴展規律，通過定義損傷變量，定量描述混凝土的損傷程度，研究成果對工程安全性評價與災害預防具有重要意義.

1 試驗方案

1.1 試驗設備

試驗采用的設備組件如圖1所示.加載系統采用RMT-150C巖石力學試驗系統，該系統通過電液伺服試驗機進行加載，垂直液壓缸最大出力1 000 kN，試驗加載速率為0.002 mm/s，為減小試樣與試驗機壓頭的摩擦效應，在接觸面涂抹凡士林作為潤滑劑.試驗聲發射監測采用The AE Sensor Highyway ⅡTM，前置放大器為45 dB，門閾值為45 dB，振諧頻率為1 kHz～1 MHz，采用其中三個通道(86、87、88)進行信息采集，聲發射探頭與試樣之間采用真空潤滑脂作為耦合劑，用乳膠套將聲發射探頭固定在試樣表面，以保證探頭與巖樣始終接觸良好.聲發射設備與加載設備同時開始與結束，以保證數據時間節點上的對應性.試驗開始前用斷鉛法檢驗傳感器是否正常工作.

圖1 試驗系統組件Fig.1 Test system components

1.2 試樣配比

針對武漢長江隧道支護管片，試驗采用C50混凝土，材料配合比為水泥∶粉煤灰∶砂∶石子∶水∶減水劑=2.53∶0.67∶4.61∶7.50∶1∶0.05.試樣制備參考《公路工程巖石力學試驗規范》(JTG-E41-2005)[10]，利用鉆機取出直徑50 mm、高100 mm的圓柱體，對兩端細致打磨，保證試樣兩端面平面度公差小于0.05 mm.

1.3 試驗過程

為研究混凝土加載過程中的損傷演化規律，在對混凝土試樣進行單軸壓縮試驗時，使用聲發射設備采集整個試驗過程中的聲發射信號，試驗過程及結果如圖2所示.通過綜合分析試樣受壓全過程中裂隙的產生、發育與聲發射的計數、能量等特征參數的對應關系，利用總能量的釋放規律來建立連續介質損傷本構方程，對比驗證試驗數據，分析試樣破壞過程中的損傷系數演化規律.

2 試驗結果分析

2.1 單軸壓縮力學性質分析

圖2 混凝土單軸壓縮試驗過程及結果Fig.2 Process and results of uniaxial compression test of concrete

(1)

(2)

則有

(3)

(4)

式中，μ為泊松比.體積應變為

εv=ε1+ε2+ε3

(5)

體積模量

(6)

裂隙體應變為

(7)

將式(6)代入式(7)則有

(8)

表1 試樣參數Tab.1 Specimen parameters

圖3 軸向應力軸向應變曲線Fig.3 Axial stress-axial strain curves

圖4 應力應變曲線Fig.4 Stress-strain curves

2.2 單軸壓縮破壞聲發射特征分析

聲發射撞擊數是單位時間內捕捉并記錄下的幅值超過門閾的信號次數，能量率是單位時間內捕捉到的能量之和.本文對微裂隙發育過程中產生的低于閾值而未記錄的極小部分能量損失不予考慮.

基于連續介質損傷力學基本理論，參照劉?？h等[12]定義的損傷變量.本文將能量與裂隙擴展演化聯系起來，假設應力達到應力殘余值前聲發射捕捉到的累計釋放的總能量為Pc，應力殘余值前第i段釋放的能量為Pi，且為了便于計算，取試樣失去承載力時對應的損傷變量D′為1，保證D′是不可逆的增函數，定義D′c為損傷臨界值，由于試樣達到殘余強度時未全部破壞，故D′c值可記為

(9)

式中，σc為殘余應力.定義損傷變量為

(10)

(11)

圖5 軸向應力時間曲線和通道計數時間曲線Fig.5 Axial stress-time curves and channel count-time curves

圖6 軸向應力時間曲線和能量時間曲線Fig.6 Axial stress-time curves and energy-time curves

(12)

(13)

圖7 軸向應力時間曲線和損傷變量時間曲線Fig.7 Axial stress-time curves and damage variable-time curves

圖8 模型應力應變曲線和損傷變量應變曲線Fig.8 Model stress-strain curves and damage variable-strain curves

圖9 試驗應力應變曲線和理論應力應變曲線Fig.9 Experimental stress-strain curves and theoretical stress-strain curves

3 結 論

本文通過混凝土試樣的單軸壓縮試驗及聲發射監測，綜合分析了試驗過程中裂隙的發育、擴展和對應的聲發射特征.通過聲發射能量，建立了描述混凝土試樣加載過程力學性質的損傷本構模型，得到如下結論：

2) 通過綜合分析裂隙體積應變的變化規律和聲發射參數演化規律，建立了混凝土單軸壓縮損傷本構模型，并驗證了其合理性.