沙漠砂混凝土聲發射損傷特性與損傷模型

秦擁軍 孟 軍 崔 壯 潘昌遠 喬恒煊

(1.新疆大學 建筑工程學院，烏魯木齊 830047；2.新疆生產建設兵團 建筑科學技術研究院，烏魯木齊 830054)

沙漠砂混凝土(desert and sand concrete，DSC)是一種新興的綠色建筑材料，即采用資源豐富的沙漠砂取代天然細骨料，可用于緩解地區天然中粗砂資源短缺與建設高速發展之間的供需矛盾，同時沙漠砂資源再利用，可大大降低建設成本，對沙漠地區開發建設、環境保護、社會效益的提高均具有重大意義.目前國內外學者已經對各地區DSC基本性能展開了相關的研究，并均采用當地沙漠砂資源成功配置出符合強度要求的混凝土材料[1-4].劉海峰等[5-7]針對毛烏素沙漠探討了高溫對DSC基本力學性能的影響機理.李志強[8-10]針對古爾班通古特沙漠開展了DSC土基本力學性能研究.聲發射信號可用于描述巖石、混凝土材料在受壓過程中的變形、裂縫延伸、拓展等演變規律[11-13].邱繼生[14]、許富威[15]均在不同種類混凝土中獲得較好的損傷模型.基于此，目前學者針對DSC損傷演化規律研究內容相對較少，本文采用聲發射(acoustic emission，AE)參數與損傷因子建立并描述塔克拉瑪干DSC軸心受壓的損傷演變規律，建立DSC損傷演化方程，為DSC在基礎建設中的應用提供科學依據.

1 試驗概況

1.1 原材料及配合比

水泥選用天山牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥；為保證DSC后期強度與流動性，選用粉煤灰為礦物摻合料，粉煤灰與水泥化學成分見表1.粗骨料為5～20 mm連續級配的新疆地區卵石，其體積密度為2 700 kg/m3，壓碎指標為3.86%；細骨料為天然水洗中粗砂，其細度模數為2.97，表觀密度為2 487.5 kg/m3；沙漠砂來自新疆地區最大的塔克拉瑪干沙漠，取砂地點為新疆巴音郭楞自治州輪臺縣塔河油田沙漠公路62 km處背風浮砂，細度模數為0.855，并對其進行X射線衍射(X-Ray Diffraction，XRD)分析，可得其礦物成分與天然砂成分基本一致，如圖1所示；外加劑選自烏魯木齊西部建設混凝土攪拌站，其減水率大于等于32%.基于課題組前期對塔克拉瑪干沙漠砂混凝土配合比的研究成果[16]，分別制作沙漠砂摻量為0%、20%、30%、40%四組DSC棱柱體(即S0、S1、S2、S3)，為測得其應力-應變曲線關系以及減少試驗誤差，每組制作6塊尺寸為150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體，DSC配合比見表2.

圖1 沙漠砂XRD能譜分析結果

表1 膠凝材料化學成分質量分數表 (單位：%)

表2 DSC試件配合比

1.2 試驗儀器及方法

1.2.1 試驗儀器

微機控制電液伺服壓力試驗機：新疆大學建筑工程學院試驗中心WHY-3000型全自動微機控制電液伺服壓力試驗機，最大負荷3 000 kN，荷載示值準確度±1%，位移測量范圍0～80 mm，位移示值準確度±0.5%.

DH3816靜態應變采集箱：全智能化的巡回數據采集系統，通過計算機完成自動平衡、采樣控制、自動修正、數據存貯等操作.

AE：AE儀器產自北京聲華興業科技有限公司，通過聲發射信號可以對材料在應力作用下的變形與裂紋擴展進行有效評估與預測.

1.2.2 試驗方法

試驗采用微機控制電液伺服壓力試驗機以0.01 mm/min進行位移加載；同時DH3816靜態應變采集箱采集DSC試件應變數據；采用北京聲華科技聲發射儀(SAEU2S)在DSC試件側面對角布置聲發射探頭4個，用于采集AE參數，耦合劑選用凡士林，加載裝置與聲發射探頭傳感器布置如圖2所示.

圖2 加載裝置及聲發射探點布置圖

2 試驗結果與分析

2.1 DSC抗壓強度變化規律

圖3為不同沙漠砂摻量下DSC應力-應變曲線，可以看出不同摻量下DSC與普通混凝土的軸心受壓應力-應變曲線整體圖形大致相似，均呈現拋物線形狀，但DSC應力-應變上升段斜率與普通混凝土有一定的出入.對比曲線可發現，其峰值應力介于20～30 MPa，并呈現一定規律性：S1>S2>S0>S3.表明隨沙漠砂替代率等增加，混凝土強度先增加后減小，沙漠砂替代率為20%時強度最高，當替代率達到40%時，強度最低，低于普通混凝土，且DSC應力-應變曲線上升段斜率十分相似.DSC下降段較陡，且其峰值應變遠小于普通混凝土，表明DSC脆性特征明顯，且沙漠砂摻量為20%時抗壓強度表現較好.

圖3 不同沙漠砂摻量DSC應力-應變曲線對比圖

2.2 DSC聲發射振鈴計數規律

圖4為不同沙漠砂摻量下DSC軸心受壓試驗全過程時間與累積振鈴計數之間的關系，用于分析混凝土在整個加載過程中的聲發射活動性.由圖4可知，不同沙漠砂摻量DSC混凝土試件AE參數累積振鈴計數整體相似，其4條曲線均呈現上升趨勢，且整個過程均可以分為4個階段：線彈性階段，穩定發展階段，快速增長階段，峰值后破壞階段.

圖4 不同沙漠砂摻量下DSC試件受壓過程累積振鈴計數圖

對比圖4(a)、(b)、(c)、(d)的階段Ⅰ可發現，DSC與普通混凝土相同，在整個軸心受壓過程中前期階段，隨著時間推移，其AE參數累積振鈴計數與時間成正比關系，累積振鈴計數增長速度較小，處于彈性階段，驗證了DSC應力-應變曲線前期線彈性階段存在的真實可靠性.且在彈性階段中，AE參數累積振鈴計數相對較少，表明DSC內部初始損傷程度較小，并處于一個壓密狀.隨著時間進一步推移，荷載逐步增大，DSC進入穩定發展階段(階段Ⅱ)，此階段中裂縫在逐漸擴展、貫通，原有裂縫逐漸延伸、拓寬，且DSC界面薄弱區域開始逐步被破壞，但此時天然骨料仍具有較高強度，因此DSC結構仍有較好的承載力.荷載進一步增大，此時DSC進入裂縫快速增長、拓寬階段(階段Ⅲ)，天然骨料開始被擊穿，骨料界面處裂縫開始大量延伸、貫通直至試件表面，此時DSC內部結構損傷程度達到峰值，大量聲發射信號迅速產生，且結構承載力達到峰值.該階段過后進入破壞階段(階段Ⅳ)，DSC結構喪失承載力，其峰值逐漸下降，AE參數累積振鈴計數增長極為緩慢并呈現曲線平滑，表明結構內部已完全損傷，不會有新的損傷出現.

通過對比圖4(a)、(b)、(c)、(d)可發現，DSC在整個破壞過程中，其內部損傷過程與普通混凝土有一定細微差別，DSC在階段Ⅱ和階段Ⅲ與普通混凝土有區別，但在階段Ⅰ(彈性階段)、階段Ⅳ(峰值破壞后階段)十分相似.階段Ⅱ、Ⅲ中DSC的AE參數累積振鈴計數要明顯高于普通混凝土，其原因為沙漠砂顆粒比表面積大，DSC薄弱界面范圍大，且過早被破壞，故在經歷此階段過程時，振鈴數增長較快.沙漠砂摻量越大，階段Ⅲ斜率越高，AE參數累積振鈴計數增長快且大.其原因為在同一水膠比下，DSC隨著沙漠砂摻量的不斷提高，需要更多的砂漿包裹沙漠砂顆粒，這會導致一定量的沙漠砂無法被包裹，黏附在骨料界面處，從而在階段Ⅲ產生的聲發射信號較強，損傷也較為嚴重.

相對累積振鈴計數與相對應力關系如圖5所示，不同沙漠砂摻量DSC累積振鈴計數隨著應力水平的增大而逐漸增大，其曲線同累積振鈴計數試件受壓過程曲線較為相似，整體呈現為下凹趨勢.從圖5可看出，普通混凝土試件聲發射陡峭增長點約在破壞強度的95%處，而DSC試件聲發射陡峭增長點約在破壞強度的78%處，表明DSC較普通混凝土其損傷發展較快.

圖5 相對累積振鈴計數與不同摻量下DSC相對應力對比圖

2.3 DSC聲發射能量特征規律

DSC同普通混凝土內部破壞形式整體相似，其內部損傷破壞均以彈性波的形式釋放能量.由圖6可看出，在不同沙漠砂摻量下DSC軸心受壓過程中，能量與時間的關系與累積振鈴計數整體規律較為相似，在混凝土試件軸心受壓前期普通混凝土與DSC釋放出的能量較少，表明DSC與普通混凝土前期損傷均較小；在軸心受壓中后期，釋放能量開始迅速增加，并增大至峰值，此時試件內部裂縫迅速發展、貫穿直至破壞，釋放能量較大.

對比圖6(a)、(b)、(c)、(d)可發現，DSC相較于普通混凝土前期能量釋放量較高，但峰值能量卻有所降低，且隨著沙漠砂摻量不斷增加，DSC前期能量釋放量明顯增加，峰值能量呈先增長后下降趨勢.當摻量為30%時，其峰值能量最高，占普通混凝土峰值應變的73%，原因是適量的沙漠砂雖然能在一定程度上提高混凝土的密實性，增加混凝土的強度，但是由于其比表面積大，膠凝材料難以完全將其包裹，造成沙漠砂與膠凝材料的界面區域比較薄弱，故損傷破壞前期就在不斷釋放能量，破壞進行較早，導致峰值能量低于普通混凝土，尤其是沙漠砂替代率達到40%時，薄弱區域更加明顯.

圖6 不同沙漠砂摻量下DSC瞬時能量圖

圖7為不同沙漠砂摻量下相對應力與相對累積能量之間的關系.由圖7可發現，在不同沙漠砂摻量下，其累積能量均隨著相對應力水平增加而逐漸增大，且4條曲線均在不同相對應力水平點產生累積能量“突變”，表明DSC與普通混凝土同樣具有較明顯的脆性.

圖7 相對累積能量與相對應力關系圖

對比4條曲線可發現，隨著沙漠砂摻量的不斷增加，其相對累積能量“突變”點呈現一定規律性.S0組“突變”點在相對應力的約78%處；S1組“突變”點在相對應力的約81%處；S2組“突變”點在相對應力的約75%處；S3組“突變”點在相對應力的約72%處.相對累積能量“突變”點表明其試件在達到峰值應力前的某一特殊值時，內部裂縫開始大量拓展、延伸，“突變”點越靠前，表明混凝土內部損傷程度越嚴重.通過圖7可看出，當沙漠砂摻量為20%時，其內部損傷程度較小，當沙漠砂摻量為40%時內部損傷較大.此結論與聲發射振鈴數表征規律一致.

3 DSC損傷演化模型

由于沙漠砂自身顆粒較細且光滑，在DSC制作的過程中，自身會產生一定的損傷缺陷，當DSC試件在受壓的過程中，其內部的初始缺陷使裂縫不斷地拓展、延伸，從而降低材料的宏觀性能.通過上述試驗結果表明，AE參數可以有效反映DSC內部損傷的過程.為描述DSC損傷過程引入損傷參數D，定義為：

(1)

A=Ae+Ad

(2)

式中：D為損傷DSC損傷變量；Ae為混凝土的有效面積；Ad為DSC產生損傷的面積；A為DSC初始面積.當D=0時表示材料完全無損，隨著荷載增加，Ad不斷增加且Ae不斷減小，最終導致D=1，表示材料發生破壞.

在此基礎上假定N為DSC試件軸心受壓過程中AE參數累積振鈴計數；Nd為DSC試件單位面積所釋放的AE累積振鈴計數值，有：

(3)

由此可以得到DSC試件損傷缺陷面積為Ad時，其AE累積振鈴計數率Nt為

(4)

轉化得到AE累積振鈴計數的損傷定義式：

(5)

即DSC試件損傷變量定義為在該時刻所釋放的AE累積振鈴計數值與DSC試件軸心受壓全過程的總AE累積振鈴計數值的比值.建立以AE參數累積振鈴計數為指標的概率密度函數：

(6)

(7)

聯立式(6)、(7)并對兩邊積分可得

N=Cσaexp(bσ)

(8)

聯立方程(5)、(8)得到DSC試件損傷演化方程:

(9)

式中：σ為DSC在軸心受壓過程中任意時刻相對應的應力；a、b、C均為材料相關系數，可通過試驗確定.

利用式(9)對軸心受壓下DSC試件應力水平與相應的AE累積振鈴計數進行擬合，擬合結果見表3.根據表3中損傷方程，繪制曲線可得不同沙漠砂摻量下DSC試件的AE累積振鈴計數擬合曲線，如圖8所示.

圖8 不同沙漠砂摻量下DSC損傷方程擬合曲線

表3 不同摻量下DSC損傷方程擬合結果

參數C體現了材料內部損傷的程度，其中C值越小，表明混凝土結構內部損傷程度越小，內部結構裂縫損傷越小.由表3可看出，當沙漠砂摻量為20%時，C值最小，此時DSC試件骨架體系較為密實.且隨著沙漠砂摻量的不斷提高，C值大致呈現增大趨勢，表示隨著沙漠砂摻量的不斷提高，DSC內部損傷程度越高，導致DSC峰值應力逐漸降低.

圖9為不同摻量下DSC損傷演化曲線對比，從圖中可以看出，當DSC摻量為20%，DSC在軸心受壓過程中前期內部損傷要小于普通混凝土且內部損傷程度小，此結論與圖8結論相一致.同時也驗證了以AE參數累積振鈴計數為損傷變量的損傷演化模型符合DSC的損傷變化過程.

圖9 不同摻量下DSC損傷演化曲線對比

4 結 論

1)在DSC軸心受壓過程中，其內部損傷與普通混凝土內部損傷過程大致相似，整體均可分為線彈性階段、穩定發展階段、快速增長階段、峰值后破壞4個階段，且采用適當摻量沙漠砂取代部分天然中粗砂配置混凝土可提高混凝土強度.

2)通過應力-應變曲線與AE參數分析，均表明DSC的最佳摻量為20%，此時DSC內部損傷程度較小，且優于普通混凝土，但隨著沙漠砂的摻量不斷提高，其內部損傷程度逐漸增大.

3)基于AE參數累積振鈴計數所建立的損傷演化方程，可較為準確描述DSC在軸心受壓過程中的損傷演化規律，并較清晰地揭示出DSC相較于普通混凝土脆性特征明顯.