基于聲發射的鋼-連續纖維復合筋混凝土柱受壓特性分析

吳 瑾，陳徐東，唐 煜，郭玉柱，寧英杰

(1.河海大學 土木與交通學院，南京 210098；2.南京林業大學 土木工程學院，南京 210037；3.浙江交工集團股份有限公司，杭州 310051)

鋼筋被廣泛應用于各種建筑結構中，尤其是大型、重型、輕型薄壁和高層建筑結構中。因鋼筋質優價廉、延性好等特點，其在土木建筑工程中主要被用作構造和加強材料。在實際使用中，由于部分鋼筋混凝土所處的環境潮濕、惡劣，具有侵蝕性，鋼材常會因腐蝕和耐久性不足而被淘汰。一些學者深入研究發現，鋼筋混凝土結構過早被腐蝕破壞的主要原因是內部鋼筋的銹蝕。

為了解決鋼筋銹蝕問題，國內外研究學者提出了將纖維增強聚合物(FRP)材料應用于鋼筋混凝土中，并針對FRP筋-混凝土材料展開了性能研究[1-2]。研究發現，FRP筋具有耐腐蝕、耐疲勞、易透電磁波、高強度等特點[3]，其在工程建設中的應用也愈加廣泛。隨著FRP筋的應用及研究的逐漸深入，研究人員發現其混凝土結構存在延性差、裂縫寬、變形大等缺點[4-6]，嚴重影響了其在工程中的推廣和應用[7]。為了提高FRP筋-混凝土對環境的適應性，吳剛等[8]提出了一種以鋼筋為內芯，并與縱向連續纖維組合拉擠成型的鋼-連續纖維復合筋(SFCB)，其二次剛度比較穩定，應用于混凝土結構中，可使混凝土結構產生具有高震后可修復性且損傷可控的SFCB增強結構。該結構具有良好的延性、優越的耐腐蝕性和較高的彈性模量等優點。

聲發射技術是一種聲學無損檢測技術。其檢測原理是：材料內部產生損傷時會釋放出彈性波，安裝在被測物體表面的聲發射探頭捕捉到彈性波信號并以電信號的形式將損傷過程中的彈性波記錄下來，再對信號進行分析來評定材料性能或結構完整性。聲發射技術可實時監測鋼筋混凝土內部的結構損傷狀況，可根據聲發射參數來判斷鋼筋混凝土的破壞模式。

為探究鋼-連續纖維復合增強混凝土柱的受壓特性，文章采用的混凝土柱試件直徑為150 mm，高度為300 mm，配筋類型分別為BFRP(玄武巖纖維增強塑料)、SFCB兩種，對這兩種配筋類型的試件開展單軸壓縮試驗。結合試驗結果與采集的AE(聲發射)信號特征對SFCB混凝土柱的受壓特性進行比對分析。

1 試驗概況

1.1 試件設計

配置混凝土使用的水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，細骨料為中砂，粗骨料為玄武巖碎石，粒徑大小為5～10 mm，所用水為飲用自來水。每立方米混凝土中各組分的比例為水…水泥…細骨料：粗骨料=216…354…780…1 036。新拌的混凝土坍落度約為120 mm。將混凝土澆筑在直徑為150 mm，高為350 mm的鋼模中，共澆筑了3類混凝土柱，分別為素混凝土柱、配有螺旋箍筋的混凝土柱以及配有縱筋和螺旋箍筋的混凝土柱，鋼筋保護層厚度為10 mm。混凝土柱在養護到齡期后，上下底面各切去25 mm以保持平整。

SFCB由內部螺紋鋼筋和外層纖維組成。內部鋼筋的屈服應力為400 MPa，直徑為10 mm，纖維種類為BFRP；螺旋箍筋的直徑均為11.5 mm，箍筋間距為其直徑的4倍。縱筋等間距分布在螺旋箍筋內側，其中，SFCB縱筋混凝土柱有4根縱筋，BFRP縱筋混凝土柱有8根縱筋。SFCB的工業生產過程及各組件的力學性能可參考文獻[9]和[10]。

試件編號分別為A，B，C，D(見圖1，圖中a為BFRP螺旋箍筋，b為SFCB縱筋，c為BFRP縱筋)，其中，試件A、B不配縱筋，試件C、D的縱筋類型分別為SFCB和BFRP；試件A不配置箍筋，試件B、C、D的箍筋類型均為BFRP。每種試塊各制作3個，總計12個試塊。在單軸壓縮試驗過程中，3個試件A的峰值載荷分別為730.2，816.8，778.3 kN；3個試件B的峰值載荷分別為563.6，624.7，610.9 kN；3個試件C的峰值載荷分別為712.2，755.8，733.1 kN；3個試件D的峰值載荷分別為944.1，959.9，941.3 kN。

圖1 4種試件的結構示意

1.2 試驗裝置

試驗采用量程為3 000 kN的POPWIL型萬能試驗機。為避免偏心加載引起的誤差，試件的上下端面與加載板之間采用超硬石膏填充，以保證試件受力均勻。圓柱試件周圍均勻布置了4個LVDTs(線位移傳感器)測量軸向壓縮位移，采用位移控制的方式加載，加載速率為0.4 mm·min-1。在圓柱體頂端和底端各等角度安裝了4個用于采集AE信號的探頭，數據采集系統為美國物理聲學公司生產的全天候結構健康監測系統，型號為Sensor HighwayⅢ。試驗裝置外觀如圖2所示。

圖2 試驗裝置外觀

2 試驗結果及分析

2.1 應變-時間曲線特征

試件C，D的應變-時間及載荷-時間曲線如圖3所示(試件C縱筋為SFCB，箍筋為BFRP；試件D縱筋和箍筋均為SFCB)，可見，BFRP混凝土柱試件的應變、載荷到達峰值的時刻接近，且在其到達峰值后，混凝土迅速開裂，鋼筋很快屈服退出工作；SFCB增強混凝土柱受壓過程中，載荷到達峰值后雖有下降趨勢，但下降趨勢較為平緩，約100 s后SFCB增強混凝土柱試件的應變達到峰值。相較于BFRP混凝土柱試件，SFCB增強混凝土的應變和載荷達到峰值后下降趨勢明顯更為平緩，在混凝土退出工作后，SFCB仍在較長一段時間內工作，即相比于BFRP，SFCB具有更好的延性。

圖3 試件C，D的應變-時間及載荷-時間曲線

2.2 載荷-應變曲線特征

各類型試件的載荷-應變曲線如圖4所示(試件A為素混凝土柱；試件B為BFRP箍筋混凝土柱)，可見，素混凝土柱和BFRP箍筋混凝土柱均是隨著應變的增大，載荷先增大后減小，試驗前期所有試件截荷的上升速率相當，隨著混凝土裂縫的出現，載荷上升速率降低，試件A的載荷峰值達800 kN，而試件B的載荷峰值僅為560 kN。在載荷達到峰值后，試件A的載荷迅速下降，下降趨勢明顯大于其他試件的。這說明在到達載荷峰值后，混凝土被破壞迅速退出了工作，鋼筋開始承擔主要工作，降低了混凝土結構的極限承載力，增大了其延性。由圖4中試件B與試件C的曲線可知，在箍筋同樣為BFRP時，增加SFCB縱筋可較大程度地提高混凝土柱的極限承載力；由圖4中試件C，D的曲線可知，箍筋均為BFRP時，在混凝土柱受壓變形的過程中，裂縫發展階段主要由縱筋承擔拉力，試件D的載荷峰值高至950 kN，即BFRP縱筋在一定程度上提高了混凝土柱試件的極限承載力。在載荷達到峰值后，試件D的載荷下降趨勢明顯大于試件C的，說明BFRP的延性明顯小于SFCB的，SFCB表現出良好的二次剛度。

圖4 各類型試件的載荷-應變曲線

2.3 AE振鈴計數特征

各類型試件的累計振鈴計數-時間曲線、振鈴計數-時間柱狀圖及載荷-時間曲線如圖5所示，可見，各類型試件的振鈴計數峰值均出現于載荷峰值之后。在載荷緩慢增加、勻速加載階段前，振鈴計數緩慢增加，累計振鈴計數隨著時間緩慢增加；在接近載荷峰值時，累計振鈴計數的變化速率出現明顯變化，隨著時間的增加，振鈴計數的增長速率增大。在載荷-時間曲線出現峰值之后，試件B、C、D的載荷-時間曲線存在斷崖式下跌的時間點，其振鈴計數明顯增大，此時，試件發出爆裂聲，鋼筋斷裂，試件破壞程度加劇。除素混凝土試件A外，在載荷出現峰值后，載荷-時間曲線斜率突變的時間處，振鈴計數值均超過1 000。在振鈴計數增加階段，累計振鈴計數曲線的斜率增加，即在載荷峰值后，混凝土柱損傷加劇，累計振鈴計數隨著損傷程度的加劇而增大。

顯然，振鈴計數和累計振鈴計數以各自的特征反映出混凝土柱各個階段壓縮損傷的特征，由前者可以判斷混凝土柱壓縮損傷、鋼筋斷裂的時間點，由后者可以判斷混凝土柱的整體損傷程度。由圖5(a)可見，素混凝土試件A在受壓進入塑性階段后，其累計振鈴計數-時間曲線的斜率增加，在載荷峰值后其振鈴計數有著兩次突增，在突增的時間點上，混凝土柱發出爆裂聲，脆性損傷加劇。由圖5(b)，(c)可見，僅配置箍筋BFRP的試件B在其載荷-時間曲線斜率突變的兩個時間處振鈴計數均較大，數值超過16 000；在配置縱筋SFCB和箍筋BFRP的試件C的載荷-時間曲線斜率突變的兩個階段，振鈴計數在第二階段有所下降，下降至12 000，前者的瞬時損傷破壞更為顯著，而后者的受壓延性相對較好。由圖5(c)，(d)可見，D試件在試驗中所測得的最大振鈴計數值達30 000，累計振鈴計數值最高接近5×106且后期還有3次較為明顯的振鈴計數數值變化，即在載荷峰值后，D試件發生了4次明顯的損傷破壞爆裂現象；C試件的最大振鈴計數為18 000，累計振鈴計數最高達5×104，出現了2次明顯的振鈴計數變化現象。可以認為，SFCB能在一定程度上有效抑制受壓結構發生劇烈的脆性破壞。

圖5 各類型試件的累計振鈴計數-時間曲線、振鈴計數-時間柱狀圖及載荷-時間曲線

2.4 RA-AF值

聲發射參數中的RA值為上升時間與幅值的比值，平均頻率AF值則為振鈴計數與持續時間的比值，兩者可以反映材料內部結構的剪切損傷和拉伸損傷。一般來說，具有高RA值、低AF值的聲發射信號表示剪切損傷裂紋擴展，具有低RA值、高AF值的聲發射信號則表示拉伸損傷裂紋擴展。即高RA值、低AF值對應的破壞為剪切破壞，低RA值、高AF值對應的破壞為拉伸破壞。RA值和AF值可以被用來分析結構的破壞形式。RA值與AF值的臨界比值與介質類型、傳感器布設等邊界條件有關，在不同條件下具有不同的取值，文章將該比值作為一個識別裂縫類型的臨界指標，設為80…1[11]。

對試件A，B，C，D不同時間段的RA值與AF值進行分析，時間段根據載荷-時間曲線斜率的變化進行劃分，劃分的時間節點如表1所示。各類型試件RA-AF的分布如圖6所示。由圖6可知，在初始的彈性變形階段(0-t1時間段)，素混凝土試件A內部既存在剪切裂縫又存在拉伸裂縫，隨著載荷的逐漸增大，在t3時刻點后，RA-AF分布逐漸偏向AF，混凝土柱內部裂縫以拉伸裂縫為主，試件的損傷破壞形式為拉伸破壞。對比圖6(a)，(b)可知，在混凝土柱受壓的初始段，混凝土內部剪切裂縫與拉伸裂縫并存，二者所占比例相近，隨著載荷的增大，混凝土試件表面出現裂縫，試件B中的BFRP箍筋開始承受部分剪力，在載荷出現峰值后的階段，混凝土試件的裂縫以拉伸裂縫為主，損傷破壞形式為拉伸破壞，BFRP筋限制了混凝土柱剪切裂縫的發展。對比圖6(a)，(c)可知，隨著載荷的增加，混凝土柱內部剪切裂縫與拉伸裂縫并存、兩者占比接近，后逐漸偏向以拉伸裂縫為主，隨著混凝土柱的開裂，SFCB縱筋開始工作，主要承受拉力，限制了拉伸裂縫的發展；在試件C中，混凝土柱開裂后，雖其裂縫發展仍以拉伸裂縫為主，但由于SFCB筋的存在，抑制了拉伸裂縫的發展，剪切裂縫所占比例有明顯上升，其結構損傷破壞形式為剪切-拉伸破壞。對比圖6(c)，(d)可知，在混凝土試件開裂后，試件D裂縫發展明顯偏向拉伸裂縫，而試件C在到達載荷峰值后裂縫發展趨勢才開始偏向拉伸裂縫，即SFCB筋相比于BFRP筋能更好地承受拉應力，具備良好的延性，限制了拉伸裂縫的發展。

表1 時間節點劃分結果

圖6 各類型試件RA-AF的分布

3 結論

(1) SFCB相較于BFRP筋具有更好的延性，可以提高鋼筋混凝土結構的延性。

(2) BFRP筋在一定程度上提高了混凝土柱試件的極限承載力；SFCB具有穩定的二次剛度，可以提高混凝土柱的抗變形能力。

(3) 振鈴計數和累計振鈴計數與時間的關系曲線能夠反映混凝土柱受壓破壞過程中的脆性損傷破壞情況，SFCB能在一定程度上有效抑制受壓結構發生劇烈的脆性破壞。

(4)RA-AF分布可用于判斷、分析混凝土柱的裂縫發展類型與破壞形式。SFCB具備良好的延性，相比于BFRP筋能夠更好地限制拉伸裂縫的發展。