結構因素對碾壓混凝土聲發射特征的影響研究

靳 璐

(新疆水利水電勘測設計研究院 檢測試驗研究中心，烏魯木齊 830000)

1 研究背景

混凝土是世界上運用最為普遍的水工建筑材料，廣泛應用于各種水利工程。其中，碾壓混凝土屬于超干硬性、零坍落度混凝土，具有施工方便、成本低、安全以及對環境影響小等諸多優勢，在上世紀80年代以來，被廣泛應用于大壩建設。由于碾壓混凝土是由水泥、骨料以及外加劑材料按照一定比例組成的非均質材料，在施工過程中受到碾壓夯實等因素的影響，其內部存在許多細小的裂縫和孔洞[1]。在凍融、振動等外部荷載的作用下，這些內部缺陷會逐漸發展，進而對大壩等水工結構的安全性造成不可預估的影響[2]。

聲發射技術是試驗應力分析的重要工具，可以用來檢測各種材料與結構內部的裂紋以及研究腐蝕斷裂過程，從而評價構件的完整性，判斷結構的危險程度[3]。聲發射技術在混凝土材料領域的研究和應用相對較晚，但是具有極為廣闊的應用發展空間[4]。基于此，本文通過室內試驗的方式，對不同結構特點的碾壓混凝土發聲特征進行研究，為聲發射技術在碾壓混凝土質量評價領域的應用提供支持和借鑒。

2 試驗設計

2.1 試驗材料

在碾壓混凝土中適宜采用水化熱較低、活性較高的水泥，其主要技術指標應該符合國家的相關標準[5]。此次研究中選用的是大連市水泥廠生產的P.O42.5普通硅酸鹽水泥；為實現碾壓混凝土的連續施工要求，需要在拌和料中摻入一定量的粉煤灰，以減少施工過程中水化熱的釋放，同時有效改善混凝土材料的施工性能。試驗中選擇的是大連華能熱電廠生產的國家Ⅱ級粉煤灰，其燒失量不大于8%，蓄水比不大于105%，相關指標滿足國家要求。試驗中使用的細骨料為普通天然河沙，其細度模數在2.60～2.80之間，粗骨料為人工碳酸巖碎石，相關指標滿足要求；試驗用外加劑為大連建筑科學院研制的DK-5型低引氣高效復合減水劑，可以有效減水15%～18%，同時還具有一定的超塑化性能，可以顯著改善碾壓混凝土的和易性；試驗中使用EPS顆粒調整混凝土的孔隙率，其表觀密度為20 kg/m3；試驗用水為普通自來水。

2.2 配合比設計

試驗中以《水工碾壓混凝土試驗規程》(SL 48-1994)中的相關規定為依據，同時參照碾壓混凝土大壩施工的工程經驗，設計碾壓混凝土的配合比。其中，水泥用量為91 kg/m3，粉煤灰用量為91 kg/m3，用水量為91 kg/m3，水膠比為0.5，用砂量為700 kg/m3、骨料為1 398 kg/m3，外加劑摻量為0.75%。

2.3 試件的制作

根據研究的需要，試件制作過程中選擇150 mm×150 mm×150 mm和200 mm×200 mm×200 mm等兩種不同的模具尺寸。碾壓混凝土材料使用HJL60型強制攪拌機攪拌成型，裝模后利用ZW-5型平板振揭器淺筑碾壓振實。由于試件在制作和養護過程中會不可避免的產生一些損傷，為了最大限度減少這些客觀因素的影響，試件制作必須要嚴格按照《水工混凝土試驗規程》(SL 352-2006)的要求開展。碾壓混凝土的拌制需要在室內進行，環境溫度控制在15℃～25℃之間[6]。在拌制過程中，首先加入水泥和粉煤灰，攪拌2 min，然后加入粗骨料和細骨料再攪拌2 min，最后加入減水劑、EPS顆粒和水攪拌5 min完成。在試件裝模之前，首先需要將模具內部擦拭干凈，并均勻涂刷一層有機脫模劑，然后將模具放在振搗臺的工作面上，并將拌制好的碾壓混凝土裝入模具，在其表面放置壓重塊并振搗成型，再用灰刀將表面抹平。在試件成型之后，靜置48 h脫模，然后轉入標準養護室養護至規定齡期。在試件的養護過程中，需要對室內濕度進行嚴格控制，保證混凝土中的水泥和粉煤灰能夠充分反應[7]。

由于碾壓混凝土結構中的孔隙分布是復雜的，因此沒有一種檢測技術可以對碾壓混凝土內部的孔隙結構進行科學有效的描述。因此，在研究孔隙率對混凝土力學性能影響時，一般采用引氣劑和顆粒預制的方式。結合此次研究的實際需要和兩種方法的特點，此次研究選擇顆粒預制的方式來定量預制孔隙。

2.4 試驗方法

試驗中使用一臺DS2-8B 型聲發射信號分析儀和一臺GF3000萬能伺服試驗機。該型號的分析儀可以支持8通道信號檢測，由于試件的尺寸較小，因此試驗中選擇4個傳感器，并將其交叉布置于試件的左右兩側。在傳感器安裝之前，先將試件表面的擦拭干凈，然后利用鉛筆在試件表面標定具體的位置，再用硅脂將傳感器探頭黏結在試件表面的預設位置[8]。

聲發射試驗和抗壓試驗同步進行。在試驗開始之前，通過人為敲擊的方式檢查儀器是否完好連接；在試驗開始之后，應盡量保持試驗環境的安靜，避免噪聲對試驗結果的影響；在試驗結束之后，應該迅速暫停儀器并保存好相應的試驗數據。在試驗中要多次試驗，每組試件獲得9組數據，并以各組數據的均值作為試驗結果。

3 試驗結果與分析

3.1 孔隙率

試驗中，對0%、2%、4%和6%等4種不同預設孔隙率，尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm的試件進行聲發射試驗。根據試驗結果，繪制聲發射撞擊次數及應力隨時間的變化曲線，結果見圖1。由圖1可知，隨著碾壓混凝土內部孔隙含量的增大，試件本身的均質性和密實度會有十分明顯的降低，主要表現為試件從受力到發生破壞的時間明顯變短，同時整個過程中有大量的聲發射信號產生。具體來看，在加載初期，荷載水平相對較低，并不足以造成內部裂縫的明顯擴展，因此內部孔隙結構是產生聲發射信號的主要原因。隨著碾壓混凝土內部孔隙率的增大，其在低應力水平下的聲發射撞擊次數明顯增加，聲發射事件的概率也隨之增大。此外，隨著內部孔隙率的增大，聲發射特征各個階段的劃分特征日漸模糊，初始階段明顯延長，在孔隙率為6%的情況下，初始階段的持續時間幾乎占到破壞過程時長的2/3左右，雖然穩定段撞擊次數明顯增多，峰值特征日漸模糊。這說明在孔隙率增加的情況下，碾壓混凝土內部損傷的演化更為激烈。

圖1 不同孔隙率聲發射撞擊次數及應力隨時間的變化曲線

3.2 齡 期

試驗中對7、14、28和60 d等4種不同齡期，孔隙率和尺寸均為2%以及150 mm×150 mm×150 mm的試件進行聲發射試驗。根據試驗結果，繪制聲發射撞擊次數及應力隨時間的變化曲線，結果見圖2。由圖2可知，齡期對聲發射信號的特征也存在比較明顯的影響。試件的養護齡期越短，其聲發射的活動性就越高。究其原因，主要是齡期較短情況下混凝土內部的水化反應并不充分，骨料本身難以充分發揮骨架的功能，其受壓破壞主要產生在界面過渡區，因此信號的三階段特征并不明顯。28 d齡期和60 d齡期的聲發射特征比較相似，同時也表現出比較顯著的三階段特點，且聲發射撞擊數的突變次數明顯偏少，穩定段持續時間明顯增長，這說明此時的水化反應比較充分，試件的密度較大，也基本穩定。

圖2 不同齡期聲發射撞擊次數及應力隨時間的變化曲線

3.3 試件尺寸

試驗中對150 mm×150 mm×150 mm 和200 mm×200 mm×200 mm等兩種不同的試件尺寸以及孔隙率和齡期均為2%和28 d的試件進行聲發射試驗。根據試驗結果，繪制聲發射撞擊次數及應力隨時間的變化曲線，結果見圖3。由圖3可知，試件的尺寸也是影響碾壓混凝土聲發射特征的重要因素。一般來說，如果試件的尺寸較小，其聲發射活動性會明顯偏高。究其原因，主要是小試件在試驗過程中的大部分聲發射信號會以表面波的形式向傳感器傳遞，其衰減會明顯小于試件內部發出的縱波，因而在試驗過程中可以接收到更多表示原始振幅的事件。此外，在低應力水平下，聲發射事件會隨著試件尺寸的增大而減少。究其原因，主要是小試件的局部峰值應力分布范圍明顯偏小，因而造成表面的裂紋較多，出現的時間更早；大試件的局部峰值應力分布范圍較大，因此在低應力水平下僅會出現少量的裂紋。

圖3 不同尺寸試件聲發射撞擊次數及應力隨時間的變化曲線

4 結 語

本文通過室內試驗的方式，探討了結構因素對碾壓混凝土聲發射特征的影響，主要結論如下：

1) 碾壓混凝土聲發射特點與孔隙率之間存在密切關系。隨著碾壓混凝土內部孔隙率的增大，其內部損傷的演化愈加劇烈，低應力下的聲發射事件發生概率明顯增大。

2) 養護齡期也是碾壓混凝土聲發射特征的重要影響因素。養護齡期越短，其聲發射活動性越高。

3) 碾壓混凝土聲發射特征也存比較顯著的尺寸效應。試件的尺寸越小，試件的聲發射活動性越高。