再生混凝土的聲發射特性及Kaiser效應

王炳雷，顏士榮，黃天雨，褚鳳明

(1.山東大學 土建與水利學院，濟南 250061；2.泰安(山東大學)城鄉固廢綜合利用研究院，泰安271000；3.山東潔諾環境科技有限公司，泰安 271000)

建筑垃圾的堆放和處理侵占土地資源，危害環境，而天然砂石骨料資源短缺、價格暴漲的問題也日益嚴重，因此建筑垃圾的資源化利用勢在必行。將建筑垃圾中的廢舊混凝土等制成再生骨料，并將其作為原材料代替天然骨料制成再生混凝土，是建筑垃圾資源化利用的重要手段。國內外學者對再生混凝土的研究以再生骨料的性質及再生混凝土的力學性能為主[1-6]，也有一些學者對再生混凝土結構構件的性能及再生混凝土與鋼筋的黏結性進行了研究[7-9]，但對再生混凝土內部損傷演變情況的研究較少。

聲發射技術已成為工程中的一項常規無損檢測技術，能動態地反映材料微觀結構的變化。對于混凝土材料，聲發射的產生由于因材料內部發生了裂紋萌生、裂紋擴展以及復合材料不同相界面的脫落等不可逆變化[10]。李加鵬等[11]研究了不同摻量的氧化石墨烯對混凝土聲發射參數(幅值、振鈴計數、頻率)的影響規律。張力偉等[12]證明了聲發射技術能有效監測CFRP(碳纖維復合材料)鋼管混凝土彎曲過程的損傷程度和破壞歷程。紀洪廣等[13]證明了普通混凝土在一定應力范圍內具有Kaiser效應。

隨著聲發射技術在普通混凝土微觀領域研究的廣泛應用，國內外學者也嘗試利用聲發射技術對再生混凝土展開研究。WATANABE等[14]利用聲發射技術證明了再生混凝土與普通混凝土的開裂性能有較大的差異，并根據聲發射參數將再生混凝土活動裂紋分為拉伸裂紋和剪切裂紋。RYU等[15]證明聲發射技術可以用于識別再生混凝土裂縫的發展源及裂縫的開展機理。劉茂軍等[16]對砂漿、普通混凝土、再生混凝土及強化再生混凝土的聲發射特性進行了對比分析。

文章基于聲發射技術，對不同再生粗骨料取代率(0，30%，50%，70%，100%)的再生混凝土進行單軸壓縮過程的動態監測，通過加載過程中再生混凝土聲發射能量的變化來預測裂縫的開展，分析聲發射優勢頻率與再生粗骨料取代率(以下簡稱取代率)的關系。在此基礎上，對不同取代率的再生混凝土進行循環加卸載，考察加載過程中不同取代率再生混凝土Felicity比的變化規律，驗證再生混凝土Kaiser效應的存在性，有望為建立再生混凝土損傷評估體系提供理論及實踐基礎。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗采用P·C 42.5級復合硅酸鹽水泥；砂采用普通天然河砂，屬中砂；拌和用水采用自來水；再生粗骨料由山東泰安某建筑拆除產生的廢棄混凝土破碎加工而成。再生骨料來源廣泛，成分復雜，離散性較大，為防止這些因素對試驗結果普遍性的影響，所用的再生骨料都經過人工挑選，去除了磚、瓦、瀝青等物質，再生混凝土骨料含量大于98%。粗骨料的基本性能如表1所示，可知再生骨料的粒徑分布與天然骨料的一致，但其表觀密度略低，針、片狀顆粒含量、吸水率及壓碎指標均有增加。這證明再生骨料因具有初始損傷，其性能較天然骨料有所降低。

表1 粗骨料的基本性能

1.2 試驗配合比設計

再生混凝土配合比如表2所示，按C30混凝土進行設計，水灰比取0.38，砂率取30%，減水劑摻量為1%。試驗所選的取代率分別為0，30%，50%，70%和100%，取代率為0時為普通混凝土(NC)。因再生粗骨料吸水率大，另加入標準吸水率下再生骨料吸水10 min所得附加水。

表2 再生混凝土配合比 kg·m-3

試塊參照標準GB/T 50080-2016 《普通混凝土拌和物性能試驗方法》進行制作并養護28 d，再生混凝土標準試塊實物如圖1所示，其尺寸為150 mm×150 mm×150 mm(長×寬×高)。每種取代率制作6塊試塊，3塊測量抗壓強度，建立單軸壓縮過程中再生混凝土聲發射能量的變化曲線來預測裂縫開展，分析聲發射優勢頻率與取代率的關系；3塊進行循環加卸載來驗證再生混凝土Kaiser效應的存在性。

圖1 再生混凝土標準試塊實物

2 試驗過程

2.1 試驗設備與參數

試驗采用美國物理聲學公司(PAC)的PCI-2型聲發射檢測系統，探頭與試塊采用硅脂耦合。試驗前首先設置一個合適的閾值電壓(門檻)來濾除噪聲。試驗設置的檢測門檻為40 dB，峰值定義時間(PDT)設為150 μs，撞擊定義時間(HDT)通常取PDT的2倍，設為300 μs，撞擊閉鎖時間(HLT)應大于HDT，設為450 μs。

2.2 試驗加載

單軸壓縮試驗按標準GB/T 50081-2019 《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行。循環加卸載分為4次，加載上限(相對應力)分別為0.2,0.5,0.8和1.0，相對應力為當前加載應力與峰值應力的比值。加載試驗現場如圖2所示。

圖2 加載試驗現場

不同取代率再生混凝土的抗壓強度及其變化趨勢如圖3所示，誤差棒表示的是試驗結果的標準偏差。由圖3可見，隨取代率的增加，再生混凝土抗壓強度先增大后減小，在取代率達到30%時抗壓強度達到最大值34.1 MPa，當取代率達到100%時，抗壓強度為27.6 MPa，與普通混凝土相比，降低約15%。當取代率為30%時，抗壓強度增加的原因可能是：① 在此取代率下再生粗骨料與天然粗骨料兩者形成的級配更為良好；② 再生骨料表面更為粗糙，受壓過程中骨料與水泥石之間的摩擦力增大；③ 再生骨料吸水率較大，在制作過程中吸收了更多的水分，這些水分在養護過程中釋放出來，形成“內養護”作用。但由于再生骨料本身性質的劣化，過多再生骨料摻入會使再生混凝土的抗壓強度降低。該試驗變化趨勢與參考文獻[17]的試驗結論相似?？箟簭姸仍囼灱半x散性分析結果如表3所示。

圖3 不同取代率再生混凝土抗壓強度及其變化趨勢

表3 抗壓強度試驗及離散性分析結果

3 結果與討論

3.1 再生混凝土聲發射能量與裂縫開展的關系

不同取代率再生混凝土的聲發射能量-時間-相對應關系如圖4所示。由圖4(a)可知，普通混凝土在受壓初期(相對應力為0～0.3)有少量能量產生，這是因為隨著混凝土彈性變形及內部空隙的壓實，試塊表面此時無明顯現象；隨著應力(相對應力為0.30.8)穩定增長，聲發射能量減小并趨于穩定，此時混凝土內部開始出現微裂縫，微裂縫隨著應力增加穩定發展。在中后期內部裂縫會逐漸擴展并相互貫通，試塊最初出現的裂縫靠近試塊的表層，位于試塊的中央，試塊在垂直(豎向)方向為壓縮，水平方向膨脹。隨著荷載的繼續增加，新的裂縫逐漸向兩端發展，試塊開始外鼓；當進入加載后期(相對應力為0.8～1.0)，聲發射能量急劇增加，試塊中間的裂縫向兩側發展形成正倒相連的“八”字型，表面貫通的宏觀裂縫快速發展。斷裂時，可以聽到細微的劈裂聲；峰值應力過后，聲發射能量減小并逐漸趨于零，宏觀裂縫延伸貫通，表層混凝土壓碎而剝落，試塊最終呈現“錐形”的破壞形態。

由圖4(b)～(e)可知，再生混凝土單軸壓縮過程中能量變化的形式與普通混凝土的基本相似，但呈現以下特點。

圖4 不同取代率再生混凝土的聲發射能量-時間-相對應力關系

(1) 聲發射峰值能量均有升高且升高幅度隨取代率的增加而增大。再生骨料具有大量缺陷和初始損傷，再生混凝土內部初始缺陷的數量隨著取代率的增加而變多。在加載初期更多的內部孔隙與缺陷被壓實閉合，產生更高的聲發射能量。在加載后期，再生混凝土的破壞不僅包括再生骨料與新砂漿界面的破壞，還包括再生骨料附著砂漿的破壞以及附著砂漿與新砂漿界面的開裂，破壞的種類與數量更多，因此產生的聲發射峰值能量更高。

(2) 隨著取代率的增加，在加載中期產生聲發射能量更多。這是因為隨著再生混凝土中再生骨料含量的增加，性質較差的再生骨料含量增加，在更低應力下再生混凝土內部產生的破壞更多；產生的聲發射能量也隨之增加。

3.2 取代率對聲發射信號優勢頻率的影響

優勢頻率是指大多數頻率分量所處的頻率區間值。試驗中指的是大多數平均頻率所處的頻率區間。圖5所示為不同取代率再生混凝土優勢頻率隨相對應力的變化曲線，可見，再生混凝土與普通混凝土的優勢頻率隨相對應力的變化趨勢基本相似，但具有以下特點。

圖5 不同取代率再生混凝土優勢頻率隨相對應力變化曲線

(1) 加載初期與加載后期，再生混凝土的優勢頻率較普通混凝土的降低，隨著取代率的增加，優勢頻率逐漸減小。這是因為再生混凝土試塊剛開裂時，不僅存在新砂漿與骨料交界面的開裂和新砂漿與附著砂漿交界面的開裂，同時還有再生骨料中附著砂漿的脫落，但并沒有出現骨料自身的開裂，所以優勢頻率整體上低于普通混凝土的。

(2) 隨取代率的增加，再生混凝土受壓過程中頻率變化的幅度減小，優勢頻率對應的相對應力變化不大。這是因為隨取代率的增加，再生混凝土中因再生骨料劣化產生的破壞會增多，這些破壞基本是再生骨料附著砂漿及再生骨料初始缺陷所導致的，破壞性質差別不大，所以在整個過程中優勢頻率的波動程度減小。無論普通混凝土還是再生混凝土，相對應力達到0.2時，內部空隙已經被壓實。而當相對應力達到0.8～0.9時，不同取代率的再生混凝土都開始發生骨料的破壞，因此產生峰值優勢頻率的相對應力波動不大。

3.3 再生混凝土的Kaiser效應

在循環加載過程中，不同循環過程的聲發射不可逆程度有所不同。這種不可逆程度可用Felicity比表示。在每一次循環中，Felicity比(FR)可定義為

(1)

式中：FR(i)為第i次循環中的Felicity比。P(i)為第i次加載所達到的應力水平；P(i+1)為第i+1次加載恢復有效聲發射時的應力水平。

根據Kaiser效應的定義，當FR(i)≥1時，Kaiser效應有效。為驗證再生混凝土材料聲發射Kaiser效應的存在性，對不同取代率再生混凝土進行循環加卸載試驗，研究加載過程中其Felicity比隨相對應力的變化規律。

在試驗過程中，會有少量水泥漿體剝落使聲發射信號的幅度迅速增大，不能作為有效聲發射的標志。因此用以下兩個特征作為出現有效聲發射的判別條件：① 當荷載增加時，聲發射信號是連續的，即連續性準則；② 在荷載增加的過程中，聲發射事件計數多于15個，即事件計數增加準則。

當這兩個條件同時滿足，則認為已恢復有效聲發射。根據這兩個判別標準，可得到不同取代率再生混凝土Felicity比與相對應力的關系(見圖6)。由圖6可見，普通混凝土聲發射Felicity比隨相對應力的增大先由大于1逐漸減小至小于1，隨后又上升，當相對應力約達到0.4時又大于1，此后應力逐漸增加，Felicity比始終大于1，當相對應力超過0.7時，Felicity比急劇下降。這表明普通混凝土在相對應力為0.3～0.7時具有良好的不可逆性，存在Kaiser效應。

圖6 不同取代率再生混凝土Felicity比-相對應力關系

對于再生混凝土，分析變化趨勢可知其也具有Kaiser效應，但與普通混凝土相比主要有以下區別。

(1) 再生混凝土Kaiser效應無應力下限。對于再生混凝土，內部初始缺陷、裂縫較多，在低應力循環加載過程中，內部初始缺陷和初始裂縫已經開始發生破壞，無法完全閉合，當充分閉合時內部已產生不可逆破壞，所以在低應力水平下始終表現為良好的不可逆性。

(2) 再生混凝土Kaiser效應的應力上限有所提高。由圖6可知，隨著取代率的變化，再生混凝土具有Kaiser效應的最大相對應力(應力上限)由0.7左右逐漸提高至0.8左右，原因是再生混凝土受到破壞時產生的聲發射能量更高，在產生宏觀裂縫和裂縫發展的過程中需達到更高的應力水平，導致Kaiser效應應力上限也就相應地提高。

4 結語

(1) 單軸壓縮過程中，再生混凝土聲發射峰值能量比普通混凝土的更高，且隨著取代率的增加，峰值能量的大小和加載中期產生聲發射能量的數量均有增加。

(2) 與普通混凝土相比，再生混凝土加載初期與加載后期的優勢頻率有所降低。隨著取代率的增加，優勢頻率的大小及頻率變化的幅度均有所減小。達到峰值優勢頻率時的相對應力波動不大。

(3) 再生混凝土與普通混凝土都具有Kaiser效應，但與普通混凝土相比，再生混凝土的Kaiser效應無應力下限，且應力上限有所提高。