凍融作用對自密實輕骨料混凝土聲發射特性影響

李京軍，閆 珺，牛建剛

(1. 內蒙古科技大學土木工程學院，包頭 014010；2. 內蒙古自治區土木工程安全與耐久重點實驗室，包頭 014010)

自密實輕骨料混凝土兼有輕骨料混凝土和自密實混凝土2 種類型混凝土的優點及屬性特征，其在澆筑過程中無需機械振搗，適用于配筋密集且難澆筑部位[1]；輕質的特性為高聳、大跨建筑結構設計、老舊建筑物的修復和加固提供了新思路[2-3]。目前對自密實輕骨料混凝土的研究主要集中于配合比設計、工作性能以及力學性能等方面[4]，但對其耐久性方面研究匱乏，阻礙了其推廣及應用。自密實輕骨料混凝土的自密實屬性賦予其拌和物良好的均質性，輕骨料混凝土屬性使混凝土具有良好的保溫隔熱性能、抗凍融性能及抗震性能。不難推斷，采用自密實輕骨料混凝土制備的混凝土結構與普通振搗混凝土相比，具有更優異的耐久性能以及更長的使用壽命。Kosmas 等[5]和Bashandy 等[6]驗證了自密實輕骨料混凝土在氯鹽及硫酸鹽侵蝕環境中的抗侵蝕能力，及使用壽命顯著優于普通振搗混凝土。

我國北方寒冷地區的混凝土建筑物或構筑物常因遭受凍融作用出現病害，服役壽命難以保證[7]。自密實輕骨料混凝土中由于摻入了輕骨料，其多孔的結構特征可有效抵抗冰結晶膨脹壓力，使其在嚴寒及寒冷地區的混凝土工程中應用前景廣闊。但目前對自密實輕骨料混凝土的抗凍融性能，特別是凍融后的力學性能的退化規律研究不充分。常規加載試驗，只能觀察到試件最終破壞形態，無法有效反映試件內部的動態損傷開裂過程[8]。聲發射(acoustic emission, AE)是材料變形及裂縫擴展過程的伴生現象。通過研究材料損傷開裂過程中的AE 信號，能夠反演材料內部裂紋的發展演化規律[9]。AE 技術常被用于混凝土和大型結構的損傷監測[10]、識別破壞機理[11-12]、定位裂縫源位置[13-14]、量化損傷程度[15-17]等。例如，Elaqra 等[18]利用AE 技術研究混凝土試件在軸壓作用下的損傷和斷裂；Aggelis 等[19]采用AE 特征參數表征鋼纖維混凝土的損傷過程；Li 等[20]利用AE 技術研究了鋼纖維混凝土的破壞機理和纖維增強機理；邱繼生等[21-22]基于AE 技術對不同凍融循環次數作用后的煤矸石混凝土進行單軸抗壓試驗，對其受壓破壞全過程中的損傷特性進行動態分析，建立了煤矸石混凝土的損傷本構模型；黃超等[23]利用AE 技術研究凍融混凝土劈拉破壞過程中的損傷發展情況。鑒于此，本文通過開展凍融循環后的單軸壓縮試驗，同步使用AE 技術，建立應力-時間關系曲線與AE 特征參數之間的關聯關系，揭示受荷試件內部裂縫損傷開裂規律，以期為自密實輕骨料混凝土在北方地區推廣及應用提供理論依據。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料及配合比

選用的膠凝材料包括P·O 42.5R 型普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級粉煤灰、硅灰密度，膠凝材料化學組成成分詳見文獻[24]；粗骨料選用粒徑為5 mm～16 mm的圓球形頁巖陶粒，表觀密度、堆積密度分別為1773 kg/m3、994 kg/m3，筒壓強度11.8 MPa，1 h及24 h 吸水率分別為3.8%、5.3%；細骨料選用級配良好的Ⅱ區中砂，細度模數為2.7。減水劑選用改性聚羧酸醚減水劑，推薦摻量為0.05%～0.5%。輕粗骨料內部疏松多孔特征可起到引氣作用，因此在混凝土制備過程中未摻引氣劑，試驗配合比見表1，其28 d 抗壓強度、干表觀密度及自密實性能指標見表2。

表2 自密實輕骨料混凝土性能指標Table 2 Performance index of self-compacting lightweight aggregate concrete

1.2 試驗方法

依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB 50082-2009)[25]，每組采用3 塊尺寸為100 mm×100 mm×400 mm 的試件進行快速凍融試驗。凍融試驗前，試件在標準養護室內養護24 d，然后將凍融試件放在(20±2)℃水中浸泡4 d。循環溫度設定在-18 ℃～5 ℃，一次凍融循環周期為4 h，其中凍結和融化時間分別為2 h。凍融試驗達到100 次循環次數后或相對動彈性模量下降至初始值的60%時，停止試驗。依據IRTM 方法，選用φ50 mm×100 mm 的圓柱體試件進行軸壓試驗，加載設備采用日本島津AGI-250 高精度材料試驗機，加載速率為0.2 mm/min。加載過程中同步采用美國物理聲學公司生產的DISP 系列全數字聲發射工作站進行AE 信號采集及儲存。AE 系統參數見表3[4]。為避免環境噪聲的影響，門檻值設置為45 dB。采樣頻率設置為1 MHz，軟件設置前放增益為40 dB，與前置放大器保持一致。AE 探頭坐標位置及示意圖分別見表4 和圖1[4]。

表3 聲發射系統參數Table 3 Parameters of AE system

表4 聲發射探頭位置Table 4 Location of AE probe

圖1 聲發射探頭布置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of AE sensor location

2 結果與討論

2.1 凍融損傷指標

圖2 給出凍融作用對試件相對動彈性模量和質量損失率的影響規律。100 次凍融循環周期內，各組試件質量損失率均為負值，表明試件質量均有所增加，且質量損失率絕對值隨循環次數增加呈增大趨勢。這是由于輕骨料孔隙率較大，凍融交替變化會將混凝土孔隙內空氣逐漸排出，多孔陶粒逐漸吸水飽和；此外，凍融后期，試件表面細微裂縫吸水飽和也會導致質量增加。隨循環次數的增加，混凝土試件劣化程度加大，相對動彈性模量呈下降趨勢。

圖2 質量損失率和相對動彈性模量的變化Fig. 2 Variation of mass loss rate and relative dynamic modulus of elasticity

2.2 聲發射特性

2.2.1 聲發射特征參數變化

AE 特征參數可以能夠反映材料損傷漸進破壞的前兆信息[26]。圖3 為單軸壓縮狀態下壓應力和AE 特征參數與加載時間的關系圖。由圖可知，凍融循環作用對自密實輕骨料混凝土峰值應力有明顯削弱。隨著循環次數增加，峰后破壞階段的應力-應變曲線更加完整，下降段曲線趨于平緩。孔麗娟[27]指出，混凝土單軸壓縮應力-應變曲線下降段形狀主要由混凝土基體強度決定。

圖3 AE 特征參數與加載時間的關系圖(左: 振鈴計數-時間關系圖，右: 能量-時間關系圖)Fig. 3 Relationship between AE characteristic parameters and loading time(left: the ringing count-time diagram; right: the energy-time diagram)

混凝土應力水平與AE 信號之間具有良好相關性，AE 信號在不同加載階段的變化特征能夠反映試樣內部微裂紋發展演化過程。各組試件在不同凍融循環次數下的AE 特征參數變化規律相似。初始階段，各組試件的AE 信號均較少，能量較低，該階段AE 信號主要源于混凝土內部原生裂縫或缺陷的擠壓閉合以及新產生裂紋的擴展；隨著應力水平提高，振鈴計數率、能率保持在較低水平，振鈴計數及能量數較平穩，應力-時間曲線呈近似線性關系；當外界壓應力超過混凝土臨界應力值，裂紋密集出現并迅速擴展，振鈴計數率和能率維持在較高水平。隨著應力水平持續增加，微細裂紋逐漸匯集成核發展成宏觀裂紋，試樣內部裂紋失穩擴展，進入破壞階段[28]，振鈴計數及能量數最大值發生在試樣達到峰值應力時。對于未凍融和凍融50 次的試件，能率及振鈴計數率也均在峰值應力時達到最大值。峰后下降段的 AE 信號驟減是由于小裂紋貫通發展成宏觀大裂縫。經歷100 次凍融后，試件內陶粒產生破損，砂漿基體產生大量裂縫，峰值應力后砂漿顆粒及陶粒內部易破損部位的不斷摩擦、錯位滑移，產生大量的AE 信號。

2.2.2 RA 和AF 值

AE 特征參數RA 及AF 值與材料的開裂模式相關[29]。RA 值是上升時間與幅值的比值，AF 值是振鈴計數與持續時間的比值。圖4 為RA 和AF 值隨加載時間的變化關系曲線。

圖4 RA 和AF 隨加載時間的變化Fig. 4 Variation of RA and AF with loading time

由圖4 可知，RA 和AF 值隨著加載時間的延長呈上下波動趨勢發展，說明，試件內部損壞并非由單一類型的破壞開裂模式控制，而是經歷多次的拉伸裂縫與剪切裂縫之間的交替轉化，最終導致混凝土主裂縫的形成，使試件產生壓裂破壞[30]。初始階段，AF 值整體呈上升趨勢發展，期間出現上下波動而非單調上升，RA 值并沒有顯著變化。表明該階段主要以拉伸裂紋為主，源于砂漿及骨料顆粒中原生裂縫的閉合或延伸擴展。隨著應力水平的增加，AF 值較穩定，但并非恒定不變，期間呈現上下波動變化，RA 值變化幅值較小，說明，該階段拉伸裂縫與剪切裂縫之間的比例以及兩種類型裂縫的交替演化較恒定。進入裂紋不穩定擴展階段，未經歷凍融循環的試件所對應的AF 值及RA 值呈上升趨勢發展，尤其當臨近峰值應力時上述兩類特征參數值迅速增加，表明此時刻有相當數量的混合裂縫產生，既有拉伸裂縫又有剪切裂縫。混合裂縫主要源于輕骨料顆粒的拉伸開裂以及因環箍效應導致的剪切裂縫[31]。對于經歷50 次及100 次凍融循環的試件而言，在該階段AF 值呈降低趨勢發展，而RA 值呈上升趨勢發展，說明，有大量的拉伸裂縫向剪切裂縫轉換。這可能是因為，多孔輕質粗骨料顆粒是混凝土內部的薄弱環節，在凍融循環作用下，由于靜水壓力作用導致粗骨料顆粒產生凍害損傷，使其在受荷前就已存在大量拉伸裂縫，粗骨料顆粒在混凝土內的薄弱程度隨凍融損傷的累積而增大，混凝土受荷時，混凝土內部產生的應變能主要以剪切裂縫形式耗散。

2.2.3 能量-幅值關聯分析

圖5 給出不同凍融循環次數后試件單軸壓縮AE 信號能量-幅值關聯圖。

圖5 能量-幅值關聯圖Fig. 5 Energy- amplitude correlation diagram

由圖5 可知凍融循環作用對AE 信號的幅值分布影響較小，各組試件信號幅值主要集中于45 dB～100 dB，但對信號能量影響較為顯著，凍融循環作用顯著降低了信號能量，表明內部裂紋萌生、擴展更容易。未經歷凍融循環的混凝土試件，信號能量主要集中在0 mV·μs～30000 mV·μs，經歷50 次、100 次凍融循環作用后能量顯著降低，主要集中在0 mV·μs～10000 mV·μs。

2.2.4 信號頻率分布特征

圖6 所示為AE 信號能量-峰值頻率關聯圖。

圖6 能量-峰值頻率分布關系圖Fig. 6 Energy and peak frequency distribution diagram

由圖6 可知，AE 信號的峰值頻率主要分布于15 kHz～45 kHz，85 kHz～105 kHz，235 kHz～255 kHz和285 kHz～320 kHz，這4 個“優勢頻段”，分別對應于混凝土內部預存裂紋或孔隙壓密，骨料/砂漿界面增強層的開裂，粗骨料斷裂破壞以及砂漿的開裂[32]。凍融作用沒有對“優勢頻段”位置產生明顯影響，但隨著凍融次數增加，各“優勢頻段”所對應能量值顯著降低。說明凍融過程能夠顯著降低混凝土開裂過程中所吸收或釋放的能量，裂紋擴展延伸更容易，這主要與凍融破壞過程能夠損壞混凝土的性能、降低混凝土強度及密實程度有關。圖中存有的能量趨于0，但峰頻高達400 kHz 以上的散點，源于試樣加載過程中出現的機械噪聲產生的背景噪聲[33-34]。

2.2.5 軸壓破壞模式及AE 信號空間定位圖

圖7 為試件經歷不同凍融次數后的軸壓破壞形態圖。由圖7 可知，未凍融試件軸壓破壞呈明顯的剪切破壞形態，隨著凍融循環次數的增加，裂縫趨于沿縱向受力方向開展，這主要與凍融損傷會削弱基體強度有關。圖7 只能觀測試件表面的宏觀破壞，無法獲知試件內部的動態損傷演化過程。鑒于此，進行AE 信號空間定位分析。由AE 信號空間分布圖可直觀看出不同應力水平下AE 事件數量和集中程度，反映試件內部損傷開裂演化過程。圖8 所示為未凍融試件、50 次凍融后試件及100 次凍融后試件在不同應力水平下的AE 信號空間分布圖。

圖7 軸壓破壞形態圖Fig. 7 Axial compression failure pattern diagram

由圖8 可知，凍融作用及應力水平變化對AE 信號源空間分布具有較大影響。對于各組試樣，應力水平為0.2fcu(fcu為試件軸壓強度)時，AE 事件數量較少，當應力水平高于0.2fcu，AE 信號趨于活躍，AE 事件在試樣斷裂面有聚集趨勢。未凍融試件的AE 信號源主要分布在與加載方向呈30°斜向截面上。隨著凍融次數增加，AE 信號源分布向混凝土試樣中間聚集，靠近試樣表面AE 事件相對較少。這主要是因為，混凝土經受凍融循環作用的損傷過程是由表及里進行的，在混凝土試樣與周圍水環境接觸表面產生一定厚度損傷層，該厚度范圍內混凝土基體強度及密實度顯著降低，在受荷過程中該層產生的AE 響應相對于試樣中間部位顯著降低，因此，AE 信號源隨著凍融循環作用增加向中間聚集。

圖8 AE 源空間定位圖Fig. 8 AE source spatial location map

3 結論

文章對經歷不同凍融循環次數(0 次、50 次、100 次)后的自密實輕骨料混凝土進行單軸壓縮試驗，并利用AE 技術進行同步監測，分析了單軸壓縮應力-時間曲線與聲發射特征參數之間的關聯關系，揭示了加載試件內部裂紋損傷和開裂規律。試驗主要結論如下：

(1) 凍融循環作用對試件單軸受壓峰值應力有明顯削弱作用，隨著凍融次數增加，軸壓應力-應變曲線趨于完整，下降段更加平緩。

(2) 凍融循環作用對混凝土單軸壓縮AE 信號的幅值分布影響較小，各組試件信號幅值主要集中于45 dB～100 dB，但對AE 信號能量影響較為顯著，凍融循環作用顯著降低了AE 信號能量，表明內部裂紋開裂更容易萌生、擴展。

(3) AE 信號峰值頻率主要分布于15 kHz～45 kHz，85 kHz～105 kHz，235 kHz～255 kHz 和285 kHz～320 kHz 4 個“優勢頻段”區間，分別對應于混凝土內部預存裂紋或孔隙壓密，砂漿基體開裂或者骨料與砂漿界面間脫粘，粗骨料斷裂破壞以及粗骨料內部拉伸裂紋發展。隨著凍融次數增加，各“優勢頻段”所對應能量值顯著降低。

(4) 凍融后的試件在軸壓作用下經歷拉伸裂縫與剪切裂縫之間的交替轉化，最終導致試件形成主裂縫產生破壞。

(5) 對于各組試樣，應力水平在0.2fcu各階段內，AE 事件數量較少，當應力水平高于0.2fcu，AE 信號趨于活躍，AE 事件在試樣斷裂面有聚集趨勢。