凍融循環后蒸汽養護混凝土的損傷-聲發射特性

陳 波，袁志穎，陳家林，徐 波

（1.河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098；2.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098；3.揚州大學 水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009）

蒸汽養護是混凝土預制構件生產時常用的養護方式，它能顯著提高混凝土的早期強度，加快模具周轉速率，從而提高施工效率［1-2］.但是，蒸汽養護下的高溫、高濕條件會造成混凝土內部孔隙粗化、膨脹變形及脆性增大等熱損傷效應，對混凝土的抗凍耐久性不利［3-5］.國內外學者對混凝土抗凍性進行了大量的研究，也取得了不少成果［6-10］.然而，目前混凝土抗凍性研究主要是針對常溫養護的混凝土，蒸汽養護混凝土的抗凍性并未受到相應重視，尤其是對凍融循環下蒸汽養護混凝土的應力應變行為及凍融循環作用造成的材料耐久性損傷認識不足.

混凝土材料受外荷載作用發生變形破壞時，常伴隨著聲發射現象，其聲發射信號蘊含著混凝土內部破裂過程的豐富信息.依據聲發射信號特征參數可對凍融循環后混凝土內部損傷動態演化過程進行實時監測［11］.

本文通過開展不同蒸汽養護制度下混凝土的凍融循環試驗，探究了蒸汽養護混凝土在不同凍融循環次數下的物理力學性能變化規律，并通過單軸壓縮-聲發射試驗，分析了不同凍融循環次數下蒸汽養護混凝土聲發射參數動態變化特征.同時，依據聲發射累計事件數，并結合損傷力學基本理論，建立了凍融循環下蒸汽養護混凝土受壓損傷本構模型，定量評價了不同蒸汽養護制度下混凝土的抗凍性能，以期為蒸汽養護混凝土凍融環境健康服役提供技術支撐.

1 試驗

1.1 原材料

P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥（C）；Ⅱ級粉煤灰（FA）；S95 型礦渣粉（GGBS）；粗骨料采用直徑為5～25 mm 連續顆粒級配碎石（CA）；細骨料采用天然河砂（S），級配符合Ⅱ區要求，細度模數為2.5；減水劑為高效聚羧酸型減水劑（WR），減水率（質量分數，本文涉及的摻量、比值等均為質量分數或質量比）達30%以上.

1.2 試件的配合比與養護制度

試件的水灰比為0.3，配合比mC∶mFA∶mGGBS∶mWR∶mCA∶mS=241.50∶144.90∶96.60∶3.42∶957.00∶815.00.對澆筑成型后的試件分別進行標準養護和蒸汽養護.蒸汽養護制度為：試件在標準養護室靜停3 h 后，放入蒸汽養護箱中，設置蒸汽養護溫度t為40、60、80 ℃，升溫、降溫速率均為15～20 ℃/h，恒溫時間為12 h，養護結束后脫模.將標準養護和蒸汽養護試件放入標準養護室養護至28 d 齡期，從養護箱中取出，放置在室內自然條件下繼續養護至180 d.根據蒸汽養護溫度，將蒸汽養護試件命名為ZF-40、ZF-60、ZF-80；標準養護試件命名為BF.

1.3 試驗方法

1.3.1 凍融循環試驗

采用CABR-HDK 型快速凍融試驗機，根據GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能實驗方法標準》中的快凍法進行蒸汽養護混凝土凍融循環試驗.試驗設定凍融循環次數n=0、40、80、120、160 次，每40 次循環結束后進行質量、彈性模量、抗壓強度測試.質量和彈性模量測試試件均為100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱體，抗壓強度測試試件為100 mm×100 mm×100 mm 的立方體.

1.3.2 單軸壓縮-聲發射試驗

蒸汽養護混凝土單軸抗壓試驗采用WAW-1000電液伺服萬能試驗機，加載方式為荷載控制.綜合考慮電液伺服萬能試驗機的性質和SL352—2006《水工混凝土試驗規程》的要求，設置常規加載速率為3 kN/s.

聲發射采集系統采用美國生產的Sensor Highway Ⅲ型聲發射儀，前置放大器增益選為40 dB.為提高數據的可靠性和定位的準確性，在混凝土試件側面對稱布置4 個傳感器（見圖1）.

圖1 傳感器布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of sensor layout（size：mm）

2 結果與討論

2.1 物理力學性能分析

不同凍融循環次數下混凝土的質量損失率和抗壓強度損失率見圖2.由圖2（a）可見：當n＜40 次時，混凝土的質量隨凍融循環次數的增加而增大，這主要是由于凍融循環初期混凝土內部孔隙吸收水分的質量大于凍融損失的質量，因而在宏觀上表現為混凝土質量增加；當n＞40 次時，混凝土的質量逐漸開始減小，這是因為隨著凍融循環次數的增加，混凝土表面逐漸開始剝落，凍融質量損失增大，超過了孔隙吸收水分的質量，導致混凝土質量開始降低；隨著蒸汽養護溫度的升高，凍融循環后期混凝土的質量損失率增大，這主要是因為蒸汽養護溫度越高，與初始靜置溫度（20 ℃）的溫差越大，混凝土內部孔隙結構越粗化，產生的裂縫就越多，在凍融循環后期損失的質量就越大.由圖2（b）可見：蒸汽養護溫度為60、80 ℃時，蒸汽養護混凝土在經歷不同凍融循環次數后，其強度損失率遠高于標準養護混凝土，如n=80次時，60、80 ℃蒸汽養護混凝土的強度損失率分別比標準養護混凝土高7.89%、10.20%；40 ℃蒸汽養護混凝土的強度損失率與標準養護混凝土相差不大.這主要是因為過高的蒸汽養護溫度使混凝土內部有害孔增多，對孔隙結構的破壞增加，結晶度降低，導致界面過渡區性能變差，混凝土抗凍性能下降.

圖2 不同凍融循環次數下混凝土的質量損失率和強度損失率Fig.2 Mass loss rate and strength loss rate of concretes under different freeze-thaw cycles

2.2 聲發射特征分析

不同凍融循環次數下試件ZF-60 的聲發射特征參數見圖3（圖中：NR為振鈴計數；N為聲發射累計事件數；L為荷載）.由圖3 可見：不同凍融循環次數下，混凝土振鈴計數隨著荷載的增加而發生變化，呈現出試驗初期振鈴計數增加較快、隨后增加速率減緩、接近破壞時振鈴計數突增的三階段規律；混凝土聲發射累計事件數峰值隨著凍融循環次數的增加先增大后減小，n=80 次時其達到最大值，這是因為隨著凍融循環次數的增加，混凝土內部微裂隙的數量不斷增加，微裂隙受壓破壞時不斷釋放出彈性波，從而使產生的事件數增多，而到凍融循環后期，微裂隙不斷匯聚、貫通，混凝土強度迅速降低，累積的能量不斷提前釋放，因而在受壓過程中傳感器捕捉到的聲發射事件數變少.

圖3 不同凍融循環次數下試件ZF-60 的聲發射特征參數Fig.3 Acoustic emission characteristic parameters of specimen ZF-60 under different freeze-thaw cycles

將混凝土凍融循環后的受壓破壞過程分為接觸期（Ⅰ）、平靜期（Ⅱ）、陡增期（Ⅲ）三階段.不同階段試件ZF-60 振鈴計數的平均值見表1.由表1 可見：凍融循環作用下，不同階段混凝土的聲發射振鈴計數平均值有較大差異.

表1 不同階段試件ZF-60 振鈴計數的平均值Table 1 Average value of ringing counts of specimen ZF-60 at different stages

（1）接觸期 接觸期主要發生在受壓初始階段，此時振鈴計數增加較快，持續時間較短，混凝土表面基本沒有變化.這主要是由于壓縮試驗機加載板和試件剛接觸時，二者之間存在少量空隙，在慣性作用下導致瞬時應力過大，且在加載階段初期，混凝土內部已有部分孔隙被壓密，因而產生了振鈴計數增加較快的現象.

（2）平靜期 隨著荷載的逐漸增大，凍融損傷產生的微裂隙在混凝土局部迅速擴展，在主應力和次生應力作用下不斷聚合、貫通，礦物顆粒間的連接破壞，累積的能量不斷釋放，混凝土內部損傷程度加劇.同時在試驗過程中可觀察到混凝土表面出現掉屑情況，且凍融循環次數越多，其掉屑情況越嚴重.

（3）陡增期 隨著受壓過程的繼續進行，試件內部裂隙迅速發展，聲發射活動異常活躍，振鈴計數陡增，同時可觀察到試件表面掉屑非常嚴重，表明混凝土內部損傷已接近極限.在荷載接近峰值荷載時，試件內部裂縫迅速擴展至表面，形成可見的宏觀裂縫，同時可聽見混凝土發出劇烈的破裂聲，并伴有大量碎片飛出，試件發生破壞.陡增期內振鈴計數發生突變，是損傷傳導和加劇的重要參照.陡增期是凍融循環下蒸汽養護混凝土強度破壞時間域的前兆信息，此階段需密切關注監測范圍內混凝土結構的穩定狀態.

相對聲發射累計事件數Nr為聲發射累計事件數與總聲發射累計事件數的比值；相對峰值應力σr為應力σ與峰值應力的比值.不同凍融循環次數下試件ZF-60 平靜期-陡增期分界點的特征參數見表2.由表2 可見，當n=0～160 次時，分界點處相對聲發射累計事件數從30.37%增加到71.39%，相對峰值應力從0.83 增加到0.91，二者均隨著凍融循環次數的增加而增大，這表明平靜期-陡增期分界點隨著凍融循環次數的增加在時間上發生后移.

表2 不同凍融循環次數下試件ZF-60 平靜期-陡增期分界點的特征參數Table 2 Characteristic parameters of the boundary point between calm stage and the stage of specimen ZF-60 under different freeze-thaw cycles

聲發射幅值可以表征混凝土局部損傷的劇烈程度，當某處損傷越劇烈時，所產生的幅值越高，幅值信號越密集.不同凍融循環次數下試件ZF-60 的聲發射幅值信號圖見圖4.由圖4 可見：加載過程中試件ZF-60 的聲發射幅值信號存在明顯的階段性，這些現象與聲發射振鈴計數表現出來的規律一致；在接觸期內，由于瞬時應力的作用以及孔隙的閉合與基質之間的接觸磨擦，此階段聲發射幅值信號較為密集；在平靜期內，混凝土內部主要表現為微裂隙的連通和擴展，損傷程度增加但并未發生明顯破壞，此階段聲發射幅值信號較為稀疏；在陡增期內，裂隙迅速發展形成可見的宏觀裂縫，并伴隨劇烈的結構性損傷，此階段聲發射幅值信號迅速增強，達到峰值.

圖4 不同凍融循環次數下試件ZF-60 的聲發射幅值信號圖Fig.4 Acoustic emission amplitude signal diagrams of specimen ZF-60 under different freeze-thaw cycles

2.3 受壓損傷本構模型

2.3.1 聲發射累計事件數與受壓損傷模型的建立

Ohtsu［12］通過對混凝土聲發射機理的分析，認為混凝土聲發射累計事件數N與應力σ之間存在如下關系：

式中：c為積分常量；a、b為與混凝土材料損傷特性相關的參數.

紀洪廣等［13］研究發現，在受壓過程中，混凝土由荷載引起的損傷變量Dc與聲發射累計事件數N成正比：

式中：k為比例系數.

龍廣成等［14］指出，在凍融條件下，混凝土總損傷變量D包括凍融損傷變量Di和荷載引起的損傷變量Dc：

同時，根據宏觀唯象損傷力學，混凝土宏觀物理力學性能能夠代表內部劣化程度，將材料的總損傷變量D定義為［15］：

式中：E(σ)為受壓過程中不同應力狀態下混凝土的動彈性模量；E0為混凝土受壓前的初始動彈性模量.

由Lemaitre 應變等價性假說可知，應力σ作用在損傷材料上產生的應變與有效應力作用在無損材料上引起的應變等價，聯立式（1）、（3）、（4），得到凍融循環后蒸汽養護混凝土的受壓損傷本構模型：

式中：ε為應變.

2.3.2 凍融循環下蒸汽養護混凝土受壓損傷本構模型的驗證

以試件ZF-60 為例，根據試驗所得蒸汽養護混凝土聲發射累計事件數和應力參數，通過式（1）對不同蒸汽養護制度下的數據進行擬合分析.n=0 次時，試件ZF-60 的初始凍融損傷變量Di0=0，將擬合所得參數a、b、c值代入式（5），再與實測應力-應變數據進行擬合，得到E0=4.2×104MPa，k=1.23×10-6，相關系數R2=0.978.將E0值代入式（5），即可得不同凍融循環次數下蒸汽養護混凝土的受壓損傷本構模型.分別將n=40、80、120、160 次時的混凝土試件應力-應變數據與式（5）進行擬合分析，求出不同凍融循環次數下混凝土受壓損傷本構模型的Di和參數k，并聯立式（3）建立蒸汽養護混凝土受壓損傷演化方程.不同凍融循環次數下試件ZF-60 的受壓損傷演化過程見圖5.由圖5 可見：受壓前期，蒸汽養護混凝土損傷演化較為緩慢；當相對峰值應力達到0.8 以后，蒸汽養護混凝土損傷發展較為迅速；峰值應力處總損傷變量D達到最大值.

圖5 不同凍融循環次數下試件ZF-60 的受壓損傷演化過程Fig.5 Evolution process of specimen ZF-60 compression damage under different freeze-thaw cycles

同樣，通過上述方法分別建立了試件BF、ZF-40、ZF-80 在不同凍融循環次數下的受壓損傷本構模型，且其模型擬合相關系數R2均在0.919～0.992.由此可見，通過聲發射累計事件數所建立的蒸汽養護混凝土受壓損傷本構模型與實測應力-應變數據具有良好的相關性，可較好地描述凍融循環作用后混凝土應力應變關系.

2.3.3 不同蒸汽養護制度下混凝土的凍融損傷評價

為進一步評價不同蒸汽養護制度下混凝土的凍融損傷，通過前文建立的受壓損傷本構模型，求出相對峰值應力為0 時受壓損傷本構模型的初始凍融損傷變量Di0，根據其值可以定量評價混凝土的凍融損傷狀態.不同蒸汽養護制度下混凝土的初始凍融損傷變量見圖6.由圖6 可見：隨著凍融循環次數的增加，不同蒸汽養護制度下試件的初始凍融損傷變量值增大；與標準養護混凝土相比，60、80 ℃蒸汽養護混凝土在不同凍融循環次數下的初始凍融損傷變量值均更高，且差異較為明顯，這表明在該溫度下進行蒸汽養護不利于混凝土抗凍性能發展；40 ℃蒸汽養護混凝土在不同凍融循環次數下初始凍融損傷變量值與標準養護混凝土相近，二者抗凍性能無明顯差異.

圖6 不同蒸汽養護制度下混凝土的初始凍融損傷變量Fig.6 Di0 of concretes under different steamcuring systerms

3 結論

（1）根據聲發射振鈴計數變化，可將凍融循環后蒸汽養護混凝土受壓破壞過程分為接觸期、平靜期、陡增期三階段，聲發射幅值變化規律與振鈴計數變化規律相同.隨著凍融循環次數的增加，平靜期-陡增期分界點在時間上發生后移，混凝土聲發射累計事件數峰值先增大后減小.

（2）通過聲發射累計事件數建立的受壓損傷本構模型可較好地表征蒸汽養護混凝土在初始凍融損傷后，其單軸抗壓應力與損傷程度之間的關系，實現了對蒸汽養護混凝土損傷定量分析.在受壓過程前期，蒸汽養護混凝土損傷發展較為緩慢；當相對峰值應力達到0.8 以后，蒸汽養護混凝土損傷發展較為迅速，直至受壓破壞.

（3）基于聲發射累計事件數建立的初始凍融損傷變量Di0變化規律表明，60、80 ℃蒸汽養護溫度不利于混凝土抗凍性能發展；40 ℃蒸汽養護混凝土與標準養護混凝土抗凍性能無明顯差異.