鋼筋活性粉末混凝土受彎過程聲發(fā)射特性研究

作者簡介：吳林東（1987—），工程師，研究方向：高速公路養(yǎng)護(hù)。

摘要：文章通過制備活性粉末混凝土（RPC）與鋼筋活性粉末混凝土（SBRPC），采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究鋼筋數(shù)量對(duì)SBRPC抗彎強(qiáng)度的影響，并利用聲發(fā)射技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土試件的斷裂過程，分析混凝土試件斷裂過程和失效模式。結(jié)果表明：隨著鋼筋數(shù)量的增加，SBRPC的抗彎強(qiáng)度逐漸提高；SBRPC的彎曲斷裂破壞階段可以根據(jù)撞擊數(shù)和累積振鈴計(jì)數(shù)的曲線斜率變化來準(zhǔn)確劃分；聲發(fā)射信號(hào)間接特征參數(shù)上升角（RA）和平均頻率（AF）值的動(dòng)態(tài)變化可用于判斷混凝土試件斷裂過程和失效模式；鋼筋的加入會(huì)影響鋼筋活性粉末混凝土中剪切和拉伸裂紋的分布。

關(guān)鍵詞：道路工程；鋼筋活性粉末混凝土；抗彎強(qiáng)度；聲發(fā)射技術(shù)

中圖分類號(hào)：U416.216⁺.2

0 引言

活性粉末混凝土（RPC）于20世紀(jì)90年代提出，其作為一種超高性能混凝土，具有強(qiáng)度高、壽命長、耐久性好等特點(diǎn)，已成為一種廣泛使用的水泥基材料^［1］。此外，RPC的韌性可以通過添加纖維來提高^［2］。然而，RPC仍然具有普通混凝土的力學(xué)特性，其抗彎強(qiáng)度通常低于抗壓強(qiáng)度。因此，在混凝土中添加鋼筋成為提高RPC抗彎強(qiáng)度的一種有效方法^［3］。

聲發(fā)射技術(shù)作為一種非破壞性方法，用于檢測(cè)結(jié)構(gòu)的真實(shí)失效狀態(tài)以及材料的損傷行為，具有靈敏度高、損傷源定位準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)^［4］。混凝土內(nèi)部出現(xiàn)損傷時(shí)，會(huì)釋放出一定強(qiáng)度的彈性波，并傳播到混凝土表面，這些彈性波由聲發(fā)射傳感器收集并處理為電信號(hào)，用于混凝土的損傷分析^［5］。目前，一些學(xué)者已經(jīng)通過聲發(fā)射技術(shù)研究了混凝土在斷裂損傷過程中的特性。

本文采用鋼筋制備了鋼筋活性粉末混凝土，來探究鋼筋數(shù)量對(duì)活性粉末混凝土抗彎強(qiáng)度的影響。基于聲發(fā)射信號(hào)直接參數(shù)對(duì)鋼筋活性粉末混凝土的彎曲破壞過程進(jìn)行評(píng)估，并通過聲發(fā)射信號(hào)間接參數(shù)對(duì)其失效模式進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

本研究采用P·O 42.5的波特蘭水泥，相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。采用硅灰作為活性材料，比表面積為18 100 m²/kg。使用不同目數(shù)的石英砂作為骨料，使用400目的石英粉末作為填充材料。采用高效減水劑改善混凝土性能，采用短切玄武巖纖維作為增強(qiáng)材料。HPB300型鋼筋用于制備混凝土，其抗拉強(qiáng)度為445 MPa、屈服強(qiáng)度為335 MPa、彈性模量為2.1×10⁵ MPa。

1.2 鋼筋活性粉末混凝土試件制備

本研究中制備了尺寸為400 mm×100 mm×100 mm的鋼筋活性粉末混凝土（SBRPC）試件，其中活性粉末混凝土（RPC）的比例如表2所示，鋼筋采用砂紙進(jìn)行打磨。在活性粉末混凝土澆筑之前，將鋼筋鋪設(shè)在模具底部，鋼筋數(shù)量分別為1根、3根和5根，記為SBRPC-1、SBRPC-3和SBRPC-5，鋼筋布設(shè)如下頁圖1所示。試件制備24 h后置于90 ℃的環(huán)境中養(yǎng)生48 h。

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2002），本研究使用試驗(yàn)機(jī)對(duì)SBRPC進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)試其彎曲強(qiáng)度。在進(jìn)行彎曲試驗(yàn)同時(shí)，采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)SBRPC的彎曲破壞進(jìn)行監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)的示意圖如下頁圖2所示。

聲發(fā)射技術(shù)可以通過無損檢測(cè)方法來監(jiān)測(cè)混凝土損傷的萌生和發(fā)展，同時(shí)可以判斷其損傷模式。通常，可以通過聲發(fā)射技術(shù)的直接特征參數(shù)和間接特征參數(shù)進(jìn)行損傷分析研究，其中，直接特征參數(shù)包括振幅、上升時(shí)間、能量、撞擊數(shù)、持續(xù)時(shí)間和振鈴計(jì)數(shù)等；間接特征參數(shù)有上升角（RA）與平均頻率（AF），其計(jì)算公式如下：

通過聲發(fā)射技術(shù)，可將混凝土失效模式分為兩類：拉伸破壞（即較小的RA和較大的AF）和剪切破壞（即較大的RA和較小的AF）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋼筋活性粉末混凝土抗彎強(qiáng)度

圖3所示為本研究混凝土試件的抗彎強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。由圖3可知，SBRPC的抗彎強(qiáng)度隨著鋼筋數(shù)量的增加而增加。在試驗(yàn)過程中，SBRPC上表面處于壓縮狀態(tài)而下表面處于張拉狀態(tài)。通常，RPC具有優(yōu)異的抗壓強(qiáng)度，但其抗拉強(qiáng)度不如抗壓強(qiáng)度，而鋼筋具有較好的拉伸性能，因而，鋼筋與RPC的組合可有效提高SBRPC的力學(xué)性能。SBRPC-1的抗彎強(qiáng)度小于SBPPC-3和SBRPC-5，這說明少量鋼筋難以顯著提高SBRPC的強(qiáng)度。

2.2 鋼筋活性粉末混凝土彎曲作用下聲發(fā)射特性分析

如圖4所示為混凝土試件在受彎過程中聲發(fā)射信號(hào)曲線，荷載水平為某一點(diǎn)的荷載除以最大荷載值。綜合考慮撞擊數(shù)和累積振鈴計(jì)數(shù)曲線的斜率變化情況，RPC混凝土的受彎損傷過程可以分為4個(gè)階段。在第二階段，撞擊數(shù)和累積振鈴計(jì)數(shù)迅速增加，這可歸因于該階段混凝土內(nèi)部出現(xiàn)的大量微裂紋。在第三階段中，上述微裂紋發(fā)生連接及穿透。最后，混凝土試件進(jìn)入第四階段從而產(chǎn)生破壞。然而，基于傳感器收集的聲發(fā)射特征參數(shù)可視化分析，鋼筋與RPC的結(jié)合可以有效地提高SBRPC的抗彎性能。從圖4（b）～（d）中可以看出，在相同的加載程度下，SBRPC試件彎曲失效出現(xiàn)不同臨界點(diǎn)，這與鋼筋和RPC的共同作用有關(guān)。考慮到撞擊數(shù)和累積振鈴計(jì)數(shù)曲線的斜率變化，SBRPC的受彎損傷過程可以分為3個(gè)階段。與RPC相比，SBRPC的第一階段持續(xù)時(shí)間更長，這表明鋼筋可以有效地承受部分荷載，并抑制荷載過程中微裂紋的產(chǎn)生。此外，與SBRPC-3相比，SBRPC-1和SBRPC-5的撞擊數(shù)和累積振鈴計(jì)數(shù)發(fā)生了顯著的突變，因而適當(dāng)?shù)匿摻顢?shù)量更有利于SBRPC的受力形式。

混凝土試件在受彎過程中聲發(fā)射信號(hào)振幅值的分布如圖5所示，同樣進(jìn)行類似撞擊數(shù)與振鈴計(jì)數(shù)的階段劃分。由圖5可知，振幅值隨著荷載水平的增加呈現(xiàn)總體增加趨勢(shì)，這與混凝土試件的損傷程度有一定聯(lián)系。隨著混凝土損傷的發(fā)展，越來越多的微裂紋萌生并發(fā)展為宏觀裂紋，釋放出高強(qiáng)度彈性波，從而形成高幅值的聲發(fā)射信號(hào)振幅。圖5（a）中大多數(shù)振幅信號(hào)出現(xiàn)在第二階段和第三階段，其值在40～60 dB。當(dāng)SBRPC試件進(jìn)入損傷階段時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)振幅值＞70 dB。圖5（b）中第一階段的聲發(fā)射信號(hào)振幅較小，這表明試件內(nèi)部出現(xiàn)很少微裂紋。當(dāng)進(jìn)入第二階段時(shí)，振幅值可達(dá)到50 dB，并且在70 dB左右的聲發(fā)射信號(hào)振幅值增加，表明SBRPC試件出現(xiàn)宏觀損傷。圖5（c）表明，聲發(fā)射信號(hào)振幅值隨著荷載水平的增加而增加，第一階段的最大聲發(fā)射信號(hào)振幅值達(dá)到50 dB，第二階段達(dá)到70 dB，第三階段達(dá)到80 dB，最后當(dāng)試件斷裂破壞時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)振幅值將達(dá)到90 dB。圖5（d）中，當(dāng)進(jìn)入第二階段和第三階段時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)振幅值突然增加，這表明可以采用聲發(fā)射信號(hào)振幅值的突變來判斷混凝土試件損傷失效階段的轉(zhuǎn)變。

2.3 聲發(fā)射信號(hào)的間接特征參數(shù)分析

下頁圖6所示為混凝土試件彎曲破壞過程的RA和AF曲線。RA和AF值呈動(dòng)態(tài)變化，這意味著RPC與

SBRPC試件的破壞失效類型在此期間發(fā)生了變化。在試件破壞過程中，混凝土基體中的裂紋萌生順序可認(rèn)為是從拉伸裂紋開始的，并且隨著裂紋的擴(kuò)展和纖維拉伸斷裂的發(fā)生，剪切裂紋逐漸增多。在圖6中，與初始RA和AF值相比，處于損傷破壞階段的試樣若具有更大的RA值或更小的AF值，這表明試件損傷時(shí)剪切模式處于相對(duì)重要主導(dǎo)作用。在裂紋發(fā)展時(shí)期，RA和AF值處于動(dòng)態(tài)波動(dòng)狀態(tài)，這表明該階段拉伸裂紋和剪切裂紋兩種模式共存。從圖6（a）、圖6（b）可以看出，RPC和SBRPC-1試件的初始RA值較小或初始AF值較大，因此在試件失效破壞過程中則會(huì)有更多的剪切裂紋出現(xiàn)，進(jìn)而導(dǎo)致試件失效破壞。如圖6（c）、圖6（d）所示，SBRPC-3和SBRPC-5試件初始RA值較大或初始AF值較小。因此，相比于RPC和SBRPC-1試件，SBRPC-3和SBRPC-5試件在失效破壞過程中會(huì)產(chǎn)生更多的拉伸裂紋。因此，鋼筋和RPC的聯(lián)合作用可能會(huì)在一定程度上影響混凝土試件的破壞模式。

3 結(jié)語

本研究制備活性粉末混凝土與鋼筋活性粉末混凝土，并評(píng)估了鋼筋數(shù)量對(duì)鋼筋活性粉末混凝土抗彎強(qiáng)度的影響。同時(shí)，在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)過程中，利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)混凝土試件的失效破壞進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。采用聲發(fā)射信號(hào)直接特征參數(shù)和間接特征參數(shù)分析研究了混凝土試件斷裂過程和失效模式。

（1）鋼筋活性粉末混凝土的抗彎強(qiáng)度隨著鋼筋數(shù)量的增加而增大。鋼筋與活性粉末混凝土的組合可有效提高混凝土的抗彎性能。

（2）聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)可用于描述混凝土試件的破壞過程。綜合考慮撞擊數(shù)和累積振鈴計(jì)數(shù)，可以準(zhǔn)確界定活性粉末混凝土與鋼筋活性粉末混凝土的失效破壞階段。

（3）鋼筋的加入會(huì)影響鋼筋活性粉末混凝土中剪切和拉伸裂紋的分布。通過聲發(fā)射信號(hào)間接特征參數(shù)RA與AF值的變化，可以有效判斷鋼筋活性粉末混凝土的損傷模式。

（4）基于聲發(fā)射特性的鋼筋活性粉末混凝土斷裂失效評(píng)價(jià)，可為該類材料在交通基礎(chǔ)設(shè)施工程應(yīng)用中的損傷監(jiān)測(cè)及其失效模式判別提供參考。

參考文獻(xiàn)

［1］季文玉，李旺旺，付 堯，等.預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土受彎過程聲發(fā)射特性［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2018，35（10）：2 860-2 870.

［2］畢健平.橋梁工程中U型橋臺(tái)施工技術(shù)的應(yīng)用［J］.交通世界，2018（25）：110-111.

［3］孫明德，高 日，高明昌，等.高強(qiáng)鋼筋活性粉末混凝土梁抗彎性能試驗(yàn)研究［J］.橋梁建設(shè)，2017，47（2）：25-30.

［4］劉嘉勇，張蓓蓓.橡膠自密實(shí)混凝土彎拉破壞的聲發(fā)射特性分析［J］.建筑與裝飾，2020（23）：194-196.

［5］韋仕毅.凍融作用下玄武巖纖維瀝青混合料高溫壓縮斷裂過程聲學(xué)特性研究［J］.西部交通科技，2022（1）：44-48.

收稿日期：2023-03-20