SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土斷裂過程聲發(fā)射特性

金子恒,謝發(fā)祥,蔡定鵬,韓 旭,掌 昀

(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,南京 210098)

0 引 言

混凝土材料因具有承載能力強(qiáng)、施工成本低和耐久性好等諸多優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)代土木工程結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。然而大量的工程實(shí)踐表明,混凝土結(jié)構(gòu)在服役過程中出現(xiàn)的自收縮會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫[1-3],嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的承載能力和使用壽命[4-5]。因此,需要對(duì)混凝土進(jìn)行定期養(yǎng)護(hù)以防止其收縮開裂。目前,混凝土養(yǎng)護(hù)方法主要分為外部養(yǎng)護(hù)和內(nèi)部養(yǎng)護(hù),傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)方法難以對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行充分養(yǎng)護(hù),尤其對(duì)致密性較強(qiáng)的高性能混凝土,因此,在混凝土內(nèi)部引入養(yǎng)護(hù)水分是有效改善混凝土抗裂性能、抑制結(jié)構(gòu)收縮開裂的重要方法[6-8]。Jensen等[9-10]研究表明,利用高吸水性樹脂(super absorbent polymer, SAP)能夠顯著提高混凝土的內(nèi)部養(yǎng)護(hù)效率,SAP是一種理想的內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料[11-12],能夠在混凝土結(jié)構(gòu)干燥時(shí)逐漸釋放吸收的水分,進(jìn)而對(duì)其結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行有效養(yǎng)護(hù)。混凝土結(jié)構(gòu)在服役中受到風(fēng)荷載、地震荷載和車輛荷載等動(dòng)荷載的作用,而混凝土強(qiáng)度具有應(yīng)變率敏感性[13-14]。因此,研究應(yīng)變率對(duì)SAP混凝土斷裂性能的影響可以全面了解SAP混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,具有實(shí)際工程意義。

目前,很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了SAP對(duì)混凝土斷裂性能影響的研究。張志強(qiáng)[15]通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著SAP摻量的提升,混凝土的抗折強(qiáng)度和彈性模量隨之降低,其自收縮、干縮、塑性開裂性能呈減小趨勢(shì)。Yao等[16]研究了工程水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composites, ECC)的性能,發(fā)現(xiàn)SAP可以很好地改善最大拉伸應(yīng)變和彎曲撓度,抑制ECC試樣的干燥收縮。楊景玉等[17]通過對(duì)路面混凝土的三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),摻入SAP可以推遲開裂荷載的出現(xiàn)時(shí)間,并顯著降低混凝土斷裂失穩(wěn)后的劣化速率。Yang等[18]發(fā)現(xiàn)SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)可以降低路面混凝土的收縮應(yīng)變,延緩起裂時(shí)間并改善其斷裂性能。Lyu等[19]通過三點(diǎn)斷裂試驗(yàn)研究了SAP混凝土的抗裂性,結(jié)果表明SAP可以推遲混凝土起裂時(shí)間,并提高其斷裂性能。

但是在現(xiàn)有的研究中,鮮有通過聲發(fā)射 (acoustic emission, AE) 技術(shù)研究SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土動(dòng)態(tài)斷裂性能的報(bào)道,且缺乏應(yīng)變率變化對(duì)內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土損傷模式影響的研究。基于此,本文開展了三點(diǎn)彎曲狀態(tài)下內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土斷裂過程的AE試驗(yàn),研究了SAP混凝土在不同加載速率下的斷裂性能及AE特性,分析了不同加載速率下SAP混凝土的損傷特征變化規(guī)律,為SAP混凝土的后續(xù)工程應(yīng)用和損傷檢測(cè)等領(lǐng)域提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)為C40。水泥采用海螺牌P·O 42.5級(jí)硅酸鹽水泥,細(xì)集料采用天然河砂,粗骨料采用[15,20] mm的玄武巖碎石,內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料采用江蘇省宜興市可信化工有限公司生產(chǎn)的SAP顆粒,其性能參數(shù)如表1所示。

表1 SAP的物理力學(xué)性能Table 1 Physical and mechanical properties of SAP

SAP的最佳內(nèi)養(yǎng)護(hù)引水量可根據(jù)Powers模型[20-21]確定,計(jì)算式如式(1)所示。

(1)

式中:Wic為內(nèi)養(yǎng)護(hù)水灰比(表征SAP在混凝土顆粒中的含量),W/C為水灰比。

根據(jù)式(1),得到不同SAP含量混凝土梁試件的配合比,結(jié)果如表2所示。試件編號(hào)表示為SAP-a%-b/(cs-1),其中,a%表示內(nèi)養(yǎng)護(hù)水灰比Wic,b表示試件加載速率,c表示試件應(yīng)變率。

表2 不同SAP含量混凝土梁試件的配合比Table 2 Mix proportion of cement beam specimens with different SAP content

1.2 試驗(yàn)方案

SAP混凝土梁試件的加載示意圖如圖1所示。由圖1(a)可知,梁底部支座間的跨徑為300 mm,試件外側(cè)離支座的距離為50 mm,初始切口長(zhǎng)度a0為30 mm,AE的6個(gè)傳感器分別布置在試件的前后和頂部,具體位置如圖1(b)所示。在預(yù)制缺口處上方5 mm左右的位置粘貼應(yīng)變片來獲得起裂荷載值,在預(yù)制缺口的下方粘貼薄鋼片來測(cè)量荷載下的位移值。

圖1 SAP混凝土梁試件的加載示意圖(單位:mm)Fig.1 Schematic diagram of SAP cement beam specimens (unit: mm)

試驗(yàn)前,用砂紙打磨試件粘貼區(qū)域的表面,再用環(huán)氧樹脂膠將應(yīng)變片粘貼至試件上,待膠水充分固化后方可進(jìn)行試驗(yàn)。把試件放在支座上后,將AE傳感器緊貼在試件的表面,為了使試件表面與傳感器完全接觸,在傳感器上涂抹少許凡士林,以更好地接收到試件內(nèi)部的聲信號(hào)。固定好傳感器再連接應(yīng)變片和應(yīng)變采集儀后即可開始試驗(yàn)。加載壓頭與試件輕微接觸后試驗(yàn)開始,儀器以裂縫張開口位移(crack mouth opening displacement, CMOD)為控制指標(biāo),按照既定的加載速率(0.000 5、0.005和0.05 mm/s,分別對(duì)應(yīng)5×10-6、5×10-5、5×10-4s-1的應(yīng)變率)進(jìn)行加載。與此同時(shí),AE采集系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀同步開始采集數(shù)據(jù),當(dāng)加載力低至峰值荷載的5%左右時(shí)即可停止試驗(yàn),此時(shí)試件幾乎完全喪失承載能力,接近破壞狀態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 荷載-裂縫張開口位移曲線

試驗(yàn)得到的部分荷載-裂縫張開口位移(P-CMOD)曲線如圖2所示。由圖2(a)可知,隨著SAP含量增加,峰值載荷逐漸降低,這是由于SAP的加入伴隨著內(nèi)養(yǎng)護(hù)水增多,混凝土總水灰比增加,強(qiáng)度逐漸下降。此外,峰值載荷越大,軟化階段荷載的減小速率越陡,這與文獻(xiàn)[22-23]結(jié)果相似。圖2 (b)為不同加載速率下的P-CMOD曲線。由圖2(b)可知,峰值荷載隨加載速率的增加而增大,反映了膠凝材料對(duì)應(yīng)變率的影響[14]。

圖2 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的P-CMOD曲線Fig.2 P-CMOD curves of three-point bending tests

根據(jù)《水工混凝土斷裂試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5332—2005)[24],失穩(wěn)韌度可由式(2)計(jì)算得到。

(2)

(3)

計(jì)算所得的斷裂性能指標(biāo)平均值如表3所示。

2)使用飽和水裝置(圖4)對(duì)煤樣進(jìn)行加壓飽水處理，期間每隔12 h將煤樣取出稱重，直至煤樣質(zhì)量不再增加，可認(rèn)為煤樣飽和，記錄飽和水煤樣的質(zhì)量ms。

表3 計(jì)算所得的斷裂性能指標(biāo)平均值Table 3 Average value of the calculated fracture performance index

由表3可知,隨著SAP含量和加載速率的增加,失穩(wěn)韌度均呈線性遞減的趨勢(shì),表明SAP混凝土具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。將SAP含量、加載速率和失穩(wěn)韌度進(jìn)行線性擬合,SAP和加載速率對(duì)失穩(wěn)韌度的影響如圖3所示,不同加載速率下的失穩(wěn)韌度擬合曲線結(jié)果如表4所示。

圖3 SAP含量和加載速率對(duì)失穩(wěn)韌度的影響Fig.3 Effects of SAP content and loading rate on unstable toughness

表4 不同加載速率下的失穩(wěn)韌度擬合曲線結(jié)果Table 4 Fitting curves results of instability toughness under different loading rates

2.2 聲發(fā)射能量

AE是一種很有前景的分析混凝土斷裂性能的方法[25]。當(dāng)材料內(nèi)部發(fā)生微小的斷裂或錯(cuò)位時(shí),采集系統(tǒng)可以捕獲典型的聲波,典型AE信號(hào)如圖4所示。一個(gè)AE信號(hào)波即為一個(gè)AE事件,在這個(gè)波段內(nèi),從剛剛超過閾值到達(dá)峰值幅度的時(shí)間稱為上升時(shí)間,波段幅值超過閾值的時(shí)間為持續(xù)時(shí)間,波段內(nèi)的最大電壓值為幅值,超過閾值的波峰數(shù)為這一次AE事件的振鈴計(jì)數(shù)。

圖4 典型AE信號(hào)Fig.4 Typical AE signal

在加載過程中,AE振幅、荷載、峰值能量和累積能量的變化可以呈現(xiàn)出損傷過程,不同加載速率下SAP混凝土的AE振幅和能量變化如圖5所示。在初始加載階段,由于試樣和設(shè)備之間的接觸和摩擦,會(huì)產(chǎn)生少量AE信號(hào)。隨著載荷的增加,試件進(jìn)入彈性變形階段,當(dāng)試樣內(nèi)部裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展時(shí),AE信號(hào)逐漸增加。當(dāng)載荷接近峰值時(shí),AE信號(hào)變得密集,能量波動(dòng)較大,表明裂紋擴(kuò)展不穩(wěn)定。同時(shí),試樣中出現(xiàn)宏觀裂紋,釋放出大量能量。在峰值載荷后,能量波動(dòng)劇烈,伴隨著最強(qiáng)烈的AE信號(hào),表明試樣內(nèi)部產(chǎn)生了大量微裂紋。隨著載荷的持續(xù)施加,AE信號(hào)和能量波動(dòng)逐漸減小,表明裂紋的發(fā)展緩慢結(jié)束,樣品幾乎完全損壞。SAP混凝土峰值能量和累積能量變化如圖6所示。

圖5 不同加載速率下SAP混凝土的AE振幅和能量變化Fig.5 AE amplitude and energy variation of SAP concrete at different strain rates

圖6 SAP混凝土峰值能量和累積能量的變化Fig.6 Variation of peak energy and cumulative energy of SAP concrete

通過對(duì)比圖5(a)、(c)、(e)或(b)、(d)、(f)以及圖6(a)可以發(fā)現(xiàn),峰值能量隨加載速率的增加而增加。對(duì)于SAP-0%～SAP-23%的樣品,與應(yīng)變速率為5×10-4s-1相比,應(yīng)變速率為5×10-6s-1時(shí)的峰值能量降低了約28%、62%、72%、56%、63%。同時(shí),在較高的加載速率下,AE信號(hào)相對(duì)稀疏,特別是在峰值載荷附近,因?yàn)楫?dāng)加載速率較高時(shí),試樣內(nèi)部的裂紋發(fā)展為剪切裂紋,比拉伸裂紋釋放出更多的能量。

圖6(b)顯示了不同SAP含量混凝土在不同加載速率下累積能量的變化。通過比較圖6(b)中SAP混凝土累積能量可以發(fā)現(xiàn),隨著SAP含量的增加,加載過程中釋放的能量顯著減少。在5×10-6s-1的應(yīng)變速率下,與SAP-0%相比,最大累積能量減少量為SAP-17%的82%。在5×10-5s-1的加載速率下,最大降幅為SAP-23%的80%。最終,在5×10-4s-1的應(yīng)變速率下,SAP-17%的最大降幅為57%。

2.3 b值研究

b值法最初是由Gutenberg等[26]提出,用于分析地震波以及量化地震活動(dòng)水平。由于AE事件的典型波形與地震波相似[27],該方法還可以表征混凝土內(nèi)部的斷裂活動(dòng)并評(píng)估損傷程度。b值的計(jì)算如式(4)所示。

(4)

b值表示具有小振幅AE事件的比例,因此當(dāng)小振幅信號(hào)較多時(shí),b值較大,相反,當(dāng)高振幅的比例提高時(shí),b值會(huì)變小。不同的損傷模式會(huì)產(chǎn)生不同振幅分布的AE信號(hào),SAP混凝土在不同加載速率下的振幅分布和擬合曲線如圖7所示,得出的b值如表6所示。

圖7 AE振幅分布及擬合曲線Fig.7 Amplitude distribution and fitting curves of AE

表6 不同加載速率率下SAP混凝土的b值Table 6 b value of SAP concrete at different strain rates

由圖7可以看出,不同加載率下的AE振幅與公式所示的AE撞擊數(shù)的對(duì)數(shù)呈良好的線性關(guān)系。由表6可以看出,不同SAP含量的b值隨著加載速率的增加而減小。這是因?yàn)殡S著加載速率的增加,高振幅AE事件產(chǎn)生,同時(shí)伴隨著內(nèi)部裂紋的快速產(chǎn)生。

2.4 RA-AF關(guān)聯(lián)分析法

在AE分析中,上升時(shí)間幅值-平均頻率 (risetime amplitude-average frequency, RA-AF)關(guān)聯(lián)分析法在混凝土等脆性材料的失效模式識(shí)別中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[28-30]。RA定義為上升時(shí)間與AE事件幅值(ms/V)的比值,AF是AE循環(huán)計(jì)數(shù)與持續(xù)時(shí)間的比值。參考Isoda等[31]建立的關(guān)于RA和AF的關(guān)系,根據(jù)RA-AF法可將裂紋劃分為拉伸型裂縫和剪切型裂縫,結(jié)果如圖8所示。基于RA-AF分析可以確定結(jié)構(gòu)失效模式。

圖8 基于RA-AF關(guān)聯(lián)分析法的典型裂縫分類Fig.8 Typical crack classification based on RA-AF correlation analysis method

SAP混凝土試件的RA-AF值如圖9所示。拉伸型和剪切型裂紋的百分比計(jì)算結(jié)果和變化情況如圖10所示。

圖9 SAP混凝土試件的RA-AF值Fig.9 RA-AF value of SAP concrete specimens

圖10 不同SAP含量和加載速率下的拉伸型裂縫比例Fig.10 Tensile-type crack ratios at different SAP content and loading rates

從圖9中可以看出,RA-AF關(guān)聯(lián)分析法表明在相同的SAP含量下,RA值和最大RA值隨加載速率的增加而增加。拉伸型裂縫比例的減小也反映了變化規(guī)律,表明混凝土脆性較高。研究結(jié)果與Chen等[32]的研究結(jié)果一致,即在低加載速率下,拉伸型裂縫主導(dǎo)了對(duì)試件的損傷。SAP混凝土的脆性隨荷載速率的增加而增加,AE信號(hào)的RA值越大,剪切型裂縫的比例越高。

從圖10(a)中可以看出,隨著加載速率的增加,拉伸裂紋的百分比呈下降趨勢(shì)。但對(duì)于SAP-23%而言,中間加載速率的增加較小,這可能是混凝土的隨機(jī)特性引起的。從圖10(b)中也可以看出,在相同的加載速率下,不同SAP含量的拉伸型裂縫百分比有增減的趨勢(shì)。SAP-12%的拉伸型裂縫比例最高(分別為87.4%、81.8%和70.2%),SAP-17%的拉伸型裂縫比例隨后下降,SAP-23%的拉伸型裂縫比例略有增加。這主要是由于:1)隨著SAP含量的提升,相同加載速率下SAP混凝土的強(qiáng)度降低,因?yàn)镾AP的加入雖然提升了混凝土膠凝材料的水化程度,但是也提升了總水灰比,增加了混凝土的總孔隙率,導(dǎo)致強(qiáng)度降低;2)拉伸型裂縫比例呈先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì),因?yàn)镾AP的內(nèi)養(yǎng)護(hù)能夠有效緩解混凝土早期的自收縮,提升混凝土的水化程度,降低混凝土內(nèi)部的初始缺陷,而隨著SAP含量的提升,混凝土的脆性提升,破壞時(shí)間縮短,裂縫的發(fā)展時(shí)間受到限制而無法充分發(fā)展,骨料之間的剪切增多,進(jìn)而混凝土試件內(nèi)部更多的初始缺陷會(huì)導(dǎo)致破壞形態(tài)向剪切型破壞轉(zhuǎn)變,拉伸型裂縫的比例降低。正如Kong等[33]所建議的,在混凝土中加入SAP可以在不同的加載應(yīng)變速率下提高拉伸型裂縫的比例,這有利于減少剪切破壞。

3 結(jié) 論

1)隨著加載速率的增加,SAP混凝土的強(qiáng)度增加,而隨著SAP含量的增加,相同的加載速率下SAP混凝土的強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)。隨著加載速率的增加,SAP混凝土的失穩(wěn)韌度呈線性降低趨勢(shì)。

2)隨著SAP含量的增加,加載過程中釋放的能量顯著減少,最大累積能量在5×10-6、5×10-5和5×10-4s-1的應(yīng)變速率下分別下降了82%、80%和57%;而隨著加載速率的增加,峰值能量呈增加趨勢(shì)。

3)聲發(fā)射分析表明,不同SAP含量混凝土試件的b值隨著加載速率的增加而減小,表明隨著加載速率的增加,試件內(nèi)部的裂紋快速產(chǎn)生和擴(kuò)展,當(dāng)加載速率從0.000 5 mm/s增加到0.05 mm/s時(shí),拉伸型裂縫的比例降低約15%;同時(shí)研究結(jié)果表明,混凝土中摻入適當(dāng)?shù)腟AP可以增加拉伸型裂縫的比例,并降低剪切破壞的可能性。