蒸養再生骨料混凝土斷裂聲發射特征*

陳育志 寧英杰 陳徐東 宣衛紅 郭玉柱

(1 金陵科技學院建筑工程學院 南京 211169)

(2 河海大學土木與交通學院 南京 210098)

(3 浙江交工集團股份有限公司 杭州 310051)

0 引言

混凝土因具有強度高、可塑性好、成本低等優點，已成為應用最廣泛的建筑材料，但其大量應用也帶來了資源消耗巨大、環境污染嚴重等問題。我國混凝土及其制品每年大約需要消耗132億噸的砂石骨料[1]。而城市化建設過程中大量的老舊建筑被拆除，每年產生的建筑垃圾也達數十億噸[2]。采用再生骨料制備再生骨料混凝土(Recycled aggregate concrete,RAC)，不僅能夠減輕廢棄混凝土造成的環境壓力，還可以大幅度減少對自然資源的開采。為推進RAC在工程中的廣泛應用，各國研究人員均對RAC 開展了大量研究工作。研究混凝土斷裂力學理論對于揭示混凝土拉伸破壞過程具有十分重要的意義。Musiket等[3]開展了不同尺寸RAC梁的斷裂試驗，研究顯示，RAC 梁的斷裂荷載存在尺寸效應。Wang 等[4]研究顯示，再生骨料對混凝土在高溫下的抗斷裂性不利。黃書嶺[5]試驗顯示，RAC的斷裂韌度低于普通混凝土，大約為其斷裂韌度的75%～97%。羅素蓉等[6]通過三點彎曲試驗，基于雙K 斷裂參數評價再生混凝土的斷裂性能，再生混凝土的起裂韌度和失穩韌度隨再生骨料取代率的增加而降低。

在建筑工業化背景下，采用預制構配件進行裝配將成為混凝土結構的重要生產方式。混凝土預制構件生產過程中通過高溫蒸汽養護可以提高混凝土早期強度，從而縮短脫模時間，提高生產效率，但過高的蒸養溫度或蒸養時間過長也會對混凝土力學性能造成不利影響[7-9]。目前關于蒸養RAC 斷裂性能及損傷機理的研究還相對較少。

為深入研究高溫蒸養對RAC斷裂性能的影響，本文采用MTS322 試驗機對RAC 試件開展三點彎曲試驗，并利用聲發射(Acoustic emission,AE)技術對混凝土內部損傷過程進行了監測分析。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

水泥為海螺牌PO42.5 普通硅酸鹽水泥，礦渣為S95 磨細粒化高爐礦渣粉。水泥、礦渣的比表面積分別為378 m2/kg 和420 m2/kg，水泥和礦粉的化學組成如表1 所示。參照《蒸養混凝土制品用摻合料》(JC/T 2554–2019)中蒸養活性指數試驗方法對本文所用的礦粉進行測試，得到3 d 和28 d 蒸養活性指數分別為106.9%和119.4%。粗骨料全部采用再生骨料，最大公稱粒徑為26.5 mm，壓碎值為15.2% (壓碎指標II類)，細骨料采用天然河砂，細度模數為2.5。

表1 膠凝材料的化學組分含量Table 1 Chemical component content of cementitious material(單位: %)

1.2 配合比

RAC的配合比如表2所示，粗骨料為再生骨料，砂率0.46，水灰比0.3，減水劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的PCA 聚羧酸高性能減水劑，摻量為膠凝材料的0.7%，混凝土拌合物流動性較好，實測塌落度190～200 mm。采用礦粉做為摻合料代替部分水泥，水泥和礦粉的質量比為0.5:0.5。

表2 RAC 配合比Table 2 Mix ratio of RAC(單位: kg/m3)

1.3 試件制備和養護

本文試驗采用的試件為100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱體，試件成型時養護條件分為標準養護和蒸汽養護兩種。蒸養過程包括靜停階段、升溫階段、恒溫階段和降溫階段，本文試驗具體設計的養護溫度和恒溫時間如表3 所示。靜停3 h 是指從RAC 澆筑至模具中開始，在20°C 的環境中放置3 h；升溫時間指從20°C 經過2 h 升溫至目標蒸養溫度；恒溫時間是指在目標蒸養溫度下養護的時間；降溫時間是指從蒸養溫度經過2 h降溫至20°C。在蒸養結束后，將混凝土試件脫模，然后置于標準養護條件下養護至28 d齡期開展試驗。采用標準養護的試件編號為RAC20，60°C 恒溫12 h 蒸養的試件編號為RAC6012，80°C恒溫9 h蒸養的試件編號為RAC8009。

表3 蒸汽養護方案Table 3 Steam curing scheme

1.4 加載方案

在試件一個側面沿跨中截面切割深度30 mm的初始裂縫，對應縫高比(a0/h)為0.3，切割后用自來水將切割處沖洗干凈，對應的另一個側面為加載面。采用MTS322 試驗機對試件進行三點彎曲加載，支座跨度為300 mm，夾式引伸計安裝固定于試件初始裂縫開口處，用于測量記錄裂縫張開口位移(Crack mouth opening displacement,CMOD)，并作為控制參數進行加載控制，加載速度為0.002 mm/s。加載過程中，MTS 試驗機采集記錄荷載和CMOD 值，采用AE 對斷裂過程進行監測。AE 設備為美國物理聲學公司生產的Sensor Highway III 聲發射系統，采用6 個傳感器進行信號采集，通過松緊帶將傳感器固定在試件表面預設位置，并用凡士林作為耦合劑使傳感器與混凝土表面緊密貼合。傳感器型號為PK6I，工作頻率介于35～65 kHz 之間，諧振頻率≤55 kHz，內置26 dB 低功率放大器，信號采集的門檻值為40 dB，采樣率設置為1 MSPS。具體試驗裝置如圖1所示。

圖1 混凝土三點彎曲斷裂試驗裝置Fig.1 Three-point bending fracture test device for concrete

2 結果與分析

2.1 F-CMOD曲線

養護條件對RAC 斷裂F-CMOD 曲線的影響如圖2 所示。與蒸汽養護相比，標準養護的RAC斷裂破壞荷載較高，但標準養護試件峰后曲線的下降速率很快，曲線相對較陡。標準養護和60°C-12 h、80°C-9 h 蒸汽養護下的峰值荷載分別為7.12 kN、5.74 kN 和6.33 kN，對應CMOD值分別為0.025 mm、0.024 mm 和0.022 mm，蒸養RAC 的斷裂荷載峰值有不同程度的減小，混凝土抵抗開裂能力有所降低，但與標養試件相比，蒸汽養護混凝土的F-CMOD 曲線下降速度相對較緩慢，說明蒸養RAC的脆性有所降低。

圖2 不同蒸養制度RAC F-CMOD 曲線Fig.2 F-CMOD curve of RAC with different steam curing systems

2.2 AE事件定位

AE 源的定位是映射混凝土試件內部損傷情況的一種有效手段。時差定位方法是AE 事件定位的常用方法，其基本原理是將多個傳感器采集到的撞擊收集到某一AE 事件中，并分析該事件命中的時間差以生成源位置的過程。本試驗采用Sensor Highway III 聲發射系統內置的三維定位模式，該模式在時差定位方法的基礎上使用多個事件進行多元回歸分析以減小單個事件到達時間的誤差，可以產生更準確的源位置。圖3 為3 組試件斷裂加載過程中AE 信號源的分布情況，每種工況2 幅圖對應2個加載階段，分別為：(I) 加載開始至峰值Fmax階段；(II) 峰值Fmax至30%～20%Fmax階段(峰后荷載快速下降階段)。

圖3 試件的AE 源定位Fig.3 AE source location

從圖3 中可以發現，整個加載過程中AE 定位的損傷源主要集中分布在跨中裂縫發展區域，加載至峰值荷載前，除了局部應力集中位置，混凝土內部以微裂縫的形成為主，AE 事件少，AE 可以識別的損傷點較少。而且峰值前還未形成主裂縫，試件內在兩個支座之間初始裂縫高度以上部分，均存在大小不等的應力狀態，因此在第I 階段，AE 信號源比較發散，除了跨中截面，其他位置也可見AE信號源。達到峰值后第II 階段，混凝土內的微裂縫開始聚集并逐漸擴展，產生大量的AE 事件，對應著AE信號源急劇增加。

對比不同蒸養制度試件AE 源分布情況，可以發現，標準養護和80°C-9 h 養護總的AE 事件數量比較接近，在裂縫開展過程中產生更多的AE 事件；而60°C-12 h養護試件的AE事件數量明顯偏少。

2.3 AE振鈴計數

振鈴計數是反映AE 現象是否活躍的指標，與閾值的大小有關，從其變化趨勢可以得到試件內部損傷發展的劇烈程度，AE 振鈴計數累計值(Accumulative AE counts)能夠反映試件加載過程中AE活動的總量和頻率。

圖4 為標準養護、60°C-12 h 和80°C-9 h 蒸養試件AE 振鈴計數累計值與荷載-時間曲線圖。從圖4中可以看出，AE 振鈴計數累計值曲線總體趨勢為：荷載上升階段對應AE 振鈴計數累計值小幅增長；荷載峰值階段對應AE 振鈴計數累計值平緩段；荷載峰后第一階段即荷載迅速降低階段，對應AE振鈴計數累計值迅速增加；荷載峰后第二階段即荷載緩慢降低階段，AE 振鈴計數累計值增長速度開始減緩。

圖4 AE 振鈴計數累計值與荷載-時間曲線圖Fig.4 Accumulated value of AE ringing count and load-time curve

加載上升階段，該過程AE 事件較少，AE 信號強度也較低，因此AE 振鈴計數累計值增長較小，表明試件內除了初始裂縫尖端或初始缺陷等應力集中的局部位置，整體上還未出現開裂，以微裂縫為主。加載至荷載峰值時，AE振鈴計數累計值增長進入平緩階段，AE 信號活動性很低，說明混凝土內主要是微裂縫聚集形成過程區的階段，對應微裂縫的聚合會持續一段時間。峰值后荷載迅速降低階段為過程區迅速發展的過程，AE 振鈴計數累計值曲線迅速上升，AE 信號最活躍，表明該階段裂縫張開位移增大同時生成新的裂縫，裂縫發展的比較充分。峰后第二階段荷載曲線緩慢降低的過程，AE 振鈴計數累計值曲線增長幅度減緩，該階段主要是宏觀裂縫的開展，裂縫已經擴展至試件頂部區域，不再生成新的裂縫，對應著AE信號活躍性降低。

蒸汽養護對混凝土的內部損傷有顯著影響，標養試件的振鈴計數累計值為16.19×105，80°C-9 h養護試件的振鈴計數累計值為14.28×105，相比減少了12%，60°C-12 h 養護試件的振鈴計數累計值為8.25×105，減少幅度為49%，主要原因是高溫蒸養增大了混凝土內部的微觀孔結構，導致其抵抗開裂能力降低，混凝土內裂縫形成擴展過程中AE 信號有所降低。

2.4 AE撞擊數分布

AE 波形越過門檻值且向某一通道輸入信號便形成一次撞擊。AE 撞擊數(AE hits)的分布能夠反映單位時間內損傷源的活躍程度。圖5 為3 組試件AE 撞擊數與荷載-時間曲線圖。與圖4 AE 振鈴計數累計值曲線類似，加載上升階段AE 撞擊數很少，峰后荷載迅速降低階段，撞擊數開始急劇增加，峰后荷載緩慢降低階段，AE撞擊數開始降低。

圖5 AE 撞擊數與荷載-時間曲線圖Fig.5 AE hits number and load-time curve

對比不同養護條件對AE 撞擊數的影響，標準養護試件的AE 撞擊數最多，80°C-9 h 養護試件與標準養護比較接近，但略有降低，60°C-12 h 養護試件的AE 撞擊數降低明顯。AE 撞擊數與振鈴計數均為AE 活動性的反應，兩者在加載過程中表現出近似的變化趨勢。

2.5 聲發射b值分析

混凝土作為準脆性材料，與巖石類似，受力破壞也是內部裂紋萌生、擴展、成核并形成宏觀破裂面的過程，由于AE的b值特征能夠反映材料內部微裂紋尺度的變化情況，b值的突變也可作為混凝土發生宏觀破壞的前兆，對b值特性的研究已逐漸成為認識混凝土破壞特性的重要方法[10-11]。

適用于AE 參數的Gutenberg-Richter 公式如式(1)所示[12]：

式(1)中，N為幅值大于AdB的AE 事件數；AdB為AE 事件的幅值；a為經驗常數；b是描述AE 幅度分布規律的參數。

b值在統計意義上代表了幅值較小的AE 事件在總的AE 事件中所占比例。高b值表示微觀裂縫主導，而低b值表示宏觀裂縫主導。

圖6為3組試件b值與荷載-時間曲線圖。從圖6中可以看出，在荷載達到峰值后進入峰后荷載快速下降階段，b值呈現波動下降的趨勢，直至荷載降到約30%峰值區域后，b值開始轉為低位震蕩趨勢。

圖6 b 值與荷載-時間曲線圖Fig.6 b-value and load-time curve

在荷載峰值處，微裂縫開始聚集形成過程區，以微裂縫的產生和聚集為主，對應較高的b值；在峰后荷載快速降低階段，過程區逐漸擴展到最大尺寸，在長度延伸的同時張開位移也逐漸增大，對應著新的微裂縫生成和微裂縫向宏觀裂縫擴展的過程，此時b值呈震蕩降低的走勢；峰后荷載緩慢降低階段，裂縫已經延伸至試件頂部區域，不再繼續產生新的微裂紋，隨著宏觀裂縫形成并快速擴展，高能量AE事件占主導地位，該過程b值在低位震蕩。加載過程中b值的變化特征，充分表明了b值與裂縫發展過程有著較好的對應關系，而且b值突然出現或突然上升，預示著微裂縫的出現和聚集，表明混凝土變形達到了峰值應變。

2.6 聲發射Ib值分析

為了能夠過濾可能干擾計算結果的異常(過高或過低的異常數值)幅值信號，Shiotani 等[13]提出了聲發射b值改進值，即Ib 值分析方法，如公式(2)所示：

式(4)中，σ和μ分別為AE 事件幅值的標準差和均值；α1和α2為自定義計算系數。

當AE 事件在任意時間段內連續發生時，會產生許多大小不同且隨機的信號，這些信號會直接反映在AE 事件振幅的分布上。因此，每個瞬時振幅的波動將直接影響AE 事件的Ib值。Ib值波動的強度與裂縫的發育密切相關，這就是Ib 值的瞬態特性。

圖7為3組試件AE 的Ib值和荷載-時間曲線圖，從圖7 中可以看出，整個加載過程Ib 值呈現震蕩變化的特征，荷載峰值區域以及峰后荷載快速下降階段，Ib 值震蕩比較密集，表明該階段裂縫擴展比較活躍，交織著微裂縫的形成和過程區的擴展，荷載下降至較低值時，過程區擴展為宏觀裂縫，不再有新裂縫產生，此時Ib 值波動頻率明顯降低。

圖7 Ib 值和荷載-時間曲線圖Fig.7 Ib-value and load-time curve

對比不同養護制度的區別，由于標養試件荷載在峰后下降得更迅速，可以看出標準養護試件Ib值震蕩密集階段持續時間相對較短，表明標準養護的試件內部過程區的發展也更快，高溫蒸養使試件內具有更復雜的孔隙結構延緩了過程區的開展過程，表現為具有更好的延性。

3 結論

本文開展了標準養護和兩種蒸養制度摻礦粉RAC 三點彎曲斷裂試驗，采用AE 對加載過程進行了監測。研究了養護條件對RAC 斷裂性能的影響，分析了斷裂過程裂縫擴展和損傷演化規律，得到以下主要結論：

(1) 高溫蒸養降低了RAC 斷裂峰值荷載，蒸養混凝土的F-CMOD 峰后曲線下降緩慢，脆性降低，蒸養RAC 斷裂過程中AE 信號強度低于標準養護試件。

(2) AE 振鈴計數、撞擊數等參數能夠準確反映RAC 斷裂過程損傷演變規律，聲發射b值能夠識別微裂紋的出現和擴展過程。加載上升階段，AE信號活動性很低，試件內以微裂紋的形成為主；加載至荷載峰值，AE 振鈴計數累計值增長對應平緩階段，混凝土內微裂縫的聚合會持續一段時間；荷載達到峰值迅速降低階段AE信號也最活躍，聲發射b值呈波動降低趨勢，Ib 值波動密集，對應著裂縫迅速發展的過程；荷載緩慢降低的過程，AE 信號活躍性降低，主要是宏觀裂縫的開展，裂縫擴展至試件頂部區域，不再生成新的裂縫。

盡管蒸養能夠快速提升RAC 早期強度，但也會造成后期抵抗開裂能力的降低，從聲發射分析結果推測可能與高溫蒸養引起RAC 內部孔結構劣化相關，需要進一步通過微觀試驗加以驗證。在RAC預制構件生產中應綜合生產效率、能源消耗以及混凝土后期力學、耐久性能合理確定蒸養制度，并選用合適的礦物摻合料和外加劑以降低蒸養的不利影響。