超高性能混凝土劈拉損傷破壞的聲光聯合表征

摘要"為研究超高性能混凝土（UHPC）的劈拉破壞特征，采用3種不同的加載速率（0.1、0.01、0.001 mm/s）進行劈拉加載，在加載過程中采用數字圖像相關（DIC）方法非接觸觀測裂縫演化，同時結合聲發射（AE）技術對UHPC的破壞全過程進行動態監測，并基于DIC應變云圖、AE參量分析試件的破壞特征。結果表明，鋼纖維的摻入改善了混凝土的脆性，UHPC峰后荷載-位移曲線下降更平緩，沒有出現急劇下降的情況；加載速率越高，UHPC測出劈拉強度越高，符合混凝土速率效應規律，加載速率由0.001 mm/s提升到0.01 mm/s和由0.01 mm/s提升到0.1 mm/s，劈拉峰值荷載分別提高了27.9%和28.5%。采用DIC法進行UHPC劈拉試驗的變形測量可獲得連續的變形數據，能完整地捕捉裂縫的開展過程，證明DIC能很好地反映試件表面裂縫開展演化過程。基于RA-AF值分析可以快捷、有效地判斷混凝土中裂縫的開展類型。根據分析結果，UHPC劈拉試驗的裂縫類型絕大多數為拉伸裂縫，且隨著加載速率的提高，拉伸裂縫占總裂縫的比例提高。

關鍵詞"超高性能混凝土;"劈拉;"聲發射;"數字圖像相關;"損傷演化

混凝土作為建筑材料，至今已經超過100年，其具有適用性強、使用成本較低、施工方便等優點，是當今世界上用量最大的建筑材料^[1]。但隨著工程結構朝著更復雜、更高的趨勢發展，傳統混凝土自重大的缺點越發顯現，這使得人們不斷探索高強度、高耐久的混凝土材料^[2]，從而減少混凝土用量，減輕建筑自重。1994年，有學者提出了超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）的概念^[3]，此后越來越多學者研究超高性能混凝土。

徐海賓等^[4]基于新型UHPC試驗，并結合已有研究成果，提出了UHPC單軸受壓和單軸受拉的本構方程。Wille等^[5]通過摻入3種類型的鋼纖維，研究了超高性能纖維增強混凝土的彈性、應變硬化和軟化拉伸參數，提出拉伸應力-應變響應的模型。Yu等^[6]研究了低摻量納米二氧化硅下超高性能混凝土水化和微觀結構發展的影響，發現對于孔隙率最低的UHPC的生產，存在一個最佳的納米二氧化硅用量，在該用量下，成核的積極影響和截留空氣的消極影響可以很好地平衡。與傳統混凝土相比，由于加入纖維，UHPC拉壓比無明顯變化，但抗拉強度顯著上升，劈拉強度也顯著提高^[7]。目前對UHPC的研究主要集中在普通力學性能^[8-14]和配合比設計上^[15-19]，對于劈拉破壞特征的研究較少，對不同加載速率下的破壞研究則更少。而近年來UHPC廣泛運用于橋梁、高層建筑，這對材料抵抗動荷載的性能提出更高的要求，因此，有必要研究其在不同加載速率下的破壞特性。

聲發射（acoustic emission，AE）最早應用于金屬材料特性研究，經過近年來的改良，越來越多地應用在混凝土的破壞研究上。混凝土裂縫在形成和發展時，將能量以應力波的形式釋放出來，產生聲發射信號，這種信號能被轉化成電信號而被設備所采集。Assi等^[20]用AE技術探索彈性應力波信號與水泥水化潛在的關系，提出解決聲發射參數分析局限性的方法。Soulioti等^[21]研究發現，特定的聲發射參數隨損傷發展而單調變化，可用于表征試件失效過程。有學者基于聲發射技術提出一種方法以提高對UHPC作為強化材料應用的斷裂和失效機理的理解^[22]。數字圖像相關方法（digital image correlation，DIC）是一種非接觸式光學觀測系統，對試件破壞時的位移具有良好的精度和監測能力^[23]。相關研究表明，DIC和AE同時應用于混凝土裂縫識別，其結果基本一致，具有互補性^[24]，DIC能從混凝土偏表層觀測裂縫發展，而AE能監測混凝土內部損傷。AE和DIC的共同特點是在不破壞材料的前提下實現實時監測，即無損檢測。

中國目前約有80座橋梁使用UHPC材料，應用在橋梁主體結構、現澆接縫以及維修加固等方面^[25]。隨著時間的推移，UHPC材料在服役的過程中會受到熱脹冷縮、風荷載引起橋面位移等影響，局部容易發生受拉破壞，因此，有必要研究UHPC的受拉破壞特征，為UHPC的優化提供依據。筆者采用數字圖像相關方法進行非接觸式全場變形觀測裂縫演化，同時結合聲發射技術對UHPC的破壞全過程進行動態監測，并基于AE參量分析試件的破壞特征，研究不同加載速率下劈拉破壞特性以及裂縫發展演變過程，進一步探究UHPC的破壞特征及規律。

1"試驗材料及方法

1.1"材料及配合比

采用海螺牌P·Ⅱ 52.5R高強度水泥。硅灰選擇杭州三郎環保科技有限公司生產的無定形超細（非晶體）粉末，灰白色，SiO₂含量為96%。礦渣粉選擇杭州某廠生產的S95級礦渣粉。鋼纖維選擇紹興某廠生產的長度為8～12 mm、等效直徑為0.31 mm、長徑比為30的圓柱形直鋼纖維，鋼纖維形狀合格率≥98%，纖維表面鍍黃銅，雜質質量分數lt;0.1%，抗拉強度為2 750 MPa。選擇新一代聚羥酸高性能減水劑，外觀為淺黃色液體。采用《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）規定的養護方法，拆模后放入溫度為（20±2）℃、相對濕度為95%以上的標準養護室中養護。具體配合比如表1所示。

1.2"試驗方案

參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）規定，試驗的試樣采用100 mm×100 mm×100 mm的UHPC。試驗設備采用MTS 322型閉環伺服控制試驗機、Correlated Solutions公司的VIC-3D系統、美國聲學物理公司的SAMOS TM 16通道聲發射測試系統，設備具體布置位置如圖1所示，現場試驗情況如圖2所示。其中，使用MTS進行劈拉試驗，為了研究加載速率的影響，采用3組不同的加載速率（0.1、0.01、0.001 mm/s）。用VIC-3D 系統觀察試件表面的變形，其中散斑直徑約為0.5 mm，對應大小約為7個像素。將分辨率為2 048×2 048的工業相機用三腳架固定，然后進行圖像采集和相機標定。同時通過聲發射測試系統采集混凝土損傷破壞的聲發射信號，為保證試驗采集數據的有效性、排除外界的噪聲干擾，按預先試驗結果設定35 dB為聲發射門檻值。

2"試驗結果與分析

2.1"不同加載速率下超高性能混凝土劈拉全程荷載-位移曲線

每組速率采用3個試件進行試驗，考慮混凝土試驗的離散性，將3個試件的荷載-位移曲線求得平均值，繪制出曲線。圖3為不同加載速率下超高性能混凝土劈拉平均荷載-位移曲線，橫坐標Δ表示加載端頭的位移，數據由加載設備導出獲得。從圖中可以發現，曲線呈現出階段性的變化規律，大致可以分為4個不同的加載階段。選取其中加載速率為0.1 mm/s的平均荷載-位移曲線分析，由圖4可見：OA為壓密階段，曲線斜率逐漸增大，呈現出下凹狀；AB為彈性階段，荷載與位移呈線性關系；BC為屈服階段，此時曲線斜率不斷減小，趨向于峰值；CD為破壞階段，此階段荷載下降較平緩。對于沒有加入鋼纖維的素混凝土，當荷載達到峰值時，混凝土急劇開裂，呈現出明顯的脆性破壞，曲線驟降。而UHPC由于鋼纖維的摻入，曲線下降較緩慢，說明鋼纖維延緩了裂縫的發展^[5，26]。表2為不同加載速率下平均峰值荷載及提升幅度，可以發現混凝土試件劈裂抗拉平均峰值荷載隨加載速率的提高而增加，加載速率由0.001 mm/s提升到0.01 mm/s，劈拉平均峰值荷載提高27.9%，加載速率由0.01 mm/s提升到0.1 mm/s，劈拉平均峰值荷載提高28.5%，兩次峰值荷載提升幅度較均勻，基本符合混凝土速率效應規律。

2.2"基于DIC的破壞過程研究

DIC是一種無損監測技術，能通過非接觸方式在試件加載過程的任何階段獲得全填充分布的試樣表面應變。在DIC應變分析中，暖色代表拉伸應力引起的應變正值，如紅色和黃色；冷色代表壓縮效應引起的應變負值，如紫色和藍色。在從冷色到暖色的過渡區域，綠色代表接近0的應變值。圖例值的大小由破壞開始時正應變的最大絕對值和負應變的最大絕對值之間的較大值決定。圖5～圖7為不同加載速率下的主應變云圖，由于裂縫沿著墊條加載方向開展，只有豎直方向的中間區域應變云圖有變化，因此，截取該區域進行分析。從左到右，依次顯示了峰值荷載的70%（上升段）、100%和80%（下降段）的主應變云圖分布。

隨著荷載的增加，位移矢量不斷增大，導致加載方向的壓縮增大，垂直于加載方向的膨脹增大，當橫向位移到一定程度時，試件裂縫開始出現。在此過程中，DIC技術可以清晰地繪制高應變區域（應變云圖中的紅、橙、黃色條狀區域），隨著荷載的增加，這些區域裂縫逐漸擴展，直至混凝土剝落（應變云圖中的白色空洞區域）。分析不同加載速率下的主應變云圖可以發現，對于混凝土劈拉試驗，裂縫演化均由兩端向中間發展。在加載過程中，經過前期加載的初始壓密階段，混凝土微裂縫逐漸發育，表面開始出現細微裂縫，但大部分未連通。隨著加載的進行，損傷不斷積累，離散的裂縫相互連通，形成連續的裂縫，當荷載達到峰值荷載的70%時，由應變云圖可以看到，3種加載速率下混凝土表面部分區域均出現紅色條狀區域，說明該區域發生較大水平位移，產生開裂，此時試件處于損傷穩定發展階段。當荷載臨近峰值時，應變云圖迅速出現紅色條狀貫通區域，表明UHPC表面裂縫貫通，總體上為垂直的拉伸裂縫，充分體現了混凝土的脆性特征，且進一步說明混凝土整體的損傷是一個不斷積累的過程。在峰值荷載的80%（下降段）時，應變云圖中圖例極值增大，顯示試件橫向位移較大，說明試件表面貫通裂縫尺寸在持續發展，同時混凝土部分表面開始剝落，剝落混凝土如圖5及圖7峰值荷載的80%（下降段）白色空洞區域所示，DIC此時無法提供該區域的應變分布，這體現了DIC技術的局限性。

2.3"基于AE振鈴計數的損傷演化規律分析

聲發射是一種無損檢測技術，當材料產生損傷和破壞時會以彈性波來釋放能量，聲發射系統將彈性波轉化為電信號，通過分析這些信號能反映材料內部的損傷^[27-28]。混凝土作為一種非均質的復合材料，其失穩破壞是許多微小損傷不斷積累，最終形成貫通裂縫的結果，不是突然發生的。聲發射技術能在混凝土表面觀察不到裂縫情況下監測到混凝土的內部損傷過程。常見的AE表征參數包括撞擊次數、振鈴計數、信號幅值、能量、強度、峰值頻率等。其中，材料聲發射信號越活躍，振鈴計數強度越高，累計振鈴計數增長速度越快。

圖8（a）為0.1 mm/s加載速率下累計振鈴計數、振鈴計數、荷載與時間的關系，在加載過程中聲發射信號存在3個不同的階段。在初始階段，試件處于壓密狀態，聲發射信號較弱，說明此時較少有裂縫開展，由于加載速度較快，此階段歷時很短。隨后試件進入彈性至裂縫穩定發展階段，此時累計振鈴計數曲線斜率開始不斷增大，聲發射信號開始進入活躍期，表明由離散型細微裂縫趨向于貫通裂縫發展。此后累計振鈴計數曲線保持相同的斜率增長，說明此時混凝土內部裂縫開始迅速發展，混凝土開始出現嚴重損傷。在荷載曲線的峰后階段，試件破壞嚴重，承載力趨于喪失，此階段較少形成新的裂縫，累計振鈴計數曲線開始緩慢增長甚至不增長，進入一個平臺期。此階段聲發射信號數量較加載前期有所減少，而呈現出強度較高的特點，這是因為UHPC內部的鋼纖維斷裂發出高能聲發射信號。在加載后期，混凝土基體已劈裂為兩部分，已不具備產生高能聲發射信號的條件，由于鋼纖維有延性，當混凝土基體裂開時，仍連接著兩部分混凝土，當裂縫進一步拓展，鋼纖維斷裂產生聲發射信號。

圖8（b）為0.01 mm/s加載速率下累計振鈴計數、振鈴計數、荷載與時間的關系。與較快的加載速度不同，該試件有較明顯的初始壓密階段，持續時間在70 s左右，在試件壓密狀態下，聲發射信號較弱，累計振鈴計數曲線幾乎沒有增長，說明此階段較少有裂縫開展，且裂縫之間沒有相互貫通。當荷載為峰值的50%時，有高能的振鈴計數產生，曲線開始出現轉折并快速增長，此階段的振鈴計數強度高且密集，說明該試件裂縫開展較均勻，裂縫趨向于相互連通。在加載曲線的峰值過后，累計振鈴計數曲線開始緩慢增長，說明此階段較少形成新的裂縫，聲發射信號主要來源于鋼纖維的斷裂。

圖8（c）為0.001 mm/s加載速率下累計振鈴計數、振鈴計數、荷載與時間的關系。在較慢的加載速率下，試件存在最長的壓密階段，此過程的累計振鈴計數曲線增長平緩，裂縫開展緩慢，同時裂縫之間沒有相互貫通。由于有長時間的充分壓密，加載到荷載峰值點附近時，試件損傷已經積累到極限，裂縫開始劇烈性增長，迅速連通。此時的累計振鈴計數開始劇增，曲線幾乎呈現垂直增長狀態。

對比圖8中每種加載速率下的振鈴計數可以發現，聲發射信號分布與加載的快慢密切相關。當加載速度較快時，聲發射信號集中在加載前部分，當加載到峰后階段混凝土完全開裂時，聲發射信號較稀疏。而當加載速率降低時，試樣有足夠的時間監測試件緩慢變形，從而能收集更多的聲發射信號，這些信號主要集中在加載的中后期，而加載前期由于處于壓密狀態，聲發射信號強度弱且數量少。

2.4"b值分析

b值分析法最初用于測量某一地區的地震活動水平。由于混凝土破壞過程中應變能釋放產生的彈性波與地震波類似，b值分析法經過改進后形成了可用于混凝土類材料的AE信號分析方法。在聲發射分析中，幅值與累積頻度對數呈線性關系，b為擬合直線的斜率^[29]，用來表征聲發射事件震級分布的尺度，衡量試驗過程中試件內部小震級破裂事件和大震級破裂事件的相對數量。b值增大說明混凝土的微裂縫增長，b值減小說明裂縫相互貫通形成較大的裂縫。計算式為

其中：N為幅值大于A_dB的AE事件數；a為擬合常數；b為擬合直線的斜率；A_dB為AE事件的幅值。

將采集到的聲發射數據代入式（1），并通過最小二乘法計算出最佳擬合直線的系數a和b。圖9（b）、（c）分別為UHPC試件在0.01 mm/s、0.001 mm/s加載速率下的b值分布。可以看到，前期b值波動比較大，均呈現出先增大再減小的特征，這完全符合混凝土的破壞特性。b值增大說明混凝土的微裂縫增長，而當微裂縫增加到一定程度時，裂縫相互貫通形成較大的裂縫，此時b值開始減小，在加載的前期呈現出b值增大和減小的往復過程，這說明混凝土的破壞是一個長期積累的過程，而不是在一瞬間完成的。與圖9（b）、（c）不同的是，圖9（a）加載初期b值呈波動上升的趨勢，該階段混凝土內部大量微裂縫聚集，在局部區域形成裂縫。當加載到峰值荷載附近時，b值開始大幅下降，表明裂縫開始不穩定擴展，微裂縫相互連通成宏觀裂縫并快速增長，在這一階段，大部分聲發射能量通過形成不穩定的裂縫擴展而釋放，從而導致試件承載力失效。通過對比不同的加載速率可以發現，加載速率越小，b值的波動越小，這是因為較小的加載速率能使裂縫緩慢均勻發展，不會導致在短期內形成較大的裂縫使b值急劇下降。總體而言，b值隨著加載的進行而減小，尤其是過了加載荷載的峰值點后，b值下降明顯。

2.5"RA-AF值分析

有學者研究發現^[30]，混凝土的裂縫開展模式可以基于RA-AF值進行分析（RA為上升時間段信號包絡線梯度的倒數，AF為平均頻率）。根據圖10中的聲發射參數，AF定義為振鈴計數與持續時間的比值，RA定義為上升時間與AE信號幅值的比值，如式（2）、式（3）所示。根據RA和AF的關系可以將裂縫分為拉伸裂縫和剪切裂縫兩種形式，剪切裂縫有高RA低AF特征，拉伸裂縫則是高AF而低RA，裂縫類型判斷如圖11所示。基于Farhidzadeh^[31]等的研究成果，將RA-FA分布圖分割線作為拉伸-剪切裂縫分界線，采用斜率k=0.2的標線作為劃分裂縫類型的依據。

RA=上升時間幅值RA=上升時間幅值（2）

AF=振鈴計數持續時間AF=振鈴計數持續時間（3）

圖12為不同加載速率下UHPC的RA-AF值分布。圖中虛線為劃分裂縫類型的標線，位于標線上部的點信號源為拉伸裂縫產生，位于標線下部的點信號源為剪切裂縫產生。從圖12可以看出，對于UHPC試件，無論加載速率快慢，拉伸裂縫的AF值主要集中在20～60 kHz 區間，而剪切裂縫的RA值呈現出離散的特征，分布的區間較寬泛。通過比較不同加載速率的剪切裂縫特征可以發現，速度越快，剪切裂縫點落在AF小區間值的數量越多。在不同的加載速率下，位于虛線上方的點始終多于在虛線下方的點，這說明UHPC試件的拉伸裂縫均明顯多于剪切裂縫。同時可以看到，加載速度越小，RA-AF值的數據點越多。這是因為加載速度小，材料損傷釋放的能量可以充分地傳遞到探頭上，使聲發射信號得到充分收集，直接體現為數據增多。由于采用鋼墊條進行劈拉試驗（如圖1、圖2所示），有應力集中效應，裂縫沿著墊條與UHPC接觸的位置發展。從整體上看，UHPC破壞表現為垂直貫通裂縫，符合拉伸裂縫的特征，這個現象印證RA-FA分析中，拉伸裂縫占據裂縫類型的主要部分，說明該分析方法準確有效。

圖13為不同加載速率下的UHPC裂縫分布情況。可以看出，拉伸裂縫的比例遠大于剪切裂縫的比例，幾乎接近100%，說明UHPC以拉伸破壞為主。而加載速度越小，拉伸裂縫的占比越高，較大的加載速度有助于剪切裂縫的形成。

3"結論

研究了UHPC的劈拉破壞特征，用3種不同的加載速率（0.1、0.01、0.001 mm/s）進行劈拉試驗加載，采用數字圖像相關方法進行非接觸式全場變形觀測裂縫演化，同時結合聲發射技術對UHPC的破壞全過程進行動態監測，并基于AE參量分析試件的破壞特征，得出以下結論：

1）鋼纖維的摻入改善了混凝土的脆性，UHPC峰后荷載-位移曲線下降得更平緩，不會出現急劇下降的情況。

2）加載速率越高，UHPC測出的劈拉強度越高，加載速率由0.001 mm/s提升到0.01 mm/s和由0.01 mm/s提升到0.1 mm/s，劈拉峰值荷載分別提高27.9%、28.5%。

3）采用數字圖像相關法進行UHPC劈拉試驗的變形測量，可獲得連續的變形數據，證明DIC能很好地反映試件表面裂縫的開展演化過程。

4）基于RA-AF的斷裂模式分析可以快捷、有效地判斷混凝土中裂縫的開展類型。UHPC劈拉試驗的裂縫類型絕大多數為拉伸裂縫，同時加載速度越大，拉伸裂縫的占比越高。

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