碳納米管混凝土三點彎曲梁的聲發射及損傷演化特征

關鍵詞：碳納米管；混凝土梁；損傷演化；裂紋擴展；聲發射

經過2個世紀的發展，混凝土已成為基礎設施建設中使用最為廣泛的建筑材料之一[1–3]。然而，傳統混凝土作為一種高脆性、低韌性的人工材料，在水化過程中會產生大量微觀缺陷和不規則的水化產物，使得混凝土自身結構存在明顯的局限性，突出表現為抗拉強度低、變形能力差、易開裂、易受腐蝕等。在建筑工程中，材料缺陷必將極大地影響工程結構的安全性和耐久性。因此，以智能化、多功能化、可持續性、超耐久性等為發展方向的高性能水泥基材料成為工程材料研究的熱點[4–5]。目前，大量研究致力于通過添加各類纖維材料改善水泥基材料的微觀結構，從而增強混凝土的宏觀力學性能，獲得了較好的結果。Wang等[6]制備了體積分數為0.1%和0.2%的玄武巖纖維混凝土梁，并對其進行了抗彎試驗，結果表明，隨著纖維特性參數的增大，對試驗梁裂縫和撓度控制作用逐漸增強。周振君等[7]通過研究帶有碳涂層的尼龍纖維混凝土的應力-應變行為發現，隨著尼龍纖維含量的升高，混凝土斷裂模式從脆性斷裂演變為準脆性斷裂，最終表現出假延性斷裂特征。Li等[8]研究纖維體積分數、溫度梯度和凍融循環次數對玄武巖纖維混凝土抗壓強度、韌性指數和抗彎強度等的影響時發現：添加玄武巖纖維可以減小對混凝土微觀結構的破壞，在一定程度上改善其塑性降解特性；在低溫凍融環境下，隨著纖維含量增加，玄武巖纖維混凝土的劈裂拉伸強度和抗彎強度均有所提高。Liu等[9]探討了聚丙烯、玻璃纖維對混凝土耐久性能和力學性能的影響發現，與玻璃纖維混凝土相比，聚丙烯纖維混凝土在力學和耐久性方面的性能更好。

然而，水泥水化會生成尺寸微小的納米級C－S－H凝膠。傳統纖維是在水泥基體開裂后通過纖維拔出效應與橋聯作用增加材料的韌性，不能有效抑制納米尺度微裂紋的形成，因此，納米尺度改性混凝土基體才是更為行之有效的方法。碳納米管作為新型納米纖維材料，具有高模量、高強度和高韌性等特點，在混凝土改性中得到了廣泛應用[10–12]。Jung等[13]對多壁碳納米管（multi-walledcarbonnanotubes，MWCNTs）混凝土開展了單軸壓縮試驗，結果表明，碳納米管通過更致密的C－S－H結構優化了混凝土的力學性能和電導性。Sindu等[14]研究發現，碳納米管質量分數為0.08%混凝土試樣的抗壓強度相較于素混凝土提升了10%。Rocha等[15]通過試驗研究了質量分數分別為0.05%和0.10%的碳納米管對水泥基復合材料彎曲性能和拉伸性能的影響，結果表明，0.10%碳納米管摻入使得水泥基復合材料的斷裂能、抗折強度和抗拉強度分別提高了90%、46%和47%。Cwirzen等[16]將聚丙烯酸聚合物加入碳納米管水溶液中，并進行超聲分散處理，得到的碳納米管懸浮液具有較好的分散性。Makar等[17]研究發現，碳納米管在水泥基體中的分散性受分散劑與碳納米管比例的影響顯著。秦煜等[18]對使用表面活性劑的碳納米管懸浮液的穩定性進行了量化。Xu等[19]通過掃描電子顯微鏡觀察到了碳納米管在混凝土基體中的脫粘、橋聯和網孔填充現象。Wang等[20]研究了碳納米管水泥基材料的微觀結構，發現MWCNTs起到了跨越裂縫和空洞的橋梁作用。

上述研究主要集中在碳納米管在混凝土中的分散性、對水泥基材料的靜態力學性能增強效應及其對微觀結構的影響等方面，關于碳納米管混凝土（carbonnanotubeconcrete，CNTC）復合材料聲發射（acousticemission，AE）參數及其彎拉破壞過程中損傷演化特征的研究相對較少。基于此，本研究將利用配備聲發射監測系統的YNS300電液伺服萬能試驗系統對不同碳納米管含量的混凝土梁試樣進行三點彎曲試驗，通過對混凝土梁破裂的AE能量、幅值、振鈴計數等特征參數深入分析，揭示不同碳納米管摻量下混凝土梁彎拉破壞過程中損傷的演化規律。研究成果將對碳納米管混凝土的廣泛應用及土木工程基礎設施耐久性和安全性提升具有重要意義。

1試驗方案

1.1試驗材料

碳納米管混凝土三點彎曲梁的制備材料：MWCNTs，中國科學研究院成都有機化學有限公司研制，呈黑色粉末狀，直徑10～20nm，長度不超過30μm，比表面積為230～280m2/g，純度大于90%；聚乙烯吡咯烷酮（polyvinylpyrrolidone，PVP），白色粉末狀，國藥集團化學試劑（上海）有限公司生產；粗骨料為連續級配碎石，粒度為5～20mm，比重為2.56；細骨料為天然中粗河砂，細度模數為2.6，粒度為0.15～4.75mm；硅酸鹽水泥，焦作千業水泥公司生產，品質與性能均達到行業標準；配合水為焦作市自來水有限公司供應的飲用水，雜質較少，對試樣性能無不良影響。

1.2試樣制備

由于碳納米管的長徑比極大，管壁間的范德華力極強，易發生團聚現象，難以在混凝土基體中均勻分布，從而影響碳納米管混凝土的性能。基于此，采用表面活性劑法和超聲波法，制備均勻穩定的MWCNTs水性分散液[21]，具體步驟如下：（1）向裝有蒸餾水的燒杯中添加PVP表面活性劑粉末，用玻璃棒充分攪拌至完全溶解；（2）向上述溶液中加入適量MWCNTs，攪拌進行初步混合；（3）對初步混勻的MWCNTs水性分散液進行超聲處理，將超聲波細胞破碎儀的超聲分散時間設為20min，超聲功率設為390W，PVP與MWCNTs的質量比為4∶1。

按表1中的碳納米管混凝土梁配比將原材料按碎石、河砂、水泥的順序依次加入拌和機中進行2min慢拌，再進行3min高速攪拌；然后，緩慢加入碳納米管分散液和水，同時對拌合物漿體進行充分攪拌，將攪拌均勻的漿體倒入內壁涂刷脫模油的長方體模具內，進行30s振動后抹平；最后，在標準環境中養護24h，脫模繼續養護28d。碳納米管混凝土梁的尺寸為400mm×100mm×100mm，MWCNTs的質量分數w分別為0、0.1%、0.3%和0.5%。碳納米管混凝土梁試樣的制備過程如圖1所示。

1.3試驗設備和方法

試驗設備主要包括YNS300電液伺服萬能試驗系統和聲發射監測系統。采用YNS300電液伺服萬能試驗系統開展不同碳納米管摻量下混凝土梁的三點彎曲試驗。該系統最大荷載為300kN，可采用應變和位移（應變速率和位移速率在0.2～100.0mm/min范圍可調）兩種伺服控制方式。試驗機活塞的行程為150mm，支柱間距為430mm，拉伸長度和壓縮長度空間分別為650和500mm，上壓頭和下壓頭的半徑均為20mm，可實時采集試驗過程中的應力、應變、荷載、位移等試驗數據。DS-5型8通道聲發射監測系統核心組件囊括聲發射探頭、數據采集主機及信號放大器等，能夠實時監測、收集混凝土梁在加載過程中的聲發射信號，并通過聲發射監測系統程序實時顯示和保存，便于后期數據導出。

在三點彎曲試驗開始前，將2個聲發射探頭與梁耦合對稱布置在梁的兩側，距離為250mm，試樣內部發生損傷產生聲發射信號，由聲發射探頭捕獲信號后，經信號放大器強化處理，采集主機存儲和分析放大后的信號，從中提取出聲發射特征參數等關鍵實時數據。系統設置采樣頻率為5MHz、閾值為40dB，從而確保數據的準確性和可靠性。在試驗過程中，將2支點間的距離設為300mm，加載方式為位移控制加載。在實驗進行時，首先采用力控制加載，給試樣預加初始力，之后以0.5mm/min的加載速率進行試驗，直至試樣破壞，出現宏觀裂縫，停止試驗。試驗設備如圖2所示。

2碳納米管混凝土三點彎曲梁斷裂行為的聲發射特征

2.1聲發射能量

在混凝土試樣經歷變形破壞的過程中，伴隨著能量的吸收和釋放。聲發射能量源自混凝土內部裂縫形成和擴展時釋放的高頻彈性振動能，可以通過計算信號包絡面積的方法進行量化。聲發射監測設備捕獲并分析試樣內部傳遞的聲發射信號，從而實現對試樣內部裂隙從產生、擴展直至相互貫通的連續、非接觸式實時監測。不同碳納米管摻量下，混凝土三點梁加載過程中聲發射能量、累計能量、荷載與時間的關系如圖3所示。可以看出，在三點彎曲試驗前期的加載過程中，即混凝土梁試樣彈性壓縮階段，其內部裂紋主要為微裂紋，聲發射能量較低，監測到的各碳納米管摻量混凝土梁的聲發射能量均處于較低水平。累計能量曲線的斜率保持穩定，表明聲發射能量的變化趨于平穩。當加載荷載達到峰值時，碳納米管混凝土梁發生破壞，此時產生的能量極大。碳納米管質量分數為0、0.1%、0.3%及0.5%的混凝土梁破壞時產生的聲發射能量分別為32011.44、46100.83、45538.73和35591.21mV·ms。這驗證了碳納米管的阻裂作用，顯著提升了混凝土梁的性能，使混凝土梁裂縫發生進一步擴展破壞所需能量明顯提高。隨著碳納米管摻量的增加，混凝土梁破壞產生的聲發射能量逐漸減小。在混凝土梁斷裂前，碳納米管質量分數0、0.1%、0.3%和0.5%的混凝土梁累計能量分別為7973.92、6235.97、49814.08和4162.31mV·ms。未摻碳納米管的混凝土梁在彈性壓縮階段積累了更多能量，這可能與微裂紋的廣泛形成有關。對于不同碳納米管摻量的混凝土梁而言，其累計能量無明顯變化規律，這歸因于碳納米管在混凝土中的分散效果存在差異，使得碳納米管團聚的數量和位置不盡相同[22–23]，微裂紋產生的數量和規律也不同，進而影響聲發射能量的釋放特性。

2.2聲發射振幅與振鈴計數

圖4為碳納米管混凝土三點彎曲梁聲發射幅值、荷載與時間的關系。由圖4可知：各碳納米管摻量的混凝土梁在加載初期均經歷壓密階段，此時幅值相對較小；但在裂紋閉合過程中，幅值均顯著上升。值得注意的是，當w為0.1%時，由于MWCNTs在混凝土梁中的優異分散性和對裂隙的有效填充，便得試樣在裂紋閉合過程中的聲發射幅值較小。隨著荷載遞增，混凝土梁內部能量積聚，微裂紋萌生并擴展，最終形成宏觀裂紋，聲發射信號幅值增加。鑒于碳納米管分布差異，混凝土梁內部微裂隙產生的時間和位置也不同，幅值突變的時間也不盡相同。對于碳納米管質量分數為0.1%的混凝土梁，第1次聲發射幅值突變的時間為120s，幅值達到7600mV；隨著w增加至0.3%和0.5%，幅值第1次突變的時間分別為105和57s，幅值分別為3700和1600mV。上述現象表明，碳納米管摻量的增加促使裂縫提前形成，降低了所需的能量閾值。隨著荷載的進一步增加，混凝土梁發生破壞，聲發射幅值在破壞之前出現明顯的波動[24]。w=0.1%的混凝土梁破壞前幅值為8994mV；隨著碳納米管摻量的增加，混凝土梁破壞前的幅值逐漸降低。但碳納米管混凝土梁的聲發射幅值明顯高于素混凝土梁的聲發射幅值，表明碳納米管的填充有效提高了混凝土梁的整體性能，改善了材料的聲學特性，從而增強了聲發射信號強度。

荷載、振鈴計數及累計振鈴計數與時間的關系如圖5所示。從圖5中可以看出，碳納米管混凝土梁的振鈴計數、累計振鈴計數隨時間的變化關系與能量、累計能量隨時間的變化關系基本一致[25]。在壓密階段，聲發射活動呈較平穩的態勢，累計振鈴計數曲線基本為水平直線，此時試件內部的裂紋逐漸閉合，因此振鈴計數較低。之后試樣進入彈性壓縮階段，混凝土梁內部開始產生微裂隙，開始出現聲發射信號，累計振鈴計數曲線開始緩慢增長，且曲線斜率基本保持不變。達到峰值荷載時，混凝土梁內部積聚的彈性應變能在短時間內快速釋放，混凝土梁發生斷裂，聲發射信號陡增，振鈴計數和累計振鈴計數急劇增加[26]。碳納米管摻量對混凝土三點彎曲梁振鈴計數有顯著影響：素混凝土梁振鈴計數為10255，w為0.1%和0.3%的碳納米管混凝土三點彎曲梁的振鈴計數分別為8110和4097，當w增大至0.5%時，振鈴計數繼續增大至10454。該規律表明，摻入適量的碳納米管有助于改善混凝土的內部結構，減少因微裂紋或應力集中導致的聲發射事件，從而降低振鈴計數，但摻量超過某一閾值時，混凝土的性能反而出現了一定程度的劣化，表現為振鈴計數上升。

3基于聲發射參數的裂紋類型與損傷演化過程分析

3.1裂紋類型分析

在聲發射監測過程中發現，剪切破壞與拉伸破壞的波形特征存在明顯差別。如圖6（a）所示，fA為聲發射振鈴計數與持續時間的比，AR為上升時間與幅度的比，各聲發射參數表征如圖6（b）所示。一般而言，AR越大，則fA（即平均頻率）越小，越符合剪切破壞模式下的聲發射特征；相反，fA越大，AR越小，越符合拉伸破壞模式下的聲發射特征。然而，現有研究對AR與fA比值的選取尚未形成統一標準，多依賴于經驗判斷。Ohno等[27]基于格林函數矩張量分析認為，AR/fA為1～200時可以較好地劃分裂紋的類型，按照確定的AR/fA繪制三點彎曲試驗過程中不同碳納米管摻量混凝土梁的fA-AR關系，如圖7所示。標線上部為拉伸裂紋產生的信號源，下部為剪切裂紋產生的信號源。根據圖7中數據可知，大部分信號源隸屬于拉伸裂紋，判定混凝土梁斷裂屬于Ⅰ型斷裂，結果符合Hillerborg等[28]的虛擬裂縫斷裂理論。進一步對比不同碳納米管摻量混凝土梁的拉伸裂紋與剪切裂紋的比例變化發現，拉伸裂紋和剪切裂紋占比與碳納米管摻量之間沒有明顯的關系，值得注意的是，聲發射fA-AR信號源數量與碳納米管摻量之間具有顯著的相關性。碳納米管混凝土梁聲發射信號源數量明顯低于素混凝土梁聲發射信號源數量，說明素混凝土梁在失穩破壞過程中的持續時間更長，添加碳納米管能夠顯著提高混凝土梁的抗裂性能。但隨著碳納米管摻量的提升，聲發射信號源數量卻逐漸減少，說明混凝土梁的抗彎強度對聲發射信號源的產生具有調控作用。

3.2損傷演化過程分析

對于碳納米管混凝土梁，在荷載作用下，組成混凝土梁的細觀單元將發生破壞，并以能量的形式釋放出來，產生聲發射。因此，聲發射特征參數與混凝土梁損傷變量（D）之間存在一定的相關性。楊永杰等[29]和張強星等[30]的研究表明，聲發射振鈴計數和聲發射能量能更好地反映材料的損傷破壞。因此，本研究分別采用聲發射累計振鈴計數和聲發射累計能量對碳納米管混凝土梁的損傷演化過程進行分析。混凝土梁損傷變量D[31]為式中：Sd為材料產生損傷后的有效承載面積，S為材料無損傷時的承載面積。

根據式（4）計算得到不同碳納米管摻量混凝土三點彎曲梁的損傷演化過程，如圖8所示。由圖8可知，以能量和振鈴計數表示的碳納米管混凝土三點彎曲梁的損傷演化規律基本保持一致，可分為A、B、C共3個階段。在A階段，試樣基本沒有損傷，損傷曲線基本為水平直線；在B階段，試樣開始出現微損傷并逐漸累積；在C階段，試樣微裂隙擴展逐漸形成宏觀裂隙，并在載荷的作用下裂隙繼續擴展，直至達到峰值荷載，混凝土梁突然斷裂破壞，裂隙寬度急劇增加[32]，損傷變量先快速增長，其后陡增式增長。以能量和振鈴計數表示的碳納米管混凝土三點彎曲梁的損傷演化規律變化趨勢不盡相同，能量損傷變量的變化趨勢更加平滑和連續，而振鈴計數損傷變量則可能因單個事件的觸發而表現出更明顯的波動。

不同碳納米管摻量的混凝土三點彎曲梁的損傷變量各階段時長占比及損傷發展速率有所差異。以圖8（a）為例：素混凝土三點彎曲梁在A、B、C3個階段的時長分別為0～60s、60～160s和160～209s，0.1%碳納米管摻量試樣在A、B、C階段的時長分別為0～80s、80～140s和140～170s。0.1%摻量試樣在A階段的時長比素混凝土梁試樣更長，表明碳納米管的加入在一定程度上延緩了微裂隙的產生和擴展，提高了混凝土的初始抗損傷能力。然而，當w增大至0.5%時，其損傷演化過程顯著區別于其余試樣，其A階段的時長極短，僅持續10s，隨后迅速進入B階段，時間跨度為10～180s，達到峰值荷載后的斷裂過程更加迅速，在180～204s較短時間內完成。其原因可能是，0.5%碳納米管在混凝土基體中發生團聚，導致試樣性能下降，使其在荷載作用下迅速過渡至B階段，損傷逐漸加劇。

4結論

采用配備聲發射監測系統的YNS300電液伺服萬能試驗機，對碳納米管混凝土三點彎曲梁進行試驗，研究碳納米管摻量對混凝土三點彎曲梁聲發射能量、幅值、振鈴計數及損傷演化過程的影響，并基于AE特征參數對裂紋類型進行分析，得出以下主要結論。

（1）三點彎曲試驗初期，聲發射能量較低；而碳納米管混凝土三點彎曲梁破壞時，產生了極大的能量。碳納米管卓越的阻裂能力顯著增強了混凝土梁的性能，使裂縫發生進一步擴展破壞所需的能量明顯提高。但隨著碳納米管摻量的增加，試樣破壞所需能量逐漸減小。

（2）不同摻量碳納米管混凝土三點彎曲梁出現首次幅值的突變時間分別為150、120、105和57s。碳納米管摻量的增加促進了裂縫的提前形成，降低了能量閾值。在壓密階段，累計振鈴計數曲線保持平穩；進入彈性階段后開始緩慢增長，且曲線斜率基本保持不變；達到峰值荷載時，振鈴計數和累計振鈴計數均急劇增加。

（3）碳納米管混凝土三點彎曲梁聲發射信號源隸屬于拉伸裂紋，判定碳納米管混凝土梁斷裂屬于Ⅰ型斷裂。聲發射fA-AR信號源數量與碳納米管摻量顯著相關，且碳納米管混凝土梁的聲發射信號源數量明顯少于素混凝土梁。不同碳納米管摻量下，混凝土梁試樣的損傷演化規律基本保持一致，但各階段時間占比有所差異。