混凝土及其組成材料單軸破壞的聲發射特征

摘要：為探究混凝土及其組成材料損傷破壞的聲發射特征之間的關系，開展了混凝土、水泥砂漿和石灰巖單軸壓縮試驗，并同步采集三者破壞過程中的聲發射信號，統計分析三者力學特性與聲發射能量譜、幅值與頻率、峰值頻率以及聲發射b值等參數。結果表明：在瀕臨破壞時，三者產生的聲發射信號峰值頻率與幅度均會上升；三者的頻率分布近似呈正態分布，均在90～120 kHz區間占比最多；水泥砂漿與混凝土聲發射動態b值趨勢平緩，維持在相對較高數值區間，石灰巖動態b值呈先增后減趨勢，在臨近應力峰值時快速下降，預示著主破裂的來臨；混凝土的整體b值與峰值頻率分布均介于石灰巖和水泥砂漿之間，水泥砂漿與石灰巖混合之后的聲發射整體b值與混凝土接近，體現了混凝土與其組成材料破壞聲發射特征的疊加效應。

關鍵詞：混凝土；損傷破壞；聲發射；峰值頻率；動態b值；疊加效應

中圖分類號：TU528 """"文獻標志碼：A """"文章編號：2096-6717（2025）02-0174-08

Acoustic emission characteristics of concrete and its constituent materials under uniaxial failure

WANG Lizhu，"ZHAO Yunfeng，"GUO Jiahao，"ZHANG Jiale

（School of Urban Construction， Yangtze University， Jingzhou 434023， Hubei， P. R. China）

Abstract： To investigate the relationship between concrete and its constituent materials in the acoustic emission characteristics of the damage， uniaxial compression tests of concrete， cement mortar and limestone were carried out， and the acoustic emission signals during the failure process of the three were collected simultaneously. The mechanical properties， acoustic emission energy spectrum， amplitude， frequency， peak frequency and acoustic emission b-value of the three materials were statistically analyzed. The results show that the peak frequency and amplitude of the acoustic emission signals from all three specimens increase at the time of imminent damage. The frequency distribution of all three shows a normal distribution， with the largest proportion in the 90-120 kHz range. The dynamic b-value trends for cement mortar and concrete do not fluctuate much and remain in a relatively high value range， the dynamic b-value of limestone shows a trend of increasing first and then decreasing， and decreases rapidly near the peak stress， indicating the coming of main fracture. The overall b-value and peak frequency distribution of concrete are between limestone and cement mortar， the overall b-value of cement mortar mixed with limestone is close to that of concrete， this reflects the superposition effect of acoustic emission characteristics of the failure of concrete and its constituent materials.

Keywords： concrete；"damage；"acoustic emission；"peak frequency；"dynamic b-value；"superimposed effect

隨著無損檢測技術的進步，具有高靈敏度的聲發射技術（Acoustic Emission，簡稱AE）已廣泛應用于材料損傷破壞的研究^[1-3]，如巖石^[4]、木材^[5]、玻璃^[6]、牙齒^[7]、金屬^[8]、煤^[9]等。混凝土作為重要的土木工程材料，被大量應用于道橋、房建等各類工程結構中。混凝土結構與人類的生產生活密切相關，其內部破壞過程亦較為復雜，研究混凝土內部損傷具有十分重要的意義，因此，其損傷破壞的聲發射特征研究也得到廣泛關注。目前，利用聲發射技術對混凝土損傷破壞的研究主要集中于利用聲發射參數變化分析混凝土各損傷階段的特征。其中，楊康等^[10]發現，高頻率聲發射信號所占比例的突增可以作為監控混凝土結構的重要參考指標，混凝土破壞過程中隨時間變化的動態b值亦可反映混凝土內部裂紋的演化特征。邱繼生等^[11]發現，煤矸石混凝土聲發射特性與其損傷發展情況有較強關聯并據此建立了聲發射與損傷的本構模型。曾志偉等^[12]研究表明，振鈴計數、持續時間、幅值等聲發射特征參數均可以較好地表征混凝土損傷的演化規律。

而巖石作為混凝土常用粗骨料，其破壞的聲發射特征也得到了大量研究^[13-16]。其中，Jiang等^[17]研究了單軸循環荷載下砂巖聲發射絕對能量概率密度分布和聲發射等待時間的演化規律。Niu等^[18]對裂隙砂巖試樣進行單軸壓縮試驗發現，當裂隙砂巖達到最終失效時，所有3種類型的b值都達到最小值。Chen等^[19]進一步研究發現，砂巖聲發射b值對裂紋擴展高度敏感。

與單一巖石材料不同，混凝土為典型的復合型材料，其損傷破壞與其組成材料即水泥砂漿、內部碎石的破壞以及界面錯動密切相關。而目前關于混凝土及其組成材料損傷破壞的聲發射特征之間的關系研究較少。混凝土破壞的聲發射特征與其組成材料破壞的聲發射特征是否存在疊加效應有待研究。本文開展混凝土與其組成材料即水泥砂漿、石灰巖的壓縮破壞聲發射監測試驗，探究三者破壞的聲發射特征，為進一步認識混凝土的物理破壞機制，研究混凝土的損傷破壞理論提供參考。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料包括混凝土、水泥砂漿和石灰巖，其中混凝土與水泥砂漿強度類似，二者的配比如表1所示。水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。將攪拌均勻的混凝土與水泥砂漿置于尺寸為150 mm×150 mm×300 mm模具中，成型后脫模，放置于標準養護室中養護28 d，溫度與相對濕度分別控制在（20±2）℃、≥95%。將標準養護后的混凝土試塊與水泥砂漿試塊進行取芯、切割和打磨，制成50 mm×100 mm的圓柱體試樣，保證試件端面的平行度偏差不大于0.1 mm，如圖1（a）所示。混凝土中的碎石為取自山東濟寧礦山的石灰巖，粒徑為5～22.5 mm。石灰巖試樣為50 mm×100 mm的圓柱體。依據蠟封法測得水泥砂漿、混凝土與石灰巖的密度分別為1.9、2.3、2.6 g/cm³。

1.2 試驗方法

采用HYAS-1000C型巖石三軸試驗系統（圖1（b））分別對混凝土、水泥砂漿和石灰巖試樣進行單軸壓縮試驗。采用位移加載方式，加載速率為0.003 mm/s。試樣表面布置4個聲發射傳感器，通過DS5型聲發射監測系統（圖1（c））采集試樣壓縮破壞過程中的聲發射信號。聲發射監測系統的前置增益為40 dB，采樣頻率為3 MHz。試驗開始前，測得環境噪聲約為40 dB，故聲發射閾值為45 dB。根據聲發射檢測規程定時參數選擇（推薦值），對于試驗所用材料，聲發射系統的峰值鑒別時間（PDT）、撞擊鑒別時間（HDT）以及撞擊閉鎖時間（HLT）分別設置為35、150、300 μs。為保證傳感器與圓柱形試樣表面貼合緊密，將傳感器置于特制構件內，接觸面涂抹耦合劑（凡士林）。特制構件與試樣表面的貼合采用膠水固定，布置方式如圖1（d）。

材料的損傷破壞與其內部細觀孔隙結構相關。通過掃描電鏡（左：0～200 μm；右：0～50 μm）觀測3種試樣的細觀結構，如圖2所示。試樣內部分布孔隙為典型的多孔材料。其中，水泥砂漿內部遍布孔隙，孔徑小、數量多；混凝土內部孔隙表現為孔徑大、數量相對較少；石灰巖內部較為密實，表面分布碎屑，未見明顯孔隙。

2 試驗結果與討論

2.1 力學特性與聲發射能量譜

3種材料的應力-應變與聲發射能量關系如圖3所示。由圖3（a）可知，混凝土的抗壓強度較水泥砂漿提高了58%，較石灰巖降低了83%。從曲線變化特征來看，在單軸條件下，石灰巖和水泥砂漿的應力-應變曲線出現明顯的應力跌落，殘余強度幾乎為0，均表現為脆性破壞特征，而混凝土則表現出明顯的延性特征，在應力達到峰值時仍具有一定強度。3種試樣的應力-應變曲線可被劃分為3個階段，分別是前期壓密階段、線彈性階段、完全破壞階段。

圖3（b）、（c）、（d）為單軸壓縮條件下3種材料的聲發射能量譜及應力與時間的變化曲線。雜亂無章的聲發射信號能量跨越多個數量級。與應力-應變曲線類似，整個壓縮過程主要分為3個階段：1）初始壓密階段，三者都有聲發射信號產生。此階段混凝土能量值相對偏高，原因在于混凝土孔隙率較大，而此階段聲發射信號來源為自身孔隙坍塌，因此該階段混凝土產生了大量高能量值聲發射信號；相比之下，水泥砂漿產生的能量值則偏小，砂漿聲發射信號來源為自身大量較小孔隙的微破裂以及沙粒之間的摩擦，產生了大量低能量值信號。這與圖2電鏡下的微觀結構一致；石灰巖內部結構密實，盡管在初始壓密階段僅產生了少量微小的聲發射信號，但內部實際上已經出現損傷事件。2）彈性變形階段，三者應力線性增加，試樣內部裂隙開始穩定擴展，釋放的信號能量值開始逐漸增大。3）完全破壞階段，裂紋快速延伸，產生大量聲發射信號，能量與應力均達到峰值，試樣完全破壞。

3種試樣的聲發射信號數分別為20 918、20 677、7 503，對應的能量峰值分別為4 701.09、4 327.01、164 839.82 mV·ms。從圖3中可以看出，三者的抗壓強度逐漸增強，內部密實的石灰巖抗壓強度遠高于混凝土和水泥砂漿，含石灰巖碎石骨料的混凝土略高于水泥砂漿。三者的峰值能量信號產生時間與達到應力峰值時間接近，且石灰巖試樣應力峰值和能量峰值遠高于混凝土與砂漿試樣。同時，由于混凝土與水泥砂漿孔隙率較高，導致二者受壓時大量孔隙坍塌，產生了遠多于石灰巖的聲發射信號。

2.2 幅值-頻率

分析受壓全過程三者聲發射信號峰值頻率及幅值，結果如圖4所示。在初始壓密階段，水泥砂漿和石灰巖試樣幅值和峰值頻率普遍不高，這是由于此階段內部進行著原始裂隙壓實，發生的均為小破裂事件。而混凝土在初始壓密階段就出現了較高幅值，這與圖3混凝土能量分布一致。在線彈性變形階段，應力線性增大使3種試樣內部原始裂隙不斷被壓緊，并使原有裂隙擴展延伸出新裂隙，因此，此階段高幅值信號密集連續出現且信號總量呈增加趨勢；在臨近破壞階段，試樣峰值頻率和幅值會短暫出現降低后迅速增加，完全破壞時峰值頻率和幅值達到最大值，此時，各頻段信號均顯著增加，頻域范圍增大。

相比混凝土、水泥砂漿試樣，石灰巖試樣主頻和幅值普遍較大，表明強度大、密實的材料會加劇試樣的破裂以及增強聲發射活動，且材料的強度越大，其聲發射峰值頻率和幅值普遍越高。相對于其組成材料水泥砂漿及石灰巖，混凝土試樣前期就產生了較多的高幅值和高頻率信號，這與圖3聲發射能量譜一致，主要為初始壓密階段內部大量孔隙破裂，產生了較高的幅值、能量與峰值頻率。從圖4中也可以看出，高幅值往往伴隨著高峰值頻率，同時，峰頻往往集中在特定的數值和區間。

2.3 峰值頻率分布

為探究單軸壓縮過程中峰值頻率分布規律，以30 kHz為區間間隔，將聲發射信號劃分為8個區段。同時將極少量大于240 kHz的聲信號劃歸到210～240 kHz區段。分析各個區段聲發射信號占比，得到3組試件的峰值頻率分布特征圖，如圖5所示。

由圖5可知，3組試樣聲發射信號峰值頻率分布近似呈正態分布且分布區間完全一致。三者在壓縮條件下產生的聲信號峰頻主要集中在0～30 kHz、90～120 kHz、120～150 kHz、180～210 kHz四個頻段。其中90～120 kHz頻段占比最大，3組試件在此區間的峰值頻率占比均超過40%（水泥砂漿與混凝土超過了60%），這與圖4頻率分布圖一致。在材料壓縮破壞發展演變中，該頻率的主要損傷模型對應了3種試件損傷發展演變中的最主要損傷模型。通常，聲發射信號高頻值對應材料內部小尺寸裂縫的形成，而低頻值則對應于大裂縫的產生。在90～120 kHz分布區間內，水泥砂漿占比最高，石灰巖最低，而二者組成的混凝土則介于二者中間。這是由三者不同的內部空間結構所導致的破壞形式決定的。為了探究混凝土破壞時與其內部組成成分的關系，將水泥砂漿與石灰巖試樣壓縮過程中產生的聲發射信號峰值頻率混合后，其峰值頻率頻段分布特征與混凝土近似一致。表明混凝土破壞過程中產生的聲發射信號由其組成成分水泥砂漿與石灰巖疊加而成。

2.4 聲發射b值總體分析

b值的概念源于地震學的研究，Gutenberg等^[20]率先提出地震頻度與震級之間滿足公式

（1）

式中：M為地震震級；N為相應的地震次數；a為常數。研究發現，巖石壓縮過程中的聲發射事件分布特征與地震演化機制具有一定的相似性，聲發射b值參數由此引出，計算公式為

（2）

式中：A_dB為聲發射事件的最大振幅。為保證統計精度并使得到的結果更加直觀，用最小二乘法計算b值，步距設為5 dB。

聲發射b值被用于分析巖石內部裂紋萌生、擴展過程^[13]，此后亦有大量學者將其用于反映混凝土內部微裂紋的演化特征^[10，21]，本文將b值應用到混凝土及其組成材料內部損傷分析。3種材料壓縮全過程聲發射振幅-頻度分布特征如圖6所示，受限于試驗設備精度及門限值設定，小幅值信號數未得到完整采集，故不參與擬合。對應的聲發射整體b值如表2所示。b值較大時對應大量弱聲發射事件產生，b值較小時表明材料內部有大型裂紋產生或裂紋擴展速度突增。

隨著內部密實度增加，三者整體b值逐漸減小。水泥砂漿聲發射整體b值最大，為1.35，其聲發射來源多為內部大量孔隙發生小尺度微破裂，產生了大量的小幅值信號（圖3（b）、圖4（a）），導致小幅值區間信號占比較多，表現在圖6中為前端上翹，因而計算的b值較大。石灰巖的整體b值為較小的1.10，接近巖石破壞的理論值1^[14]。對于石灰巖，往往產生大尺度破裂，釋放的聲發射信號往往具有較高幅值，高幅值區間信號數量較多，導致其整體b值較小^[16]。混凝土的整體b值為1.29，介于水泥砂漿與石灰巖之間。這是由于混凝土破壞既有自身小孔隙坍塌和界面摩擦產生的大量低幅值信號，又伴隨內部巖石破裂以及瀕臨完全破壞時自身產生的高幅值信號，因此，其聲發射整體b值介于二者之間。與峰值頻率類似，本文將水泥砂漿試樣與石灰巖試樣的聲發射信號進行混合，統計其幅值-頻度分布特征，擬合對應的整體b值為1.24，接近混凝土的1.29，體現了混凝土與其組成材料破壞聲發射特征的疊加效應。

2.5 聲發射動態b值特征

整體b值反映材料整個破壞過程的內部破裂情況。事實上，在破壞過程中，不同階段材料內部損傷情況不同，對應的b值也不同。b值的變化是材料破裂的重要前兆之一。將壓縮過程分為不同階段并求出對應階段的b值，得到b值的變化曲線。一般來說，在壓縮過程中，b值減小意味著高幅值信號數量增加，表明材料內部出現了大尺度損傷或者損傷速度突然加快；相反地，b值增大表示內部發生微破裂，僅產生了大量低幅值信號，此時的聲發射活動性往往較強。b值起伏不明顯時，表明材料內部失效均衡。將單軸壓縮全程按應力大小劃分為10個階段，劃分方法為：各階段均從應力為0開始，依次增加峰值應力的10%。利用Matlab編制程序，用最小二乘法計算出各個階段的動態聲發射b值，如圖7所示。依據聲發射動態b值的變化特征，分析各個階段下3種試件內部的損傷情況。其中水泥砂漿前期聲發射信號較少，導致前期b值計算誤差較大，因此，水泥砂漿從應力前30%開始計算，故只有8個階段。

從圖7可以看出，混凝土與水泥砂漿動態b值趨勢起伏不大，全程維持在較高水平，說明二者內部大小尺度破裂均衡且全程存在較強的聲發射活動。這一點從二者的聲發射信號數量與能量圖中也可以看出。對于石灰巖，b值在前期呈上升趨勢且維持在較高水平，這是因為其前期發生的也是小尺度的微破裂，這一點從圖3（d）中也可以看出，其前期多為能量值極小的聲發射信號。在壓縮后期，出現能量值極高的聲發射信號，同時伴隨著b值的急劇減小。說明此時石灰巖內部開始出現大尺度裂紋，產生高數值的能量值與幅值，在趨勢上體現為b值減小。在振鈴計數達到峰值時，b值降到接近1左右，此時石灰巖完全破壞。

3 結論

通過對混凝土及其組成材料（水泥砂漿與石灰巖）進行單軸壓縮聲發射監測試驗，重點分析能量、峰值頻率、幅度及b值等聲發射參數的變化規律，主要結論如下：

1）水泥砂漿、混凝土及石灰巖的能量變化趨勢一致，應力峰值均與能量峰值近似重合。抗壓強度最大的石灰巖應力值與能量值均遠遠高于混凝土與水泥砂漿。水泥砂漿與石灰巖的物理性能表現出脆性特征，混凝土表現出一定的延性。

2）在瀕臨破壞時，混凝土及其組成材料會釋放高頻率與高幅值信號，高頻率與高幅值往往同時出現。孔隙率大的混凝土在壓縮前期也會釋放高頻率、高幅值信號。

3）單軸壓縮條件下3種材料的聲發射峰頻呈正態分布，主要集中在0～30 kH、90～120 kHz、120～150 kHz、180～210 kHz四個頻段。其中90～120 kHz為三者破壞時釋放的主要頻率。在該區間，混凝土的占比介于水泥砂漿與石灰巖之間，且水泥砂漿與石灰巖混合之后的峰值頻率分布接近混凝土。

4）水泥砂漿、混凝土及石灰巖的聲發射整體b值分別為1.35、1.29、1.10，水泥砂漿與石灰巖混合后的聲發射整體b值為1.24，與混凝土接近，體現了混凝土與其組成材料破壞的聲發射特征的疊加效應。混凝土與水泥砂漿動態b值趨勢平穩，其中混凝土呈略微上升狀態。石灰巖呈先升后降的趨勢，其完全破壞時的b值接近1。

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（編輯""王秀玲）