變幅循環(huán)荷載下混凝土軸拉聲發(fā)射特性試驗(yàn)

王 巖王 瑤路桂娟徐鄭鄭

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京 210098;2.金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院,江蘇南京 211169)

變幅循環(huán)荷載下混凝土軸拉聲發(fā)射特性試驗(yàn)

王 巖1,王 瑤2,路桂娟1,徐鄭鄭1

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京 210098;2.金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院,江蘇南京 211169)

采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)混凝土試件在變幅循環(huán)軸拉荷載作用下的損傷破壞過(guò)程所伴生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集,分析混凝土的凱塞效應(yīng)及典型聲發(fā)射特性。結(jié)果表明:聲發(fā)射凱塞效應(yīng)和費(fèi)利希蒂效應(yīng)過(guò)渡的加載階段約有62%極限應(yīng)力,此臨界點(diǎn)可作為混凝土軸拉裂縫發(fā)展穩(wěn)定與否的標(biāo)志;聲發(fā)射振鈴數(shù)、聲發(fā)射ASL平均值和聲發(fā)射幅度均呈現(xiàn)出隨著加載階段的延續(xù)而增加的趨勢(shì)。相關(guān)結(jié)果可以作為預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)安全和損傷程度的依據(jù)。

變幅循環(huán);混凝土;軸拉;聲發(fā)射;凱塞效應(yīng)

近年來(lái)全球地震、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害頻發(fā),研究變幅循環(huán)荷載下混凝土損傷過(guò)程的基本特征和機(jī)理對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的抗震安全評(píng)估和防倒塌設(shè)計(jì)具有重要意義。由于混凝土抗拉強(qiáng)度低而容易開(kāi)裂,進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)性能和耐久性[1-2],因此,研究混凝土受拉損傷破壞過(guò)程的機(jī)理就顯得很重要。當(dāng)混凝土材料受力學(xué)荷載或其他作用產(chǎn)生變形或開(kāi)裂時(shí),以彈性波形式釋放出瞬時(shí)應(yīng)變能的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(AE),用儀器探測(cè)、記錄、分析聲發(fā)射信號(hào)和利用聲發(fā)射信號(hào)推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。該技術(shù)對(duì)于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地獲得材料內(nèi)部開(kāi)裂信息和研究損傷過(guò)程是一種有效的方法[3-4],其技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)為探測(cè)材料變形和開(kāi)裂等微觀活動(dòng)的高靈敏性[5]和實(shí)時(shí)性[6]。筆者采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)混凝土試件在變幅循環(huán)軸拉荷載作用下的損傷破壞過(guò)程所伴生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集,通過(guò)分析變幅循環(huán)軸拉荷載作用下混凝土損傷過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào),分析凱塞(Kaiser)效應(yīng)及典型聲發(fā)射特性,找出適用于表征變幅循環(huán)加載損傷過(guò)程的聲發(fā)射特征參數(shù)及其變化規(guī)律,并對(duì)其損傷機(jī)理進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件制備

所采用的混凝土配合比如下:水230 kg/m3,水泥418 kg/m3,砂651 kg/m3,石子1019 kg/m3,水灰比(質(zhì)量比)0.55,坍落度190 mm。為了得到圓柱體混凝土軸拉試件,首先在鋼模中澆筑混凝土,在28 d混凝土凝結(jié)硬化之后采用混凝土取芯機(jī)鉆取直徑為100mm的圓柱體混凝土芯樣,采用混凝土切割機(jī)切除兩端的浮漿層得到高度為260mm的無(wú)缺口混凝土圓柱體試件,然后在試件兩端采用環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠粘貼傳遞軸向拉力的傳力鋼板,得到最終的軸拉試件。

1.2 加載方案

為了采用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集混凝土試件軸拉損傷破壞過(guò)程所伴生的聲發(fā)射信號(hào),設(shè)計(jì)循環(huán)變幅三角波加載方案如下:每個(gè)循環(huán)按力控制加載,加載速度取0.03 MPa/s,每個(gè)三角波的循環(huán)依次遞增10%極限荷載(0.3 MPa),直至2.7 MPa,改為按位移控制加載直至破壞,位移控制加載速度為0.025 mm/s。相應(yīng)的加載過(guò)程如圖1所示(圖中1～8為加載序號(hào))。

1.3 聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)

采用美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC)生產(chǎn)的SAMOSTM聲發(fā)射采集系統(tǒng)采集和存儲(chǔ)聲發(fā)射信號(hào),采集控制軟件為AEwinTM。前置放大器(型號(hào)PAC-2/4/6)帶寬為0.01～2.0 MHz,設(shè)置其增益為40 dB。布置4支直徑為22mm、型號(hào)為R6α的諧振式聲發(fā)射傳感器于混凝土試件中部,利用耦合劑(凡士林)通過(guò)橡膠帶將其固定于試件表面。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)加載設(shè)備及周圍環(huán)境噪音水平測(cè)定,設(shè)置系統(tǒng)閾值為35 dB,其他相關(guān)參數(shù)的設(shè)置方案見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 變幅循環(huán)加載時(shí)程曲線示意圖Fig.1 Schematic diagram of time-history curve of variable amplitude cyclic loading

圖2 混凝土軸拉聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of acoustic emission monitoring system of concrete under uniaxial tension

2 力學(xué)特性與破壞形態(tài)

各混凝土試件的抗拉強(qiáng)度以及在軸拉損傷破壞過(guò)程中接收到的聲發(fā)射撞擊總數(shù)如表1所示。本文所進(jìn)行的3個(gè)混凝土試件的軸心抗拉強(qiáng)度在2.0～3.0 MPa之間,平均抗拉強(qiáng)度約為2.45 MPa,數(shù)據(jù)略顯離散,這與混凝土材料本身的性質(zhì)有關(guān)。在加載過(guò)程中聲發(fā)射采集系統(tǒng)所采集到的聲發(fā)射撞擊數(shù)(Hit總數(shù))平均約為717次。由于所采用的混凝土軸拉試件為無(wú)缺口的形式,因此整個(gè)受力損傷破壞過(guò)程更接近于實(shí)際工程的受力情況,裂縫從混凝土試件最薄弱的部位產(chǎn)生并發(fā)展,裂縫的位置也是隨機(jī)出現(xiàn)的[8]。

表1 混凝土試件力學(xué)特性和聲發(fā)射特性參數(shù)Table1 Mechanical properties and acoustic emission characteristics of concrete specimens

3 混凝土軸拉損傷聲發(fā)射凱塞效應(yīng)分析

凱塞效應(yīng)是指材料在受載過(guò)程中聲發(fā)射活動(dòng)所具有的不可逆性,材料科學(xué)中將凱塞效應(yīng)定義為當(dāng)材料所受荷載在沒(méi)有到達(dá)其曾經(jīng)歷過(guò)的最大荷載水平前幾乎不產(chǎn)生聲發(fā)射,而一旦超過(guò)最大荷載水平時(shí)聲發(fā)射活動(dòng)便再度出現(xiàn)的現(xiàn)象[9]。文獻(xiàn)[10]試驗(yàn)結(jié)果表明,凱塞效應(yīng)并不總是存在于整個(gè)加載階段,而會(huì)在一定的應(yīng)力水平失效,這種現(xiàn)象被稱作費(fèi)利希蒂(Felicity)效應(yīng)[11]。混凝土軸拉損傷過(guò)程聲發(fā)射撞擊累計(jì)數(shù)和振鈴數(shù)與加載時(shí)程曲線的變化規(guī)律如圖3所示。圖3(a)中的平臺(tái)部分代表在加載期間沒(méi)有聲發(fā)射活動(dòng)被探測(cè)到,在每個(gè)加載循環(huán)開(kāi)始卸載到0,直到再加載到未超過(guò)先前所受最大荷載之前也沒(méi)有探測(cè)到顯著的聲發(fā)射活動(dòng),也就是說(shuō),在多數(shù)循環(huán)三角波的范圍之內(nèi)存在明顯的凱塞效應(yīng)。這一現(xiàn)象在圖3(b)中也可以被清晰地發(fā)現(xiàn)。

圖3 C08試件混凝土在軸拉破壞過(guò)程中的凱塞效應(yīng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of Kaiser effect in concrete specimen C08 under uniaxial tension loading

為了更精確地定量分析三組混凝土試件在軸拉荷載作用下的凱塞效應(yīng),引入費(fèi)利希蒂比FFR=F2/F1量化這一效應(yīng),其中F1為預(yù)加載荷載值,F2為下一循環(huán)中出現(xiàn)顯著聲發(fā)射活動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載值。混凝土試件各加載循環(huán)的費(fèi)利希蒂比如表2所示,混凝土試件費(fèi)利希蒂比隨加載循環(huán)序號(hào)(損傷階段)的變化曲線如圖4所示。

表2 C08混凝土試件各加載循環(huán)的費(fèi)利希蒂比Table2 Felicity ratio in each loading cycle of concrete specimen C08

可以看出,隨著應(yīng)力水平的不斷提高,費(fèi)利希蒂比大致呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),也就是說(shuō),在應(yīng)力水平比較高的加載循環(huán)中,下一循環(huán)未加載達(dá)到先期加載歷史的最大應(yīng)力時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)了可以采集到的聲發(fā)射信號(hào),說(shuō)明費(fèi)利希蒂效應(yīng)越來(lái)越明顯,而凱塞效應(yīng)逐漸衰退?？梢詫①M(fèi)利希蒂比開(kāi)始小于1.0作為混凝土微裂縫開(kāi)始不穩(wěn)定擴(kuò)展的臨界狀態(tài)(也就是凱塞效應(yīng)開(kāi)始衰退)的標(biāo)志。由于混凝土試件個(gè)體材料性質(zhì)(強(qiáng)度、均質(zhì)度等)的差異,3個(gè)混凝土試件費(fèi)利希蒂比開(kāi)始小于1時(shí)所對(duì)應(yīng)的加載循環(huán)略有不同。這一現(xiàn)象與文獻(xiàn)[11-12]所述結(jié)論基本相同。

圖4 混凝土試件費(fèi)利希蒂比隨加載循環(huán)序號(hào)的變化Fig.4 Felicity ratio vs.loading cyclic number for concrete specimens

凱塞效應(yīng)可以從混凝土損傷發(fā)展的角度進(jìn)行分析,當(dāng)荷載施加于已承受過(guò)一定軸向應(yīng)力作用的混凝土?xí)r,會(huì)導(dǎo)致混凝土中部分薄弱部位損傷開(kāi)裂,相應(yīng)部位所累積的應(yīng)力被釋放,但由于混凝土的開(kāi)裂是不可逆的,亦即裂縫不會(huì)自行“愈合”,因此在未超過(guò)最大載荷歷史內(nèi)微裂縫不會(huì)再發(fā)生,也就不會(huì)探測(cè)到聲發(fā)射活動(dòng);只有施加的載荷超過(guò)歷史水平時(shí)才有完好混凝土發(fā)生新的損傷開(kāi)裂,聲發(fā)射活動(dòng)才能再次產(chǎn)生并被聲發(fā)射采集系統(tǒng)探測(cè)到。從這個(gè)角度而言,聲發(fā)射活動(dòng)反映了混凝土內(nèi)部拉裂裂縫的損傷狀況,聲發(fā)射凱塞效應(yīng)實(shí)質(zhì)是對(duì)材料承受荷載產(chǎn)生損傷的一種表征,凱塞效應(yīng)反映混凝土損傷狀況的變化,即可記憶混凝土先前的損傷程度。從這一過(guò)程中也可以看出,聲發(fā)射活動(dòng)與混凝土內(nèi)部微裂縫產(chǎn)生和發(fā)展之間存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4 混凝土軸拉損傷聲發(fā)射特性與力學(xué)特性之間的關(guān)系

4.1 聲發(fā)射特性與軸拉強(qiáng)度之間的關(guān)系

各加載循環(huán)所接收到的聲發(fā)射撞擊總數(shù)占總撞擊數(shù)的比例隨加載階段的變化如圖5所示,可以看出,同樣加載情況下,與試件C08和C09相比,試件C10的強(qiáng)度偏低,在聲發(fā)射特性上的表現(xiàn)為,在前幾個(gè)循環(huán)中,出現(xiàn)的聲發(fā)射撞擊數(shù)更多,這表明在試件C10之內(nèi),在低應(yīng)力水平下就能夠活化的缺陷數(shù)量要多于強(qiáng)度相對(duì)較高的C08和C09試件。由此可見(jiàn),抗拉強(qiáng)度較低的混凝土試件在整個(gè)軸拉損傷破壞過(guò)程中的特征可以概括為,在較低的應(yīng)力水平下就可以出現(xiàn)活化的缺陷活動(dòng)。由此還可以發(fā)現(xiàn),3條曲線均在第5個(gè)循環(huán)時(shí)聲發(fā)射振鈴數(shù)顯著突變,對(duì)比圖4可知,第5個(gè)循環(huán)之后費(fèi)利希蒂比也呈現(xiàn)出開(kāi)始顯著下降的趨勢(shì),這與混凝土軸拉損傷過(guò)程后期的微裂縫不穩(wěn)定擴(kuò)展有關(guān)。

圖5 各加載循環(huán)所接收到聲發(fā)射撞擊數(shù)占總撞擊數(shù)的比例隨加載階段的變化曲線Fig.5 Proportion of acoustic emission hit in each loading cycle to total hit vs.loading stage

4.2 聲發(fā)射特性與損傷程度之間的關(guān)系

圖5為各加載循環(huán)內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)總數(shù)的變化趨勢(shì),進(jìn)一步將各加載循環(huán)內(nèi)接收到的聲發(fā)射特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析后,發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射振鈴數(shù)、ASL電壓值和幅度均呈現(xiàn)出隨著加載階段的延續(xù)而波動(dòng)增加的趨勢(shì),各加載循環(huán)內(nèi)的聲發(fā)射振鈴數(shù)平均值和聲發(fā)射ASL電壓平均值的變化規(guī)律如圖6和圖7所示?？梢钥闯?隨著加載過(guò)程的延續(xù),雖然每個(gè)加載循環(huán)的荷載增量是相同的,但是由此所誘發(fā)的聲發(fā)射活動(dòng)總量和平均活動(dòng)強(qiáng)度均隨著加載過(guò)程的延續(xù)而增加,也就是說(shuō)以聲發(fā)射振鈴數(shù)、ASL電壓值和幅度為代表的聲發(fā)射特性與損傷程度之間存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖6 各加載循環(huán)內(nèi)的聲發(fā)射振鈴數(shù)平均值Fig.6 Average value of acoustic emission count in each loading cycle

圖7 各加載循環(huán)內(nèi)的聲發(fā)射ASL電壓平均值Fig.7 Average value of ASL in each loading cycle

5 結(jié) 語(yǔ)

基于混凝土試件在變幅循環(huán)軸拉荷載作用下的損傷破壞過(guò)程進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)和分析,通過(guò)研究變幅循環(huán)荷載作用下混凝土的凱塞效應(yīng)及典型聲發(fā)射特性,找出適用于表征變幅循環(huán)加載損傷過(guò)程的聲發(fā)射特征參數(shù)及其變化規(guī)律,并對(duì)其損傷機(jī)理進(jìn)行分析。所得結(jié)論如下:

a.聲發(fā)射凱塞效應(yīng)和費(fèi)利希蒂效應(yīng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)(費(fèi)利希蒂比等于1.0)可作為混凝土軸拉裂縫發(fā)展穩(wěn)定與否的標(biāo)志。聲發(fā)射可在費(fèi)利希蒂比大于1.0階段(也就是凱塞效應(yīng)有效的范圍之內(nèi))跟蹤微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程。

b.相對(duì)于抗拉強(qiáng)度較高的混凝土試件,抗拉強(qiáng)度較低的混凝土試件在較低的應(yīng)力水平下就可以出現(xiàn)活化的聲發(fā)射活動(dòng),依此可以作為判斷混凝土強(qiáng)度高低的依據(jù)。

c.混凝土軸拉強(qiáng)度也呈現(xiàn)出與整個(gè)加載過(guò)程中聲發(fā)射撞擊累計(jì)數(shù)相關(guān)的特征。隨著混凝土試件損傷程度的加劇,聲發(fā)射信號(hào)的數(shù)量以及聲發(fā)射信號(hào)的平均強(qiáng)度都呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),其中聲發(fā)射ASL電壓值、聲發(fā)射振鈴數(shù)和聲發(fā)射幅度能夠更好地刻畫(huà)損傷的演化和發(fā)展過(guò)程,也就是在混凝土軸拉微裂縫的不穩(wěn)定發(fā)展階段,呈現(xiàn)出聲發(fā)射信號(hào)數(shù)量增多、量值增大的趨勢(shì),這些信息可以作為預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)安全和損傷程度的依據(jù)。

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Experimental study on acoustic emission characteristics of concrete under variable amplitude cyclic tension loading

WANG Yan1,WANG Yao2,LU Guijuan1,XU Zhengzheng1
(1.College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.School of Architecture and Civil Engineering,Jinling Institute of Technology,Nanjing 211169,China)

Acoustic emission(AE)signals associated with the damage processes of concrete specimens under variable amplitude cyclic tension loading were obtained using acoustic emission techniques.The Kaiser effect and typical AE characteristics of the concrete damage processes were analyzed.The results show that the conversion loading stage between the Kaiser effect and Felicity effect was at 62%ultimate stress;this critical point can be used as a sign of a critical state for concrete micro-cracks under uniaxial tension during the stable or unstable development.The AE count number,the average ASL voltage,and the AE amplitude all showed an increasing trend with the extension of the loading stage.The research results can provide a basis for prediction of the structural safety and damage degree of concrete.

variable amplitude cyclic;concrete;uniaxial tension;acoustic emission;Kaiser effect

TU528.07

:A

:1000-1980(2014)01-0045-05

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.01.009

2013-01 06

國(guó)家自然科學(xué)基金(51009058);中國(guó)博士后科學(xué)基金(2011M501160)

王巖(1980—),男,黑龍江雙鴨山人,副教授,博士,主要從事混凝土聲發(fā)射特性研究。E-mail:hhuwy@126.com