復(fù)合梁張開(kāi)型反射開(kāi)裂行為聲發(fā)射特征及損傷表征

王威娜，周圣雄，秦 煜，3，蔡盛輝

1)重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074；2)重慶交通大學(xué)交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；3)中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶400023

舊水泥路面加鋪瀝青混凝土是實(shí)際工程中常用的舊路修復(fù)方法，但舊水泥路面通常存在大量的接裂縫，在外荷載作用下，位于接裂縫上方的加鋪層極易出現(xiàn)反射裂縫[1-2]. 有研究表明，張開(kāi)型反射裂縫在反射裂縫的萌生階段起主導(dǎo)作用，即彎拉應(yīng)力是誘導(dǎo)反射裂縫萌生的主要因素[3]. 因此，開(kāi)展張開(kāi)型反射裂縫的相關(guān)研究，對(duì)于掌握瀝青加鋪層反射裂縫形成及損傷演化過(guò)程有重要意義.

以往關(guān)于反射裂縫的主要分析指標(biāo)較粗糙和主觀，如裂縫長(zhǎng)度與寬度. 聲發(fā)射(acoustic emission, AE)作為一種新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，對(duì)材料內(nèi)部裂縫發(fā)展變化識(shí)別敏感，可用于監(jiān)測(cè)瀝青加鋪層內(nèi)部的裂縫發(fā)展[4]. 目前，已有研究人員開(kāi)展基于AE技術(shù)的瀝青混合料研究. ZHE等[5]研究認(rèn)為聲發(fā)射特征參數(shù)對(duì)瀝青混合料的氧化老化程度識(shí)別敏感. BEHNIA等[6]提出了基于聲發(fā)射技術(shù)的瀝青混合料低溫開(kāi)裂評(píng)價(jià)方法. JIAO等[7-8]研究認(rèn)為AE能量對(duì)透水瀝青試件的損傷識(shí)別效果理想，且能有效識(shí)別瀝青混合料的不同斷裂模式. 符劉旭[9]驗(yàn)證了AE技術(shù)應(yīng)用于透水瀝青混合料中的可行性. 張萌謖[10]通過(guò)振幅、能量和振鈴計(jì)數(shù)等AE參數(shù)表征了瀝青混合料斷裂過(guò)程. 以上研究表明AE參數(shù)能很好地反應(yīng)瀝青混合料的內(nèi)部裂縫發(fā)展情況. 還有研究開(kāi)展了基于AE參數(shù)的損傷研究. 楊永杰等[11]基于AE累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)描述了灰?guī)r在三軸壓縮下的損傷過(guò)程. 袁明等[12]通過(guò)三次多項(xiàng)式模型建立AE參數(shù)與應(yīng)力水平之間的定量關(guān)系. 王兵等[13]通過(guò)事件計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)、能率和幅頻極值等AE參數(shù)多角度分析了三點(diǎn)彎曲作用下混凝土梁損傷演化特征. 基于AE參數(shù)的損傷演化研究已成功應(yīng)用于混凝土和巖石領(lǐng)域. 由上述研究可知，通過(guò)AE特征參數(shù)研究瀝青加鋪層張開(kāi)型反射開(kāi)裂行為的損傷演化過(guò)程具有可行性，AE技術(shù)可有效監(jiān)測(cè)瀝青加鋪層內(nèi)部裂縫發(fā)展的動(dòng)態(tài)過(guò)程，為反射開(kāi)裂行為的定量分析與表征研究提供了新思路. 為此，本研究開(kāi)展了基于AE技術(shù)的帶縫水泥混凝土板加鋪瀝青層結(jié)構(gòu)的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合數(shù)字圖像技術(shù)對(duì)水平方向的應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行分析，引入AE特征參數(shù)定性分析復(fù)合梁的破壞過(guò)程，基于以累計(jì)AE參數(shù)為參量的損傷變量，探究復(fù)合梁張開(kāi)型反射裂縫的損傷演化規(guī)律.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 試件制備

復(fù)合梁試件尺寸為300 mm×100 mm×100 mm；水泥混凝土板厚50 mm；水泥、集料、砂和減水劑采用的質(zhì)量比(配合比)為364∶1 238∶648∶5.05；瀝青混凝土加鋪層厚50 mm；根據(jù)實(shí)際路面行車(chē)荷載與接裂縫的關(guān)系，為模擬張開(kāi)型反射裂縫，水泥混凝土板采用貫穿型接縫，置于水泥混凝土板中部，預(yù)設(shè)裂縫寬度為5 mm[2，14-15](圖1). 加鋪層的瀝青混合料采用AC-13，選用級(jí)配中值，通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)得最佳瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.9%.

圖1 復(fù)合梁試件示意圖(單位：mm)Fig.1 Schematic diagram of composite beam (unit: mm)

1.2 試驗(yàn)平臺(tái)及參數(shù)

基于聲發(fā)射技術(shù)的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2. 試驗(yàn)系統(tǒng)有兩部分.第1部分是MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的加載及采集系統(tǒng)，主要采集參數(shù)為荷載、撓度和時(shí)間；支點(diǎn)距離為250 mm，加載速率為0.05 mm/s，試驗(yàn)溫度為25 ℃[2]. 第2部分是北京聲華聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，參考現(xiàn)有研究在瀝青混合料中的聲發(fā)射采集參數(shù)設(shè)置[9-10]，聲發(fā)射信號(hào)采集的門(mén)限值設(shè)為40 dB，采集頻率為22～220 kHz，采樣頻率為5 MHz. 試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)索尼HDR-PJ790E相機(jī)進(jìn)行圖像采集，然后通過(guò)基于Matlab的開(kāi)源數(shù)字圖像軟件Ncorr獲取開(kāi)裂過(guò)程的水平向應(yīng)變場(chǎng).

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of test system

1.3 試驗(yàn)步驟

1)布設(shè)聲發(fā)射儀器和筆記本電腦，然后將耦合劑均勻涂抹在傳感器上，黏貼在復(fù)合梁試件接縫上方的瀝青加鋪層表面.

2)將試件對(duì)正放置于MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的支座上，然后將試驗(yàn)機(jī)壓頭對(duì)正復(fù)合梁試件預(yù)設(shè)接縫上方，將壓力機(jī)壓頭加載至與試件表面接觸.

3)啟動(dòng)聲發(fā)射軟件，設(shè)置參數(shù)，在試驗(yàn)開(kāi)始前進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)，檢查各通道信號(hào)是否接收正常.

4)MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)選用位移控制加載，加載速率設(shè)為0.05 mm/s，同步啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)軟件，至試件破壞時(shí)停止試驗(yàn).

2 基于聲發(fā)射特征參數(shù)的損傷演化分析

本研究選用以往試驗(yàn)研究中常用的聲發(fā)射參數(shù)(振幅、振鈴計(jì)數(shù)和能量)對(duì)張開(kāi)型反射開(kāi)裂行為進(jìn)行分析[9-11]. 試驗(yàn)共設(shè)3組平行試驗(yàn)(A-1、A-2和A-3)，每組均安裝兩個(gè)傳感器，6個(gè)傳感器數(shù)據(jù)變化規(guī)律整體基本一致.限于篇幅，僅選取A-1組的1號(hào)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析. 繪制AE振幅、AE振鈴計(jì)數(shù)、AE能量、荷載與撓度的關(guān)系曲線(圖3)，分析復(fù)合梁損傷過(guò)程中聲發(fā)射參數(shù)的變化及響應(yīng)關(guān)系，將其損傷過(guò)程劃分為如下4個(gè)階段.

圖3 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)振幅、AE振鈴計(jì)數(shù)、AE能量、 荷載與撓度的關(guān)系Fig.3 AE amplitude, AE ringing counts, AE energy and load versus deflection of three-point bending test

靜寂期Ⅰ：由荷載-撓度曲線可知，此階段屬于彈性變形階段，荷載主要由瀝青膠漿承受，跨中上半部瀝青加鋪層處于彈性壓密狀態(tài)，跨中下半部的瀝青加鋪層處于彈性彎拉狀態(tài)，內(nèi)部沒(méi)有或僅有極少的微裂縫產(chǎn)生，與之對(duì)應(yīng)的也基本沒(méi)有聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生.

上升期Ⅱ：此階段對(duì)應(yīng)于荷載-撓度曲線的塑性變形階段，受力主體不再是瀝青膠漿. 靠近壓頭附近的集料顆粒相互擠壓，承受壓縮荷載. 接縫上方的瀝青加鋪層因彎拉作用產(chǎn)生不可逆的塑性變形，加鋪層內(nèi)部萌生大量的微裂縫，并不斷持續(xù)擴(kuò)展，從而釋放出大量的能量，導(dǎo)致AE信號(hào)密集出現(xiàn)，呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì). 荷載和AE振幅、AE能量和AE振鈴計(jì)數(shù)的極值也基本出現(xiàn)在此階段，且?guī)缀跏峭粫r(shí)間出現(xiàn)，呈現(xiàn)出單峰型特征，表明損傷正在快速增加.

發(fā)展期Ⅲ：達(dá)到荷載峰值后，荷載-撓度曲線開(kāi)始下降，說(shuō)明加鋪層內(nèi)部的微裂縫已相互連通，形成宏觀裂縫. 該時(shí)期內(nèi)AE參數(shù)持續(xù)密集產(chǎn)生，表現(xiàn)為出現(xiàn)較多的聲發(fā)射信號(hào)突變點(diǎn)，表明損傷仍在快速增長(zhǎng). 發(fā)展期荷載和AE參數(shù)幅度整體上表現(xiàn)為逐漸下降的趨勢(shì)，至階段末時(shí)，3種AE參數(shù)均呈現(xiàn)較大幅度的下降，荷載下降速度也逐漸平緩.

殘余期Ⅳ：前3個(gè)階段損傷程度已經(jīng)很高，復(fù)合梁已臨近破壞，故該階段損傷增長(zhǎng)趨于平緩. 荷載和AE參數(shù)均處于較低水平，偶爾出現(xiàn)的聲發(fā)射信號(hào)推測(cè)為靠近壓頭周?chē)募舷嗷D壓、破碎所產(chǎn)生的少量能量，致使零星的聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn).

根據(jù)聲發(fā)射參數(shù)、荷載與撓度的變化規(guī)律，將復(fù)合梁張開(kāi)型反射裂縫的損傷演化規(guī)律總結(jié)如下.

1)整體而言，復(fù)合梁三點(diǎn)彎曲下張開(kāi)型反射開(kāi)裂過(guò)程可劃分為4階段：靜寂期、上升期、發(fā)展期期和殘余期. 瀝青加鋪層是由集料、空隙和瀝青膠漿組成的三相復(fù)合材料，是一種典型的非均質(zhì)、不連續(xù)的顆粒性質(zhì)的材料[16]. 靜寂期主要瀝青膠漿承受荷載，處于彈性變形階段，AE信號(hào)稀少. 此后的3個(gè)時(shí)期均為集料和瀝青膠漿共同承受荷載，AE參數(shù)呈現(xiàn)出明顯的階段特征.

2)AE振幅、AE振鈴計(jì)數(shù)和AE能量柱狀圖與荷載曲線對(duì)應(yīng)良好，均呈現(xiàn)出明顯的“單峰型”特征，表明聲發(fā)射參數(shù)能有效的反映出瀝青加鋪層內(nèi)部微裂縫的發(fā)展情況. 但AE能量數(shù)值波動(dòng)大，作為分析參數(shù)效果不太理想.

3)在上升期AE參數(shù)與荷載曲線顯示出良好的一致性，且荷載極值與AE參數(shù)極值基本同一時(shí)間出現(xiàn)，這一特征對(duì)于張開(kāi)型反射裂縫的出現(xiàn)預(yù)警研究具有重要意義.

3 結(jié)合二維數(shù)字圖像技術(shù)的損傷分析

為研究復(fù)合梁張開(kāi)型反射開(kāi)裂過(guò)程中瀝青層層底拉伸位移及加鋪層斷裂演化路徑，通過(guò)開(kāi)源二維數(shù)字圖像處理軟件Ncorr對(duì)復(fù)合梁斷裂過(guò)程的圖像進(jìn)行分析，獲取水平方向的應(yīng)變場(chǎng)隨撓度變化關(guān)系(圖4). 由圖4可知，從靜寂期到上升期(圖4(a)和(b))，主要變化為壓頭和接縫周?chē)鷳?yīng)變的局部增大. 發(fā)展期(圖4(c))是裂縫發(fā)展的活躍階段，接縫上方的加鋪層處于多裂縫發(fā)展時(shí)期，可觀測(cè)到接縫兩側(cè)正形成兩條裂縫，應(yīng)變大的為主裂縫，應(yīng)變小的是次裂縫. AE參數(shù)以密集和較高數(shù)值的形式出現(xiàn)，與復(fù)合梁彎曲開(kāi)裂的響應(yīng)關(guān)系良好，能夠較好的反應(yīng)裂縫發(fā)展情況. 殘余期(圖4(d))時(shí)次裂縫處于停滯狀態(tài)，基本不再擴(kuò)展. 荷載集中作用于薄弱側(cè)(主裂縫)，致使主裂縫持續(xù)垂直向上擴(kuò)展，并導(dǎo)致復(fù)合梁的最終彎曲拉裂. 同時(shí)由圖4(d)可知，由于跨中上半部分的加鋪層處于受壓狀態(tài)，即便復(fù)合梁已失去承載能力，宏觀裂縫已貫通，但僅憑外觀仍難以分辨裂縫是否產(chǎn)生. 因此以往反射裂縫研究中所采用的裂縫長(zhǎng)度和寬度等指標(biāo)，不適合用于進(jìn)行張開(kāi)型反射裂縫分析.

圖4 不同撓度下的橫向位移分布(單位：mm)Fig.4 Lateral displacement under different deflections (unit: mm)

由于3種AE參數(shù)變化規(guī)律基本相同，在此選取AE振鈴計(jì)數(shù)進(jìn)行分析.基于水平向應(yīng)變?cè)茍D，獲取瀝青加鋪層層底位移數(shù)據(jù)，繪制加鋪層層底拉伸位移、AE振鈴計(jì)數(shù)與撓度的關(guān)系曲線(圖5). 由圖5可知，層底水平應(yīng)變隨著撓度的增加而增加，撓度在6 mm前，即靜寂期和上升期，層底拉伸位移以較為緩慢的速度線性增加；撓度大于6 mm后，即發(fā)展期和殘余期，增長(zhǎng)速度大幅增加，斜率為上一階段的4.33倍.

圖5 AE振鈴計(jì)數(shù)、層底拉伸位移與撓度的關(guān)系Fig.5 Relationship among AE ringing counts, bottom layer tensile displacement, and deflection

4 基于損傷量的損傷演化分析

4.1 損傷評(píng)估方法

目前，尚未發(fā)現(xiàn)關(guān)于瀝青混凝土加鋪層的反射開(kāi)裂行為損傷研究，文獻(xiàn)[11,17]研究表明，以AE振鈴計(jì)數(shù)或AE能量為特征參數(shù)，能較好地反應(yīng)材料損傷破壞情況，因此，本研究以AE累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)及AE累計(jì)能量為特征參數(shù)，對(duì)張開(kāi)型反射裂縫的損傷演化特性進(jìn)行描述[18，19].

損傷變量D[20]定義為

D=Ad/A

(1)

其中，Ad為材料發(fā)生損傷后，即裂縫產(chǎn)生后的有效承載面積；A為材料初始無(wú)損傷時(shí)的承載面積；假設(shè)初始時(shí)D=1(未加載時(shí))， 破壞后D=0(加載破壞后).

引入聲發(fā)射參數(shù)在巖石損傷分析中的定義[11，17]，定義瀝青加鋪層沒(méi)有損傷時(shí)完全破壞的累計(jì)AE參數(shù)(振鈴計(jì)數(shù)、能量)為N0， 則單位面積微元破壞時(shí)的AE參數(shù)Nw為

Nw=N0/A

(2)

當(dāng)損傷面積達(dá)Ad時(shí)，對(duì)應(yīng)的累計(jì)AE參數(shù)Nd為

Nd=NwAd=N0Ad/A

(3)

將Ad代入式(1)，可得到以累計(jì)AE振參數(shù)為參量的損傷變量為

D=Nd/N0

(4)

4.2 損傷演化分析

通過(guò)式(4)分別得到以累計(jì)AE振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)AE能量為特征參量的損傷變量.為方便對(duì)比，將橫向撓度坐標(biāo)進(jìn)行歸一化處理. 繪制三點(diǎn)彎曲條件下復(fù)合梁試件的損傷變量與撓度關(guān)系曲線，如圖6. 由圖6可見(jiàn)，三點(diǎn)彎曲加載條件下，復(fù)合梁張開(kāi)型反射開(kāi)裂行為的損傷演化過(guò)程可劃分為3個(gè)時(shí)期. 基于損傷變量劃分的損傷演化過(guò)程與AE參數(shù)所劃分的4個(gè)時(shí)期不同，以損傷變量劃分的損傷突增期合并了AE參數(shù)的上升期和發(fā)展期，呈現(xiàn)出一個(gè)完整和漸近的損傷突增階段.損傷平靜期Ⅰ：加鋪層內(nèi)部幾乎沒(méi)有損傷產(chǎn)生.損傷突增期Ⅱ：此階段損傷變量呈線性急劇增長(zhǎng)，持續(xù)范圍約是最大撓度的5%～60%，卻有85%以上的損傷在該階段產(chǎn)生. 損傷平穩(wěn)期Ⅲ：相比上一階段，該時(shí)期損傷變量增速大幅放緩，約10%的損傷和40%的變形(撓度)在此階段產(chǎn)生.

圖6 荷載-損傷變量-撓度曲線Fig.6 Relationship among load, damage variable, and deflection

從復(fù)合梁的彎曲損傷演化過(guò)程可知，張開(kāi)型反射裂縫的萌生、擴(kuò)展至貫通，可視為一漸進(jìn)發(fā)展演化的過(guò)程[11]. 同時(shí)由于AE能量參數(shù)的數(shù)值波動(dòng)幅度過(guò)大，常出現(xiàn)跨越數(shù)量級(jí)的波動(dòng)，導(dǎo)致能量損傷量曲線呈現(xiàn)出階梯型的上升趨勢(shì)，無(wú)法較好地反映損傷演化過(guò)程. 因此相比于能量損傷量，以累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)為參量的損傷變量能夠更好的反應(yīng)這一漸進(jìn)過(guò)程. 同時(shí)由于損傷破壞過(guò)程是連續(xù)演化的過(guò)程，不存在絕對(duì)的損傷界限，具體的階段劃分指標(biāo)還待研究.

5 結(jié) 論

結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)和數(shù)字圖像技術(shù)，對(duì)復(fù)合梁在三點(diǎn)彎曲作用下的張開(kāi)型反射開(kāi)裂行為的損傷演化過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)研究，可知：

1)基于聲發(fā)射參數(shù)、荷載與撓度變化規(guī)律將復(fù)合梁的張開(kāi)型反射開(kāi)裂過(guò)程分為4階段：靜寂期、上升期、發(fā)展期和殘余期.靜寂期基本沒(méi)有AE信號(hào)產(chǎn)生，處于彈性變形階段；上升期和發(fā)展期AE信號(hào)活躍，呈現(xiàn)單峰型特征，損傷急劇增長(zhǎng)；發(fā)展期整體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，過(guò)渡至殘余期，AE信號(hào)稀少，損傷趨于平緩.

2)AE振幅、AE振鈴計(jì)數(shù)和AE能量對(duì)瀝青加鋪層內(nèi)部微裂縫及宏觀裂縫的發(fā)展識(shí)別敏感，不可逆的塑性變形大量產(chǎn)生時(shí)，AE信號(hào)表現(xiàn)活躍，荷載極值與聲發(fā)射參數(shù)極值基本同一時(shí)間出現(xiàn).

3)張開(kāi)型反射裂縫的擴(kuò)展路徑首先沿著接縫兩側(cè)，以多裂縫的形式發(fā)展，隨后其中一條裂縫發(fā)展成主裂縫并持續(xù)垂直向上擴(kuò)展，其他的次裂縫進(jìn)入停滯狀態(tài).

4)提出基于振鈴損傷量的復(fù)合梁張開(kāi)型反射開(kāi)裂行為損傷演化表征方法，演化過(guò)程為：損傷平靜期、損傷突增期和損傷平緩期. 以聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)為參量的損傷變量能較好地表征反射裂縫的萌生、擴(kuò)展和貫通的漸進(jìn)演化過(guò)程.