基于DIC與AE技術(shù)的濕篩混凝土軸拉試驗研究

石振祥,陳徐東,張忠誠,郭玉柱,趙威中,孫成飛

(1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院, 南京 210098; 2.中建三局集團有限公司 華東分公司, 南京 210098)

0 引 言

混凝土裂縫的存在和擴展會對大壩的完整性造成破壞,由于混凝土的抗拉強度遠低于其抗壓強度,在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下抗拉強度決定了結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性[1-3]。利用單軸拉伸試驗研究大壩混凝土自身的抗裂性能,有利于提出更有效的防止混凝土開裂以及控制已有裂縫擴展的措施,以提高混凝土大壩的安全度和耐久性。

到目前為止,已有大量學(xué)者對大壩混凝土的各項力學(xué)性能進行了研究,Li等[4]建立了現(xiàn)場澆筑全級配混凝土強度與等效成熟度的關(guān)系;Wang等[5]發(fā)現(xiàn)高應(yīng)變速率下大壩碾壓混凝土強度和斷裂能有明顯提高;趙志方等[6]研究了大壩混凝土早齡期變溫條件下拉伸徐變,改進了拉伸徐變發(fā)展模型。然而,水工混凝土粗骨料粒徑較大,其中三級配混凝土骨料粒徑可達80 mm,四級配混凝土骨料粒徑可達150 mm[7],所需制備的試件尺寸較大,對于力學(xué)性能試驗要求較高,因此普遍采用濕篩法試件進行試驗。

韓菊紅等[8]分析了不同鋼纖維摻量和長短纖維混雜使用對鋼纖維二級配混凝土斷裂性能的影響;周昌巧等[9]結(jié)合細觀有限元模型,研究了不同骨料含量對水工原級配與濕篩混凝土拉伸斷裂性能差異的影響;石妍等[10]對銹染骨料對濕篩混凝土的性能影響進行了研究;Qing等[11]得到了不同最大骨料粒徑的濕篩混凝土的隨機粘結(jié)規(guī)律;在此基礎(chǔ)上,Serra等[12]通過結(jié)合濕篩混凝土現(xiàn)場試驗結(jié)果,提出了預(yù)測大壩混凝土蠕變應(yīng)變的方法。

目前,學(xué)者們主要通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線及結(jié)構(gòu)破壞程度作為判別混凝土試件力學(xué)性能的標準,而對加載過程中的裂縫擴展過程監(jiān)測及開裂機理研究較少,且存在試驗誤差大、無法實時監(jiān)測等問題。隨著無損檢測技術(shù)的推廣,聲發(fā)射(Acoustic Emission,AE)和數(shù)字圖像相關(guān)(Digital Image Correlation,DIC)技術(shù)逐漸得到廣泛應(yīng)用。聲發(fā)射技術(shù)[13]主要用于監(jiān)測試件內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生與擴展過程,反映材料內(nèi)部的微裂縫擴展情況,DIC技術(shù)[14-16]能夠?qū)υ嚰砻媪芽p產(chǎn)生的位置和其擴展路徑進行捕捉,實時反映其應(yīng)力應(yīng)變情況以及裂縫擴展軌跡。綜合使用聲發(fā)射和DIC技術(shù)有利于準確、直觀地對試件加載過程中裂縫的擴展規(guī)律,揭示影響試件開裂因素。孫浩凱等[17]結(jié)合聲發(fā)射信號研究了混凝土單軸壓縮過程中內(nèi)部缺陷對裂縫擴展的影響;崔正龍等[18]利用聲發(fā)射技術(shù)對混凝土建立損傷模型,分析了碳化高溫后再生混凝土軸心受壓損傷演化規(guī)律;陳徐東等[19]利用聲發(fā)射分析了橡膠混凝土疲勞破壞過程;邱繼生等[20]基于聲發(fā)射特性建立了煤矸石混凝土凍融損傷本構(gòu)關(guān)系;卿龍邦等[21]開展三點彎曲梁斷裂試驗,研究了混凝土允許損傷尺度特性;吳愷云等[22]結(jié)合DIC技術(shù)研究了不同再生粗骨料取代率下三點彎曲梁的斷裂參數(shù)及斷裂過程;張書領(lǐng)[23]運用數(shù)字圖像法觀測全級配大壩低熱水泥混凝土斷裂過程區(qū),探究全級配混凝土斷裂過程區(qū)的發(fā)展趨勢。Keerthana等[24]利用DIC和聲發(fā)射技術(shù)研究了加載頻率對混凝土疲勞損傷過程的影響。Li等[25]測量了大壩混凝土在不同加載速率下的斷裂過程區(qū)及形成過程。

然而,目前鮮見綜合采用聲發(fā)射和DIC技術(shù)對濕篩混凝土裂縫擴展過程的研究。鑒于此,本文結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)和DIC技術(shù),對不同加載速率下二級配濕篩混凝土進行單軸拉伸試驗,探究其裂縫擴展過程及破壞原理,對于濕篩混凝土斷裂性能的研究具有一定的參考價值。

1 試驗概況

1.1 試驗準備

本試驗采用濕篩法制作二級配濕篩混凝土試件[26],每組工況制作3組試件,以避免試件加載偶然性及數(shù)據(jù)離散性。試件配合比如表1所示。

表1 濕篩混凝土配合比Table 1 Mix proportion of wet screened concrete

試件制作步驟如下:

(1)將自落式攪拌機沖洗干凈,再將稱好的石子、砂子、水泥和粉煤灰放入攪拌機中攪拌,隨后將水和減水劑加入,邊加入邊攪拌。

(2)將拌制好的混凝土倒入孔徑為40 mm的鋼篩內(nèi)進行濕篩,篩除粒徑>40 mm的骨料。

(3)將篩下的混凝土拌合物翻拌均勻置入標準組合鋼模中,在振動臺上振搗成型。

(4)24 h后拆模,放置于標準條件(室溫(20±2)℃,濕度≥95%)下養(yǎng)護28 d。

拉伸試驗采用MTS322試驗機,試件直徑為150 mm,高為300 mm的圓柱體試件。首先在試件兩端粘貼加載鋼盤,試驗機上下端分別加裝球鉸,而后使用螺栓將球鉸與試件固定成為整體。本次試驗加載速率采用試件軸向260 mm長度范圍內(nèi)的應(yīng)變進行控制,加載速率分別為1×10-6、5×10-6、25×10-6s-1,試件加載及試件表面端子安裝示意圖如圖1所示。

圖1 試件加載示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimen loading

1.2 聲發(fā)射技術(shù)

聲發(fā)射技術(shù)是一種實時無損檢測技術(shù)。試件受到荷載時,局部發(fā)生應(yīng)變或損傷,應(yīng)變能以彈性波的形式釋放。當彈性波振幅值達到預(yù)設(shè)閾值時,壓電傳感器就可以采集到試件表面的彈性波,并將其轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)過對信號的放大和濾波處理后,聲發(fā)射系統(tǒng)可以對采集到的聲發(fā)射信號進行信號處理,通過撞擊數(shù)、振鈴計數(shù)和三維定位反映試件損傷狀態(tài),從而達到無損檢測的目的。

本試驗所選設(shè)備使用美國PAC公司研制的八通道SAMOSTM聲發(fā)射檢測系統(tǒng)對裂縫的擴展情況進行動態(tài)監(jiān)測,門檻值設(shè)為35 dB,前置增益為35 dB,濾波頻率為1～60 kHz。

本試驗在試件表面布置6個傳感器,傳感器型號為PK6I,內(nèi)置26 dB低功率放大器。具體位置見圖1,以試件上表面圓心為起點,分別旋轉(zhuǎn)120°和240°,將試件側(cè)表面平均分成3份,分別在上下兩端距試件端面20 mm處粘貼端子,并加裝引伸計,用以檢測試件應(yīng)變,從而確定加載速率。傳感器布置方式與測定軸向位移的端子相同,在水平方向繞試件表面,每兩個端子中心位置作為傳感器布設(shè)位置,首先在試件表面相應(yīng)位置粘貼U型夾頭,在聲發(fā)射傳感器表面涂抹凡士林后,使用夾頭將傳感器固定至預(yù)設(shè)位置。

1.3 三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)

三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)是一種新型的光學(xué)檢測技術(shù)。其主要原理是[27]:在試件表面噴涂白色涂料,然后噴涂黑色斑點,使隨機斑點分布在試件表面,利用兩臺高速攝像機采集試件表面的灰度數(shù)字圖像,即通過對比分析不同時刻試件表面黑色散斑的相對位移變化來獲取圖像,從而獲得試件表面的三維變化特征。DIC技術(shù)具有光路簡單、環(huán)境適應(yīng)性好、操作簡單等優(yōu)點。并且與其他測量方法相比,具有監(jiān)測實時、結(jié)果準確等優(yōu)點。

本次實驗DIC設(shè)備采用ARAMIS Adjustable 12M系統(tǒng),采用2臺高速攝像機進行拍攝,相機分辨率為4 096像素×3 000像素,最大幀頻為25 fps,局部圖像最高可達100 fps。在本次試驗中,由于試件過大,采用先安裝試件,后噴涂散斑的方式進行試驗。先將試件固定到MTS試驗機上,后在面向DIC設(shè)備的一側(cè)噴涂白色顏料,然后噴涂黑色散斑,使隨機斑點分布在試件表面,噴涂區(qū)域高度為180 mm,寬度約150 mm,將DIC激光點照射在散斑中心位置待測。

2 混凝土基本力學(xué)性能

2.1 位移-荷載曲線

根據(jù)加載過程中MTS試驗機對試件施加的荷載以及所測位移變化,可以得到試件加載過程中的位移-荷載曲線,如圖2所示。

圖2 位移-荷載曲線Fig.2 Displacement-load curves

根據(jù)圖2可以看出,當加載速率為1×10-6s-1時,峰值荷載較低,當加載速率提高時,峰值荷載有所增加,說明加載速率對試件所能承受的最大荷載有所影響。表2為各試件峰值荷載實測值。

表2 試件峰值荷載Table 2 Peak load of specimens

除此以外,當荷載加載至峰后階段,隨著荷載繼續(xù)加載,P2、P3工況試件位移-荷載曲線更加平滑,且在相同荷載條件下位移變化較小。將荷載加載至峰值荷載的5%時視為加載結(jié)束,此時,P1工況試件最終位移為0.506 mm,而P2、P3工況試件則分別達到了0.581、0.786 mm,這是因為加載至峰后荷載階段時,裂縫開始逐漸產(chǎn)生并延伸,而加載速率較快時,荷載變化速率較快,試件內(nèi)部裂縫無法充分擴展,而在加載最后階段,試件內(nèi)部累積能量較多,最終產(chǎn)生裂縫時能量釋放導(dǎo)致加載結(jié)束時裂縫位移較大。

2.2 損傷定量分析

損傷變量[28]是指用于表示材料內(nèi)部缺陷狀態(tài)的物理量,根據(jù)損傷力學(xué)理論和各向同性假設(shè)的前提,損傷變量D可以表示為0(內(nèi)部無損傷)～1(完全結(jié)構(gòu)失效)的標量。損傷變量的使用有助于更清晰地分析結(jié)構(gòu)損傷程度的演化過程,從而獲得結(jié)構(gòu)的失效特征。本文以試件的位移為主要參數(shù),對結(jié)構(gòu)損傷過程進行定量表征,其主要公式為

(1)

式中:D為損傷指數(shù);x為加載結(jié)束時試件發(fā)生的位移;x′為某一時刻試件發(fā)生的應(yīng)變;P為應(yīng)變發(fā)生時刻的荷載。

在本次試驗過程中,將加載過程歸一化描述,基于各個不同時刻位移-荷載曲線所圍成的面積與最終試件加載結(jié)束時曲線圍合面積比作為損傷指數(shù),最終所得結(jié)果如圖3所示。

圖3 損傷指數(shù)分析Fig.3 Damage index analysis

根據(jù)圖3可以看出,對于3種加載速率,混凝土試件在加載過程中的損傷指數(shù)變化規(guī)律均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,對比位移-荷載曲線可以看出,當歸一化加載時間為0.2時,荷載曲線已經(jīng)接近軟化階段荷載速率變化的轉(zhuǎn)折點,此后裂縫擴展速度逐漸降低,因此損傷指數(shù)變化也逐漸減小。除此以外,在達到相同的位移值時,加載速率越快的試件,其損傷指數(shù)越小,說明加載速率提高,試件損傷指數(shù)逐漸向線性發(fā)展,破壞周期短,破壞更加突然。

3 聲發(fā)射信號統(tǒng)計

3.1 聲發(fā)射信號計數(shù)

聲發(fā)射事件會在壓電傳感器周圍產(chǎn)生振鈴信號,因此可以通過統(tǒng)計振鈴計數(shù)來反映聲發(fā)射信號的活躍度,以此來表述混凝土試件內(nèi)部損傷與裂縫擴展的劇烈程度。圖4為不同工況下位移-荷載、位移-聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)和位移-累計撞擊次數(shù)的變化關(guān)系曲線。

圖4 聲發(fā)射數(shù)據(jù)曲線Fig.4 AE data curves

通過圖4可知,當荷載未達到峰值荷載前,聲發(fā)射的累計振鈴計數(shù)和累計撞擊次數(shù)都比較低,說明在此過程中混凝土試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化較少,內(nèi)部損傷的發(fā)展程度比較輕;當荷載曲線進入到軟化階段時,各項參數(shù)增長速率急劇增加,此時裂縫不斷擴展,內(nèi)部損傷加劇;隨后在軟化階段荷載速率變化的轉(zhuǎn)折點,荷載曲線的下降速率較為平緩,此時曲線增長速率逐漸下降。

由于全過程曲線對于峰值前荷載曲線描述較少,無法反映濕篩混凝土在達到峰值荷載前的損傷情況和破壞信息,因此特對峰值前曲線進行描述。當試件軸向位移達到0.015 mm后,試件荷載曲線不再隨著位移增加呈線性增長,曲線開始向準線性發(fā)展,同時聲發(fā)射信號開始迅速增長,說明在荷載達到峰值荷載前試件內(nèi)部已經(jīng)開始產(chǎn)生損傷。

另外,對比不同加載速率的曲線可知,試件P1加載過程中,隨著位移的變化,累計振鈴計數(shù)和累計撞擊次數(shù)基本呈線性增長,而隨著加載速率的不斷增長,累計振鈴計數(shù)和累計撞擊次數(shù)在3個加載階段的增長速度規(guī)律更加明顯,原因可能是在較慢的加載速率下,試件內(nèi)部裂縫發(fā)展比較充分,累計振鈴計數(shù)和累計撞擊次數(shù)在各個階段增長速率基本相近。而在較快的加載速率情況下,前期由于荷載變化較快,混凝土試件內(nèi)部裂縫來不及充分發(fā)展,此時試件內(nèi)部積聚能量較多,因此到軟化階段,試件內(nèi)部裂縫快速發(fā)展,聲發(fā)射信號數(shù)量迅速增加,到加載最后階段,混凝土試件基本破壞,內(nèi)部裂縫發(fā)展變得緩慢,累計振鈴計數(shù)與累計撞擊次數(shù)增長速度變慢。

3.2 裂縫破壞特征

聲發(fā)射技術(shù)是根據(jù)捕獲試件內(nèi)部的聲波來對混凝土試件的應(yīng)變與損傷進行分析,可以通過對聲波從發(fā)生處到聲發(fā)射探頭的傳播時間、傳播速度等數(shù)據(jù)對混凝土試件的受損部位進行精確定位,從而得到立體圖像中的試件內(nèi)部所發(fā)生的應(yīng)變與損傷,以此確定混凝土試件在不同時間的受損情況。

試件損傷產(chǎn)生彈性波,主要采用P波對定位數(shù)據(jù)進行計算,本研究由傳感器輪流發(fā)射脈沖,由于傳感器位置不同,接受脈沖的時間也各有差異,通過時差法分析計算可得到損傷的精確定位。經(jīng)計算,本研究中濕篩混凝土中波的傳播速度為2 906～3 251 m/s,選用其平均波速3 126 m/s。將各種工況下混凝土試件的聲發(fā)射能量信號進行統(tǒng)計,最終得出聲波產(chǎn)生的位置如圖5所示。

圖5 聲發(fā)射數(shù)據(jù)定位Fig.5 AE data localization

從主視圖可知,在荷載加載過程中,試件內(nèi)部聲發(fā)射信號主要集中在試件的中間位置,同時根據(jù)俯視圖可知,聲發(fā)射信號主要集中在試件的中心部位,也就是說,試件加載過程中的破壞原因主要是試件中心產(chǎn)生裂縫并不斷擴展,最終導(dǎo)致試件被拉斷。圖5(a)中聲發(fā)射信號多數(shù)處于試件邊緣,其原因可能是加載過程中存在偏心導(dǎo)致該處受拉應(yīng)力較大。

為探究聲發(fā)射信號來源,將聲發(fā)射采集的信號按能量大小分為[0,100]、(100,500]和>500共3種類別,圖5分別表示為灰色、藍色與紅色,根據(jù)圖像可知,試件加載過程中能量值為[0,100]的信號最多,能量值為(100,500]的信號數(shù)量占總數(shù)5%～8%,而能量值為>500的信號數(shù)量占1%～3%。研究表明[29],聲發(fā)射能量值越大,說明該處所產(chǎn)生的裂縫擴展活動越活躍,試件內(nèi)部裂縫迅速匯聚擴展并逐步貫通直至發(fā)生宏觀破壞。為了進一步探究試件斷裂的原因,特將斷裂后的混凝土試件斷裂面進行對比,試件斷裂面如圖6所示。通過觀察可以看出,混凝土試件的斷裂主要是由于粗骨料與膠凝材料的膠結(jié)面破壞(如紅色框線所示),其原因可能是濕篩混凝土粗骨料粒徑過大且用量較多,膠凝材料包裹能力有限,導(dǎo)致膠凝材料與粗骨料之間強度較低。而聲發(fā)射能量值較高所對應(yīng)的試件位置發(fā)生了粗骨料的斷裂,說明在加載過程中,部分粗骨料在荷載作用下發(fā)生破壞,產(chǎn)生較大的能量信號,證明聲發(fā)射設(shè)備能夠較好地對試件內(nèi)部的破壞情況進行監(jiān)測。

圖6 加載后試件斷裂面Fig.6 Fracture surface of specimen after loading

4 試件表面裂縫擴展

4.1 裂縫擴展路徑

結(jié)合DIC技術(shù)對所測試件表面進行裂縫實時分析,可以得到不同加載速率下試件裂縫產(chǎn)生過程,加載速率為25×10-6s-1時濕篩混凝土試件表面開裂過程如圖7所示。圖7的圖像分別為荷載峰值階段S1、峰后荷載下降階段S2和試件破壞前階段S3共3個階段。通過DIC技術(shù)可以看出,當荷載達到峰值荷載時,試件表面未發(fā)現(xiàn)裂縫,此時試件表面所受應(yīng)變較小。隨著荷載繼續(xù)加載,內(nèi)部產(chǎn)生大量微裂縫活動,并且微裂縫逐漸延伸與貫通,形成較為明顯的宏觀裂縫,并且逐漸發(fā)展至試件表面。隨后由于裂縫承受應(yīng)力較大,裂縫逐漸增大,荷載裂縫處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中,最終試件從主裂縫處被拉斷。

圖7 試件表面裂縫擴展規(guī)律Fig.7 Surface crack development process of specimen

4.2 裂縫擴展規(guī)律

根據(jù)DIC所采集的裂縫發(fā)展過程,可以對試件在加載過程中裂縫擴展情況進行量化?，F(xiàn)在試件裂縫不同位置處布置測點,統(tǒng)計主裂縫處不同位置裂縫軸向位移擴展情況。裂縫軸向位移位置取距軸心位置37.5 mm。

圖8為在裂縫不同位置軸向位移取點的示意圖,圖9為不同加載速率條件下軸向位移隨著裂縫擴展變化,其中L、R分別表示試件左側(cè)、右側(cè)軸向位移。左側(cè)軸向位移出現(xiàn)負值,而右側(cè)裂縫寬度增長較快,說明試驗過程中試件加載出現(xiàn)偏心現(xiàn)象,左側(cè)受壓而右側(cè)受拉,故取右側(cè)裂縫位移值進行分析。

圖8 軸向位移取點位置Fig.8 Position of point of axial displacement

圖9 不同位置軸向位移與裂縫寬度的關(guān)系Fig.9 Relation between axial displacement and crack width at different positions

加載速率為1×10-6s-1時,試件右側(cè)對應(yīng)的曲線呈波動性增長,而加載速率較快時曲線大致呈線性,說明在加載速率較慢時裂縫的擴展更加充分。除此以外,當加載結(jié)束時,兩側(cè)裂縫位移均小于試件總軸向位移,說明軸向應(yīng)變在試件內(nèi)部均會產(chǎn)生,而不僅限于主裂縫處。

根據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果可知,當荷載曲線達到軟化點時,3種加載條件下主裂縫位移分別為0.005、-0.007、0.006 mm,分別為主裂縫最大位移的5.0%、3.6%、1.0%,說明從開始加載到軟化點,試件受到荷載產(chǎn)生均勻應(yīng)變,此時應(yīng)變?nèi)蕴幱谳^小的狀態(tài)。此后隨著荷載繼續(xù)加載,主裂縫處開始產(chǎn)生宏觀裂縫,主裂縫位移逐漸增大,當加載結(jié)束時,不同加載速率試件的主裂縫位移分別為總位移的17.9%、24.7%、86.9%,即隨著加載速率增加,試件主裂縫位移占軸向位移的比例增加,說明加載速率過快時,試件內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)變集中,從而加重試件破壞程度。

5 結(jié) 論

本文以濕篩混凝土進行圓柱體試件澆筑,結(jié)合聲發(fā)射及DIC技術(shù)對試件進行單軸拉伸試驗,分析濕篩混凝土試件軸向拉伸過程中發(fā)生損傷的破壞過程以及破壞特性,最終得到以下結(jié)論:

(1)荷載加載速率會對裂縫的擴展產(chǎn)生較大影響,加載速率過快時,峰值荷載有所增大;加載速率提高,試件損傷指數(shù)逐漸向線性發(fā)展,破壞周期短。

(2)混凝土試件的斷裂主要是由于粗骨料與膠凝材料的膠結(jié)面破壞,并且存在少數(shù)粗骨料被拉斷,聲發(fā)射技術(shù)可通過能量信號大小反映此種現(xiàn)象,骨料斷裂位置與聲發(fā)射能量信號反映匹配度較高。

(3)軸向拉伸過程中,試件變形在試件的所有位置均會發(fā)生,而不限于主裂縫處。加載速率為1×10-6、5×10-6、25×10-6s-1的試件主裂縫位移分別為總軸向位移的17.9%、24.7%、86.9%,試件主裂縫位移占軸向位移的比例與加載速率呈正相關(guān),加載速率越快,試件內(nèi)部應(yīng)變集中越嚴重,從而加重試件破壞程度。