基于聲發射技術的早齡期混凝土斷裂性能

范向前， 葛菲

（1.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；2.水安全與水科學協同創新中心，江蘇 南京 210024）

早齡期混凝土是指養護齡期小于標準養護齡期（28 d）的混凝土［1］.實際工程中，混凝土結構自澆筑成形后，在未達到標準養護齡期前便處于服役狀態［2］.混凝土結構在養護齡期內受水泥水化［3］、收縮變形［4?5］和外荷載［6］等影響，會產生裂縫而開裂，影響其耐久性和使用壽命.因此，為保證混凝土結構在早齡期階段的安全性，開展早齡期混凝土的斷裂特性研究具有重要意義.

Matallah等［7］針對養護齡期不足1 d的混凝土試件，提出了軟化損傷模型和非線性逆分析算法.Nikbin等［8］將斷裂能與不同有效參數進行聯系，研究了1種確定混凝土斷裂能的經驗方法.Abolhasani等［9］發現當水灰比由0.55降低到0.30時，混凝土的斷裂韌性呈線性增加.張廷毅等［10］建立了多因素影響下混凝土斷裂韌度的計算模型.范向前等［11］研究發現斷裂韌度不隨混凝土試件高度的增加而變化.王治等［12］研究認為7 d內混凝土的臨界能量釋放率隨著養護齡期的增加而增長.

聲發射（AE）技術［13］是監測混凝土材料內部損傷動態過程的重要手段，其原理是根據材料內部發出的彈性波判斷材料的損傷程度.Hu等［14］通過AE參量得到了混凝土的斷裂起裂點.Kravchuk等［15］建立了基于神經網絡的AE事件源機制分析方法.Han等［16］基于AE信號，提出了膠粉混凝土安全區的嚴重性邊界和歷史指標邊界.Chen等［17］通過AE參數研究了不同加載速率下混凝土的斷裂特征.因此，AE技術不僅可以表征混凝土的斷裂特性，也是監測混凝土內部損傷動態過程的重要手段.

當前，基于AE技術開展混凝土斷裂特性的成果較多，但是針對早齡期混凝土斷裂特性的研究相對較少.為此，本文采用AE技術，對早齡期混凝土的斷裂特性和破壞模式進行研究分析.

1 試驗

1.1 原材料與試件制備

水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；細骨料為天然河砂；粗骨料為粒徑5～20 mm碎石；拌和水為自來水.試件配合比m（水泥）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）=1.00∶2.02∶3.03∶0.51.

設計了5組養護齡期（3、7、14、21、28 d），每組4根，共20根含預制裂縫（縫高比為0.3）的早齡期混凝土試件，強度等級為C40，尺寸為100 mm×100 mm×400 mm.所有試件均一次性澆筑完成，并在澆筑時放置厚度為3 mm的預埋鋼片，以形成初始縫高比為0.3的裂縫.試件澆筑完成4 h后取出預埋鋼片，24 h后脫模，標準養護至規定齡期.

1.2 試驗方案

1.2.1 三點彎曲梁斷裂試驗

早齡期混凝土斷裂試驗在南京水利科學研究院液壓伺服試驗機上完成.試件標準養護至規定齡期后，在其底部預制裂縫兩側粘貼鋼片，鋼片刀口處放置夾式引伸計，以測量混凝土加載過程中的裂縫口張開位移（CMOD）值.試驗單調加載采用位移控制，加載速率為0.05 mm/min.為更加真實地反映試驗結果，對試件進行4組重復試驗.早齡期混凝土試件尺寸示意圖見圖1.

1.面向基層設立統戰工作實踐創新成果獎。中央和各?。ㄗ灾螀^、直轄市）黨委統戰部門，要按照不同資源條件、不同方向原則，配備必要的專項工作經費，指導各地區縣、鄉（鎮、街道）持續開展項目化、特色化基層統戰工作品牌建設，促進基層統戰工作抓手的多樣化、個性化；幫助基層總結經驗，提煉推廣成果，促進工作創新，增強工作實效。

圖1 早齡期混凝土試件尺寸示意圖Fig.1 Dimensional diagram of early?age concrete specimen（size：mm）

1.2.2 AE采集系統

采用Sensor Highway Ⅱ 型AE采集系統動態檢測試件的裂縫擴展情況.該系統的濾波頻率范圍為1～400 kHz，前置增益設置值為40 dB，門檻值設置值為35 dB.在試件前后同一水平處分別布置2個AE傳感器，頂部同一高度處再布置2個AE傳感器（共6個AE傳感器）.在AE傳感器與試件接觸表面涂抹適量凡士林，并用專用設備固定AE傳感器，以提高其精度.

1.3 斷裂參數計算方法

1.3.1 斷裂韌度

式中：h0為夾式引伸計鋼片厚度，mm；Vc為試件裂縫口張開位移臨界值，mm；Ec為試件彈性模量，GPa；ci為試件初始柔度（即CMOD/P），mm/kN，取P?CMOD曲線上升段線性直線上任意3點的CMOD值，與P值進行計算，再取其平均值；b為試件厚度，mm；h為試件高度，mm.

1.3.2 斷裂能

斷裂能GF（N/m）表示混凝土裂縫擴展單位面積所需要的能量，用于反映混凝土抵抗裂縫擴展的能力.GF的計算式［18］為：

式中：W為斷裂過程中試件所做的功，J，可用P?CMOD曲線與坐標軸所圍成的面積計算得到；Atig為試件斷裂面的實際面積，m2，Atig=b(h-a0).

圖2 早齡期混凝土的尾部斷裂能計算示意圖Fig.2 Schematic diagram of tail fracture energy calculation of early?age concrete

2 結果與討論

2.1 斷裂性能

2.1.1P?CMOD曲線

圖3為早齡期混凝土的P?CMOD曲線.由圖3可見：早齡期混凝土的斷裂破壞過程具有明顯規律性，可分為3個階段——（1）裂縫起裂階段，P隨CMOD值線性增加，屬于彈性階段；（2）裂縫穩定擴展階段，隨著CMOD值的增加，P仍持續增加，但增速逐漸變小，直至達到失穩荷載Pmax，同時伴隨著微裂縫的產生；（3）裂縫失穩破壞階段，P達到峰值后，隨著CMOD值的增加逐漸減小，混凝土內宏觀裂紋發展成為貫穿裂紋.

圖3 早齡期混凝土的P?CMOD曲線Fig.3 P?CMOD curves of early?age concretes

根據P?CMOD曲線和相關公式，計算出早齡期混凝土試件的起裂荷載、失穩荷載，以及對應的斷裂參數.

圖4為早齡期混凝土起裂荷載和失穩荷載隨養護齡期的變化.由圖4可見：與3 d養護齡期相比，7、14、21、28 d養護齡期下，混凝土的起裂荷載提高65.8%、118.9%、141.4%和455.0%；失穩荷載提高30.3%、59.2%、71.9%和79.4%.這表明早齡期混凝土起裂荷載和失穩荷載均隨著養護齡期的增加而增大.主要原因是隨著養護齡期的增加，混凝土內部的水化產物能夠填充孔隙和微裂紋［1］，延緩了裂縫的產生和擴展，提高了混凝土的斷裂性能.混凝土的延性由起裂荷載與失穩荷載的比值來反映，該比值越大，混凝土從起裂到失穩的過程就越快，延性就越差［14，21］.圖5為早齡期混凝土起裂荷載與失穩荷載的比值變化.由圖5可見，隨著養護齡期的增加，混凝土起裂荷載與失穩荷載的比值逐漸增大，表明混凝土延性變差.

圖4 早齡期混凝土的起裂荷載與失穩荷載隨養護齡期的變化Fig.4 Variation of cracking load and instability load of early?age concretes with curing age

圖5 早齡期混凝土起裂荷載與失穩荷載的比值變化Fig.5 Change in the ratio of cracking load to instability load of early?age concretes

2.1.2 斷裂韌度

圖6給出了早齡期混凝土起裂韌度和失穩韌度的變化規律.由圖6可見：（1）與3 d養護齡期相比，養護齡期至28 d時，混凝土的起裂韌度與失穩韌度均顯著增大，其抵抗開裂的能力不斷提高；（2）與3 d養護齡期相比，7、14、21、28 d養護齡期下，試件的起裂韌度增加63.6%、115.0%、136.8%和149.8%，失穩韌度增加49.6%、79.5%、95.9%和104.3%.這表明早齡期混凝土的起裂韌度和失穩韌度隨著養護齡期的增加呈現相似的變化規律——當養護齡期由3 d增至14 d時，混凝土的起裂韌度和失穩韌度增速較快；當養護齡期由14 d增至28 d時，混凝土的起裂韌度和失穩韌度增速變緩.

圖6 早齡期混凝土的起裂韌度和失穩韌度Fig.6 Crack initiation toughness and unstable toughness of early?age concretes

2.1.3 斷裂能

圖7為早齡期混凝土的斷裂能.由圖7可見：隨著養護齡期的增加，混凝土的斷裂能不斷增大，當養護齡期由3 d增至7 d時，混凝土斷裂能增幅最大，當養護齡期由7 d增至14 d時，混凝土斷裂能增幅次之；與3 d養護齡期相比，7、14、21、28 d養護齡期下，試件的斷裂能增大16.4%、27.7%、33.8%和44.1%.這主要是養護齡期由3 d增至14 d時，混凝土的水化反應最為激烈，此期間水化產物的生成速率很快，不斷填充混凝土內部孔隙，很大程度上提高了混凝土抗裂縫擴展能力；當養護至14 d齡期后，混凝土的水化進程逐漸減慢，基本不再產生新的水化產物，導致混凝土抵抗裂縫擴展的能力變弱.

圖7 早齡期混凝土的斷裂能Fig.7 Fracture energy of early?age concretes

2.2 聲發射參量

2.2.1 振鈴計數

振鈴計數是反映聲發射現象是否活躍的參量，從振鈴計數的變化趨勢可以得到材料內部損傷發展的劇烈程度和實時變化.累計振鈴計數能夠反映材料在加載過程中AE活動的總量和頻率，其增速越快，材料內部損傷就越快.

圖8給出了早齡期混凝土振鈴計數和累計振鈴計數與時間的關系曲線.由圖8可知：（1）不同養護齡期條件下，混凝土的累計振鈴計數與時間的關系曲線變化是一致的，可分為3個階段，其中的2個拐點分別對應起裂荷載和失穩荷載.第一階段累計振鈴計數增長較快，混凝土內部出現損傷，開始產生微裂縫，為起裂階段；第二階段振鈴計數明顯減小，累計振鈴計數的增速趨于平緩，說明此時混凝土內部損傷穩定增長，裂縫正緩慢穩定發展，為穩定擴展階段；第三階段振鈴計數突然激增，累計振鈴計數近似于指數式增長，說明裂縫進入失穩擴展階段，為失穩破壞階段.（2）養護齡期對混凝土內部損傷有顯著影響，養護齡期為3、7、14、21、28 d的試件累計振鈴數分別為1.28×103、3.25×103、4.33×103、4.71×103、5.13×103；與3 d養護齡期相比，7、14、21、28 d養護齡期下試件的累計振鈴數分別增長153.4%、238.3%、267.9%和300.8%，表明隨著養護齡期的增加，混凝土累計振鈴計數的增速逐漸減小，原因是混凝土在養護期間發生了水化反應，水化產物的增加減小了混凝土內部的孔隙，增強了混凝土的抗開裂能力，從而使得混凝土內部的裂縫在擴展過程中AE信號增加.其中，養護齡期為14 d時，累計振鈴計數增速更快，說明混凝土的水化反應更劇烈.

圖8 早齡期混凝土振鈴計數和累計振鈴計數與時間的關系曲線Fig.8 Ringing count and cumulative ringing count with time of early?age concrete specimens at different curing ages

2.2.2 上升角（RA）值和平均頻率（AF）值

混凝土斷裂過程中的裂紋可分為剪切裂縫和拉伸裂縫.這2種裂縫產生的AE信號波形有所不同，剪切裂縫產生橫波，拉伸裂縫產生縱波.由于橫波和縱波的傳播速度不同，因此可以用信號波的上升角（RA）和平均頻率（AF）來識別混凝土斷裂過程中的剪切裂縫和拉伸裂縫［22?23］.RA值是信號波上升時間與幅值的比值；AF值是振鈴計數與持續時間的比值.若RA值高、AF值低，說明信號波形梯度小，AE信號頻率低，與剪切裂縫的特征信號相符合；反之，與拉伸裂縫的特征信號相符合.RA值高、AF值低對應混凝土剪切破壞模式；而RA值低、AF值高對應混凝土拉伸破壞模式.

圖9為早齡期混凝土的RA?AF關系曲線.其中分界線上部分為拉伸破壞，下部分為剪切破壞.由圖9可見：（1）隨著養護齡期的增加，剪切信號源占總信號源的比例明顯增多，表明剪切裂縫占總裂縫的比例隨養護齡期的增加而增加.（2）養護齡期小于14 d時拉伸信號多于剪切信號，混凝土開裂以拉伸裂縫為主；養護齡期大于等于14 d時剪切信號多于拉伸信號，混凝土開裂以剪切裂縫為主.

圖9 早齡期混凝土RA?AF的關系曲線Fig.9 Relation curves of RA?AF of early?age concretes at different curing ages

3 結論

（1）早齡期混凝土的起裂荷載和失穩荷載隨著養護齡期的增加而增大，起裂荷載與失穩荷載的比值隨著養護齡期的增加而增大，混凝土延性變差.

（2）早齡期混凝土的起裂韌度、失穩韌度和斷裂能隨著養護齡期的增加而增大.與3 d養護齡期相比，7、14、21、28 d養護齡期下混凝土的起裂韌度增加63.6%、115.0%、136.8%和149.8%，失穩韌度增加49.6%、79.5%、95.9%、104.3%，斷裂能增加16.4%、27.7%、33.8%和44.1%.當養護齡期由3 d增至14 d時，早齡期混凝土的斷裂韌度和斷裂能增速較快；當養護齡期由14 d增至28 d，早齡期混凝土的斷裂韌度和斷裂能增速變緩.

（3）聲發射振鈴計數和累計振鈴計數均能較好地反映早齡期混凝土的損傷破壞過程.與3 d養護齡期相比，7、14、21、28 d養護齡期下累計振鈴數分別增長153.4%、238.3%、267.9%和300.8%，且累計振鈴計數的增速隨著養護齡期的增加而減小.

（4）早齡期混凝土斷裂破壞過程中，剪切裂縫占總裂縫的比例隨著養護齡期的增加而增加.養護齡期小于14 d時，混凝土開裂以拉伸裂縫為主；養護齡期大于等于14 d時，混凝土開裂以剪切裂縫為主.