冻融作用对自密实轻骨料混凝土声发射特性影响

李京军，闫 珺，牛建刚

(1. 内蒙古科技大学土木工程学院，包头 014010；2. 内蒙古自治区土木工程安全与耐久重点实验室，包头 014010)

自密实轻骨料混凝土兼有轻骨料混凝土和自密实混凝土2 种类型混凝土的优点及属性特征，其在浇筑过程中无需机械振捣，适用于配筋密集且难浇筑部位[1]；轻质的特性为高耸、大跨建筑结构设计、老旧建筑物的修复和加固提供了新思路[2-3]。目前对自密实轻骨料混凝土的研究主要集中于配合比设计、工作性能以及力学性能等方面[4]，但对其耐久性方面研究匮乏，阻碍了其推广及应用。自密实轻骨料混凝土的自密实属性赋予其拌和物良好的均质性，轻骨料混凝土属性使混凝土具有良好的保温隔热性能、抗冻融性能及抗震性能。不难推断，采用自密实轻骨料混凝土制备的混凝土结构与普通振捣混凝土相比，具有更优异的耐久性能以及更长的使用寿命。Kosmas 等[5]和Bashandy 等[6]验证了自密实轻骨料混凝土在氯盐及硫酸盐侵蚀环境中的抗侵蚀能力，及使用寿命显著优于普通振捣混凝土。

我国北方寒冷地区的混凝土建筑物或构筑物常因遭受冻融作用出现病害，服役寿命难以保证[7]。自密实轻骨料混凝土中由于掺入了轻骨料，其多孔的结构特征可有效抵抗冰结晶膨胀压力，使其在严寒及寒冷地区的混凝土工程中应用前景广阔。但目前对自密实轻骨料混凝土的抗冻融性能，特别是冻融后的力学性能的退化规律研究不充分。常规加载试验，只能观察到试件最终破坏形态，无法有效反映试件内部的动态损伤开裂过程[8]。声发射(acoustic emission, AE)是材料变形及裂缝扩展过程的伴生现象。通过研究材料损伤开裂过程中的AE 信号，能够反演材料内部裂纹的发展演化规律[9]。AE 技术常被用于混凝土和大型结构的损伤监测[10]、识别破坏机理[11-12]、定位裂缝源位置[13-14]、量化损伤程度[15-17]等。例如，Elaqra 等[18]利用AE 技术研究混凝土试件在轴压作用下的损伤和断裂；Aggelis 等[19]采用AE 特征参数表征钢纤维混凝土的损伤过程；Li 等[20]利用AE 技术研究了钢纤维混凝土的破坏机理和纤维增强机理；邱继生等[21-22]基于AE 技术对不同冻融循环次数作用后的煤矸石混凝土进行单轴抗压试验，对其受压破坏全过程中的损伤特性进行动态分析，建立了煤矸石混凝土的损伤本构模型；黄超等[23]利用AE 技术研究冻融混凝土劈拉破坏过程中的损伤发展情况。鉴于此，本文通过开展冻融循环后的单轴压缩试验，同步使用AE 技术，建立应力-时间关系曲线与AE 特征参数之间的关联关系，揭示受荷试件内部裂缝损伤开裂规律，以期为自密实轻骨料混凝土在北方地区推广及应用提供理论依据。

1 试验概况

1.1 试验原材料及配合比

选用的胶凝材料包括P·O 42.5R 型普通硅酸盐水泥、Ⅱ级粉煤灰、硅灰密度，胶凝材料化学组成成分详见文献[24]；粗骨料选用粒径为5 mm～16 mm的圆球形页岩陶粒，表观密度、堆积密度分别为1773 kg/m3、994 kg/m3，筒压强度11.8 MPa，1 h及24 h 吸水率分别为3.8%、5.3%；细骨料选用级配良好的Ⅱ区中砂，细度模数为2.7。减水剂选用改性聚羧酸醚减水剂，推荐掺量为0.05%～0.5%。轻粗骨料内部疏松多孔特征可起到引气作用，因此在混凝土制备过程中未掺引气剂，试验配合比见表1，其28 d 抗压强度、干表观密度及自密实性能指标见表2。

表2 自密实轻骨料混凝土性能指标Table 2 Performance index of self-compacting lightweight aggregate concrete

1.2 试验方法

依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB 50082-2009)[25]，每组采用3 块尺寸为100 mm×100 mm×400 mm 的试件进行快速冻融试验。冻融试验前，试件在标准养护室内养护24 d，然后将冻融试件放在(20±2)℃水中浸泡4 d。循环温度设定在-18 ℃～5 ℃，一次冻融循环周期为4 h，其中冻结和融化时间分别为2 h。冻融试验达到100 次循环次数后或相对动弹性模量下降至初始值的60%时，停止试验。依据IRTM 方法，选用φ50 mm×100 mm 的圆柱体试件进行轴压试验，加载设备采用日本岛津AGI-250 高精度材料试验机，加载速率为0.2 mm/min。加载过程中同步采用美国物理声学公司生产的DISP 系列全数字声发射工作站进行AE 信号采集及储存。AE 系统参数见表3[4]。为避免环境噪声的影响，门槛值设置为45 dB。采样频率设置为1 MHz，软件设置前放增益为40 dB，与前置放大器保持一致。AE 探头坐标位置及示意图分别见表4 和图1[4]。

表3 声发射系统参数Table 3 Parameters of AE system

表4 声发射探头位置Table 4 Location of AE probe

图1 声发射探头布置示意图Fig. 1 Schematic diagram of AE sensor location

2 结果与讨论

2.1 冻融损伤指标

图2 给出冻融作用对试件相对动弹性模量和质量损失率的影响规律。100 次冻融循环周期内，各组试件质量损失率均为负值，表明试件质量均有所增加，且质量损失率绝对值随循环次数增加呈增大趋势。这是由于轻骨料孔隙率较大，冻融交替变化会将混凝土孔隙内空气逐渐排出，多孔陶粒逐渐吸水饱和；此外，冻融后期，试件表面细微裂缝吸水饱和也会导致质量增加。随循环次数的增加，混凝土试件劣化程度加大，相对动弹性模量呈下降趋势。

图2 质量损失率和相对动弹性模量的变化Fig. 2 Variation of mass loss rate and relative dynamic modulus of elasticity

2.2 声发射特性

2.2.1 声发射特征参数变化

AE 特征参数可以能够反映材料损伤渐进破坏的前兆信息[26]。图3 为单轴压缩状态下压应力和AE 特征参数与加载时间的关系图。由图可知，冻融循环作用对自密实轻骨料混凝土峰值应力有明显削弱。随着循环次数增加，峰后破坏阶段的应力-应变曲线更加完整，下降段曲线趋于平缓。孔丽娟[27]指出，混凝土单轴压缩应力-应变曲线下降段形状主要由混凝土基体强度决定。

图3 AE 特征参数与加载时间的关系图(左: 振铃计数-时间关系图，右: 能量-时间关系图)Fig. 3 Relationship between AE characteristic parameters and loading time(left: the ringing count-time diagram; right: the energy-time diagram)

混凝土应力水平与AE 信号之间具有良好相关性，AE 信号在不同加载阶段的变化特征能够反映试样内部微裂纹发展演化过程。各组试件在不同冻融循环次数下的AE 特征参数变化规律相似。初始阶段，各组试件的AE 信号均较少，能量较低，该阶段AE 信号主要源于混凝土内部原生裂缝或缺陷的挤压闭合以及新产生裂纹的扩展；随着应力水平提高，振铃计数率、能率保持在较低水平，振铃计数及能量数较平稳，应力-时间曲线呈近似线性关系；当外界压应力超过混凝土临界应力值，裂纹密集出现并迅速扩展，振铃计数率和能率维持在较高水平。随着应力水平持续增加，微细裂纹逐渐汇集成核发展成宏观裂纹，试样内部裂纹失稳扩展，进入破坏阶段[28]，振铃计数及能量数最大值发生在试样达到峰值应力时。对于未冻融和冻融50 次的试件，能率及振铃计数率也均在峰值应力时达到最大值。峰后下降段的 AE 信号骤减是由于小裂纹贯通发展成宏观大裂缝。经历100 次冻融后，试件内陶粒产生破损，砂浆基体产生大量裂缝，峰值应力后砂浆颗粒及陶粒内部易破损部位的不断摩擦、错位滑移，产生大量的AE 信号。

2.2.2 RA 和AF 值

AE 特征参数RA 及AF 值与材料的开裂模式相关[29]。RA 值是上升时间与幅值的比值，AF 值是振铃计数与持续时间的比值。图4 为RA 和AF 值随加载时间的变化关系曲线。

图4 RA 和AF 随加载时间的变化Fig. 4 Variation of RA and AF with loading time

由图4 可知，RA 和AF 值随着加载时间的延长呈上下波动趋势发展，说明，试件内部损坏并非由单一类型的破坏开裂模式控制，而是经历多次的拉伸裂缝与剪切裂缝之间的交替转化，最终导致混凝土主裂缝的形成，使试件产生压裂破坏[30]。初始阶段，AF 值整体呈上升趋势发展，期间出现上下波动而非单调上升，RA 值并没有显著变化。表明该阶段主要以拉伸裂纹为主，源于砂浆及骨料颗粒中原生裂缝的闭合或延伸扩展。随着应力水平的增加，AF 值较稳定，但并非恒定不变，期间呈现上下波动变化，RA 值变化幅值较小，说明，该阶段拉伸裂缝与剪切裂缝之间的比例以及两种类型裂缝的交替演化较恒定。进入裂纹不稳定扩展阶段，未经历冻融循环的试件所对应的AF 值及RA 值呈上升趋势发展，尤其当临近峰值应力时上述两类特征参数值迅速增加，表明此时刻有相当数量的混合裂缝产生，既有拉伸裂缝又有剪切裂缝。混合裂缝主要源于轻骨料颗粒的拉伸开裂以及因环箍效应导致的剪切裂缝[31]。对于经历50 次及100 次冻融循环的试件而言，在该阶段AF 值呈降低趋势发展，而RA 值呈上升趋势发展，说明，有大量的拉伸裂缝向剪切裂缝转换。这可能是因为，多孔轻质粗骨料颗粒是混凝土内部的薄弱环节，在冻融循环作用下，由于静水压力作用导致粗骨料颗粒产生冻害损伤，使其在受荷前就已存在大量拉伸裂缝，粗骨料颗粒在混凝土内的薄弱程度随冻融损伤的累积而增大，混凝土受荷时，混凝土内部产生的应变能主要以剪切裂缝形式耗散。

2.2.3 能量-幅值关联分析

图5 给出不同冻融循环次数后试件单轴压缩AE 信号能量-幅值关联图。

图5 能量-幅值关联图Fig. 5 Energy- amplitude correlation diagram

由图5 可知冻融循环作用对AE 信号的幅值分布影响较小，各组试件信号幅值主要集中于45 dB～100 dB，但对信号能量影响较为显著，冻融循环作用显著降低了信号能量，表明内部裂纹萌生、扩展更容易。未经历冻融循环的混凝土试件，信号能量主要集中在0 mV·μs～30000 mV·μs，经历50 次、100 次冻融循环作用后能量显著降低，主要集中在0 mV·μs～10000 mV·μs。

2.2.4 信号频率分布特征

图6 所示为AE 信号能量-峰值频率关联图。

图6 能量-峰值频率分布关系图Fig. 6 Energy and peak frequency distribution diagram

由图6 可知，AE 信号的峰值频率主要分布于15 kHz～45 kHz，85 kHz～105 kHz，235 kHz～255 kHz和285 kHz～320 kHz，这4 个“优势频段”，分别对应于混凝土内部预存裂纹或孔隙压密，骨料/砂浆界面增强层的开裂，粗骨料断裂破坏以及砂浆的开裂[32]。冻融作用没有对“优势频段”位置产生明显影响，但随着冻融次数增加，各“优势频段”所对应能量值显著降低。说明冻融过程能够显著降低混凝土开裂过程中所吸收或释放的能量，裂纹扩展延伸更容易，这主要与冻融破坏过程能够损坏混凝土的性能、降低混凝土强度及密实程度有关。图中存有的能量趋于0，但峰频高达400 kHz 以上的散点，源于试样加载过程中出现的机械噪声产生的背景噪声[33-34]。

2.2.5 轴压破坏模式及AE 信号空间定位图

图7 为试件经历不同冻融次数后的轴压破坏形态图。由图7 可知，未冻融试件轴压破坏呈明显的剪切破坏形态，随着冻融循环次数的增加，裂缝趋于沿纵向受力方向开展，这主要与冻融损伤会削弱基体强度有关。图7 只能观测试件表面的宏观破坏，无法获知试件内部的动态损伤演化过程。鉴于此，进行AE 信号空间定位分析。由AE 信号空间分布图可直观看出不同应力水平下AE 事件数量和集中程度，反映试件内部损伤开裂演化过程。图8 所示为未冻融试件、50 次冻融后试件及100 次冻融后试件在不同应力水平下的AE 信号空间分布图。

图7 轴压破坏形态图Fig. 7 Axial compression failure pattern diagram

由图8 可知，冻融作用及应力水平变化对AE 信号源空间分布具有较大影响。对于各组试样，应力水平为0.2fcu(fcu为试件轴压强度)时，AE 事件数量较少，当应力水平高于0.2fcu，AE 信号趋于活跃，AE 事件在试样断裂面有聚集趋势。未冻融试件的AE 信号源主要分布在与加载方向呈30°斜向截面上。随着冻融次数增加，AE 信号源分布向混凝土试样中间聚集，靠近试样表面AE 事件相对较少。这主要是因为，混凝土经受冻融循环作用的损伤过程是由表及里进行的，在混凝土试样与周围水环境接触表面产生一定厚度损伤层，该厚度范围内混凝土基体强度及密实度显著降低，在受荷过程中该层产生的AE 响应相对于试样中间部位显著降低，因此，AE 信号源随着冻融循环作用增加向中间聚集。

图8 AE 源空间定位图Fig. 8 AE source spatial location map

3 结论

文章对经历不同冻融循环次数(0 次、50 次、100 次)后的自密实轻骨料混凝土进行单轴压缩试验，并利用AE 技术进行同步监测，分析了单轴压缩应力-时间曲线与声发射特征参数之间的关联关系，揭示了加载试件内部裂纹损伤和开裂规律。试验主要结论如下：

(1) 冻融循环作用对试件单轴受压峰值应力有明显削弱作用，随着冻融次数增加，轴压应力-应变曲线趋于完整，下降段更加平缓。

(2) 冻融循环作用对混凝土单轴压缩AE 信号的幅值分布影响较小，各组试件信号幅值主要集中于45 dB～100 dB，但对AE 信号能量影响较为显著，冻融循环作用显著降低了AE 信号能量，表明内部裂纹开裂更容易萌生、扩展。

(3) AE 信号峰值频率主要分布于15 kHz～45 kHz，85 kHz～105 kHz，235 kHz～255 kHz 和285 kHz～320 kHz 4 个“优势频段”区间，分别对应于混凝土内部预存裂纹或孔隙压密，砂浆基体开裂或者骨料与砂浆界面间脱粘，粗骨料断裂破坏以及粗骨料内部拉伸裂纹发展。随着冻融次数增加，各“优势频段”所对应能量值显著降低。

(4) 冻融后的试件在轴压作用下经历拉伸裂缝与剪切裂缝之间的交替转化，最终导致试件形成主裂缝产生破坏。

(5) 对于各组试样，应力水平在0.2fcu各阶段内，AE 事件数量较少，当应力水平高于0.2fcu，AE 信号趋于活跃，AE 事件在试样断裂面有聚集趋势。