再生混凝土的声发射特性及Kaiser效应

王炳雷，颜士荣，黄天雨，褚凤明

(1.山东大学 土建与水利学院，济南 250061；2.泰安(山东大学)城乡固废综合利用研究院，泰安271000；3.山东洁诺环境科技有限公司，泰安 271000)

建筑垃圾的堆放和处理侵占土地资源，危害环境，而天然砂石骨料资源短缺、价格暴涨的问题也日益严重，因此建筑垃圾的资源化利用势在必行。将建筑垃圾中的废旧混凝土等制成再生骨料，并将其作为原材料代替天然骨料制成再生混凝土，是建筑垃圾资源化利用的重要手段。国内外学者对再生混凝土的研究以再生骨料的性质及再生混凝土的力学性能为主[1-6]，也有一些学者对再生混凝土结构构件的性能及再生混凝土与钢筋的黏结性进行了研究[7-9]，但对再生混凝土内部损伤演变情况的研究较少。

声发射技术已成为工程中的一项常规无损检测技术，能动态地反映材料微观结构的变化。对于混凝土材料，声发射的产生由于因材料内部发生了裂纹萌生、裂纹扩展以及复合材料不同相界面的脱落等不可逆变化[10]。李加鹏等[11]研究了不同掺量的氧化石墨烯对混凝土声发射参数(幅值、振铃计数、频率)的影响规律。张力伟等[12]证明了声发射技术能有效监测CFRP(碳纤维复合材料)钢管混凝土弯曲过程的损伤程度和破坏历程。纪洪广等[13]证明了普通混凝土在一定应力范围内具有Kaiser效应。

随着声发射技术在普通混凝土微观领域研究的广泛应用，国内外学者也尝试利用声发射技术对再生混凝土展开研究。WATANABE等[14]利用声发射技术证明了再生混凝土与普通混凝土的开裂性能有较大的差异，并根据声发射参数将再生混凝土活动裂纹分为拉伸裂纹和剪切裂纹。RYU等[15]证明声发射技术可以用于识别再生混凝土裂缝的发展源及裂缝的开展机理。刘茂军等[16]对砂浆、普通混凝土、再生混凝土及强化再生混凝土的声发射特性进行了对比分析。

文章基于声发射技术，对不同再生粗骨料取代率(0，30%，50%，70%，100%)的再生混凝土进行单轴压缩过程的动态监测，通过加载过程中再生混凝土声发射能量的变化来预测裂缝的开展，分析声发射优势频率与再生粗骨料取代率(以下简称取代率)的关系。在此基础上，对不同取代率的再生混凝土进行循环加卸载，考察加载过程中不同取代率再生混凝土Felicity比的变化规律，验证再生混凝土Kaiser效应的存在性，有望为建立再生混凝土损伤评估体系提供理论及实践基础。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验采用P·C 42.5级复合硅酸盐水泥；砂采用普通天然河砂，属中砂；拌和用水采用自来水；再生粗骨料由山东泰安某建筑拆除产生的废弃混凝土破碎加工而成。再生骨料来源广泛，成分复杂，离散性较大，为防止这些因素对试验结果普遍性的影响，所用的再生骨料都经过人工挑选，去除了砖、瓦、沥青等物质，再生混凝土骨料含量大于98%。粗骨料的基本性能如表1所示，可知再生骨料的粒径分布与天然骨料的一致，但其表观密度略低，针、片状颗粒含量、吸水率及压碎指标均有增加。这证明再生骨料因具有初始损伤，其性能较天然骨料有所降低。

表1 粗骨料的基本性能

1.2 试验配合比设计

再生混凝土配合比如表2所示，按C30混凝土进行设计，水灰比取0.38，砂率取30%，减水剂掺量为1%。试验所选的取代率分别为0，30%，50%，70%和100%，取代率为0时为普通混凝土(NC)。因再生粗骨料吸水率大，另加入标准吸水率下再生骨料吸水10 min所得附加水。

表2 再生混凝土配合比 kg·m-3

试块参照标准GB/T 50080-2016 《普通混凝土拌和物性能试验方法》进行制作并养护28 d，再生混凝土标准试块实物如图1所示，其尺寸为150 mm×150 mm×150 mm(长×宽×高)。每种取代率制作6块试块，3块测量抗压强度，建立单轴压缩过程中再生混凝土声发射能量的变化曲线来预测裂缝开展，分析声发射优势频率与取代率的关系；3块进行循环加卸载来验证再生混凝土Kaiser效应的存在性。

图1 再生混凝土标准试块实物

2 试验过程

2.1 试验设备与参数

试验采用美国物理声学公司(PAC)的PCI-2型声发射检测系统，探头与试块采用硅脂耦合。试验前首先设置一个合适的阈值电压(门槛)来滤除噪声。试验设置的检测门槛为40 dB，峰值定义时间(PDT)设为150 μs，撞击定义时间(HDT)通常取PDT的2倍，设为300 μs，撞击闭锁时间(HLT)应大于HDT，设为450 μs。

2.2 试验加载

单轴压缩试验按标准GB/T 50081-2019 《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行。循环加卸载分为4次，加载上限(相对应力)分别为0.2,0.5,0.8和1.0，相对应力为当前加载应力与峰值应力的比值。加载试验现场如图2所示。

图2 加载试验现场

不同取代率再生混凝土的抗压强度及其变化趋势如图3所示，误差棒表示的是试验结果的标准偏差。由图3可见，随取代率的增加，再生混凝土抗压强度先增大后减小，在取代率达到30%时抗压强度达到最大值34.1 MPa，当取代率达到100%时，抗压强度为27.6 MPa，与普通混凝土相比，降低约15%。当取代率为30%时，抗压强度增加的原因可能是：① 在此取代率下再生粗骨料与天然粗骨料两者形成的级配更为良好；② 再生骨料表面更为粗糙，受压过程中骨料与水泥石之间的摩擦力增大；③ 再生骨料吸水率较大，在制作过程中吸收了更多的水分，这些水分在养护过程中释放出来，形成“内养护”作用。但由于再生骨料本身性质的劣化，过多再生骨料掺入会使再生混凝土的抗压强度降低。该试验变化趋势与参考文献[17]的试验结论相似。抗压强度试验及离散性分析结果如表3所示。

图3 不同取代率再生混凝土抗压强度及其变化趋势

表3 抗压强度试验及离散性分析结果

3 结果与讨论

3.1 再生混凝土声发射能量与裂缝开展的关系

不同取代率再生混凝土的声发射能量-时间-相对应关系如图4所示。由图4(a)可知，普通混凝土在受压初期(相对应力为0～0.3)有少量能量产生，这是因为随着混凝土弹性变形及内部空隙的压实，试块表面此时无明显现象；随着应力(相对应力为0.30.8)稳定增长，声发射能量减小并趋于稳定，此时混凝土内部开始出现微裂缝，微裂缝随着应力增加稳定发展。在中后期内部裂缝会逐渐扩展并相互贯通，试块最初出现的裂缝靠近试块的表层，位于试块的中央，试块在垂直(竖向)方向为压缩，水平方向膨胀。随着荷载的继续增加，新的裂缝逐渐向两端发展，试块开始外鼓；当进入加载后期(相对应力为0.8～1.0)，声发射能量急剧增加，试块中间的裂缝向两侧发展形成正倒相连的“八”字型，表面贯通的宏观裂缝快速发展。断裂时，可以听到细微的劈裂声；峰值应力过后，声发射能量减小并逐渐趋于零，宏观裂缝延伸贯通，表层混凝土压碎而剥落，试块最终呈现“锥形”的破坏形态。

由图4(b)～(e)可知，再生混凝土单轴压缩过程中能量变化的形式与普通混凝土的基本相似，但呈现以下特点。

图4 不同取代率再生混凝土的声发射能量-时间-相对应力关系

(1) 声发射峰值能量均有升高且升高幅度随取代率的增加而增大。再生骨料具有大量缺陷和初始损伤，再生混凝土内部初始缺陷的数量随着取代率的增加而变多。在加载初期更多的内部孔隙与缺陷被压实闭合，产生更高的声发射能量。在加载后期，再生混凝土的破坏不仅包括再生骨料与新砂浆界面的破坏，还包括再生骨料附着砂浆的破坏以及附着砂浆与新砂浆界面的开裂，破坏的种类与数量更多，因此产生的声发射峰值能量更高。

(2) 随着取代率的增加，在加载中期产生声发射能量更多。这是因为随着再生混凝土中再生骨料含量的增加，性质较差的再生骨料含量增加，在更低应力下再生混凝土内部产生的破坏更多；产生的声发射能量也随之增加。

3.2 取代率对声发射信号优势频率的影响

优势频率是指大多数频率分量所处的频率区间值。试验中指的是大多数平均频率所处的频率区间。图5所示为不同取代率再生混凝土优势频率随相对应力的变化曲线，可见，再生混凝土与普通混凝土的优势频率随相对应力的变化趋势基本相似，但具有以下特点。

图5 不同取代率再生混凝土优势频率随相对应力变化曲线

(1) 加载初期与加载后期，再生混凝土的优势频率较普通混凝土的降低，随着取代率的增加，优势频率逐渐减小。这是因为再生混凝土试块刚开裂时，不仅存在新砂浆与骨料交界面的开裂和新砂浆与附着砂浆交界面的开裂，同时还有再生骨料中附着砂浆的脱落，但并没有出现骨料自身的开裂，所以优势频率整体上低于普通混凝土的。

(2) 随取代率的增加，再生混凝土受压过程中频率变化的幅度减小，优势频率对应的相对应力变化不大。这是因为随取代率的增加，再生混凝土中因再生骨料劣化产生的破坏会增多，这些破坏基本是再生骨料附着砂浆及再生骨料初始缺陷所导致的，破坏性质差别不大，所以在整个过程中优势频率的波动程度减小。无论普通混凝土还是再生混凝土，相对应力达到0.2时，内部空隙已经被压实。而当相对应力达到0.8～0.9时，不同取代率的再生混凝土都开始发生骨料的破坏，因此产生峰值优势频率的相对应力波动不大。

3.3 再生混凝土的Kaiser效应

在循环加载过程中，不同循环过程的声发射不可逆程度有所不同。这种不可逆程度可用Felicity比表示。在每一次循环中，Felicity比(FR)可定义为

(1)

式中：FR(i)为第i次循环中的Felicity比。P(i)为第i次加载所达到的应力水平；P(i+1)为第i+1次加载恢复有效声发射时的应力水平。

根据Kaiser效应的定义，当FR(i)≥1时，Kaiser效应有效。为验证再生混凝土材料声发射Kaiser效应的存在性，对不同取代率再生混凝土进行循环加卸载试验，研究加载过程中其Felicity比随相对应力的变化规律。

在试验过程中，会有少量水泥浆体剥落使声发射信号的幅度迅速增大，不能作为有效声发射的标志。因此用以下两个特征作为出现有效声发射的判别条件：① 当荷载增加时，声发射信号是连续的，即连续性准则；② 在荷载增加的过程中，声发射事件计数多于15个，即事件计数增加准则。

当这两个条件同时满足，则认为已恢复有效声发射。根据这两个判别标准，可得到不同取代率再生混凝土Felicity比与相对应力的关系(见图6)。由图6可见，普通混凝土声发射Felicity比随相对应力的增大先由大于1逐渐减小至小于1，随后又上升，当相对应力约达到0.4时又大于1，此后应力逐渐增加，Felicity比始终大于1，当相对应力超过0.7时，Felicity比急剧下降。这表明普通混凝土在相对应力为0.3～0.7时具有良好的不可逆性，存在Kaiser效应。

图6 不同取代率再生混凝土Felicity比-相对应力关系

对于再生混凝土，分析变化趋势可知其也具有Kaiser效应，但与普通混凝土相比主要有以下区别。

(1) 再生混凝土Kaiser效应无应力下限。对于再生混凝土，内部初始缺陷、裂缝较多，在低应力循环加载过程中，内部初始缺陷和初始裂缝已经开始发生破坏，无法完全闭合，当充分闭合时内部已产生不可逆破坏，所以在低应力水平下始终表现为良好的不可逆性。

(2) 再生混凝土Kaiser效应的应力上限有所提高。由图6可知，随着取代率的变化，再生混凝土具有Kaiser效应的最大相对应力(应力上限)由0.7左右逐渐提高至0.8左右，原因是再生混凝土受到破坏时产生的声发射能量更高，在产生宏观裂缝和裂缝发展的过程中需达到更高的应力水平，导致Kaiser效应应力上限也就相应地提高。

4 结语

(1) 单轴压缩过程中，再生混凝土声发射峰值能量比普通混凝土的更高，且随着取代率的增加，峰值能量的大小和加载中期产生声发射能量的数量均有增加。

(2) 与普通混凝土相比，再生混凝土加载初期与加载后期的优势频率有所降低。随着取代率的增加，优势频率的大小及频率变化的幅度均有所减小。达到峰值优势频率时的相对应力波动不大。

(3) 再生混凝土与普通混凝土都具有Kaiser效应，但与普通混凝土相比，再生混凝土的Kaiser效应无应力下限，且应力上限有所提高。