基于声发射技术的再生混凝土冻融损伤特性研究.pdf

第54卷第8 期2023年8 月文章编号：10 0 1-417 9(2 0 2 3)0 8-0 2 2 1-0 6引用本文：张恺，尹志刚，陈晨，等.基于声发射技术的再生混凝土冻融损伤特性研究J.人民长江,2 0 2 3,54（8）：2 2 1-2 2 6.人民长江YangtzeRiverVol.54,No.8Aug.，2 0 2 3基于声发射技术的再生混凝土冻融损伤特性研究张恺,尹志刚?,陈晨,董思健?,周晶1（1.大连理工大学水利工程学院，辽宁大连116 0 2 4；2.长春工程学院吉林省水工程安全与灾害防治工程实验室，吉林长春130 0 12；3.清华大学土木工程系，北京10 0 0 8 4）摘要：为研究不同冻融介质（清水、3.5%NaCl溶液）对再生混凝土冻融损伤和声发射特性的影响，对再生粗骨料替代率为50%的混凝土开展快速冻融试验。利用声发射技术对冻融后的再生混凝土受压全过程进行监测，以声发射特性参数作为损伤变量，分析不同冻融介质下再生混凝土的冻融损伤劣化特征。结果表明：在3.5%（质量比）NaCl溶液中的再生骨料混凝土的冻融破坏程度要远大于清水组中混凝土的冻融破坏程度，且两者之间的差异随冻融次数的增加而增大；声发射能量释放率的峰值随冻融次数呈逐渐降低的趋势，不同冻融次数后声发射相对累积能量随相对应力水平的增加而逐渐增大，曲线的拐点逐渐右移。建立的声发射相对累积能量一应力曲线能够较好地反映再生骨料混凝土冻融后受压破坏的全过程。研究成果可为研究再生混凝土冻融损伤演化规律提供参考。关键词：再生混凝土；冻融介质；声发射技术；损伤中图法分类号：TU528.00引言将拆除废弃建筑物的混凝土机械破碎、筛分后制成再生骨料替代部分天然骨料制备再生混凝土，不仅能在一定程度上缓解自然资源紧缺的局面，还可以解决建筑垃圾粗放性回填或露天堆放引起的环境污染问题，对降低碳排放、实现“碳达峰、碳中和”、促进经济社会协调发展具有重要意义1-3。近年来,国内外学者对再生骨料混凝土开展了大量研究。王晨霞等4 研究了不同强度等级再生混凝土和普通混凝土冻融后力学性能、动弹性模量和超声波损失率的变化规律。牛海成等5 认为再生混凝土的抗冻性能随再生骨料替代率的增加而降低。Roumi-ana等6 认为再生骨料表面附着老砂浆，自身多孔且收稿日期：2 0 2 2-0 4-19基金项目：吉林省科技厅资助项目（2 0 2 10 2 0 3141SF，2 0 2 2 0 50 8 146 RC）作者简介：张恺，男，博士研究生，主要从事寒区水工混凝土材料耐久性与结构抗震研究。E-mail：z h a n g k a i 52 30 536 8 2 16 通信作者：尹志刚，男，教授，博士，研究方向为水工结构工程与混凝土材料性能。E-mail:文献标志码：AD0I:10.16232/ki.1001-4179.2023.08.031吸水率高是导致其抗冻性能明显低于普通混凝土的主要原因。Jinior等7 研究了不同再生骨料替代率（15%，2 5%，50%）下的混凝土表观密度、孔隙率、毛细吸水率、抗压强度和相对动弹性模量随冻融次数的变化规律。杨阳等8 研究了不同粗骨料替代率和微珠掺量对再生混凝土力学性能、自收缩性能以及抗氯离子渗透性能的影响。可见，目前关于再生骨料混凝土的研究主要集中在配合比设计、力学性能和耐久性等方面，但是有关再生骨料混凝土在不同冻融介质中的力学性能及其冻融损伤规律方面的研究还比较少见。声发射（AcousticEmission，A E）技术是一种新型动态无损检测技术，可实时捕捉混凝土在加载作用下砂浆开裂、骨料位错的位置，并可对内部微裂纹的扩展222进行动态追踪9-10 。聂瑞 详细探讨了AE检测技术的相关特性参数在再生混凝土受压全过程中的合理取值范围。Men等12 利用AE对受压条件下再生骨料混凝土失效过程和损伤进行评估。彭竹君等13 基于AE研究了不同加载速率和冻融循环对混凝土冻融损伤破坏过程。本文对再生粗骨料替代率为50%的混凝土开展快速冻融循环试验，分析比较不同冻融介质（清水、3.5%NaCl溶液）条件下再生混凝土质量损失率、相对动弹性模量、抗压强度随冻融次数的变化规律，并结合声发射参数建立了不同冻融介质中再生混凝土的冻融损伤演化模型，能够较好地反映冻融后再生骨料混凝土受压破坏的过程。试验结果可为研究再生混凝土冻融损伤演化规律提供参考。1试验概况1.1许试验材料及配合比设计试验选用鼎鹿牌P042.5级普通硅酸盐水泥；天然粗骨料选用4.7 5 31.50 mm的连续级配碎石；再生粗骨料来源于实验室自制C30钢筋混凝土梁，经机械破碎后,再人工敲除骨料表面的旧砂浆,筛分后获得4.7 5 35.0 0 mm的再生粗骨料。表1列出了天然粗骨料与再生粗骨料的基本物理性能。细骨料选用细度模数为2.8 5的天然河砂；减水剂选用辽宁某化工公司生产的（萘系）FDN型高效减水剂。试验用水为普通自来水。根据相关规范141要求,再生粗骨料的掺量为50%，试验具体配合比设计如表2 所列。表1骨料基本物理性能Tab.1Basic physical properties of aggregate表观密度/类别(kg:m-3)天然粗骨料2710再生粗骨料2520表2再生混凝土配合比设计Tab.21Mix proportion of RAC水泥天然粗骨料细骨料再生粗骨料减水剂324.786271.2试验方法与主要试验设备采用二次投料法的顺序，分别在实验室内浇筑10 0mm100 mm400mm 的棱柱体试件和10 0 mm100mm100mm的立方体试块。浇筑完成后在室温下静置2 4h拆模，然后在标准条件下养护至2 4d,随后将试块分别放（2 0 2）的清水和3.5%NaCl溶液中浸泡4d。抗冻试验参照GB/T50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准15 进行。试验设备：采用SKDR-28S型冻融试验机进行快人民长江速冻融循环试验；采用DT-18型动弹仪测定冻融后混凝土棱柱体试块的相对动弹性模量；采用WAW-2000kN电液伺服微机控制万能试验机进行单轴抗压强度测试,以负荷形式控制加载，加载速度为3.0 5.0kN/s;采用北京某公司生产的DS216 B型声发射装置测定混凝土经受不同冻融循环次数后的声发射特性。试验过程中相关参数设置如下：采样速率为1MHz,门槛值设置为10 mV（40 d b），峰值鉴别时间（PD T）、撞击鉴别时间（HDT）和撞击闭锁时间（HLT）分别设置为150,350,10 0 0 s，硬件滤波器设置为2 010 0 k H z,采用凡士林作为耦合剂。声发射试验加载装置示意如图1所示。声发射探头图1声发射试验加载装置示意Fig.1 Schematic diagram of AE test loading device2试验结果与分析2.1质量损失率与相对动弹性模量图2（a）为再生骨料混凝土分别在清水、3.5%NaCl溶液下质量损失率随冻融次数的变化曲线。可以看出，随着冻融次数的增加，两种不同冻融介质下的混凝土试块的质量损失率呈现出先降低后逐渐增大的趋势。在冻融循环初期（0 2 5次）质量损失率呈负增长，这是由于再生骨料自身含有的微裂隙数量较多，在堆积密度/周期性的冻胀压力和渗透压力作用下，内部微裂隙会吸水率/%压碎指标/%(kg:m)15381481675.122023年前置放大器DS2-16B型声发射设备逐渐累积扩展，使得试块吸收的水量大于试块表面水0.675.405.7016.80kg/m3水6271.95计算机泥浆皮剥落的程度，故质量损失率出现负增长。在3.5%NaC1溶液中的棱柱体试块，50 次冻融循环后，质量损失率急剧增大，经历7 5次冻融循环后，质量损失率已超过5%，按照规范要求已达到破坏状态；而在对146.15照组清水中的棱柱体试块质量损失程度变化速率明显低于在3.5%NaCl冻融介质中的质量损失速率。随着冻融次数增加，试块的表面水泥砂浆剥离基体，质量损失程度也在不断增加,在经过10 0 次冻融循环后，质量损失率也接近5%。值得注意的是，再生骨料混凝土质量损失率增长很快，可能是由于再生粗骨料经机械破碎后，又人工用铁锤再次敲击骨料表面附着砂浆，致使再生骨料品质降低。图2(b)为再生骨料混凝土在清水、3.5%NaCl溶液两种冻融介质中相对动弹性模量与冻融循环次数关第8 期系。由图可知,不同冻融介质下再生骨料混凝土相对动弹性模量均随着冻融循环次数的增加而逐渐降低。50次冻融循环以前，两种冻融介质中相对动弹性模量的差异并不明显；但7 5次冻融循环后，在3.5%NaCl溶液中的混凝土相对动弹性模量降低到7 0.1%，10 0 次冻融循环后,相对动弹性模量已降低至41.8 6%。而在清水中试件的相对动弹性模量大致呈抛物线下降的趋势，在经历10 0 次冻融循环后降至6 3.1%。分析两者的关系及斜线下降的速率可知，再生骨料混凝土试件在3.5%NaCl溶液中的损伤劣化程度要明显大于清水。87一一清水6-3.5%NaCI溶液5%/4321-1-2011010090一一清水%80-3.5%NaCI溶液706050400图2 质量损失率与相对动弹性模量随冻融循环次数变化曲线Fig.2Variation curves of mass loss rate and relative dynamicelastic modulus with freeze-thaw cycles2.2抗压强度图3（a）、（b）分别为混凝土试块在清水和3.5%NaCI溶液中不同冻融次数后的单轴抗压强度试验曲线。可以看出，不同冻融介质下再生骨料混凝土试块的峰值抗压强度均随着冻融循环次数的增加而逐渐降低，峰值点明显下降且逐渐右移，整个加载过程的应力时间曲线趋向扁平化；同时还可以看出，随着冻融次数的增多,应力曲线上升段逐渐变得越来越凹,这是由于在冻融过程中，混凝土内部的微裂纹逐渐萌生、扩展融合形成宏观裂隙。在加载初期，这些微裂隙首先会张恺，等：基于声发射技术的再生混凝土冻融损伤特性研究-V-N=030F-O-N=25/王25FO-N=50-N=7 520-N=10015105F04035F30F/25-0N=50-N=75-N=10015F10502550冻融循环次数/次(a)质量损失率(a)Lossrateofmass2550冻融循环次数/次(b)相对动弹性模量(b)Relativedynamicelasticmodulus2234035-V-N=0-O-N=252040751007510020(a)Samples in purewater125时间/s(b)3.5%NaCI溶液组(b)Samples in salt water of3.5%NaCl图3不同冻融次数后再生混凝土应力时间变化曲线Fig.3Compressive stress-time curves of RAC afterfreeze-thaw cycles被压实，反映在受荷曲线上就是呈向下凹的非线性变化特征。为进一步描述不同冻融介质对再生骨料混凝土峰值抗压强度的影响，在此将冻融后再生骨料混凝土的抗压强度损失率定义为125fo-f.(N)n=100%式中：n为抗压强度损失率;f为冻融前的抗压强度，MPa;f.(N)为第N次冻融循环后的混凝土抗压强度，MPa。图4为再生骨料混凝土试件分别在清水、3.5%NaCl溶液中抗压强度损失率与冻融循环次数的变化关系。可以看出,随着冻融循环次数的增加,两种冻融介质中的再生骨料混凝土抗压强度损失率均增大，意味着再生骨料混凝土的冻融损伤破坏程度越来越深。同时，整个冻融循环次数范围内，在3.5%NaCl溶液中的立方体试块峰值抗压强度损失率普遍大于清水中的立方体试块峰值抗压强度损失率，并且两者之间的差值随着冻融循环次数的增加而增大。冻融循环前50次范围内，在清水、3.5%NaCl溶液两种冻融介质中抗压强度损失率相差很小；但7 5次冻融循环后，在3.5%NaCl溶液中的混凝土试块损伤破坏程度明显加剧，比40时间/s(a)清水组60608080100100(1)(4)224在清水中的混凝土峰值抗压强度损失率高15.1%。经历10 0 次冻融循环后,3.5%NaCl溶液中的混凝土试块抗压强度已经降低到13.5MPa。究其原因主要在于：NaCl溶液作为冻融介质时,在周期性的冻结-融化过程中,盐溶液会增加混凝土内部孔隙水溶液的饱和度，引起再生骨料混凝土内部孔隙之间的水分迁移，从而产生渗透压差和浓度差16 ，增大了冻结时的拉应力，当拉应力大于混凝土的抗拉强度时，试块表层混凝土就会发生开裂剥落；再就是，NaCl溶液能够降低混凝土内部孔隙水冻结的冰点，冰点的降低在一定程度上对混凝土抗冻有利。但已有研究结果表明,NaCl溶液结冰后膨胀率也会增大17 ,这一点对混凝土抗冻性能不利,并且结冰后的NaCl溶液融化时需要从周围吸收更多的热量，内外产生更多的温度差，也会加剧混凝土的破坏程度。7060F一一清水组-3.5%NaCI溶液4020100图4混凝土抗压强度损失率与冻融循环次数关系Fig.4Relationship between loss of compressive strengthand freeze-thaw cycles2.3声发射能量释放率与应力关系图5为不同冻融介质中，混凝土声发射能量释放率相对时间应力的曲线随冻融次数的变化关系。从图中可以看出，不同冻融次数下的声发射能量释放率相对时间应力的曲线的趋势大致相同,在达到峰值应力时声发射能量释放率最大，这意味着，通过声发射信号可以有效识别混凝土试块内部的裂纹破坏状态,并且能够给出试块受压破坏的前兆信息。整体来看，随着冻融循环次数的增加，混凝土声发射能量释放率的峰值呈逐渐降低的趋势，清水组混凝土试块在经历2 5次、50 次、7 5次冻融循环后，对应的声发射能量释放率最大值分别为17 98.8 3，16 8 0.33,1136.2 4，而在3.5%NaCl溶液中的混凝土试块在经历2 5次、50次、7 5次冻融后，对应的声发射能量释放率最大值分别为17 2 2.37 5，16 2 0.12，10 0 8.7 1。可见，在3.5%NaCl溶液中的混凝土声发射能量释放率降低的程度要大于在清水对照组中混凝土试块的声发射能量释放率，这也进一步说明，盐冻条件下的混凝土冻融损伤破人民长江坏程度要大于清水对照组的冻融损伤破坏程度。2000r一能量1800应力41600214000120010发80060040020000.20.40.60.81.0相对时间(a)25次清水组(a)25cyclings in purewater2000一能量1800一应力41600140012005100800发600租40020000.20.40.60.81.0相对时间(c)50次清水组(c)50cyclings in purewater2000一能量1800一-应力4160020%/2140001200100080060040015.1%20000.20.40.60.81.0相对时间(e)75次清水组3.89%(e)75cyclings in purewater2.22%图5不同冻融次数下声发射释能率、应力与相对时间的关系上2550冻融循环次数/次2023年402000一能量351800一应力30416002140012002010015800600104005200000.20.40.60.81.0相对时间(b)25次盐水组(b)25cyclings insaltwater1402000r一能量351800F-应力3041600251400212002015拉51000800发60010400F057403530252001200100015发80060010400020000.20.40.60.81.0相对时间(f)75次盐水组(f)75cyclingsinsaltwater75100740351025974035BdN/C2001000.20.40.60.81.0相对时间(d)50次盐水组(d)50 cyclings in salt water2000r一能量1800一应力4160021400Fig.5Relationship between the AE energy release rate,stress andrelative time under different freeze-thawcycles2.4声发射损伤变量D与相对应力关系由损伤力学理论可知，损伤对材料力学性能的影响是材料内部微裂缝不断扩展、贯通在宏观上的反映18-19。因此，可通过定义损伤变量D来表征材料的劣化状态,将其定义为材料截面上受损面积S.与完整无损面积S的比值，即D=S假设材料无初始损伤，在截面S完全发生破坏时发生的声发射事件累计总数记为Nm，则单位面积上微元破坏的声发射事件数量为Nmn=S当材料截面破坏损伤面积达到某一程度S。时，累计声发射数量为N=n,Sd将式（2)代人式（4）,可得出声发射数Nm与损伤变量D之间存在以下关系，即ND=Nm74035edNC10Sd(2)(3)NmSdS(5)第8 期由式（5）可知,声发射的相对事件数可用来表征材料的损伤。图6（a），（b）分别为不同冻融介质下再生骨料混凝土声发射损伤变量D与相对应力水平随冻融循环次数的变化关系曲线。分析可知，无论是在清水中还是3.5%NaCl溶液中，再生混凝土声发射损伤变量D与应力水平随冻融次数的变化趋势基本一致，整个过程大致可分为3个阶段。在应力水平达到0.2 之前（损伤破坏初期），冻融0,2 5,50，7 5次清水组损伤值分别为0.37,0.2 8,0.12,0.1，盐水组分别为0.37，0.26,0.08,0.06,随着冻融次数的增加，损伤值不断减小。这是因为冻融破坏的不断加剧使得混凝土内部不断形成细小孔隙及裂缝,从而导致损伤的I、阶段裂缝产生及裂缝稳定发展的次数不断减小。当应力水平达到0.8 时，冻融0,2 5,50,7 5次清水组损伤值分别为0.61,0.64,0.67,0.71,在NaCl溶液中分别为0.6 1,0.71,0.74,0.76。由此可见，随着冻融次数的增加，再生骨料混凝土试块损伤后期破坏也越快，这是由于随着冻融循环次数的增加，损伤演化路径会随冻融程度的加深逐渐发生后移，因此后期的曲线演化路径会大幅缩短且上升速率突增，使再生骨料混凝土在加载过程中更早地达到破坏状态且破坏地更突然。1.0-N=00.8N=25+N=50N=7511阶段1阶段-50.4-0.201.00.80.6F50.40.20图6 不同冻融次数下损伤变量与相对应力之间的关系Fig.6 Relationship between damage variable and relativestress under different freeze-thaw cycles张恺，等：基于声发射技术的再生混凝土冻融损伤特性研究阶段-11-0.20.4相对应力水平(a)清水组(a)Samples in pure water一-N=01N=251N=501N=751阶段I阶段10.20.4相对应力水平(b)3.5%NaCI溶液组(b)Samples in salt water of NaCl2253结论（1）不同冻融次数后，声发射相对累积能量与单轴加载下的累积损伤程度密切相关；声发射相对累积能量与应力曲线能够较好地反映不同介质作用下再生骨料混凝土冻融后受压破坏的全过程。在相同冻融次数下，氯盐环境会显著改变再生混凝土冻融损伤破坏的演化路径。（2）随着冻融循环次数的增多,再生混凝土的损伤程度逐渐变大。在清水、3.5%NaCl溶液中再生骨料混凝土试块的峰值抗压强度均随着冻融循环次数的增加而逐渐降低,峰值点明显下降并右移,受压破坏的脆性特征愈发明显，且曲线上升段逐渐变得越来越凹；在3.5%NaCl溶液中的立方体试块峰值抗压强度损失率普遍大于清水中的立方体试块峰值抗压强度损失率且两者之间的差异随冻融循环次数的增加而越来越明显。（3）声发射能量释放率的峰值随冻融次数的增加呈逐渐降低的趋势；基于声发射累计事件数所建立的损伤变量与相对应力水平之间的关系，可以用来定量描述再生骨料混凝土冻融后的损伤特性。参考文献：【1】李秋义.混凝土再生骨料M.北京：中国建筑工业出版社,2 0 11.2肖建庄.再生混凝土创新研究与进展M.北京：科学出版社，2020.3HUDA S B,ALAM M S.Mechanical behavior of three generations of100%repeated recycled coarse aggregate concrete J.Construction&Building Materials,2014,65:574-582.4王晨霞，刘路，曹芙波，等.冻融循环后再生混凝土力学性能的试验研究J.建筑结构学报,2 0 2 0,41（12）：192-2 0 2.5 牛海成，范玉辉，张向冈，等，不同取代率下再生混凝土的抗冻融0.60.8-1阶段-1-0.60.81.01.0性能试验J.材料科学与工程学报,2 0 18,36（4）：6 15-6 2 0.6 ZAHARIEVA R,BUYLE-BODIN F,WIRQUIN E.Frost resistance ofrecycled aggregate concrete J.Cement and Concrete Research,2004,34(10):1927-1932.7 JaNIOR N S A,SILVA G A O,RIBEIRO D V.Effects of the 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characteristics of RAC under different mediawas represented by AE pa-rameter.The results indicated that the freeze-thaw deterioration of RAC in 3.5wt%NaCl solution was much worse than that inwater,and the deterioration difference in the two media increased with the increasing of freeze-thaw cycles.Besides,the peakvalue of AE energy release rate gradually decreased with the increasing of freeze-thaw cycles.The relative cumulative energy ofAE increased with the increasing of relative stress level,and inflection point of the curve moved to the right gradually.The curve ofAE relative cumulative energy and stress obtained by experiments can reflect the whole process of compressive failure of RAC afterfrost damage effectively.This work can provide a reference for the study of freeze-thaw damage evolution of RAC.Key words:recycled aggregate concrete;freeze-thaw media;acoustic emission technology;damage