彭　剛　王乾峰　陳燈紅　周洪濤

(1. 三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌　443002； 2. 三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖北 宜昌　443002)

?

基于聲發(fā)射參數(shù)的混凝土循環(huán)加卸載動(dòng)態(tài)損傷破壞特性研究

彭剛1王乾峰2陳燈紅2周洪濤2

(1. 三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌443002； 2. 三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖北 宜昌443002)

摘要：對(duì)5種不同幾何尺寸與不同配合比的混凝土試件進(jìn)行了不同加載速率下的單軸壓縮試驗(yàn)，同步進(jìn)行了聲發(fā)射(AE)數(shù)據(jù)的采集；在對(duì)比分析AE參數(shù)與應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了不同加載速率下的混凝土損傷機(jī)理與破壞機(jī)制研究；通過(guò)分析不同加載速率下的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€，研究了循環(huán)加卸載中的損傷破壞特性的速率效應(yīng)；構(gòu)建了基于AE參數(shù)的損傷變量模型，并基于該模型進(jìn)行了動(dòng)態(tài)損傷特性分析．結(jié)果表明：混凝土的峰值應(yīng)力與彈性模量隨加載速率的提高而增大，表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性；但峰值應(yīng)變隨加載速率的變化而表現(xiàn)出較大的離散性．峰值應(yīng)力前的AE能量隨加載速率的提高而增加；加載速率越大，上升幅度越大，峰前釋放的能量越大，混凝土內(nèi)部破壞越嚴(yán)重，殘余能量不足以維持試件繼續(xù)承受更多的循環(huán)加卸載而直接進(jìn)入破壞階段；峰后可完成的循環(huán)加卸載次數(shù)隨著加載速率的提高而減少．在不同加載速率下材料損傷破壞的路徑不同，但損傷起點(diǎn)與破壞終點(diǎn)是重合的；隨加載速度提高，損傷破壞的路徑變短，加載速率差異越大，損傷破壞路徑差異越大；混凝土在不同應(yīng)力階段的損傷程度及破壞形態(tài)與加載速率有較強(qiáng)的相關(guān)性．加載速率的提高改變了混凝土的能量釋放過(guò)程與方式，形成了不同的損傷破壞機(jī)制，在不同加載速率下的損傷破壞機(jī)理存在較大差異．

關(guān)鍵詞：混凝土；循環(huán)加卸載；速率效應(yīng)；損傷機(jī)理；聲發(fā)射

混凝土結(jié)構(gòu)的破壞是一系列損傷演化并積累的結(jié)果．作為一種新型的檢測(cè)技術(shù)，聲發(fā)射(Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱AE)[1-2]可以在未知混凝土損傷狀態(tài)的物理參數(shù)情況下，了解混凝土內(nèi)部損傷和裂縫形成、發(fā)展的過(guò)程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)判定混凝土曾經(jīng)承受的最大應(yīng)力歷史和動(dòng)態(tài)評(píng)估混凝土損傷程度等目標(biāo)．

吳勝興等[3]研究了混凝土試件在往復(fù)循環(huán)拉伸加載條件下Kaiser效應(yīng)的有效性及其應(yīng)力范圍，探討了混凝土材料Kaiser效應(yīng)與Felicity效應(yīng)的關(guān)系．Su等[4]采用聲發(fā)射技術(shù)研究了大壩混凝土受壓狀態(tài)下聲發(fā)射參數(shù)與損傷變量間的關(guān)系．Lu等[5]研究了混凝土單軸受壓情況下斷裂能與聲發(fā)射信號(hào)能量之間的關(guān)系．Sagar等[6]綜述了混凝土結(jié)構(gòu)聲發(fā)射方面的研究成果，總結(jié)了AE能量、b值分析與橋梁結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的關(guān)系[7]，以及結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程中釋放的AE能量與破壞區(qū)的關(guān)系．Saliba等[8]采用聲發(fā)射研究了混凝土結(jié)構(gòu)的徐變-損傷耦合機(jī)理．

然而，目前大多數(shù)研究工作中沒(méi)有考慮動(dòng)態(tài)循環(huán)荷載作用下的混凝土應(yīng)變速率效應(yīng)損傷演化問(wèn)題．為此，本文進(jìn)行了不同加載速率下的單軸壓縮和聲發(fā)射試驗(yàn)，研究了加載速率對(duì)混凝土損傷機(jī)理與破壞機(jī)制的影響及循環(huán)加卸載中損傷破壞特性的速率效應(yīng)．

1物理力學(xué)試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)設(shè)備介紹

本試驗(yàn)設(shè)備為10 MN大型多功能液壓伺服靜動(dòng)力三軸儀如圖1所示，可進(jìn)行單軸、雙軸以及真三軸的混凝土動(dòng)靜力加載試驗(yàn)，加載控制方式有位移、變形與負(fù)荷等3種．豎向最大加載值為10 MN，水平最大加載值為5 MN，最大應(yīng)變速率為10-2/s；最大采樣頻率為104Hz，可實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)．在循環(huán)加卸載試驗(yàn)過(guò)程中，采集聲發(fā)射信號(hào)的傳感器為SR150N，工作頻域22～220 kHz，中心頻率150 kHz．

圖1　三峽大學(xué)研發(fā)的靜動(dòng)力三軸試驗(yàn)儀

1.2試件制作與加工

1)混凝土原材料選用

水泥為宜昌三峽水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5硅酸鹽水泥，根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL35-2006)測(cè)定了水泥的物理指標(biāo)．結(jié)果表明，水泥膠砂流動(dòng)度為18 cm；水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為26.2%；水泥膠砂初凝時(shí)間140 min，水泥膠砂終凝時(shí)間為218 min；水泥安定性合格，C-A=1 mm；馬氏漏斗粘度計(jì)測(cè)得水泥黏度時(shí)間為207 s；水泥細(xì)度為2.1%；水泥密度為3.01 g/cm3；水泥比表面積為3 690 cm2/g．

粗骨料為5～40 mm連續(xù)級(jí)配的碎石，壓碎指標(biāo)為17.5%，含泥量為0.48%；細(xì)骨料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.3，含泥量為3.485%．

拌合水采用市政飲用自來(lái)水，按表1所示配合比進(jìn)行混凝土攪拌．對(duì)混凝土的工作性能檢測(cè)結(jié)果為混凝土坍落度平均為22 mm，混凝土維勃稠度平均為13 s，混凝土初凝時(shí)間為7 h5 min，終凝時(shí)間為18 h2 min；通過(guò)氣壓法得到混凝土含氣量為0.83%．

2)混凝土的制作與養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)采用5種不同的試件，具體情況見(jiàn)表1．為了使骨料與水泥能均勻分布，采用先干拌后濕拌的機(jī)械攪拌方式，首先將稱量好的粗細(xì)骨料及水泥依次倒入攪拌機(jī)內(nèi)，機(jī)械攪拌均勻后，再加入自來(lái)水進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間為10 min．試件成型后在室溫下靜置48 h再拆模、編號(hào)，試件拆模后在大氣自然環(huán)境中擱置28 d．

表1　試件設(shè)計(jì)與齡期情況表

1.3加載試驗(yàn)過(guò)程

在不同應(yīng)變速率下，對(duì)表1所示的試件進(jìn)行循環(huán)加卸載，試驗(yàn)主要步驟如下：

1)裝樣．將試件放在相應(yīng)尺寸的下墊塊上，再將上墊塊置于試件上，然后進(jìn)行調(diào)平對(duì)中．

2)安裝聲發(fā)射裝置．在試件4個(gè)側(cè)面的幾何中心用砂紙打磨出直徑為5 cm的潔凈區(qū)，再用耦合劑將4個(gè)聲發(fā)射探頭安裝在潔凈區(qū)；對(duì)安裝好的探頭并聯(lián)接好信號(hào)線；再檢查聲發(fā)射信號(hào)的接收狀態(tài)，確保斷鉛信號(hào)接收幅度在90 db以上．

3)設(shè)置聲發(fā)射記錄文件．試驗(yàn)中聲發(fā)射參數(shù)為：信號(hào)門檻45 db，前置放大器40 db，主放大器增益20 db；濾波器帶寬20～400 kHz，采樣頻率833 kHz；采樣長(zhǎng)度2 048；峰值鑒別時(shí)間(PDT)50 μs；撞擊鑒別時(shí)間(HDT)200 μs；撞擊鎖閉時(shí)間(HLT)300 μs．

4)安裝與檢查變形計(jì)．開啟油泵，將裝有試件的小車移動(dòng)到指定位置，調(diào)整變形計(jì)的標(biāo)距和豎向垂直度，連接變形計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，確認(rèn)采集信號(hào)正常．

5)加載．通過(guò)試驗(yàn)控制軟件給試件預(yù)施加荷載10 kN．根據(jù)試驗(yàn)循環(huán)加卸荷路徑，導(dǎo)入預(yù)先編寫的試驗(yàn)加載程序，實(shí)施加載，同步采集位移、負(fù)荷、變形、聲

發(fā)射信號(hào)等．

6)加載完成后，取下聲發(fā)射探頭，保存數(shù)據(jù)文件．

2基本力學(xué)參數(shù)分析

2.1峰值應(yīng)力的動(dòng)態(tài)特性

在不同加載速率下，對(duì)表1所示試件進(jìn)行了破壞性加載試驗(yàn)，得到各工況下的峰值應(yīng)力見(jiàn)表2．峰值應(yīng)力與加載速率對(duì)數(shù)間的關(guān)系如圖2所示．由圖可見(jiàn)，盡管試驗(yàn)結(jié)果存在一定的離散性，但混凝土抗壓強(qiáng)度隨加載速率的增加而增加的規(guī)律還是非常顯著．

圖2　峰值應(yīng)力與加載速率的關(guān)系

(單位：MPa)

2.2峰值應(yīng)變的動(dòng)態(tài)特性

試驗(yàn)得到各工況下的峰值應(yīng)變見(jiàn)表3，與加載速率對(duì)數(shù)間的關(guān)系如圖3所示，分析表明，數(shù)據(jù)離散性較大，隨加載速率變化而變化的規(guī)律不明顯，與其他學(xué)者的結(jié)論相似．

圖3　峰值應(yīng)變與加載速率的關(guān)系

2.3彈性模量的動(dòng)態(tài)特性

試驗(yàn)得到各工況下的彈性模量見(jiàn)表4，與加載速

率對(duì)數(shù)間的關(guān)系如圖4所示．分析表明，彈性模量隨加載速率的增加均有不同程度的增加．

圖4　彈性模量與加載速率的關(guān)系

(10-3)

表4　試件在不同加載速率下的彈性模量　(單位：GPa)

3聲發(fā)射參數(shù)與應(yīng)力間的關(guān)系

3.1聲發(fā)射參數(shù)的選擇

聲發(fā)射是材料因開裂損傷而急速釋放能量時(shí)產(chǎn)生的一種彈性波，表征參數(shù)有能量數(shù)、撞擊數(shù)、事件率、事件發(fā)生的時(shí)間分布、振幅、振幅分布、波形及其頻譜等．由事件率可知損傷程度，從事件的時(shí)間分布可知損傷過(guò)程，不同的參數(shù)具有不同的內(nèi)涵[9-11]．本文選用能量數(shù)與撞擊數(shù)分析混凝土的損傷破壞機(jī)理．

撞擊數(shù)的含義為超過(guò)闔值并使某一通道獲取數(shù)據(jù)的任何信號(hào)稱作為一個(gè)波擊，分為總計(jì)數(shù)與計(jì)數(shù)率，反映AE活動(dòng)的總量和頻度．能量數(shù)的含義為信號(hào)波形外包線下方所圍成的面積，也分為總計(jì)數(shù)與計(jì)數(shù)率，反映事件的相對(duì)能量或強(qiáng)度，從整體上描述AE的總強(qiáng)度．

3.2AE參數(shù)與應(yīng)力間的關(guān)系

1)AE能量與應(yīng)力的關(guān)系

圖5為試件2在10-4/s加載速率下單軸壓縮循環(huán)加卸載過(guò)程中的AE能量數(shù)與應(yīng)力在時(shí)間軸上的同步對(duì)應(yīng)關(guān)系，左側(cè)縱坐標(biāo)σ為應(yīng)力瞬時(shí)值，σ0為峰值應(yīng)力；右側(cè)縱坐標(biāo)N為AE能量瞬時(shí)值，Nmax為AE能量最大值；橫坐標(biāo)為時(shí)間t(s)．

圖5　AE能量與應(yīng)力的關(guān)系(試件

由圖可見(jiàn)，在混凝土受壓循環(huán)加卸載過(guò)程中，間斷性地出現(xiàn)AE信號(hào)，AE能量集中產(chǎn)生在峰值應(yīng)力以前，后期信號(hào)減弱．在峰值應(yīng)力前的每個(gè)加載階段都有大量的聲發(fā)射信號(hào)，而且在達(dá)到90%的峰值應(yīng)力水平以前，AE能量最大值隨循環(huán)次數(shù)而逐步增大，過(guò)90%的峰值應(yīng)力點(diǎn)后，AE能量隨循環(huán)次數(shù)呈減弱趨勢(shì)，在達(dá)到峰值應(yīng)力點(diǎn)后，AE能量很小，趨于平穩(wěn)．

AE能量的變化與材料內(nèi)部裂紋形成、發(fā)展直到整體破壞的過(guò)程有著緊密的相關(guān)性．在受壓狀態(tài)下，混凝土先被壓密，局部出現(xiàn)微量損傷而產(chǎn)生一定數(shù)量的AE信號(hào)；隨應(yīng)力增加，在初始缺陷的基礎(chǔ)上試件內(nèi)部新生裂紋，繼而裂紋擴(kuò)展引起更大損傷，產(chǎn)生強(qiáng)烈的AE信號(hào)；應(yīng)力的進(jìn)一步增加促使內(nèi)部裂紋發(fā)展形成裂縫，裂縫交匯形成貫通裂縫，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生更為強(qiáng)烈的AE信號(hào)；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值點(diǎn)時(shí)，宏觀裂縫形成，AE能量也達(dá)到最大；過(guò)峰值點(diǎn)后，混凝土開裂趨于穩(wěn)定和緩慢，以塊體滑移變形為主，AE能量減小，進(jìn)入平穩(wěn)階段．

圖6為試件4在5×10-3/s加載速率下的AE能量及應(yīng)力隨時(shí)間而變化的局部放大圖．由圖可知，在單次循環(huán)中，AE信號(hào)出現(xiàn)在加載階段，卸載階段基本不出現(xiàn)AE信號(hào)；當(dāng)后一次加載接近前一次最大應(yīng)力的70%～80%時(shí)才開始產(chǎn)生AE信號(hào)，表明混凝土材料存在Felicity效應(yīng)；隨循環(huán)次數(shù)增加，混凝土內(nèi)部損傷程度加重，F(xiàn)elicity效應(yīng)的AE門限應(yīng)力提前，AE門限應(yīng)力與材料內(nèi)部損傷程度存在相關(guān)性．

圖6　AE能量與應(yīng)力關(guān)系局部放大(試件

2)AE能量累計(jì)數(shù)與應(yīng)力的關(guān)系

圖7為試件3在10-3/s加載速率下單軸受壓循環(huán)加卸載過(guò)程中的AE能量累計(jì)數(shù)與加載應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線，縱坐標(biāo)σ0為峰值應(yīng)力，NZ為AE能量累計(jì)值，Ni為一次循環(huán)加卸載產(chǎn)生的AE能量值；橫坐標(biāo)為時(shí)間t(s)．

圖7　AE能量累計(jì)數(shù)與應(yīng)力的關(guān)系(試件

對(duì)整個(gè)曲線而言，可在時(shí)間軸上大致分為三個(gè)階段，前一階段為線性增長(zhǎng)段，后一階段為水平段，最后出現(xiàn)急速上長(zhǎng)升段．這一現(xiàn)象表明了材料內(nèi)部損傷破壞的發(fā)展過(guò)程，依此可將整個(gè)過(guò)程分為“損傷產(chǎn)生”、“損傷擴(kuò)展”與“急速破壞”3個(gè)階段．

在“損傷產(chǎn)生”階段，主要為新裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展．在外荷載作用下，材料通過(guò)變形積蓄內(nèi)能，當(dāng)超過(guò)極限變形后，材料內(nèi)部產(chǎn)生裂縫而釋放能量，從而出現(xiàn)AE信號(hào)；在新的狀態(tài)下，隨應(yīng)力的增加材料進(jìn)一步變形而產(chǎn)生新的能量積蓄與釋放，并出現(xiàn)新AE信號(hào)；如此周而復(fù)始，不斷產(chǎn)生新的裂縫而形成損傷的積累．反言之，AE能量累計(jì)值的增長(zhǎng)表明了裂紋(縫)的不斷出現(xiàn)，形成了一個(gè)損傷累積的過(guò)程．

過(guò)峰值應(yīng)力點(diǎn)后，材料進(jìn)入“損傷擴(kuò)展”階段．此時(shí)，即便應(yīng)力水平不斷下降，但在持續(xù)外荷載的作用下，由于裂紋(縫)尖端的應(yīng)力集中，使裂紋(縫)繼續(xù)發(fā)展并相互貫通，形成更多更大的宏觀裂縫，將材料分為若干塊體，塊體間的相互約束使材料仍具備一定的承載能力．持續(xù)荷載的作用使各塊體內(nèi)部裂縫繼續(xù)發(fā)展并相互貫通，進(jìn)一步釋放剩余內(nèi)能，將塊體再次分為更多更小的塊體，損傷程度得以繼續(xù)發(fā)展，宏觀變形不斷快速增加，AE信號(hào)也持續(xù)出現(xiàn)．由于峰值點(diǎn)后的應(yīng)力水平持續(xù)下降，材料剩余的內(nèi)能逐漸減少，單次AE能量數(shù)在時(shí)間軸上隨應(yīng)力水平的下降而降低，AE能量累積數(shù)則逐步趨于平穩(wěn)或緩慢上升．

當(dāng)損傷擴(kuò)展到一定程度時(shí)，過(guò)大過(guò)多的宏觀裂縫使材料內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定，所有處于臨界狀態(tài)的裂紋(縫)同時(shí)急速擴(kuò)張并相互貫通，在宏觀上表現(xiàn)出失穩(wěn)型的“急速破壞”，同時(shí)集中釋放出所有剩余內(nèi)能，在聲發(fā)射上表現(xiàn)出AE能量的集中出現(xiàn)與AE能量累計(jì)值的急速增長(zhǎng)．

3)AE事件累計(jì)數(shù)與應(yīng)力的關(guān)系

圖8為試件3在加載過(guò)程中AE事件累計(jì)數(shù)與加載應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線．

圖8　AE事件累計(jì)數(shù)與應(yīng)力的關(guān)系(試件

縱坐標(biāo)σ0為峰值應(yīng)力，ZZ為AE事件數(shù)累計(jì)值，Zi為一次循環(huán)加卸載產(chǎn)生的AE事件數(shù)；橫坐標(biāo)為時(shí)間t(s)．由圖可知，混凝土在循環(huán)加卸載時(shí)AE事件累計(jì)曲線與能量累計(jì)數(shù)曲線形狀相似，變化規(guī)律基本相同．采用這個(gè)變量也可對(duì)混凝土材料的損傷機(jī)理與破壞機(jī)制作出完全相同的解釋．

4基于AE參數(shù)的破壞模式分析

為討論加載速率對(duì)混凝土材料損傷機(jī)理與破壞機(jī)制產(chǎn)生的影響，在10-4/s與10-3/s加載速率下，針對(duì)試件2與試件3這兩個(gè)典型試件的AE參數(shù)變化特征與破壞模式間的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)討論．

4.1AE能量與破壞模式間的關(guān)系

圖9、圖10為AE能量與應(yīng)變?cè)跁r(shí)間軸上的對(duì)應(yīng)關(guān)系．縱坐標(biāo)ε0為峰值應(yīng)變，Nmax為AE能量最大值，N為AE能量瞬時(shí)值；橫坐標(biāo)為時(shí)間t(s)．

圖9　AE能量與應(yīng)變的關(guān)系(試件

圖10　AE能量與應(yīng)變的關(guān)系(試件

對(duì)圖9而言，在試件出現(xiàn)應(yīng)變急速增長(zhǎng)而完全喪失承載能力前，其應(yīng)變呈線性緩慢增長(zhǎng)；AE能量集中產(chǎn)生在峰值應(yīng)力(t=500 s)以前，而更高強(qiáng)度的AE能量則出現(xiàn)在90%峰值應(yīng)力以前．對(duì)圖10而言，在應(yīng)變-時(shí)間曲線上未出現(xiàn)拐點(diǎn)，先為線性增長(zhǎng)，繼而平滑轉(zhuǎn)為指數(shù)上升；AE能量的強(qiáng)度隨時(shí)間均勻分布，最后出現(xiàn)高強(qiáng)度的AE能量．兩者在終點(diǎn)均出現(xiàn)了集中能量釋放的現(xiàn)象，但后者的絕對(duì)強(qiáng)度值及相對(duì)于自身前期的比值均大大超過(guò)前者．

圖9與圖10所示的兩種對(duì)應(yīng)關(guān)系，象征著二種不同的損傷機(jī)理與不同的破壞機(jī)制，本文將圖9與圖10對(duì)應(yīng)的破壞形式分別定義為“剪滑式破壞”與“崩塌式破壞”．對(duì)比圖9與圖10，在兩種破壞模式對(duì)應(yīng)的加載過(guò)程，產(chǎn)生的AE波形有顯著區(qū)別．在圖9所示的“剪滑式破壞”模式中，在某一個(gè)AE能量最大值的前后均有大量的低能量釋放，能量釋放從弱轉(zhuǎn)強(qiáng)再變?nèi)跏且粋€(gè)連續(xù)的漸變過(guò)程；而在圖10所示的“崩塌式破壞”模式中，在某一個(gè)AE能量最大值前后無(wú)顯著的低能量釋放，能量釋放不是一個(gè)連續(xù)的漸變過(guò)程，表現(xiàn)為隨機(jī)脈沖波形態(tài)．通過(guò)對(duì)比分析AE波形與試驗(yàn)后的試件破裂面情況發(fā)現(xiàn)，“剪滑式破壞”以骨料與砂漿膠結(jié)面的破壞為主，而“崩塌式破壞”則同時(shí)出現(xiàn)了大量的骨料破裂現(xiàn)象，加載速率愈大，骨料破碎率愈高．

4.2AE能量累計(jì)數(shù)與破壞模式間的關(guān)系

圖11、12為AE能量累計(jì)數(shù)與應(yīng)變?cè)跁r(shí)間軸上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，縱坐標(biāo)ε0為峰值應(yīng)變，NZ為AE能量累計(jì)數(shù)，Ni為一次循環(huán)加卸載產(chǎn)生的AE能量數(shù)；橫坐標(biāo)為時(shí)間t(s)．

圖11　AE能量累計(jì)與應(yīng)變的關(guān)系(試件

圖12　AE能量累計(jì)與應(yīng)變的關(guān)系(試件

對(duì)于圖11所示的“剪滑式破壞”而言，AE能量累計(jì)數(shù)曲線可抽象分為4個(gè)階段，第1階段為急速上升的直線段；第2階段為指數(shù)上升段，位于峰值應(yīng)力前；第3階段為平穩(wěn)水平段；第4階段為豎直線性段．這種模式的能量釋放主要在加載峰值應(yīng)力前釋放約90%的能量，完全破壞時(shí)集中釋放約10%的能量．

對(duì)圖12所示的“崩塌式破壞”而言，可抽象分為3個(gè)階段．第1階段為線性上升段，第2階段為水平段，第3階段為豎直線性段．第1與第2階段、第2與第3階段均出現(xiàn)了拐點(diǎn)，具有明確的分區(qū)點(diǎn)．在這種模式下，峰值應(yīng)力前釋放約10%的能量，在完全破壞時(shí)集中釋放約60%的能量．

4.3AE事件數(shù)與與破壞模式間的關(guān)系

圖13、圖14為AE事件數(shù)與應(yīng)變?cè)跁r(shí)間軸上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，縱坐標(biāo) 為峰值應(yīng)變，Z為AE事件數(shù)瞬時(shí)值，Zmax為AE事件數(shù)最大值；橫坐標(biāo)為時(shí)間t(s)．由圖可知，AE事件數(shù)、應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律與AE能量的變化規(guī)律基本相似．對(duì)比圖13、14，可以更清楚地發(fā)現(xiàn)兩種不同破壞模式的內(nèi)部損傷與破壞特點(diǎn)．

圖13　AE事件數(shù)與應(yīng)變的關(guān)系(試件

圖14　AE事件數(shù)與應(yīng)變的關(guān)系(試件

由圖13可見(jiàn)，“剪滑式破壞”在t=500 s的峰值應(yīng)力點(diǎn)以前連續(xù)地頻繁出現(xiàn)密集的AE事件，意味著在混凝土內(nèi)部發(fā)生了較為嚴(yán)重的損傷，而峰值應(yīng)力后的AE事件較少，意味新增損傷較少．對(duì)于圖14所示的“崩塌式破壞”而言，在t=90 s的峰值應(yīng)力點(diǎn)以前也出現(xiàn)了較多的AE事件，但能量釋放率僅為10%，遠(yuǎn)小于“剪滑式破壞”的90%的能量釋放率，更顯著的特征差異在于該模式的AE事件連續(xù)出現(xiàn)在整個(gè)破壞過(guò)程中．另外，完全破壞時(shí)兩者均出現(xiàn)了較大強(qiáng)度的AE事件數(shù)，但兩者釋放的能量差異卻相差甚遠(yuǎn)，“剪滑式破壞”模式約為總量的10%，“崩塌式破壞”模式約為總量的60%．

由此可見(jiàn)，加載速率的提高改變了混凝土的能量釋放過(guò)程，形成了不同的損傷機(jī)理與破壞機(jī)制，在不同加載速率下的損傷破壞模式存在較大差異．

4.4AE事件累計(jì)數(shù)與破壞模式間的關(guān)系

圖15、16為AE事件累計(jì)數(shù)與應(yīng)變?cè)跁r(shí)間軸上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，縱坐標(biāo) 為峰值應(yīng)變，ZZ為AE事件累計(jì)數(shù)，Zi為一次循環(huán)加卸載產(chǎn)生的AE事件數(shù)；橫坐標(biāo)為時(shí)間t(s)．由圖可知，AE事件累計(jì)數(shù)與AE能量累計(jì)數(shù)的變化規(guī)律基本相同．

圖15　AE事件累計(jì)數(shù)與應(yīng)變的關(guān)系(試件

圖16　AE事件累計(jì)數(shù)與應(yīng)變的關(guān)系(試件

對(duì)于圖15所示的“剪滑式破壞”而言，從原點(diǎn)出發(fā)，AE事件累計(jì)數(shù)呈指數(shù)急速上升，后轉(zhuǎn)為水平直線到完全破壞，雖然在完全破壞時(shí)出現(xiàn)垂直段，但上升幅度較??；圖16所示的“崩塌式破壞”則完全不同，從原點(diǎn)出發(fā)AE事件累計(jì)數(shù)呈線性快速增長(zhǎng)，出現(xiàn)拐點(diǎn)后以較小斜率繼續(xù)線性上升，至完全破壞時(shí)出現(xiàn)一個(gè)90°的拐點(diǎn)，而后出現(xiàn)一個(gè)較大的垂直上升段．

通過(guò)對(duì)比兩者在AE事件累計(jì)數(shù)上的差異，進(jìn)一步說(shuō)明了在不同加載速率下的損傷破壞過(guò)程存在較大的不同．加載速率較低時(shí)，早期損傷破壞嚴(yán)重，后期趨于平緩；加載速率較高時(shí)，前期損傷破壞快速增加，中期緩慢增加，后期急速增加．

5循環(huán)加卸載的速率效應(yīng)分析

5.1循環(huán)加卸載曲線的特征現(xiàn)象

對(duì)比分析循環(huán)加卸載應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€可以發(fā)現(xiàn)，峰值應(yīng)力后可持續(xù)進(jìn)行循環(huán)加卸載的循環(huán)次數(shù)與加載速率有明顯相關(guān)性，可循環(huán)次數(shù)隨加載速率的提高而減少．這一現(xiàn)象在本次研究中的不同類型試件中均有出現(xiàn)，現(xiàn)以圖17所示試件1在不同加載速率下的循環(huán)加卸載曲線為例進(jìn)行討論．

圖17　試件1的循環(huán)加卸載全曲線

為探討這一現(xiàn)象的內(nèi)在原因，選取峰值應(yīng)力點(diǎn)的AE能量累積數(shù)為變量，建立圖18所示AE能量累積數(shù)與加載速率間的關(guān)系．圖中曲線表明，對(duì)于相同試件而言，隨著加載速率的提高，峰值應(yīng)力點(diǎn)的AE能量累積數(shù)呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，加載速率越大上升幅度越大，不同試件的變化規(guī)律大體相同．

圖18　試件1、3、4峰值處AE能量累計(jì)數(shù)變化趨勢(shì)

5.2循環(huán)加卸載速率效應(yīng)的機(jī)理分析

AE能量累計(jì)數(shù)的大小與變化規(guī)律表征了材料內(nèi)能釋放的大小及其變化規(guī)律．因此，由圖18也可說(shuō)明，不同試件峰值應(yīng)力點(diǎn)以前釋放的材料內(nèi)能均隨加載速率的增加而增加．加載速率越大，峰值應(yīng)力前釋放的內(nèi)能越大．

對(duì)相同體積大小、相同幾何形狀與相同材料性質(zhì)的物體而言，可容納的內(nèi)能總量理論上是相等的，峰值應(yīng)力前的內(nèi)能釋放量增大，則峰值應(yīng)力后可容納的剩余內(nèi)能減小．

對(duì)混凝土而言，材料通過(guò)開裂與破碎實(shí)現(xiàn)內(nèi)能的釋放，內(nèi)能釋放量越大，損傷破壞也就越嚴(yán)重．這就意味著相同的混凝土材料在峰值應(yīng)力前的損傷程度隨加載速率的提高而加劇，峰值應(yīng)力后的承載能力隨加載速率的提高而降低，最終表現(xiàn)為難以繼續(xù)承受更多次的荷載循環(huán)而直接進(jìn)入破壞階段；峰值應(yīng)力后可完成的加卸載循環(huán)次數(shù)也就隨加載速率的提高而減少．

6基于AE參數(shù)的動(dòng)態(tài)損傷特性分析

6.1損傷變量的確定

損傷變量的定義與選擇一直都是學(xué)者們努力探索的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，有學(xué)者采用剛度退化及殘余塑性變形等參量定義損傷變量[12]．但由此得到的損傷變量不具有直觀性，不能實(shí)時(shí)檢測(cè)混凝土材料內(nèi)部的損傷程度與演化過(guò)程．AE信號(hào)不僅可直觀反映材料內(nèi)部的損傷情況，而且還能實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[13]．從損傷理論出發(fā)建立以AE數(shù)據(jù)為變量的損傷模型具有較大的學(xué)術(shù)價(jià)值與應(yīng)用前景．

定義損傷變量D為斷面上微缺陷的面積Ad與無(wú)損時(shí)斷面面積A的比值，即

假定材料無(wú)初始損傷，材料截面面積為A，截面完全破壞時(shí)AE事件累積數(shù)為Nm，則單位面積微元破壞時(shí)的AE事件累積數(shù)為

截面破壞面積為Ad時(shí)，AE事件累積數(shù)則為

比較式(1)與式(3)，可知AE數(shù)與損傷變量間存在以下關(guān)系，即

6.2動(dòng)態(tài)損傷特性分析

根據(jù)式(4)求出每一次卸載后的AE事件累計(jì)數(shù)與事件累計(jì)總數(shù)的比值，作為損傷變量．得到每次卸載時(shí)的累積殘余塑性應(yīng)變與此時(shí)的損傷變量值的對(duì)應(yīng)值，再得到損傷變量隨累積殘余塑性應(yīng)變的變化規(guī)律曲線．以此方法可得到圖19，由圖可知，隨著累積殘余塑性應(yīng)變的增加，損傷變量逐漸增大，曲線斜率逐漸減小，損傷的增長(zhǎng)速度逐漸減慢．

圖19　試件在不同加載速率下的損傷演化規(guī)律

隨著應(yīng)變的增加，試件內(nèi)部的損傷在不斷地累積，當(dāng)損傷指標(biāo)達(dá)到1時(shí)，意味著試件完全破壞．圖19中的曲線表征著試件隨應(yīng)變?cè)黾佣鴵p傷累積的過(guò)程．對(duì)相同強(qiáng)度等級(jí)與相同尺寸的試件而言，在不同加載速率下的材料損傷累積路徑各不同，但損傷過(guò)程的起點(diǎn)與終點(diǎn)是重合的．由以上分析可知，在加載速率較小時(shí)，混凝土的AE能量主要分布在峰值應(yīng)力以前，在加載速率較高時(shí)，混凝土的AE能量分布在整個(gè)加載過(guò)程．這一結(jié)論表明加載速率的變化影響能量的釋放過(guò)程與方式，加載速率越快，混凝土能量釋放越均勻，加載速率越慢，混凝土的能量釋放越集中在峰值應(yīng)力點(diǎn)以前．采用混凝土能量釋放表示的損傷變量D時(shí)，加載速率越快，損傷過(guò)程越均衡，其損傷對(duì)應(yīng)的初始斜率越?。?/p>

由圖19(a)可見(jiàn)，加載速率為10-4/s時(shí)，前期損傷累積程度較大，后期平緩至水平段．對(duì)比圖19(a)和(b)可見(jiàn)，隨著加載速率的提高，上升幅度變緩、損傷路徑變短，由曲線向直線轉(zhuǎn)變；加載速率差異越大，上升幅度與路徑長(zhǎng)短差異越大．這一結(jié)論很好地解釋了圖17所示峰值應(yīng)力后循環(huán)次數(shù)隨加載速率的提高而減少的物理現(xiàn)象．循環(huán)加卸載的過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)損傷累積與破壞的過(guò)程，隨著加載速率的提高，損傷累積與破壞的路徑被大幅度地縮減，循環(huán)加卸載也就沒(méi)有了時(shí)域空間．

7結(jié)論

1)混凝土的峰值應(yīng)力與彈性模量隨加載速率的提高而增大，表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性；但峰值應(yīng)變隨加載速率的變化而表現(xiàn)出較大的離散性．

2)峰值應(yīng)力前的AE能量隨加載速率的提高而增加；加載速率越高，上升幅度越大，峰前釋放的能量越大，混凝土內(nèi)部破壞越嚴(yán)重，殘余能量不足以維持試件繼續(xù)承受更多的循環(huán)加卸載而直接進(jìn)入破壞階段；峰后可完成的循環(huán)加卸載次數(shù)隨著加載速率的提高而減少．

3)在不同加載速率下材料損傷破壞的路徑不同，但損傷起點(diǎn)與破壞終點(diǎn)是重合的；隨加載速度提高，損傷破壞的路徑變短，加載速率差異越大，損傷破壞路徑差異越大；混凝土在不同應(yīng)力階段的損傷程度及破壞形態(tài)與加載速率有較強(qiáng)的相關(guān)性．

4)加載速率的提高改變了混凝土的能量釋放過(guò)程與方式，形成了不同的損傷破壞機(jī)制，在不同加載速率下的損傷破壞機(jī)理存在較大差異．

參考文獻(xiàn)：

[1]Matthews J R． Acoustic Emission (1st edition)[M]． New York：Gordon and Breach Science Publishers, 1983．

[2]Grosse C U, Ohtsu M． Acoustic Emission Testing[M]．. Berlin：Springer, 2008．

[3]吳勝興，張順祥，沈德建．混凝土軸心受拉聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)試驗(yàn)研究[J]．土木工程學(xué)報(bào),2008,41(4):31-39．

[4]Su H Z, Tong J J, Hu J, et al． Experimental Study on AE Behavior of Hydraulic Concrete under Compression[J]． Meccanica, 2013, 48：427-439．

[5]Lu Y Y, Li Z J． Study of the Relationship between Concrete Fracture Energy and AE Signal Energy under Uniaxial Compression[J]． Journal of Materials in Civil Engineering, 2012, 24(5)：538-547．

[6]Sagar R V, Prasad B K R． A Review of Recent Developments in Parametric Based Acoustic Emission Techniques Applied to Concrete Structures[J]． Nondestructive Testing and Evaluation, 2012, 27(1)：47-68．

[7]Sagar R V, Prasad B K R． Damage Limit States of Reinforced Concrete Beams Subjected to Incremental Cyclic Loading Using Relaxation Ratio Analysis of AE Parameters[J]． Construction and Building Materials, 2012, 35：139-148．

[8]Saliba J, Loukili A, Grondin F, et al． Experimental Study of Creep-damage Coupling in Concrete by Acoustic Emission Technique[J]． Materials and Structures, 2012, 45:1389-1401．

[9]Shinomiya T, Nakanishi Y, Morishima H, et al． Damage Diagnosis Technique for Brick Structures Using Acoustic Emission[J]． Journal of Acoustic Emission, 2003, 20：145-152．

[10] Carpinteri A, Lacidogna G, Pugno N． Structural Damage Diagnosis and Life-time Assessment by Acoustic Emission Monitoring[J]． Engineering Fracture Mechanics, 2006, 74(1/2)：273-289．

[11] 藤山邦久．聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用[M]．馮夏庭，譯．北京：冶金工業(yè)出版社, 1996．

[12] Lee J, Fenves G L． Plastic-damage Model for Cyclic Loading of Concrete Structures[J]． Journal of Engineering Mechanics, 1998, 124(8)：892-900．

[13] Ohtsu M, Watanabe H． Quantitative Damage Estimation of Concrete by Acoustic Emission[J]． Construction and Building Materials, 2001, 15(5-6)：217-224．

[責(zé)任編輯周文凱]

AE-based Dynamic Damage Failure Characteristics of Concrete

under Cyclic Loading and Unloading Conditions

Peng Gang1Wang Qianfeng2Chen Denghong2Zhou Hongtao2

(1. Collaborative Innovation Center for Geo-Hazards and Eco-Environment in Three Gorges Area, Hubei province, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2. College of Civil Engineering and Architecture, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractThe concrete specimens with five different geometric sizes and different mixing proportions are uniaxially compressed under different loading rates; and then acoustic emission(AE) data are collected simultaneously. The damage mechanism and failure mechanism of concrete are studied under different loading rates on the basis of comparative analysis of the relationship between AE parameters and the stress-strain. By analyzing the stress-strain curves under different loading rates, the rate effect of damage failure characteristics is studied in the process of cyclic loading and unloading conditions. The damage characteristics of concrete are analyzed based on the damage variables which is based on AE parameters. The results show that： The peak stress and elastic modulus of concrete increase with the increase of loading rates. But the peak strain with loading rates behaves great dispersion. Before the peak stress, AE energy increases with the loading rates. The higher the loading rate is, the bigger the rise and the greater the energy releases. The concrete inside is damaged more seriously, which causes the residual energy to be insufficient to maintain the specimens to bear more cyclic loading and unloading; and finally which go directly into the stage of destruction. The times of the completion of the cyclic loading and unloading after the peak stress decreases with the increase of loading rates. The damage and failure paths of materials are different at different loading rates; but the start point of the damage and end point of the destruction are the basically same. The damage and failure paths become shorter with the increase of loading rate; and the greater the difference, the larger the difference in it. There is a strong correlation among the damage degree, damage morphology and loading rate under different stress stages of the concrete. The processes and ways of energy release of the concrete change with the increase of loading rate, which develops different damage and failure mechanisms. There is a big difference in damage and failure mechanisms under different loading rates.

Keywordsconcrete;cyclic loading and unloading;rate effect;damage mechanism;acoustic emission(AE)

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11171181;51279092)

中圖分類號(hào)：TU311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-948X(2015)06-0001-09

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.001

通信作者：彭剛(1964-)，男，教授，博士，研究方向?yàn)榛炷恋牧W(xué)性能研究．E-mail：gpeng158@126.com

收稿日期：2015-06-10 2015-06-11