于 江 袁 飞 秦拥军

(新疆大学 建筑工程学院, 乌鲁木齐 830047)

粗骨料作为混凝土材料的重要组成部分,约占材料总体积的50%～70%[1].在混凝土领域,粗骨料作为材料的刚性骨架,骨料尺寸、种类、形状、强度以及颗粒级配等因素,对混凝土拌制和成品性能都有着不容忽视的影响.本文探究了不同粗骨料粒径对混凝土性能的影响和单轴压缩作用下材料的损伤发展情况.如今无损检测技术已成为土木工程领域中重要的材料损伤评测方法,声发射(Acoustic Emission,简称AE)技术作为无损检测技术中的一种,利用专业技术设备将构件内部由于材料断裂释放的瞬态弹性波转化为电信号[2-3],经过采集及处理,从而反映构件内部损伤发展情况.在混凝土领域,声发射技术对监测混凝土构件的损伤程度、断裂部位,以及对构件的破环阶段预警具有十分重要的意义.试验在课题组已有研究的基础上,从另一角度出发研究不同骨料粒径条件下混凝土声发射特性,利用声发射参数分析及空间定位分析,实现材料的断裂源定位、断裂机理研究以及损伤程度识别,对今后材料的损伤可视化、健康度评测提供部分参考依据.

1 试验概况

1.1 试件制备与养护

为避免其它外界因素对试件造成影响,试验选取相同来源材料、相同条件进行试件制备及养护.采用42.5R级雁池牌普通硅酸盐水泥,混凝土强度等级为C30.制备的九块棱柱体试件尺寸均为：a×b×h=150 mm×150 mm×300 mm,3组试件粗骨料最大粒径分别为G1：10 mm、G2：20 mm、G3：30 mm,各组骨料经筛分、清洗、烘干后如图1所示.试件配合比为：mwo∶mco∶mso∶mgo=0.45∶1∶1.21∶2.82.为减小试验误差,实现3组试件在不同骨料粒径影响下的可对比性,所有试件的试验过程均在新疆大学建筑工程学院实验楼同条件下进行.

图1 粗骨料现场图

1.2 声发射信息采集试验

分析不同骨料粒径下混凝土材料声发射特性,由于各组材料性质有所不同,AE波在材料内部传播、散射、抗阻等衰减程度也不同[4-5],因此在数据采集之前需要对试件进行断铅试验,断铅试验实质上是模拟断裂源信号以设定声发射试验参数及测定AE波传播速度,断铅试验是声发射特征参数采集试验和断裂源空间定位试验之前必不可少的步骤.

试验中使用铅芯直径为0.5 mm的HB铅笔,断铅长度2.5 mm,声发射信息采集装置使用北京声华公司生产的SAEU2S型声发射采集仪.断铅调试测得幅值均大于90 dB,基于表1及考虑滤除部分噪声影响,最终确定门槛值为45 dB.断铅试验采用双通道,探头与试件接触面处采取藕合剂隔绝处理,断铅试验测点布置位置如图2所示.

图2 断铅试验测点布置图(单位：mm)

根据声发射波的传播特性,可将断裂源释放的瞬态弹性波分为：纵波、横波、面波[6].其中纵波(P波)传播速度最快、衰减程度较小,一般以测定的P波传播速度作为设定声发射波速的基础参数.根据时差定位原理：

式中：l1、l2分别为断铅点到S1、S2声发射探头之间的距离;Δl为P波从断铅点传播到两个探头的距离差;Δt为时间差.

表1 门槛值设定参考区间及适用范围

声发射断裂源空间定位试验同特征参数采集试验探头布置方式一致,都是在轴心受压过程中进行数据收集,共采用4通道斜对角布置,设置O点为坐标原点,探头坐标(单位：mm)：S1(130,0,20)、S2(20,0,280)、S3(20,150,20)、S4(130,150,280),具体 布置及采集方式如图3、图4所示.

图3 空间定位探头布置坐标

图4 声发射信息采集流程

1.3 轴心受压试验

对经历28 d养护龄期的3组不同粗骨料粒径普通混凝土进行轴心受压加载方案.加载装置使用济南鑫光试验机制造有限公司生产的YAW-3000型电液伺服压力试验机,加载之前清理试件上下承压面和压力机上下承压板,将试件位置摆放准确.通过位移控制加载[7],加载速率控制在0.1 mm/min.试验中使用的压力机采集频率及精度都达到了一级指标要求,采集的数据波动性较小.应力参数可通过试验前设定加载材料接触面信息,系统将荷载转化为应力.

2 试验结果与分析

2.1 应力-应变全阶段曲线分析

根据《GB/T 50081—2002普通混凝土力学性能试验方法标准》测得不同骨料粒径普通混凝土轴心抗压强度fcp：

式中：F为所测得的极限荷载(k N);A为棱柱体试件承压面的面积(mm2).

依据极限荷载计算得到3组试件的轴心抗压强度,如图5所示.

图5 棱柱体轴心抗压强度指标

可看出G1组试件抗压强度最高,结果显示,随着粗骨料粒径的增大,轴心抗压强度呈降低的趋势.可以说明在相同水灰比条件下,粗骨料粒径对混凝土轴心抗压强度影响较大,骨料粒径越小,比表面积越大,骨料的包裹程度即水泥石与骨料的黏结性能越好,抗压强度越高.

不同粗骨料粒径普通混凝土的强度指标及变形性能可通过应力-应变全阶段曲线较好地反映,通过控制位移加载,根据所测得的应变及其对应3组试件的应力平均指标绘制应力-应变全阶段曲线,如图6所示.

图6 应力-应变全阶段曲线

根据图6可以看出：在0.4～0.5fcp之前,曲线呈线性增长,G1组试件弹性模量较G2、G3组高,曲线上升更陡,G2、G3组弹性模量相对接近,可见20 mm、30 mm粗骨料最大粒径对弹性模量的影响不明显.比较3组试件的下降段曲线,G1、G2组下降段形状较为相似、G3组下降段与前两组比较相对较缓,可见粗骨料粒径对混凝土的延性有所影响,粗骨料粒径越大,骨料间的咬合作用越为明显,粗骨料起到了一定的阻裂作用.

2.2 波速分析

因被监测材料种类、声发射信息特点、采集部位的需求不一,在声发射信息采集试验之前需要进行波速测定,以保证声发射参数及断裂源空间定位的误差相对较小,保证试验的准确性和可参考性[8-10].表2为通过断铅试验测定的3组试件的声发射波速,断铅点2为校准点,以校准到达S1、S2探头的距离、时间误差,以断铅点1、断铅点3为断铅试验位置(P波从断铅点到达两个探头的时间差分别表示为Δt1、Δt3).

表2 声发射波速测定结果

对产生随骨料粒径增大,AE波速呈减小趋势的现象,解释如下：在相同水灰比条件下,粗骨料粒径越大,材料内部缺陷增多,波速衰减程度会相对增大,其次缺陷也会对AE波的反射、衍射及折射产生一定的影响.

2.3 声发射能量参数分析

为研究不同粗骨料粒径的混凝土声发射参数特征,利用电液伺服压力试验机对棱柱体试件进行轴心受压试验,实时采集试件释放的声发射信息,通过信息收集、处理得到试件轴心受压声发射能量-时间特征如图7所示.

图7 时间-声发射能量参数曲线

从图7可以看出,不同粗骨料粒径的混凝土声发射能量参数规律特征明显且较为相似,各阶段发展趋势基本一致,能量参数随轴心受压全过程表现为明显的4阶段特性,即微裂纹产生阶段、裂纹稳定增长阶段、裂纹突变阶段、破坏阶段.以下将从声发射能量角度对此4阶段破坏现象进行系统描述.

1)微裂纹产生阶段.此阶段应力水平较低,开始试件内部无任何能量的释放(时间-能量曲线、时间-累计能量曲线与横轴重合),即内部无裂纹产生,处于材料的弹性阶段.该阶段后期,由于混凝土材料的非匀质性,内部存有不同程度的初始缺陷,随着加载的进行,初始孔隙压密、微裂纹承载变形,此时会出现少量的声发射信号,标志着第一阶段结束,构件表面未见裂纹出现,未听见明显断裂声.

2)裂纹稳定增长阶段.此阶段产生持续的低水平能量,第一阶段产生的裂纹继续发展,新的裂纹在水泥石、骨料界面结合处产生.从时间-累计能量曲线可以看出,该阶段能量累积缓慢,曲线斜率较为平缓,G1、G2组试件能量释放基本稳定在10 000 m V·μs左右,随着骨料界面区域的破坏及部分粗骨料的断裂,G3组试件能量释放可达到20 000 m V·μs.当构件表面产生第一条较为明显的裂纹时标志着该阶段的结束,加载过程中可听见少量断裂声.

3)裂纹突变阶段.此阶段声发射能量增长迅速,时间-累计能量曲线陡增,并出现加载全程的能量最大值.可以观察到裂纹长度、宽度迅速发展,裂纹数量增长迅速,大量骨料贯穿.峰值能量出现后,构件承载性能下降.构件表面产生大量裂纹,加载过程中可听见大量断裂声.

4)破坏阶段.此阶段处于峰值应力之后,构件承载能力急剧下降,声发射能量降为较低水平(30 000 m V·μs以下),时间-累计能量曲线发展逐渐平缓.裂纹贯通直至构件完全破坏.

根据3组时间-能量参数曲线可以看出,G1组试件第3阶段承载时间较长,即能量突变过程中达到峰值应力之前的抗阻能力较好,分析其原因：较小粒径尺寸的粗骨料,比表面积相对较大,其被包裹程度、密实程度,以及骨料间的黏聚性能都相对较好,以至于承载能力也相对较高.其次是较小粒径的试件,其初始缺陷相对较少,第1、2阶段过渡时间也相对较短.根据承载时间来看,G3组试件的持载时间相对最长,从裂纹的萌生、发展,直至贯通,骨料的咬合能力起到了至关重要的作用.较大骨料的试件,骨料咬合作用相对明显,在加载后期也起到了一定阻裂的作用,使构件承载时间相对较长.

2.4 声发射空间定位分析

试验在声发射断裂源空间定位分析时,利用最小二乘法原理,基于布置的4个声发射探头实时采集到的信息,建立空间、时间方程组,通过求解来确定断裂源的准确定位[11].具体方程如下：

式中：x、y、z为需要确定的声发射断裂源位置坐标;xi、yi、zi为试验前布置的第i个声发射探头位置坐标;v为通过断铅试验测定的声发射波速;ti为第i个声发射探头接收到的声发射波时间;t为产生声发射的时间.

对于该式,x、y、z、t都是未知的,对于i个声发射探头,可列出i个非线性方程,可将这组方程都减去同一个方程,留下(i-1)个线性方程,通过求解该组线性方程即可求得断裂源的准确坐标.试验对3组试件进行轴心受压试验,基于声发射空间定位原理,对声发射断裂源实时定位,具体定位结果如图8所示.

调高数罪并罚刑期不是无限制性的，应当以符合刑事立法政策的合理性为前提。刑事立法政策合理性，是指刑事立法政策的选择不仅要符合社会现实，而且要符合人类的内在逻辑即理性和公平、正义等人的各种内在价值尺度。刑事立法政策合理化就是刑事政策合理性逐渐实现的过程，即不断的废弃不合理因素的过程。具体到我国，我国刑事立法政策合理化首先，要做到符合法治社会文明、民主、公平正义的最根本的内在要求;其次，同我国的国情、文化传统相适应。即我国刑事立法政策应具有科学性、法治性、人道性、伦理性、本土性(符合国情性)等合理性内涵。“公正”或“正义”是刑事立法政策合理性的最本质要求。［10］

图8 声发射空间定位结果

声发射探头的布置方式如试验概况部分所述,综合分析各组试件的定位结果可以看出：大部分试件在承载过程中产生的断裂源坐标定位集中在棱柱体轴心附近.G1、G2组试件的定位事件数较为接近,G3组定位事件数相对较少,分析其原因,粗骨料粒径较大的试件加载过程中骨料的断裂较多,骨料粒径断裂过程连续,且产生的能量相对较大,多为连续型声发射信息,根据时差定位原理[12],突发型信号较多试件定位效果相对较好.空间定位图8与现场破坏图9对比分析,G3组试件定位结果显示表面定位事件相对较多,即粗骨料粒径较大组试件表面破坏结果更为严重,水泥石、砂浆、粗骨料剥落现象更为明显.

图9 试件现场破坏图

3 材料损伤程度评价

可以把混凝土材料在外力作用下的演化过程看作裂纹从产生、发展到贯通的一系列发展过程.随着裂纹的发展,声发射事件数也在增加,混凝土的损伤演化过程与此应力水平下的裂纹发展程度息息相关,其中应力水平表示σ/σmax.本文通过分析实时采集的声发射事件数与应力水平建立联系,以定量描述混凝土材料的损伤程度.

纪洪广,苏晓波,蔡美峰,等[13-15]对混凝土材料损伤声发射特性研究分析,得到损伤因子与声发射参数的关系：

其中：Nt为任意加载时刻的声发射累计事件数;D为材料的损伤程度;β为与材料性质有关的常数.

将4式代入材料的损伤本构方程可得：

其中：σ、ε分别表示材料的应力、应变;E表示材料的弹性模量.

图10为3组不同粗骨料粒径下棱柱体试件,任意时刻的声发射累计事件数与相对应力水平关系.

图10 应力水平-事件数曲线

依据图中数据分布情况,可将应力水平与累计事件数规律用函数关系表示为：

其中：a、b表示材料参数,依据试验结果确定;σt表示t时刻加载的相对应力水平.

表3 系数确定

通过观察可以发现,a值随粗骨料粒径的增大呈减小趋势,b值呈增大趋势,为得到统一化的公式,通过对G1、G2、G3组试件参数进行回归分析,得到不同粗骨料粒径下相对应力水平与累计事件数变化规律的函数表达式：

其中：Gx表示粗骨料最大粒径.

将(6)式代入(5)式,得出基于声发射参数的不同粗骨料粒径混凝土材料损伤本构模型：

将本次试验σ、ε、E、a、b的结果代入式(9),即可求得β的值.G1、G2、G3组试件β值分别为：0.21×10-3、0.32×10-3、0.37×10-3.将3组试件的β值及式(7)代入式(4),得到不同粗骨料粒径普通混凝土损伤评价指标D的变化规律,如图11所示.利用声发射参数指标即可量化评估材料的损伤程度.

图11 应力水平-损失因子D关系曲线

4 结 论

本文在课题组对声发射技术已有研究的基础上,分析不同粗骨料粒径普通混凝土的声发射与力学特性,并建立相互之间的联系.从另一角度揭示骨料粒径对材料性能的影响,对材料损伤定量化、可视化研究提供了部分参考依据.通过本次试验及理论分析的探究得出以下结论：

1)在相同水灰比条件下,随粗骨料粒径增大,强度呈下降趋势,同样材料内部会产生相对较多的缺陷,对AE波的传播、衰减、反射、衍射及折射影响较大,通过断铅试验反映出波速减小的趋势.

2)从声发射能量参数角度分析轴心受压破坏的全过程,应力水平-累计能量曲线4个阶段特征分明,能量持续时间与粗骨料粒径尺寸相关性较大,随骨料粒径增大,骨料-骨料、骨料-水泥石间的咬合作用越明显.

3)通过声发射空间定位分析,断裂源定位结果与现场试件实际破坏情况一致,均出现随骨料粒径增大,试件表面破坏结果更为严重,水泥石、砂浆、粗骨料剥落现象更为明显.

4)将事件数引入材料损伤本构方程建立不同粗骨料粒径下的损伤演化模型,对试件的损伤破坏进行定量评估,今后对于用材多样、受力及结构形式复杂构件的研究提供理论参考依据.