刘茂军，王根伟，许国平，周胜锴

（桂林理工大学南宁分校，广西 南宁　530001）



基于声发射技术的再生混凝土破坏机理细观研究

刘茂军，王根伟，许国平，周胜锴

（桂林理工大学南宁分校，广西 南宁530001）

摘要：为了从细观层面了解再生混凝土的破坏机理，分别制作了4种常用强度等级的砂浆试块、普通混凝土试块、再生混凝土试块以及强化再生骨料混凝土试块，并对试块进行了简单加载条件下的声发射试验，对声发射能量-峰值频率关联图进行了对比分析。结果显示：声发射信号峰值频率主要集中在25～40 kHz和85～105 kHz2个区段内，并且随着等级的提高，高频信号增加，从而得出了进行骨料强化及提高砂浆强度等级可以有效提高再生混凝土强度的结论。

关键词：声发射；再生混凝土；破坏机理；峰值频率

0　前言

随着我国城镇化进程的加快和旧房改造项目的增加，大量建筑垃圾的处理和回收利用问题越来越被重视起来。其中，再生混凝土的研究和应用是最为炙手可热的一个方面。例如，李阳等［1-3］对再生混凝土基本性能进行了较深入的研究；郭远新等［4-5］研究了再生骨料强化对再生混凝土性能的影响；谢云飞等［6-7］对再生混凝土构件的受力性能进行了研究。这些研究对再生混凝土的推广应用提供了非常重要的理论和试验支撑。

但是，随着研究的深入，也逐渐暴露出了一些问题。首先，研究的方法没有大的进展，导致了研究工作受到较大制约，目前的研究者采用的方法都是制作大量的不同粗骨料取代率的试块进行加载试验，然后从试验结果的表征现象对内部损伤进行推断，再对结果进行对比和统计分析，然后得出结论。其次，也是由于研究方法手段的制约而导致研究深度不够，没有能够深入到材料的微细观层面进行研究，所以很多结论都是推测性质的。因此，研究者试验结果的离散性大，甚至不同研究者得出的结论不同等现象无法做出合理解释，例如，有的研究者得出的结论是再生骨料与新砂浆之间会产生粘结薄弱区，从而影响了再生混凝土的整体受力性能［8-9］，而也有研究者研究的结果是再生粗骨料与新水泥浆体界面结合更强［10］。因此，将先进的试验方法引入再生混凝土研究领域，有可能使再生混凝土方面的研究产生突破性进展。

声发射（AE）技术是一种动态无损检测技术，它的高灵敏度（可检测到10-11mm的微小震动）以及材料内部损伤的动态追踪和定位能力，使得它非常适用于再生混凝土微细观领域的研究。

本文利用声发射技术，对不同配合比的再生混凝土试块的受压破坏过程进行监测，并对破坏过程的声发射能量-峰值频率关联图进行分析，总结出了再生混凝土破坏过程的声发射特征，从微细观层面对再生混凝土的破坏机理进行了研究。

1　试验准备

1.1试验仪器设备

（1）试验检测仪器

采用美国物理声学公司（PAC）生产的SAMOS-48型声发射仪，分析软件采用实时采集/分析软件AEwin'Tm。其主要部件及性能指标见表1。

表1　SAMOS-48型声发射仪主要性能指标

（2）试验加载设备

试验加载设备采用WES-1000B型万能试验机。试验机最大试验力1000 kN，量程分辨率100～1000 kN，台板最大上升速度＞60mm/min。试验机控制系统采用RFP-09型智能测力仪，测力解析度1/250000，非线性重复性误差＜1%，测量范围50～3000kN，采样率100次/s。

1.2试块设计与制作

1.2.1原材料准备

制作试块所用的细骨料采用广西崇左市扶绥县龙头乡左江河砂，粒径0.25～2mm，粗骨料采用广西扶绥县七星石场加工的16～31.5mm粒径级配碎石，水泥采用海螺牌P·C32.5复合硅酸盐水泥，拌合用水为饮用水。

1.2.2普通（母体）混凝土试块制作

为了使制作再生骨料的母体混凝土具有更好的可控性，母体混凝土按照标准配合比以及标准试模制作，共制作了4种强度等级的混凝土：C15、C20、C25、C30。在制作混凝土试块的同时，制作了对应的砂浆试块（与混凝土配合比相同但不含粗骨料），对应的砂浆试块编号分别为：SJC15、SJC20、SJC25、SJC30。普通混凝土的配合比如表2所示。

表2　混凝土的质量配合比

1.2.3再生混凝土试块制作

将混凝土试块养护28 d后进行人工破碎，制成再生骨料，最大粒径控制在35mm以内。采用表2中C30的配合比重新配制再生骨料混凝土，粗骨料取代率为100%。4种强度等级的母体混凝土配制的再生混凝土分别编号为ZSC30/15、ZSC30/20、ZSC30/25、ZSC30/30。

1.2.4强化骨料再生混凝土试块制作

将另外一部分手工加工的再生骨料放入SJD-60型强制式搅拌机中强制搅拌5min，筛去粉末后即成强化再生骨料。经过物理强化后，骨料的棱角变得圆滑，最大粒径减小至32 mm以内，并且表面松动的砂浆都变成了粉末而被筛除，所以抗压强度有较大提高。采用表2中C30的配合比配制强化再生骨料混凝土，粗骨料取代率为100%。4种强度等级的母体混凝土配制的强化骨料再生混凝土分别编号为QZSC30/15、QZSC30/20、QZSC30/25、QZSC30/30。

2　试验过程

2.1声发射参数设置

2.1.1声发射检测门槛值（阈值）的确定

加载试验时的环境噪音以及加载设备本身产生的噪音都能对声发射检测结果产生不可忽略的影响，不仅使数据处理难度增大，甚至会导致试验失败。因此，正式加载试验前要首先设置一个合适的阈值电压（门槛）来滤除噪音。本文采用对现场噪音进行采集，并对其进行声发射参数关联分析的方法确定检测门槛值。

将试块放置于试验机上，并用凡士林将声发射传感器耦合于试块表面，将采集门槛预设为25 dB，启动试验机，同时开启声发射采集系统，声发射系统开始采集噪音信号。图1是采集到的噪音信号的声发射波形图。可以看出，噪音的声发射信号是幅值较低并且比较均匀的连续波形。

图2是现场采集到的噪音信号的幅值-时间关联图。

图1　噪音AE信号波形图

图2　噪音的幅值-时间关联图

从图2可以明显看出，噪音信号幅值主要集中在35 dB以下，只有少数的撞击幅值达到35 dB。这个特点与噪音信号波形图上反映出的规律一致，并且能更直观地看出噪音声发射信号撞击的幅值分布。

2.1.2声发射检测时间参数的确定

为了使声发射系统能够更准确地识别撞击信号，需要对声发射检测的时间参数进行设置，本文在加载前采用加载试块原位断铅试验进行时间参数的测定。安放好试块并连接好传感器后，在试块上连续断铅10次，采集每次断铅的信号波形，读取每个撞击波形的上升时间和持续时间，并取10次断铅波形的平均值作为依据，来最终确定声发射时间参数。图3 为1次断铅的信号波形。

图3　1个撞击的波形图

经过断铅试验，最终测得上升时间平均值为198.6μs，为了避免由于撞击波形的差异而造成峰值误判，本文将峰值定义时间适当放大，最终取峰值定义时间（PDT）为210μs，根据经验，撞击定义时间（HDT）通常取峰值定义时间的2倍，因此取420μs，撞击闭锁时间（HLT）可以取略大于撞击定义时间，本文取为450μs。

2.1.3声发射信号衰减曲线的测试

声发射信号在传播过程中会不断发生衰减，准确测定并在系统中正确设置衰减曲线，可以起到很好的“反演信号”和“滤除噪音”的作用。

图4是测定衰减的传感器布置，将8个传感器等间距布置成一排，在1#传感器处断铅，依次记录每个传感器接收到的撞击信号幅值。表3是3次断铅试验所测得的各传感器接收到的撞击幅值及平均幅值，图5是平均幅值的衰减曲线。

图4　测衰减传感器布置

表3　传感器的信号幅值

图5　声发射信号衰减曲线

2.2试验加载过程及现象

2.2.1加载过程

将试块放置在万能试验机上，并将R6型声发射传感器用凡士林耦合于试块侧面，开启万能试验机进行加压，同时开启声发射采集系统。试验加载采用简单单调加载方式进行，加载速率设定为3 kN/s，直至试块破坏。

2.2.2试验现象

将系统界面设定在声发射能量累积曲线（见图6），直接观察加载过程中声发射能量累积曲线变化与试块表面裂缝变化之间的对应关系，并利用能量累积曲线来预测试块表面的裂纹变化情况。

图6　声发射能量累积曲线

加载5s时，能量累积曲线有一个明显的跳跃，对应于万能试验机上下压头与试块紧密接触时产生的摩擦信号，接下来有一个较长的平缓段，60s时曲线出现了明显的转折，随即试块上出现了第1条可见裂缝，并且快速发展，随着试块上裂缝的不断增多和发展，声发射能量累积曲线持续向上延伸直至试块最终破坏。

砂浆试块、混凝土试块以及再生混凝土试块的能量累积曲线形状大致相同，但是能够看出：（1）强度等级高的试块曲线转折点明显后移；（2）再生混凝土试块的转折比普通混凝土试块的转折更明显。

3　声发射参数关联图分析

为利用声发射信号来分析再生混凝土破坏过程的微细观变化，分别提取了几种强度等级下的砂浆试块、母体混凝土试块、再生骨料混凝土试块、强化再生骨料混凝土试块在裂缝扩展过程中的声发射信号，对其能量-峰值频率关联图进行分析。3.1砂浆的能量-峰值频率关联图分析（见图7）

图7　砂浆的能量-峰值频率关联图

由图7可以看出，砂浆试块在裂缝扩展过程中的声发射信号的峰值频率主要分布在2个区段内：25~40 kHz和85~105 kHz。其中低频部分是由于砂浆中胶凝材料的开裂产生的，并且随着砂浆强度等级的提高，砂浆开裂所产生的声发射能量也呈升高的趋势。声发射信号中高频部分是由砂浆中骨料颗粒的断裂产生的，并且随着砂浆强度等级的提高，内部裂纹扩展过程中有更多的骨料颗粒断裂，从而出现更多的高频声发射信号。

3.2母体混凝土的能量-峰值频率关联图分析

图8　母体混凝土的能量-峰值频率关联图

（见图8）由图8可以看出，混凝土试块破坏过程中产生的声发射信号的峰值频率主要集中在25~40 kHz和85~105 kHz这2

个频段内，并且从试验过程中各种信号出现的顺序可以明显看出，试块从加载开始到刚刚开裂时，主要出现的是低频部分的信号，随着裂缝的扩展开始出现高频信号，并且随着混凝土标号的提高，试块开裂所释放的声发射能量值及峰值频率也呈提高的趋势。对照图7中砂浆开裂的频段分布可知，试块开裂初期，主要是混凝土中砂浆的开裂，有时也伴随部分较弱的或具有缺陷的骨料的开裂。随着裂缝的进一步扩展，出现了试块中粗骨料的断裂，所以出现了较高频率的声发射信号，并且随着混凝土标号的提高，粗骨料开裂所产生的高频声发射信号逐渐增加。

3.3再生骨料混凝土的能量-峰值频率关联图分析（见图9）

图9　再生混凝土的能量-峰值频率关联图

由图9与图8中母体混凝土的能量-峰值频率关联图的对比可知，两者在峰值频率范围分布以及各频段信号出现的次序都非常相似，但是也存在一些区别：（1）再生混凝土从开始加载到刚刚开裂时，产生的高频信号更少，特别是由低强度等级的再生骨料制作的混凝土试块几乎没有高频信号出现；（2）再生混凝土整个破坏过程中的高频信号都少于相应强度等级的普通混凝土，并且声发射能量也较低。

结合图7中砂浆试块的能量-峰值频率关联图可知：再生混凝土试块刚开裂时，只是砂浆的开裂和再生骨料界面的开裂，同时还有再生骨料中砂浆的开裂，而没有出现原生骨料的开裂，随着裂缝的扩展，逐渐出现了部分原生骨料的开裂，并且随着再生骨料强度等级的提高，会有更多的原生骨料断裂。但是整体上还是远低于普通混凝土。

3.4强化再生骨料混凝土的能量-峰值频率

关联图分析（见图10）

图10　强化骨料再生混凝土能量-峰值频率关联图

将图10与图9、图8中的能量-峰值频率关联图对比可知，再生骨料经过强化后制作的强化再生骨料混凝土与未强化骨料的再生混凝土相比，裂纹扩展过程中的高频信号更多，并且声发射能量也有大幅提高，已经与普通混凝土比较接近。因此，骨料强化能够使再生混凝土受力时的损伤演化过程更接近普通混凝土。对提高再生混凝土的受力性能效果明显。

4　结论

（1）再生混凝土受力时，首先是砂浆的开裂和再生骨料界面的开裂，随着荷载的增大逐渐出现骨料的开裂。通过提高砂浆标号，可以引起更多的骨料开裂，从而充分发挥骨料的作用，提高再生混凝土的强度。

（2）再生骨料经过物理强化后，尖角变得圆滑，骨料表面的松动部分脱落，所以，极大地改善了拌合物的和易性以及再生骨料表面与砂浆的粘结力，声发射试验时高频信号增多，其损伤演化过程更接近普通混凝土。

参考文献：

［1］李阳.再生骨料混凝土基本性能试验研究［J］．混凝土与水泥制品，2015（7）：91-94

［2］陈玉，刘艳军，苏育民，等.沥青路面骨料再生混凝土的力学性能研究［J］．新型建筑材料，2014（12）：38-42.

［3］严捍东，吴仕成，桂苗苗.再生粗骨料最大堆积密度及其对混凝土性能影响［J］．建筑材料学报，2015，18（3）：482-486.

［4］郭远新，李秋义，孔哲，等.再生粗骨料强化处理工艺对再生混凝土性能的影响［J］．混凝土与水泥制品，2015（6）：11-17.

［5］郭远新，李秋义，岳公冰，等.再生细骨料强化对混凝土性能的影响［J］．混凝土，2015（7）：63-67.

［6］谢云飞，李智慧.再生混凝土工程应用及性能检测研究［J］．混凝土与水泥制品，2015（8）：20-23.

［7］刘茂军，王根伟.再生混凝土空心板抗弯承载力试验研究［J］．科学技术与工程，2015，15（5）293-295，310.

［8］韦虹，李耀熙，胡幸宇，等.浅谈再生混凝土研究应用现状［J］．广东建材，2012，28（9）：10-12.

［9］陈小芳，李绛峰.再生混凝土基本性能研究及存在的问题［J］．山西建筑，2013，39（7）：118-119.

［10］杜婷.建筑垃圾再生骨料混凝土性能及强化试验研究［D］.武汉：华中科技大学，2001.

中图分类号：TU528.01

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）05-0066-06

基金项目：广西教育厅高校科研项目（YB2014169）；广西教育厅高校科研项目（KY2015LX774）

收稿日期：2016-01-26；

修订日期：2016-03-04

作者简介：刘茂军，男，1971年生，河南洛阳人，硕士，副教授，主要研究方向：声发射技术应用研究，再生混凝土应用研究。

Research on the failure mechanism of recycled concrete at the mesoscopic level based on acoustic emission technique

LIU Maojun，WANG Genwei，XU Guoping，ZHOU Shengkai
（Campus of Nanning，Guilin University of Technology，Nanning 530001，China）

Abstract：In order to understand the failure mechanism of recycled concrete at the microscopic level，four kinds of commonly used test block such as mortar test block，ordinary concrete test block，recycled concrete test block and reinforced recycled aggregate concrete test block were respectively made，and the acoustic emission test of various test block was carried out under simple loading condition，also，a comparative analysis of the acoustic emission energy-peak frequency correlation graph is carried out.The results showed that the peak frequency of AE signal is mainly concentrated in the two sections of 25～40 kHz and 85～105 kHz，and with the increase of the level，the high frequency signal is increased.Thus，the conclusion is drawn that the strength of recycled concrete can be improved effectively by aggregate strengthening and improving the grade of mortar.

Keywords：acoustic emission（AE），recycled concrete，failure mechanism，peak frequency