齐宝欣，李 茉，刘 东，宋钢兵

(1. 沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁沈阳 110168； 2. 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室， 辽宁大连 116024； 3. 休斯顿大学机械工程学院，德克萨斯休斯顿 TX77204； 4. 加利福尼亚大学欧文分校亨利萨缪利工程学院，加利福尼亚欧文 CA92697)

0 引 言

混凝土是世界上应用广泛、用量最大的建筑材料。混凝土应用于基础建设时仍存在不足之处，主要包括：极端荷载作用下的脆性破坏，如开裂、剥落冲击、爆炸荷载作用下的破碎；正常工作荷载下的破坏，混凝土开裂引发钢筋锈蚀造成结构耐久性不足。此外，针对钢筋混凝土结构的可持续性问题，未来混凝土材料需要满足高延展性、高耐久性以及可持续性。当前，材料复合化是建筑材料发展的重要途径，在“均匀配筋”的理念指导下，产生了纤维增强水泥基复合材料(ECC)，显著改善了混凝土材料的韧性、耐久性和抗冲击性。20世纪90年代初，美国密歇根大学Li等[1]提出纤维增强水泥基复合材料。该种材料在基础设施建设中具有独特的开裂特性，即具有多点开裂、高韧性、高抗拉应变能力，饱和状态下的多点开裂裂缝间距小于3 mm[2]和具有良好的抗剪切性能[3-8]。ECC作为一种新型材料被广泛应用于实际工程中，例如桥面板连接、大坝修补和高层建筑抗震组合连梁[9-11]。ECC可以提高结构的安全性、耐久性和环境的可持续性，具有广泛的应用前景[11-12]。近年来，在面对爆炸、冲击等非设计荷载作用时的安全性正日益受到关注，其次生灾害对建筑结构造成严重的破坏事件也屡见报道。聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)在土木工程领域的应用得到广泛的关注和深入研究。PVA-ECC材料具有良好的抗冲击性能[12-15],然而对火灾发生后PVA-ECC材料性能的研究较少，主要集中在火灾后PVA纤维含量比率与温度的对应关系[16-17]，且PVA纤维耐热性较差，作为结构材料，高温后的性能研究尤其重要，特别是对具有高温损伤的PVA-ECC梁抗冲击性能及冲击损伤裂缝的形成和发展监测缺乏详细的研究。

基于上述原因，本文研究了具有高温损伤的PVA-ECC梁在低速冲击下的损伤特性。在不同高温损伤工况下，采用相同落锤高度和相同落锤质量进行了一系列的冲击试验。将高温损伤后的PVA-ECC梁两端横截面中心处粘贴一对压电陶瓷智能骨料传感器，将一端压电陶瓷智能骨料传感器作为驱动器，另一端压电陶瓷智能骨料传感器作为接收器，通过监测衰减的传播信号诊断裂纹的演化，获得PVA-ECC梁的抗冲击性能。此外，基于小波包的能量法分析压电陶瓷智能骨料传感器接收的信号，可为重复落锤低速冲击的PVA-ECC梁的裂纹演化提供一个冲击损伤定量指标。

1 基于小波包的信号能量分析

1.1 基本原理

小波包分析在信号处理、图像处理、量子力学、理论物理等领域有着广泛的应用。本文研究了基于小波损伤特征在结构健康监测中的应用[14，18]。小波包分解(WPD)是从小波分解(WD)扩展而来的。小波分解只将频率轴锁定到低频，小波包分解是一个广义谐波[18]保持完好的高频频段。小波包分解广泛应用于信号处理的领域[19]。

1.2 分析方法

通过所有小波包的能量总和来计算信号的总能量，信号的总能量可以被表达成：传感器信号S通过n级小波包分解为2n个信号子集{X1,X2,…,X2n}，分解子集Xj(j为频带，j=1,2,…,2n)的表达式为

Xj={Xj,1,Xj,2,…,Xj,m}

(1)

式中:m为采样数据的数量。

另外，时间指数分解信号的总能量Eij可以表示为

(2)

因此，分解信号的总能量可以通过所有信号集的求和来计算。信号的总能量E可以采用式(3)计算

(3)

本文基于小波包的能量分析方法为获得接收信号的能量值提供了一个简单而有效的途径。基于小波包的不同损伤裂缝信号的能量值可以直接进行比较。

2 试验方案

2.1 高温损伤后的PVA-ECC梁制备方法

为了研究高温损伤后PVA-ECC梁的抗冲击性能，在实验室中浇筑了5根PVA-ECC梁。梁的截面尺寸为400 mm×100 mm×100 mm，试验试件的组成如图1所示。在浇筑PVA-ECC梁的过程中使用正方形振动台振捣，并将PVA-ECC梁压实进行表面平整处理，将PVA-ECC梁养护28 d。将养护28 d后，选取1根PVA-ECC梁进行室温下落锤低速冲击试验与其他高温损伤后的PVA-ECC梁的落锤冲击试验进行对比。剩余其他4根PVA-ECC梁分别放入加热炉中，将PVA-ECC梁分别加热至100，200，230，300 ℃后，将PVA-ECC梁试件随炉冷却至室温，时间为12 h。最后，进行高温损伤后PVA-ECC梁落锤低速冲击试验，并与室温下的PVA-ECC梁落锤低速冲击试验进行对比。采用美国新泽西州Med Chem Express(MCE)公司生产的PVA纤维、美国标号C30的水泥砂浆、白色细沙、粉煤灰、减水剂和水共同搅拌。

2.2 试验步骤

将室温PVA-ECC梁和具有高温损伤的PVA-ECC梁两端中心处分别粘贴压电陶瓷智能骨料，如图2所示。将PVA-ECC梁放置在落锤试验装置上进行落锤冲击试验，如图3所示。

基于压电陶瓷智能骨料传感器监测裂缝演化过程的数据采集系统如图4所示。落锤冲击高度为1 m，落锤采用比赛标准铅球，其质量为7.257 kg，进行多次重复落锤冲击加载试验，直到PVA-ECC梁断裂，试验工况如表1所示。试验PVA-ECC梁两端分别固定到3个L形角钢构成的夹具中，形成两端铰接约束的边界条件，并且防止PVA-ECC梁的横向运动。为了更好地观察PVA-ECC梁低速冲击损伤裂缝的位置，在梁跨中分别向左右两侧每隔1 cm距离标注一格，左右两侧分别标注3 cm。数据采集系统包括一个NI-6363数据采集板、功率放大器和相应的监测信号数据终端。每个落锤冲击试验后，用2个压电陶瓷智能骨料传感器进行PVA-ECC梁的裂缝监测。初始压电陶瓷智能骨料的传播信号是一个扫频正弦波，参数如表2所示。该信号由功率放大器放大50倍，通过智能骨料1传感器传播。数据采集系统随后记录智能骨料2传感器的传播信号响应。数据采集系统中智能骨料2传感器的采样频率为2 MHz。

表1 试验工况Tab.1 Test Conditions

工况试验梁温度/℃落锤质量/kg落锤高度/m1PVA-ECC-1207.2571.02PVA-ECC-21007.2571.03PVA-ECC-32007.2571.04PVA-ECC-42307.2571.05PVA-ECC-53007.2571.0

表2 激励扫频正弦波信号参数Tab.2 Parameters of Excitation Sweep Frequency Sine Wave Signal

3 试验结果与分析

3.1 抗冲击性分析

对室温下的PVA-ECC梁和不同高温损伤后的PVA-ECC梁分别进行多次落锤低速冲击试验，直至梁完全断裂，结束落锤试验，结果如图5所示。

当PVA-ECC-1梁在室温20 ℃时，经过10次落锤低速冲击后完全断裂；当PVA-ECC-2梁加热至温度100 ℃时，经12 h恢复至室温，经过8次落锤低速冲击完全断裂；当PVA-ECC-3梁加热至温度200 ℃时，经12 h恢复至室温，经过2次落锤低速冲击后完全断裂；当PVA-ECC-4梁加热至温度230 ℃时，经过1次低速冲击完全断裂；当PVA-ECC-5梁加热至温度300 ℃时，经12 h恢复至室温，经过1次落锤低速冲击后完全断裂。落锤低速冲击试验中，PVA-ECC梁由智能骨料2传感器接收时域信号，基于小波包的信号能量图提供了一个定量的分析，当PVA-ECC梁将近断裂时，接收的信号能量损失较大，接近0，因为应力波不能通过一个断裂的裂缝传播。当PVA-ECC梁未开裂时，应力波在PVA-ECC材料均匀弹性条件下保持匀速传播，随着传播距离的增加，应力波幅值呈线性衰减；在PVA-ECC梁裂缝开展过程中，压电智能骨料输出的信号随着单裂缝深度的增加而呈线性减小。

如图5(c)所示，加热温度T=200 ℃时，PVA-ECC-3梁第1次冲击后梁没有完全断裂，智能骨料2传感器接受时域信号，基于小波包分析后，接收的信号能量为0.55×104V2,根据试验判断该梁还能够承受1次落锤低速冲击作用，最终导致PVA-ECC-3梁断裂，接收信号能量接近0。如图5(d),(e)所示，PVA-ECC-3梁和PVA-ECC-5梁落锤低速冲击试验后，分别由智能骨料2传感器接收时域信号。可以看出，相比于加热至温度T≤200 ℃时的PVA-ECC梁，所有加热温度T≥230 ℃时的PVA-ECC梁在第1次冲击时完全断裂，并没有信号由智能骨料传感器2检测响应。

综上所述，加热温度T≤100 ℃时，经12 h恢复至室温的PVA-ECC梁具有较好的抗冲击性，主要是由于振捣均匀，使得PVA纤维在PVA-ECC梁内分布均匀，PVA纤维对水泥、白沙、粉煤灰和水混合均匀搅拌构成的水泥基复合材料内部起到“拉结钢筋”的作用，增强了PVA-ECC梁的密实性和抗弯曲变形能力，初始阶段落锤低速冲击作用下，PVA-ECC梁先沿着梁的跨中受拉区对称均匀地分布微小裂缝，随着冲击次数的增加，跨中冲击点处的裂缝逐渐变大，最后造成PVA-ECC梁完全断裂成2段。

图6为基于压电主动传感技术记录下来相应时间段的裂纹开展过程和由压电陶瓷智能骨料传感器接收到的扫频波时域信号，压电陶瓷智能骨料传感器的扫频波时域信号选取为冲击前、第3次冲击、第8次冲击以及最后第10次冲击的损伤监测时频信号。可以看出压电陶瓷智能骨料传感器接收到的时域信号(压电幅值)随着落锤低速冲击试验次数的增加而减小。因此，采用压电陶瓷智能骨料传感器能够监测到落锤低速冲击裂纹损伤扩展与时域信号的对应关系，显示了工况2～5的监测情况。图5与图6所描述情况相同。

3.2 低速冲击破坏模式

图7为不同温度损伤后PVA-ECC梁的内部PVA纤维含量及次生孔隙分布。从图7可以看出，当加热温度T≤100 ℃时，PVA-ECC梁断裂后，其水泥基复合材料内部还含有大量白色的PVA纤维；当加热温度T=200 ℃时，PVA-ECC梁断裂后，其水泥基复合材料内部含有的PVA纤维由于高温热效应变成棕色，已经不具备室温时PVA纤维的高强度和高黏合强度。当加热温度T≥230 ℃时，PVA-ECC梁断裂后，其水泥基复合材料内部产生次生空隙，随着加热温度的升高，其孔隙率增大；当T=230 ℃时，达到PVA纤维熔点，其PVA纤维在水泥基复合材料中心部分已不存在，只是在PVA-ECC梁断裂边缘处有少量已经因高温热效应变成深棕色的PVA纤维；当T=300 ℃时，PVA-ECC梁断裂后，其水泥基复合材料内部不再含有PVA纤维，由于高温加热造成原来的PVA纤维消失，形成次生孔隙。

不同高温损伤后PVA-ECC梁与室温PVA-ECC梁多次重复落锤低速冲击试验后的破坏模式可以看出PVA-ECC梁的最终断裂处在受多次重复落锤冲击的PVA-ECC梁的跨中处。试验表明，PVA-ECC梁的抗冲击性能随着温度的升高而减弱，尤其是当温度达到PVA纤维熔点时，PVA-ECC梁仅能承受1次落锤低速冲击荷载作用，PVA已经失去了高强度、高韧性的材料特性。

3.3 数值模拟PVA-ECC梁的裂纹演化

由于PVA纤维的熔点是230 ℃，选取表2中PVA-ECC-5梁进行数值模拟，即PVA纤维已超过熔点。本文试验结果可知，高温损伤后，PVA-ECC梁内部PVA纤维已经消失，因此对PVA-ECC-5梁的数值模拟可以将PVA-ECC梁简化考虑成素水泥砂浆梁。采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对落锤低速冲击作用下具有高温损伤的PVA-ECC梁进行数值模拟[20-21]，为了描述PVA-ECC梁落锤低速冲击的非线性变形及断裂特性，在计算中选用MAT_CSCM_CONCRETE材料模型，高温损伤后的PVA-ECC-5梁的密度为2 320 kg·m-3，剪切模量为25 GPa，体积模量为28.43 GPa。落锤采用自由落体刚体球模拟，刚体球材料模型为*MAT_RIGID，刚体球的密度为7 850 kg·m-3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3。数值模型如图8所示。

图9为PVA-ECC-5梁在冲击荷载下的破坏模式。PVA-ECC-5梁的数值模拟结果与落锤低速冲击试验结果相一致，说明本文数值模拟方法的正确性。图10为PVA-ECC-5梁落锤低速冲击裂纹演化全过程数值模拟，其中t为时间。由数值模拟结果可知：落锤冲击撞击点在PVA-ECC-5梁跨中上表面处，裂纹首先从垂直跨中冲击点的下端处产生裂纹，裂纹沿着冲击点的垂直方向继续竖向延伸；当裂纹竖向向上延伸至PVA-ECC-5梁截面高度的2/3时，裂纹开始沿着横向扩展；随后，梁跨中的冲击点处产生挠度变形，随着刚体球继续下落，PVA-ECC-5梁裂纹继续沿着横向扩展，裂缝竖向向上继续延伸，直到PVA-ECC-5梁完全断裂。

4 结 语

(1)压电陶瓷智能骨料能够检测低速冲击作用下PVA-ECC梁裂纹演化全过程，随着裂缝的扩展、传播波衰减，基于小波能量分析能够计算和量化压电陶瓷智能骨料传感器检测到的压电幅值能量。

(2)在连续冲击荷载作用下，计算传感器压电幅值能量的下降趋势显示了PVA-ECC梁裂纹逐渐扩展的过程。

(3)高温损伤造成PVA-ECC梁抗冲击性能减弱。室温下的PVA-ECC梁有一定抗冲击能力，但当温度T≥230 ℃时，达到甚至超高PVA纤维的熔点，PVA-ECC梁中的PVA纤维消失，产生孔隙，形成素水泥砂浆梁，不具有抗冲击能力；因此，高温损伤造成PVA-ECC丧失了高强度、韧性、耐疲劳的特性。

(4)采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件，可以有效地模拟落锤低速冲击下PVA-ECC梁裂纹演化全过程。