基于循环载荷下再生混凝土损伤声发射特性研究

吴倩柳

摘要：本文以循环载荷为研究条件，借助声发射技术对再生混凝土特性、结构损伤情况开展研究。将各类掺量比例的混凝土材料制作成试件，采取单轴抗压方式，开展试验研究。在声发射技术的支持下，能够有效掌握混凝土在受压损伤各环节的状态资料，便于开展动态分析。研究发现：在循环载荷条件下，再生类型的混凝土有损伤表现，各类差异性掺量的损伤程度有不同。

关键词：声发射系统；材料；混凝土

引言：在建筑资源消耗量逐渐增加、建筑垃圾处理压力日渐加大的背景下，加剧了城市发展问题。在城市发展体系中，建筑资源与垃圾备受瞩目。在此种情况下，围绕再生混凝土开展的研究工作，能够有效解决此类问题。混凝土材料整体结构在受到损坏时，将其称为损伤演变阶段，围绕再生混凝土材料，研究其损伤演化特征，是开发使用再生混凝土材料的关键路径。

1声发射技术概述

在各类自然灾害频繁发生的环境中，以循环载荷为条件，围绕再生混凝土进行载荷损伤问题特征的评价与结构性能预测，具有较高的研究价值。地震运动的过程，反映出能量的传输与交互现象。再生混凝土在受力损伤时，对实际释放的能量给出了转化处理。声发射技术是一种性能检测方法，具有无损检测功能。在检测时，对于混凝土受损释放的能量，记录其能量转化期间产生的声发射信号，用于研究材料声发射特点。或者说是对混凝土结构损伤后的发展倾向、演变特点加以研究。在声发射技术的支持下，以循环载荷为外界条件，多以岩石为研究主体，在研究混凝土时，较为关注材料在压缩条件下形成的声发射特征。以循环荷载为施加条件时，对混凝土受压形变、声发射特征加以研究，具有较高的研究价值^[1]。

2声发射特性的研究方法

2.1准备工作

以再生混凝土为材料主体，设定外界条件为循环荷载，研究材料受压形变时产生的声发射特征。在研究期间，可设定3~7组试件，由各类再生粗骨料为主体，取代比例取值范围为[0，100]%。在每组试件中均防止3~6个棱柱体，材料强度均选择C30。在研究期间，粗骨料研究主体来源于新疆，粒径大小取值范围为[4.75，20]毫米，同时材料为连续级配类型。此种粗骨料是在建筑固体垃圾中提取而出，在破碎机多重处理后，使其粒径与一般骨料相同。

细骨料的选择以粗砂为主，细度模数接近于2.9。水泥类型以硅酸盐为主。在一般温度条件下，将各组试件放置在静水中养护四周。对各组研究试件进行编号管理，统计规格参数，记录配合比。

2.2加载方法

在研究中使用微机进行荷载控制，操作压力试验机，对准备好的各组试件，进行循环加载、卸载。结合位移作用方法，确保荷载施加、荷载卸除的作用时间相同。加载与卸载时，单位荷载增加的幅度、施加速率等无差别，速率设计为0.3mm/min。在荷载施加期间，有峰值应力表现时，停止载荷增加。

2.3声发射系统设计方法

其一，依据声发射系统的运行方法，结合研究目标，合理进行系统设计，以获取较为全面、真实的声发射特征。系统设计时可分别从采样频率取值区间、放大器增益分贝、门槛限值、滤波器参数范围、峰值与事件鉴别时间等视角加以设计，确保系统运行能力。

其二，研究期间，在试件、压力盘间隔位置添加了照片纸，以有效降低摩擦噪声。在试件、传感器的表层位置，添加适量凡士林，再用胶带进行固定处理，真空处理试件与传感器，减少声发射信号消耗问题。

其三，一般情况下，在布置声发射传感器时，是对矩形试件八个角为主，相应装设声发射探头。传感器与计算机相互连通，有效获取试件内部参数资料，给予高效存储。

利用计算机能够有效展现出加载期间混凝土试件的内部结构情况，比如损伤演变、声发射信号浮动等，由此判定声发射测试的成功性。为确保测试结果的真实性与可信度，在测试期间，需要使声发射资料传输、加载操作处于同步状态。

2.4研究发现

2.4.1材料损伤情况

在外界施加作用力时，材料结构会有形变、损伤等情况，材料内部会有质量改变的痕迹。再次受到应力时，如果应力大于历史受力的最大值，会形成新的质量受损痕迹，相应质量受损产生的能量，会以声发射信号进行传达。基于此种理论，由此判定构件在各种应力作用下形成的损伤问题，在应力强度增加的情况下，声发射信号由模糊逐渐消失。如果构件实际承受的应力，并不大于历史受力的最大值，此时会给出有效声发射，对应的声发射信号会减弱，此时应力为声发射承受应力的临界值。在研究中，使用再生混凝土制作的试件，其应力临界值为[14.87，21.72]MPa，是应力最大值的[70，80]%^[2]。

再生混凝土研究主体，在应力较低的范围内，声发射信号传输较为明显，在应力达到临界值时，声发射信号传输有所减弱。产生此种声发射信号传输特征的原因在于：

1. 较大应力阶段，引起混凝土内部结构发生质量改变的条件，不具有单一性，在荷载作用下，同时受到原有质量问题，比如裂纹、结构形变等因素的干扰。

2. 在低应力阶段形成的材料质量变化，对材料性能未构成较大威胁。在较高应力作用中，循环加载条件下，材料声发射信号的传输现象，由模糊逐渐消失，此时可认定材料结构损伤较为严重。

对于试件中混凝土掺量比例的差异性设计，取值范围为[0，100]%。以30%与50%掺量为例，在初次循环施加荷载作用时，两种掺量的试件均表现出：声发射信号类型多样化特点，此时试件结构经历了孔隙变化、裂隙质量等问题，在压密、摩擦等作用下，增加了发射信号的多样性；50%掺量的试件，明显比30%掺量的试件，初始荷载作用下质量缺陷更为严重。在进行第二阶段循环加载作用时，两种掺量的试件，实际表现出发射信号特点有所差异。在荷载参数增加的情况，并未给出有效信号，在荷载增加至特定值时，构件质量损伤会继续增加，形成较多的声发射信号。

2.4.2分形维数特征

分形是用于阐述图形特征的有效工具，使用分形维数开展测算分析，是研究工作的关键措施。在研究中可设定一次卸载为循环荷载条件，借助分形维数研究法，使用其盒维数测算方式，以网格形式进行划分，划分主体是循环作用下、时间驱动形成声发射振铃次数。在试件性能损伤变化的情况，使用二乘法测算每次循环作用对应的振铃维数。此种分析方式，能够有效获取发射信号图的特点，判断图形中的材料损伤情况。对各类掺量试件进行分形维数研究时，其声发射特点具有变化的一致性。在循环荷载作用增加的情况下，声发射信号有所增长。此种现象说明：在循环作用增强时，各类掺量试件发生的结构损坏有所增加，声发射信号的特点，由有序信号转变成混乱信号。

依据分形维数分析反复，在循环作用次数累加的情况下，声发射振铃表现出变化特点：在增加荷载最初时期，1至3个循环作用区间，分形维数参数分布在0.7与0.8两个参数，分形维数取值较小，说明此时形成的声发射事件影响范围较小，试件内部发生的初期质量缺陷问题，是在于外荷载作用下形成的结构变化，引起声发射信号的条件有多种，因此分形维数整体变动较为明显；在循环荷载次数增加时，分形维数浮动逐渐平稳，表现出维数增长的特点，说明此时混凝土试件中损伤面积有所加大，小范围的结构损伤，将会转变成大区域损伤，分形维数升至1.04，说明此时声发射信号特点，从小范围的有序信号，转变成大范围的无需信号，损伤问题有所恶化，直至试件损伤程度达到临界承受的荷载范围^[3]。

结论：综上所述，以循环荷载施加与卸除为视角，围绕混凝土进行性能分析，探索其声发射信号特点研究期间，发现信号传输强度在应力增加的情况下，有所减弱，信号传输的应力临界值等同于应力最大值的70%~80%。在荷载施加次数增加的情况，分形维数相应升高，信号有序性与损伤区域的大小具有一定关联。

参考文献：

[1]王文杰,磨季云.尾矿砂改性混凝土的强度与声发射损伤特征研究[J/OL].硅酸盐通报:1-11[2021-08-25].

[2]秦拥军,孟军.沙漠砂混凝土声发射损伤特性与损伤模型[J].三峡大学学报(自然科学版),2021,43(04):66-71.

[3]刘俊卿,石同心.基于声发射技术的高强度混凝土循环荷载下轴压损伤特性试验研究[J].四川建筑科学研究,2021,47(02):77-84.