碳化高溫后再生混凝土受壓聲發(fā)射特性與損傷演化

摘要：為研究再生混凝土在碳化高溫下的損傷演化規(guī)律，對(duì)碳化后不同溫度梯度（常溫20 ℃、中低溫200 ℃及中高溫400 ℃）下C30再生混凝土（質(zhì)量分?jǐn)?shù)取代率0%、50%、100%）進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)并同步采集聲發(fā)射信號(hào)，在分析聲發(fā)射特征參數(shù)的基礎(chǔ)上建立再生混凝土的損傷模型。結(jié)果表明，通過對(duì)聲發(fā)射損傷定位、累計(jì)撞擊計(jì)數(shù)與能量計(jì)數(shù)分析，可實(shí)現(xiàn)再生混凝土軸心受壓破壞從初始損傷到微裂縫演變，再到宏觀裂縫擴(kuò)展，最終到試件破壞的全過程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；不同粗骨料取代率再生混凝土試件，加載過程中損傷點(diǎn)的密集集中位置與試件最終破壞位置相符；隨著溫度梯度增加，3種不同粗骨料取代率的再生混凝土均呈現(xiàn)初始損傷增大、聲發(fā)射參數(shù)增大、應(yīng)力減小的現(xiàn)象；基于聲發(fā)射累計(jì)撞擊計(jì)數(shù)建立的混凝土損傷模型可用于分析碳化高溫后再生混凝土軸心受壓損傷演化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：碳化高溫；再生混凝土；聲發(fā)射；軸心受壓；損傷演化

中圖分類號(hào)：TU528.59" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：2096-6717（2024）04-0175-11

Acoustic emission characteristics and damage evolution of recycled concrete after carbonization at high temperature under axial compression

CUI Zhenglong， SUN Wanji， FEI Haichao， LI Zhengyuan

（School of Civil Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin 123000， Liaoning， P. R. China）

Abstract： In order to study the damage evolution of recycled concrete under high temperature of carbonation， the experiments were conducted on C30 recycled concrete （0%， 50% and 100% mass fraction replacement） under different temperature gradients （room temperature 20 ℃， medium and low temperature 200 ℃， and medium and high temperature 400 ℃） after carbonation with axial compression tests and simultaneous acquisition of acoustic emission （AE） signals， and the damage model of recycled concrete was established based on the analysis of acoustic emission characteristic parameters. The test results show that， analyzed AE damage location， cumulative impact count and energy count， dynamic monitoring of recycled concrete （RC） axial compression failure was realized from initial damage to micro fracture evolution， then to macro fracture propagation and finally to specimen failure; for RC specimens with different replacement ratio of coarse aggregate for comparison， the dense and concentrated location of damage points was the same as the failure position during loading process. Furthermore， RC with three different replacement ratios of coarse aggregate have the initial damage increases， the AE parameters increase and the stress decreases with the increase of temperature gradient. As a result， the concrete damage model based on AE cumulative impact count can be used to analyze the damage evolution law of RC after carbonization at high temperature under axial compression.

Keywords： high carbonization temperature； recycled aggregate concrete； acoustic emission； axial compression； damage evolution

自19世紀(jì)末問世以來，混凝土材料在土木工程各個(gè)領(lǐng)域中扮演著至關(guān)重要的角色。隨著現(xiàn)代化建設(shè)步伐的日益推進(jìn)，混凝土固體廢棄物的產(chǎn)生量也在不斷增加[1-2]，但資源化利用率非常低，這會(huì)導(dǎo)致天然集料資源不斷枯竭[3-4]。放眼未來，混凝土固體廢棄物的回收再利用符合可持續(xù)發(fā)展的方向[5-6]。

聲發(fā)射（AE）是在外荷載作用下，因材料局部受力破壞，以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象[7]。Josef Kaiser在1950年發(fā)現(xiàn)金屬變形過程中伴隨著聲發(fā)射現(xiàn)象，1959年Rusch首次將聲發(fā)射技術(shù)用于混凝土中[8]，目前聲發(fā)射技術(shù)在石油化工、材料試驗(yàn)、航空航天損傷監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在混凝土材料的損傷及斷裂過程中，可通過聲發(fā)射特征參數(shù)對(duì)其內(nèi)部演化過程進(jìn)行描述。

在研究混凝土損傷力學(xué)方面，劉瓊等[9]通過再生骨料方位模型研究了再生混凝土損傷演化過程；安新正等[10]基于超聲波波速的衰減來衡量單軸受壓下再生混凝土的損傷特性；李建濤等[11]對(duì)含不同初始缺陷的立方體進(jìn)行單軸壓縮，分析聲發(fā)射事件率、聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)隨應(yīng)力、應(yīng)變的變化特征，揭示了混凝土試塊破壞損傷機(jī)理；Henry等[12]應(yīng)用X射線、CT和圖像分析技術(shù)對(duì)高強(qiáng)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，揭示了混凝土受壓性能和高溫?fù)p傷演化規(guī)律。在研究再生混凝土強(qiáng)度方面，商效瑀等[13]基于分形幾何理論，建立了分形維數(shù)和多重分形譜特征參數(shù)與RCA取代率和再生混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系；岳強(qiáng)等[14]利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)和有限元模擬相結(jié)合的方法，討論了不同天然骨料、界面過渡區(qū)和新老硬化砂漿的力學(xué)性能對(duì)再生混凝土宏觀力學(xué)性能的影響；Ryu等[15]的研究表明，聲發(fā)射信號(hào)可以評(píng)估再生混凝土的損傷程度。在研究高溫或碳化后混凝土力學(xué)性能變化方面，Geng等[16]研究發(fā)現(xiàn)，依據(jù)聲發(fā)射技術(shù)可對(duì)高溫后混凝土的損傷程度做出評(píng)定；馬騰飛[17]的研究表明碳化后的素混凝土?xí)岣吡W(xué)性能；趙東拂等[18]利用超聲、掃描電子顯微鏡、X射線衍射、汞壓力測(cè)孔及顯微硬度檢測(cè)等綜合手段研究了經(jīng)歷不同溫度后混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律；劉慶等[19]研究發(fā)現(xiàn)，隨著作用溫度的升高，混凝土剩余抗壓強(qiáng)度總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。上述學(xué)者研究大部分從外部宏觀表征現(xiàn)象來分析混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷規(guī)律，而再生混凝土由于材料內(nèi)部新舊砂漿界面過渡區(qū)的復(fù)雜性決定了以往的研究方法具有一定的局限性，聲發(fā)射技術(shù)能夠有效克服這一局限性，從材料內(nèi)部出發(fā)，從本質(zhì)上闡釋再生混凝土的損傷演化過程。試驗(yàn)選用碳化高溫后的C30再生混凝土（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)取代0%、50%、100%），結(jié)合聲發(fā)射特征參數(shù)和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線來描述再生混凝土在軸心受壓過程中的損傷演化規(guī)律，為高溫后再生混凝土的強(qiáng)度評(píng)估及實(shí)際工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

再生粗骨料：拆遷某工廠樓板產(chǎn)生的廢棄混凝土塊，經(jīng)反復(fù)破碎篩分后粒徑調(diào)整為4.75～26.5 mm（砂漿附著率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為37.3%）；天然粗骨料：4.75～26.55 mm花崗巖類碎石，連續(xù)級(jí)配；天然細(xì)骨料：0.16～4.75 mm河沙，潔凈，中砂（細(xì)度模數(shù)2.75）；水泥：大鷹牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥（28 d水泥膠砂強(qiáng)度為48.3 MPa），比表面積為342 m2/kg；減水劑：萘系高性能減水劑，棕色粉末，含固量97.4%，減水率25%，pH值為8.1；水：普通自來水。表1為使用原材料的基本物理、力學(xué)性能。

1.2 混凝土配比設(shè)計(jì)

以再生粗骨料質(zhì)量取代率（0%、50%、100%）為變量，設(shè)計(jì)了C30混凝土。為了不影響施工和易性能，拌和前根據(jù)再生粗骨料1 h吸水率對(duì)其進(jìn)行提前潤(rùn)濕。

混凝土試件命名如下：再生混凝土試件編號(hào)RN，再生粗骨料取代率為0%、50%和100%，試件編號(hào)RN0、RN50和RN100，具體配合比及28 d立方體試件抗壓強(qiáng)度見表2。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

C30圓柱體混凝土試件，尺寸為150 mm×150 mm×300 mm。圓柱體試件經(jīng)28 d標(biāo)養(yǎng)，自然晾干7 d后放入碳化箱中模擬自然碳化40～50 a（RN0、RN50和RN100試件碳化深度分別為7.4、8.2、8.9 mm）。碳化后的圓柱體試件分別經(jīng)過不同溫度梯度（常溫20 ℃、中低溫200 ℃以及中高溫400 ℃），達(dá)到預(yù)定溫度值后恒溫2 h，自然冷卻至室溫?；炷猎嚰缦拢阂罁?jù)溫度梯度不同，再生粗骨料取代率為0%，即普通混凝土試件分別編號(hào)RN0-20、RN0-200和RN0-400；再生粗骨料取代率為50%，分別編號(hào)RN50-20、RN50-200和RN50-400；再生粗骨料取代率為100%，分別編號(hào)RN100-20、RN100-200和RN100-400。為了避免圓柱體試件出現(xiàn)較大的離散性，RN0、RN50和RN100每組各制備了3個(gè)試件。聲發(fā)射設(shè)備采用北京軟島時(shí)代科技有限公司的DS5-8B聲發(fā)射系統(tǒng)，經(jīng)過斷鉛試驗(yàn)調(diào)試，合理設(shè)置聲發(fā)射采集信號(hào)的參數(shù)，信號(hào)采集門檻40 dB，采樣頻率3 MHz，放大器增益40 dB。壓力機(jī)采用濟(jì)南時(shí)代試金有限公司YAW-2000D電液伺服萬能壓力試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)采用位移控制方式，速率為0.2 mm/min，在試件損傷破壞過程中采集荷載、應(yīng)變及聲發(fā)射特征參數(shù)。試件加載過程聲發(fā)射試驗(yàn)裝置布置如圖1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳化高溫再生混凝土試件AE特征參數(shù)歷程

當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)受力時(shí)，發(fā)生形變并以彈性應(yīng)變能儲(chǔ)存在材料內(nèi)，致使局部應(yīng)力集中，當(dāng)這種應(yīng)變能累積到一定程度時(shí)就會(huì)向低能態(tài)過渡，最后導(dǎo)致材料出現(xiàn)裂縫，并在此過程中釋放出應(yīng)變能，即發(fā)生聲發(fā)射現(xiàn)象。試驗(yàn)基于碳化高溫再生混凝土AE信號(hào)歷程圖，結(jié)合應(yīng)力-應(yīng)變特征關(guān)系，分析9組試件的損傷過程（每組以試驗(yàn)中間值試件舉例說明）?；炷谅暟l(fā)射參數(shù)歷程與應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖2所示。圖中縱坐標(biāo)分別為累計(jì)撞擊計(jì)數(shù)和能量值，累計(jì)撞擊計(jì)數(shù)指的是信號(hào)采集過程中超過門檻值的各個(gè)獨(dú)立通道獲取數(shù)據(jù)的信號(hào)累計(jì)數(shù)，而能量值是指聲發(fā)射信號(hào)波形包絡(luò)線下的面積值，受壓損傷破壞過程總體上分為4個(gè)階段。

2.2 碳化高溫再生混凝土聲發(fā)射損傷定位分析

圖3為不同應(yīng)力環(huán)節(jié)3種不同再生粗骨料取代率的再生混凝土試件在不同應(yīng)力階段的聲發(fā)射損傷定位圖（同樣每組以試驗(yàn)中間值試件舉例說明，圖中綠色表示30%以內(nèi)應(yīng)力損傷定位點(diǎn)，藍(lán)色為30%～60%應(yīng)力損傷定位點(diǎn)，紅色為60%～90%應(yīng)力損傷定位點(diǎn)）。從圖3可以看出，加載到極限應(yīng)力30%左右時(shí)，隨著溫度梯度的增加，3種粗骨料取代率的再生混凝土試件損傷點(diǎn)位置均從靠近中心區(qū)域逐漸向兩端零散分布，混凝土內(nèi)部微裂縫的發(fā)展尚處于萌芽階段；隨著荷載的持續(xù)增加，達(dá)到極限應(yīng)力60%左右時(shí)，不同溫度梯度3組試件損傷點(diǎn)從中心區(qū)域逐漸向兩端擴(kuò)散，且粗骨料取代率越高，再生混凝土試件向兩端擴(kuò)散范圍越廣。當(dāng)加載到極限應(yīng)力90%左右時(shí)，再生混凝土試件的損傷點(diǎn)位置逐漸向中心聚集，且這種現(xiàn)象隨著溫度梯度的增加更為顯著。不同粗骨料取代率再生混凝土試件在加載過程中，損傷點(diǎn)的密集集中位置與試件最終破壞位置相符。

造成上述現(xiàn)象的主要原因在于，一是再生混凝土試件結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在較多的細(xì)微裂縫，空氣中的CO2與混凝土有更大接觸面積，促進(jìn)碳化，使已碳化混凝土強(qiáng)度得到提高，在其表面形成一層“環(huán)形”保護(hù)層；二是在圓柱體混凝土試件受壓過程中，試件上、下表面與鋼壓板之間會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力，形成以試件上下表面為底指向試件中心的雙圓錐狀約束區(qū)域，其約束范圍從試件兩端到中心部逐漸減小，大約在√3/2a（a為試件直徑）處約束作用消失。正因?yàn)檫@種“環(huán)箍”效應(yīng)，試件最終破壞集中在無約束的中心區(qū)域[20]?；炷林性偕止橇系募尤胧蛊涫芰π阅茏兊酶訌?fù)雜。“雙重”砂漿界面過渡區(qū)間存在細(xì)微的裂痕，隨著溫度梯度的增加，水泥水化礦物成分也發(fā)生相應(yīng)的變化，受到不同溫度梯度熱輻射影響，水泥砂漿中的水分在混凝土內(nèi)部不斷蒸發(fā)，自由水、化學(xué)結(jié)合水及毛細(xì)管水的狀態(tài)不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致砂漿結(jié)合面的微裂縫受到膨脹作用而不斷擴(kuò)大。同時(shí)，骨料和水泥漿的熱膨脹系數(shù)不同，高溫后出現(xiàn)不同程度的變形，進(jìn)一步加劇了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致初始損傷更大，損傷點(diǎn)分布范圍更廣，荷載作用時(shí)初始損傷周圍很可能形成明顯的應(yīng)力集中，前期擴(kuò)展裂縫多在初始損傷附近產(chǎn)生，也就是初始損傷引起了微裂縫的產(chǎn)生。隨著荷載的加大，這種裂縫不斷擴(kuò)展，骨料與砂漿界面過渡區(qū)沿開裂面發(fā)生相對(duì)位移，裂縫在砂漿內(nèi)部快速發(fā)展和延伸，更容易引起試件的破壞[21-22]。

2.3 再生混凝土損傷模型

根據(jù)Krajcinovic等[23]基于材料損傷過程的損傷模型理論，混凝土的應(yīng)力和損傷變量之間的關(guān)系可定義為

將試驗(yàn)得到的各組試件峰值應(yīng)力、應(yīng)變分別代入式（15）、式（16），得到各組所對(duì)應(yīng)的參數(shù)m、α的值（見表4）。

為了研究不同溫度梯度以及再生粗骨料取代率對(duì)再生混凝土損傷的影響狀況，分別將各組混凝土所擬合出來的Weibull分布參數(shù)代入式（9）進(jìn)行修正，將經(jīng)過修正得到的損傷本構(gòu)模型關(guān)系與試驗(yàn)過程曲線進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見圖4。

根據(jù)混凝土試件在軸心受壓加載過程中的聲發(fā)射累計(jì)撞擊計(jì)數(shù)，分別對(duì)不同再生粗骨料取代率再生混凝土試件的位錯(cuò)、滑移和破壞過程進(jìn)行損傷演化分析，將試驗(yàn)測(cè)得的各組試件的E_rT、ε和擬合參數(shù)m、α代入式（8），得到應(yīng)變和損傷變量的關(guān)系曲線（見圖5）。

從圖5可以看出，隨著溫度梯度的增加，3種再生粗骨料取代率再生混凝土試件的初始損傷均增大，且相同溫度下粗骨料取代率越高，再生混凝土試件的初始損傷變量就越大。其主要原因在于，相對(duì)于低取代率再生混凝土，高取代率再生混凝土試件在前期未受壓時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)部就存在各種缺陷（如高溫后水泥水化礦物成分的變化及再生粗骨料自身的缺陷、新舊砂漿界面過渡區(qū)黏結(jié)力差等）。各組試件的損傷變量發(fā)展過程表現(xiàn)為在應(yīng)變相對(duì)較小時(shí)，損傷發(fā)展先慢后快，隨著試件進(jìn)入塑性階段，損傷發(fā)展趨勢(shì)變緩。

用聲發(fā)射累計(jì)撞擊計(jì)數(shù)替代應(yīng)變，運(yùn)用式（11）得到各組試件在受壓過程中聲發(fā)射累計(jì)撞擊計(jì)數(shù)與損傷變量之間的關(guān)系曲線（見圖6）。

從圖6可以看出，各組再生混凝土試件的損傷變量均呈現(xiàn)出隨累計(jì)撞擊計(jì)數(shù)的增加而快速增長(zhǎng)到緩慢發(fā)展的2個(gè)階段，且隨著溫度梯度的增加，初始損傷變量也更大。同一溫度下，與低取代率再生混凝土相比，初始損傷更大的高取代率再生混凝土試件損傷變量增長(zhǎng)速度更快。再生混凝土試件的損傷變量在累計(jì)撞擊計(jì)數(shù)相對(duì)較小的情況下達(dá)到了峰值，這是由于高溫?fù)p傷以及再生混凝土試件內(nèi)部初始缺陷和細(xì)微裂縫導(dǎo)致在較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生破壞。

2.4 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證運(yùn)用Weibull分布函數(shù)得到的混凝土本構(gòu)模型的可靠性，引入3篇經(jīng)歷不同溫度作用后（分別為20、300、400 ℃）的混凝土的度驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果計(jì)算模型擬合，擬合結(jié)果如圖7所示。從擬合結(jié)果可以看出，通過Weibull分布函數(shù)所建立的經(jīng)歷不同溫度梯度后的再生混凝土損傷模型的可靠性較高。

3 結(jié)論

1）經(jīng)碳化和高溫作用后的再生混凝土軸心受壓過程中聲發(fā)射特征參數(shù)與結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷聯(lián)系緊密。通過不同應(yīng)力階段的聲發(fā)射損傷定位圖能夠清晰地看出再生混凝土內(nèi)部裂縫的形成和發(fā)展過程，接近峰值應(yīng)力的損傷定位圖與試件最終破壞位置大致符合。

2）依據(jù)聲發(fā)射特征參數(shù)與應(yīng)變關(guān)系曲線圖，分析了3種不同再生粗骨料取代率再生混凝土試件在不同溫度梯度下的參數(shù)變化規(guī)律。隨著溫度的升高，再生混凝土試件的初始損傷增大，單軸受壓過程中釋放的能量和累計(jì)撞擊計(jì)數(shù)均增加，而承載力不斷減小。

3）運(yùn)用Weibull分布函數(shù)建立理論應(yīng)力-應(yīng)變曲線模型，擬合得出的曲線趨勢(shì)與試驗(yàn)過程得到的曲線趨勢(shì)相近。基于聲發(fā)射累計(jì)撞擊計(jì)數(shù)建立的不同溫度梯度下碳化混凝土損傷模型可用于分析再生混凝土軸心受壓下的損傷演化規(guī)律。

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（編輯" 胡玲）

收稿日期：2021?12?28

基金項(xiàng)目：遼寧省教育廳基金（LJ2019JL023）；遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助（LNTU20TD-26）

作者簡(jiǎn)介：崔正龍（1974- ），博士，副教授，主要從事固體廢棄物再生骨料混凝土研究，E-mail： cui0815@126.com。

Received： 2021?12?28

Foundation items： Liaoning Provincial Education Department Fund （No. LJ2019JL023）; Liaoning Technical University Discipline Innovation Team Funding Project （No. LNTU20TD-26）.

Author brief： CUI Zhenglong （1974- ）， PhD， associate professor， main research interest： solid waste recycled aggregate concrete research， E-mail： cui0815@126.com.