基于声发射的蒸养混凝土受压损伤特性试验研究

刘伟琪，陈 波，陈家林

(1.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098；
2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098)

蒸汽养护是以蒸汽为热介质使混凝土加速硬化的养护方式，常用于混凝土预制构件的生产制造，能有效提高施工效率，缩短施工周期[1]。该工艺所具有的高温、高湿条件能促进水泥的水化速度，显著提升混凝土早期强度，但也会造成材料内部孔径粗化、界面过渡区微裂缝增多等热损伤效应，不利于其长期服役性能[2-3]。为了减少蒸汽养护所造成的热损伤效应，许多学者研究了矿物掺合料对蒸养混凝土的影响。如赵晶等[4]探究了蒸汽养护对掺加不同矿物掺合料混凝土的抗压强度、抗氯离子渗透性和水化产物的影响。阎培渝等[5]用粉煤灰和石英粉作为活性和惰性矿物掺合料，研究了不同水胶比、不同养护温度下矿物掺合料对复合胶凝材料抗压强度发展特性的影响。

在外界荷载作用下，材料内部结构的变化导致了局域应力状态改变，释放出瞬态的弹性波，这种常见的物理现象称为声发射或应力波发射。不同于X射线、超声波等外加信号源的检测手段，现代声发射技术收集的是来自材料内部的应力波，其具备同步、动态、准确、可靠等特点，能够实时捕捉试件破坏全程发出的声发射信号；
通过分析振铃计数、能量、幅值和峰值频率等特征参数的变化，揭示其与材料破坏过程的关系，进行对材料内部损伤演化的无损监测和损伤机理的评价[6]，并提出可靠合理的材料破坏前兆依据[7]，从而实现材料和工程安全的监测预报。混凝土材料受力破坏过程中微裂缝的萌生、扩展以及宏观裂缝的形成都伴随着大量的声发射事件。近年来声发射技术在混凝土结构健康监测和劣化评价等领域中得到了广泛应用，众多学者借助此技术深入探究了不同混凝土材料的破坏机理。例如：王立燕等[8]利用声发射技术分析了普通水泥混凝土和橡胶水泥混凝土的疲劳损伤过程，比较了其疲劳性能；
段力群等[9]借助声发射技术对不同密度泡沫混凝土在单轴压缩下的损伤演化进行研究，并定位识别了其破坏模式。然而，将声发射技术用于探究蒸养混凝土力学性能的研究较少。

本文选取标准养护和蒸汽养护制度下掺加和未掺矿物掺合料的180 d龄期混凝土作为试验对象，对其进行单轴压缩试验测得抗压强度值，同时利用声发射系统全面记录加载过程中声发射信号的变化。在此基础上选取声发射振铃计数、b值等声发射特征参数分析了混凝土试件在破坏过程中的破坏规律，并基于高斯混合模型(Gaussian mixture model,GMM)探究了声发射值与裂纹形式之间的关系，对破坏过程中的两类裂纹进行聚类，分析了不同裂纹形式的变化过程。

1.1 试验材料与配合比设计

试验选用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，该水泥3 d、28 d抗压强度分别为16 MPa和42.5 MPa，抗折强度分别为3.5 MPa和6.5 MPa，初凝时间45 min，终凝时间600 min；
粉煤灰为Ⅱ级低钙粉煤灰；
矿粉为S95级矿渣粉；
粗骨料为碎石骨料，粒径为5～25 mm；
细骨料为天然中河砂，细度模数为2.5；
减水剂为高效聚羧酸减水剂，减水率为28%。试验配合比设计见表1。

表1 试验配合比设计 单位：kg/m3

混凝土试件采用边长100 mm 的立方体，并在浇筑成型后分别进行标准养护和蒸汽养护。标养温度为(20±2)℃，相对湿度大于95%，试件成型1 d后拆模，养护至28 d。蒸养试件在标准养护室静置3 h后放入蒸汽养护箱内进行养护，升温速率为15～20 ℃/h，恒温时间为12 h，养护温度为60 ℃，降温速率为15～20 ℃/h。蒸汽养护结束后脱模，放入标准养护室养护至28 d龄期。所有试件养护28 d结束后，从养护箱中取出并放置在室内自然条件下养护至180 d。试件的制备流程如图1所示。

图1 试件制备流程

1.2 试验方法

抗压强度试验参照GB/T 50107—2010《混凝土强度检验评定标准》要求执行，由WAW-1000微机控制电液伺服万能试验机完成。每个系列试件均采用3个混凝土试件，并将同组试验结果取均值作为该类试件的抗压强度。试验过程采用荷载控制的加载方式，为适当控制试件压缩破坏时间，更详细准确地分析破坏过程中的声发射特征参数变化过程，经过前期试验比较，最终确定加载速率为3 kN/s。

声发射试验采用Sensor Highway Ⅲ全天候结构健康监测系统，与抗压强度试验同步完成。根据仪器调试结果与现场噪声水平的测试结果，将前置放大器的增益设置为35 dB，门槛值设置为35 dB。为进一步减少干扰并保证信号质量，利用砂纸将传感器与试件之间的接触面进行抛光处理，同时涂抹凡士林作为耦合剂。试验过程中将4根传感器对称布置在蒸养混凝土四周，如图2所示。选择与组内平均抗压强度值最接近的试件进行后续声发射特征参数分析。

图2 单轴压缩-声发射试验加载装置

2.1 声发射振铃计数分析

声发射振铃计数和累计振铃计数能够代表声发射的活跃程度，且与混凝土损伤程度之间具有较强的正相关关系[10]。图3为各试件的单轴压缩声发射特征参数历程(图中对加载时间进行了归一化处理)。结合文献[7,9,11-12]，将加载过程中的声发射参数演变大致分为初始压密(Ⅰ)、稳定扩展(Ⅱ)和失稳破坏(Ⅲ)。

图3 单轴压缩声发射特征参数历程

比较应力曲线可知，标养试件BS的抗压强度较蒸养试件ZS、ZK和ZF分别超出27.9%、25.8%和4.9%，说明蒸汽养护降低了混凝土的长期抗压性能。同时发现，随着粉煤灰和矿粉的加入，2种蒸汽养护制度下的抗压强度差距逐渐缩小。相比强度最差的ZS试件，单掺矿粉的ZK试件和复掺粉煤灰及矿粉的ZF试件的抗压强度分别提高了10.3%和22.1%。由此说明矿物掺合料能有效修复蒸汽养护导致的强度缺陷，且复掺粉煤灰和矿粉使得混凝土具有更好的蒸养适应性[2,13]，对抗压强度的提升效果优于单掺矿粉。

此外，声发射累计振铃计数与混凝土抗压强度呈负相关。抗压强度最高的BS试件，其累计振铃计数不足5×106次；
而强度最低的ZS试件，其累计振铃计数超过9×106次，这是因为蒸汽养护使得混凝土内部产生了热损伤等缺陷，更容易导致微裂缝的产生和发展，声发射信号更加活跃。由于粉煤灰和矿粉对蒸养混凝土的强度补偿，ZK和ZF试件的声发射累计振铃计数均低于ZS试件，但仍高于BS试件，说明矿物掺合料的修复效果有限。

蒸养混凝土中，抗压性能最好的ZF试件损伤程度也最小，尤其在初始压密阶段，声发射活跃度很低且无大尺度能量跃迁，甚至优于标准养护混凝土BS。这说明复掺粉煤灰及矿粉对于混凝土蒸养适应性的改良效果明显，形成了更为致密的内部结构，有效限制并减少了材料内部初始微裂纹的形成与发展。

2.2 声发射b值分析

b值是描述声发射相对震级分布的参数，也是混凝土裂缝扩展尺度分布的函数[14]。混凝土加压破坏过程中，微裂缝的萌生伴随着大量小振幅事件的发生，b值也相应上升；
而宏观裂缝的产生会出现更多大振幅声发射活动，导致b值减小[15]。传统的b值计算方法具有一定缺陷，故本文选用了改进的b值进行计算分析[16]：

(1)

式中：N为最近声发射事件数，一般取50或100，本文取100；
μ为N次声发射事件中振幅的均值；
σ为N次声发射事件中振幅的标准方差；
α1、α2为常数，分别取为0和1。

由图4可知，在初始压密阶段，小振幅声发射事件占较大比例，b值小范围增加，出现第一个峰值，随着试件不断被压密，试件内部空隙和微裂缝基本闭合，声发射活动加剧，b值从峰值逐渐减小。

图4 不同试件的声发射b值

进入稳定扩展阶段，b值首先出现较长时间的缓慢波动上升，说明该阶段内部裂纹稳定出现和发展，应变能平稳积聚，声发射活动绝大多数为小振幅事件，大尺度裂缝较少出现。随后b值增速加快，并达到加载全程的最高点，表征试件内部微小裂缝的数量和发育程度达到了极值。

随着荷载越来越大，大尺度裂纹开始出现和发展，大振幅声发射事件短时间内集中产生，导致b值发生骤降，预示着混凝土损伤程度迅速加剧，即将发生失稳破坏。由此可见，b值的变化具有明显规律性，直观反映了混凝土内部裂纹发展的过程，其突变能够作为重要前兆来预测混凝土的宏观破坏。

4个系列试件的b值变化历程均符合上述规律，呈现出“缓慢递减—波动上升—骤然下降”的演变趋势，但在各阶段有较为明显的差异。现以BS试件b值变化曲线为参照，分析比较蒸汽养护混凝土系列通过b值表现出的损伤特性。其中，ZS试件的b值变化幅度最为剧烈，具体表现为加压前期b值即从较高点发生了较大速率和幅度的下降；
随后b值又以较快速率持续上升，增长幅度为全系列最大，最后发生失稳破坏用时亦为全系列最短，这表明蒸汽养护劣化了混凝土内部结构，同时没有矿物掺合料对结构损伤进行修复，因此其自然状态下分布有更多微裂纹，长期性能最差。ZK试件的b值变化趋势与BS试件较为相似，且比ZS试件更为平缓，说明单掺矿粉对裂纹的发展起到了抑制作用。ZF试件的b值变化趋势最为平缓，一方面，其加载前期b值浮动范围相对最小，说明该阶段声发射信号活度较低，内部微裂纹很少，这与上文所述初始压密阶段稀少的声发射振铃计数相呼应；
另一方面，失稳破坏阶段b值的减少相对其他试件而言略显平缓，反映出ZF试件内部结构抵抗变形和裂纹发展的能力较好，由小尺度裂纹向大尺度宏观裂纹转变的过程较为缓慢。由此可见，粉煤灰和矿渣的复合掺加较大程度上提高了蒸养混凝土抗劣化的能力。

上述声发射特征参数能够有效对混凝土单轴压缩的破坏过程进行分析，评价其损伤尺度和演化历程，但并不能区分混凝土受压过程的损伤模式。传统的混凝土损伤模式识别通常采用日本混凝土材料协会提出的RA-AF值关联分析法。该方法中的2个参数：RA为上升时间与幅度的比值，AF为振铃计数与持续时间的比值。基于RA和AF，可将混凝土单轴受压的损伤模式分为张拉破坏和剪切破坏2种，其中张拉破坏对应较高的AF值和较低的RA值；
剪切破坏反之[17-18]。传统定性方法是研究者人为规定一条分界线，位于分界线之下的部分为剪切破坏，分界线之上的部分为张拉破坏，该方法难以消除主观性，故本文尝试采用更为有效的确定性分类方法对裂缝形式进行划分。

GMM是一种概率密度估计算法，通过多个高斯概率密度分布对样本进行精确量化，判断样本数据在哪种分布下的最大似然概率最大，从而实现对样本的分类。声发射信号是大量非线性的随机数据[19]，利用声发射参数对2类裂纹的分类本质上是对参数的二维聚类，因此样本数据的建模复杂度较小，且对应的模型精度较高，故本文选择GMM进行混凝土损伤模式识别。GMM参数由最大期望算法进行迭代计算，保证每一个声发射事件点在聚类结果中的分布概率最大。图5为不同混凝土声发射事件的GMM聚类分析结果，图6以三维云图的方式给出了其高斯概率分布。

图5 各试件GMM高斯混合模型聚类结果

图6 各试件高斯概率密度分布

由图5可知，各类试件的单轴压缩破坏过程都是张拉破坏与剪切破坏并存，但都以张拉破坏为主导，剪切破坏只占较小比例。这主要是由于试件无四周的横向约束，受压过程中产生大量微裂缝，横向膨胀产生的拉应力超过了抗拉强度而破坏。而剪切裂缝主要产生于微裂缝贯通后的滑移和摩擦中，其出现意味着试件内部结构产生了较大损伤，因此数量相对较少。在各试件破坏形式占比的对比中，标养混凝土BS试件张拉形式的破坏占比达到93.12%，为全系列最高，而剪切破坏只占6.88%；
蒸养混凝土中，随着掺合料的加入，混凝土的结构和力学性能得到改善，张拉破坏占比依次提高，而剪切破坏占比依次减少。因此不同破坏形式的占比可视为表征混凝土力学性能的间接指标，也为建立声发射参数与混凝土损伤之间的关系提供了新方向。

图7以ZF试件为例，给出了基于GMM算法得到的破坏形式变化过程。受压破坏全程中，张拉破坏占比始终占据90%以上的主导地位，且张拉裂纹的数量始终都超过剪切破坏一个数量级。但随着加载过程的推进，试件不断发生损伤，高RA值的声发射事件增多，试件剪切破坏的占比递增，在前中期增长速度不明显，进入后期之后，声发射b值持续下降，剪切裂纹所占比例快速上升，最终达到7.62%，表明试件内部剪切裂纹越来越多，大量微裂纹贯通形成宏观破坏面[20]。因此，基于GMM的裂纹形式占比演化过程与声发射b值的变化具有内在联系，都能够反映混凝土试件的破坏过程。

图7 ZF试件单轴压缩破环形式变化过程

a.蒸汽养护明显劣化了混凝土的力学性能，在未掺加矿物掺合料的情况下，抗压强度下降了约21.9%。添加矿物掺合料能够有效改善蒸养混凝土的力学性能，且复掺粉煤灰和矿粉比单掺矿粉的强度补偿效果更好，抗压强度较不掺提升22.1%，但无法完全弥补强度损伤。

b.声发射累计振铃计数与抗压强度呈负相关，可以表征混凝土的损伤程度。无掺合料蒸养混凝土的振铃计数变化过程最为剧烈，累计计数最多；
随着掺合料的加入，各阶段振铃计数变化的剧烈程度都得以缓和，累计计数递减，该变化印证了混凝土抗压性能的差异。

c.b值的变化反映了混凝土内部裂纹尺度的变化过程，其突变能够作为重要前兆来预测混凝土的宏观破坏。复掺粉煤灰和矿粉的ZF试件b值变化相对平缓，说明其内部结构更为致密，限制了小尺度和大尺度裂缝的产生和发展。

d.GMM算法结果表明不同试件最终破坏时剪切裂纹的占比与抗压强度成反比。ZF试件受压破坏过程中张拉裂缝占比始终超过90%，而剪切裂缝占比随加载过程推进而上升，且增速在失稳破坏阶段最大，故剪切破坏占比的变化能够表征混凝土损伤劣化的程度。

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