分享：鋼纖維混凝土劈拉損傷裂紋擴(kuò)展機(jī)制研究

混凝土作為一種由粗細(xì)骨料、水泥等組成的復(fù)合材料，具有優(yōu)良的抗壓性能而成為現(xiàn)代建筑工程中不可或缺的基礎(chǔ)材料。然而，混凝土作為一種脆性材料，其抗拉強(qiáng)度通常低于抗壓強(qiáng)度，在溫度變化、外部荷載等因素作用下易產(chǎn)生裂縫，甚至發(fā)展成開裂、剝落等工程病害，威脅結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性[1-3]。因此，混凝土在抗拉性能方面仍存在一定局限性。近年來，鋼纖維混凝土（SFRC）作為一種高性能復(fù)合材料，在橋梁、隧道、水利工程建筑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4-6]，其優(yōu)良的抗裂性、韌性和耐久性在抵御裂縫擴(kuò)展和結(jié)構(gòu)破壞方面具有顯著優(yōu)勢[7-9]。其中，劈裂抗拉強(qiáng)度作為衡量鋼纖維混凝土抗拉性能的重要指標(biāo)，是評(píng)價(jià)其抗裂性能和耐久性能的關(guān)鍵依據(jù)[10-11]?；谠撝笜?biāo)，學(xué)者們開展了劈裂抗拉試驗(yàn)，并已取得部分成果。PENG等[12]制備不同鋼纖維摻量的SFRC，通過動(dòng)、靜態(tài)劈裂抗拉試驗(yàn)，探究了動(dòng)、靜態(tài)荷載條件下的SFRC力學(xué)行為，結(jié)果表明SFRC在動(dòng)、靜態(tài)荷載下的劈裂抗拉強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的增加而增加；GAO等[13]制備再生細(xì)骨料SFRC，通過劈裂抗拉試驗(yàn)分析了鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)再生細(xì)骨料SFRC劈裂抗拉性能的影響，結(jié)果表明其劈裂抗拉強(qiáng)度隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)增加而增加，其單位面積上較多的鋼纖維能夠顯著提高劈裂抗拉性能；DING等[14]通過制備不同鋼纖維長度及體積分?jǐn)?shù)的自密實(shí)鋼纖維混凝土，開展劈裂抗拉試驗(yàn)，以探究鋼纖維在混凝土基體中的分布與力學(xué)性能之間的關(guān)系，研究表明自密實(shí)鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度同纖維系數(shù)分布呈正相關(guān)，并提出了考慮纖維分布和體積分?jǐn)?shù)影響的預(yù)測模型；何文昌等[15]通過加入不同類型鋼纖維混凝土，采用劈裂抗拉試驗(yàn)探究其對(duì)抗拉性能改善效果的差異，研究發(fā)現(xiàn)端鉤型鋼纖維對(duì)于抗拉性能的改善效果優(yōu)于波紋型鋼纖維的。然而，傳統(tǒng)試驗(yàn)方法雖可以直觀展示鋼纖維混凝土抗拉性能差異，但是其內(nèi)部損傷演化及裂紋擴(kuò)展機(jī)制所造成的性能差異成因，目前仍需探究。

聲發(fā)射（AE）技術(shù)作為一種實(shí)時(shí)無損監(jiān)測技術(shù)，能夠在材料內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力集中或裂紋擴(kuò)展時(shí)捕捉到微弱的彈性波信號(hào)，并通過信號(hào)中攜帶的信息反映材料內(nèi)部的損傷過程[16]。AE技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)破壞過程的損傷監(jiān)測中應(yīng)用廣泛。目前，已有部分學(xué)者借助該手段在鋼纖維混凝土檢測領(lǐng)域開展了部分研究。REN等[17]分析了不同鋼纖維摻量混凝土在劈裂抗拉破壞過程中的聲發(fā)射特征參數(shù)變化趨勢，結(jié)果表明聲發(fā)射特征參數(shù)與混凝土試件內(nèi)部損傷密切相關(guān)，在不同破壞階段表現(xiàn)出不同的聲發(fā)射信號(hào)特征；崔正龍等[18]結(jié)合AE技術(shù)探究了不同鋼纖維摻量下SFRC的損傷演化規(guī)律，基于AE累計(jì)撞擊數(shù)建立了混凝土損傷模型，并通過試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其可靠性；譚哲等[19]結(jié)合AE技術(shù)探究了SFRC在直剪作用下的破壞特征，并基于聲發(fā)射RA-AF（上升角-平均頻率）參數(shù)采用聚類分析方法對(duì)裂紋類型進(jìn)行分析，結(jié)果表明SFRC在直剪作用下剪切裂紋種類最多，拉伸裂紋較少；GAO等[20]通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，結(jié)合AE技術(shù)對(duì)缺口梁試件的彎曲損傷過程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明添加鋼纖維可以有效提高缺口梁試件殘余彎曲拉伸強(qiáng)度和彎曲韌性；楊曉華等[21]通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)合AE技術(shù)探究了不同初始縫高比SFRC對(duì)其斷裂性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)可根據(jù)AE能量將SFRC斷裂過程劃分為彈塑性階段、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段和斷裂階段，其中隨著初始縫高比的增加，彈塑性階段的持續(xù)時(shí)間逐漸減少。 

綜上所述，以往SFRC在劈裂抗拉性能方面的研究主要以宏觀力學(xué)性能試驗(yàn)為主，對(duì)其內(nèi)部損傷演化及裂紋擴(kuò)展機(jī)制的研究還相對(duì)較少，同時(shí)SFRC內(nèi)部無序的分布特征加劇了裂紋擴(kuò)展過程的無序性，使得其破壞過程更為復(fù)雜，亟需借助相關(guān)監(jiān)測手段進(jìn)一步闡明其內(nèi)部損傷與裂紋擴(kuò)展之間的關(guān)系。為揭示鋼纖維混凝土劈裂抗拉破壞過程中的內(nèi)部裂紋擴(kuò)展機(jī)制，筆者采用劈裂抗拉試驗(yàn)結(jié)合AE技術(shù)的方法，對(duì)不同鋼纖維體積摻量（0%，1.0%，1.5%，2.0%）下的SFRC劈裂抗拉破壞過程進(jìn)行監(jiān)測，得到了相關(guān)AE特征參數(shù)，并基于該參數(shù)探究了不同鋼纖維體積摻量對(duì)SRFC內(nèi)部損傷及裂紋擴(kuò)展的影響。 

1.   試驗(yàn)材料和方法

1.1   試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所選用的水泥為海螺牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥。粉煤灰選用陜西渭河電廠生產(chǎn)的I級(jí)粉煤灰。水泥、粉煤灰各項(xiàng)物理性能和主要化學(xué)成分如表1，2，3所示。 

細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.66的人工砂，其表觀密度為2 630 kg·m−3、堆積密度為1 480 kg·m−3。粗骨料選用表觀密度為2 835 kg·m−3、堆積密度為1 720 kg·m−3的人工碎石。 

鋼纖維選用衡水駿曄路橋養(yǎng)護(hù)工程有限公司生產(chǎn)的銑削型鋼纖維（見圖1），鋼纖維寬度為2.0~2.6 mm，厚度為0.4~0.8 mm，長度為38 mm。 

圖  1  鋼纖維實(shí)物

外加劑選用陜西沁芬建筑材料有限公司生產(chǎn)的專用減水劑以及江蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的引氣劑，水為西安市普通自來水。 

1.2   試件制備

該試驗(yàn)制備4種不同體積摻量（0%，1.0%，1.5%，2.0%）及未包含鋼纖維的混凝土立方體試件，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm（長×寬×高），試驗(yàn)所采用的混凝土配合比如表4所示。試件制備過程如下。 

（1）將攪拌機(jī)清洗干凈，采用與試驗(yàn)相同的配合比對(duì)攪拌機(jī)進(jìn)行掛漿后倒出。 

（2）將粗細(xì)骨料、水泥加入攪拌機(jī)進(jìn)行干拌，隨后將外加劑加入水中攪拌均勻倒入攪拌機(jī)。 

（3）待攪拌均勻后用篩網(wǎng)抖動(dòng)倒入鋼纖維，均勻分布于攪拌機(jī)內(nèi)，避免鋼纖維聚股成團(tuán)，影響成型質(zhì)量，隨后繼續(xù)進(jìn)行持續(xù)2 min的拌合。 

（4）拌和結(jié)束后將混凝土倒入模具中放置于振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)密實(shí)，完成鋼纖維混凝土試件的澆筑。 

（5）待混凝土澆筑完成24 h后進(jìn)行脫模，放置于養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，控制養(yǎng)護(hù)箱溫度為20±2 °C，相對(duì)濕度在95%以上。 

1.3   試驗(yàn)方案

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，使用MTS 2 000 kN萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行鋼纖維混凝土劈裂抗拉試驗(yàn)，試驗(yàn)最大荷載為2 000 kN，加載速率為0.05 MPa·s−1。試驗(yàn)加載全過程采用DS2型聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行混凝土內(nèi)部損傷演化破壞過程中的聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測。劈裂抗拉試驗(yàn)現(xiàn)場如圖2所示。當(dāng)試驗(yàn)開始時(shí)，需確保試驗(yàn)加載與聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測同時(shí)開始，以記錄試件加載過程中的損傷情況，確保聲發(fā)射信號(hào)與加載數(shù)據(jù)的一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)試件產(chǎn)生肉眼可見的宏觀裂縫時(shí)，同時(shí)停止加載系統(tǒng)及聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)束。 

圖  2  劈裂抗拉試驗(yàn)現(xiàn)場

2.   試驗(yàn)過程與分析

2.1   AE信號(hào)特征參數(shù)分析

在試件加載過程中，內(nèi)部微裂紋的萌生擴(kuò)展直至最終貫通形成宏觀裂縫過程，往往伴隨著能量釋放，而聲發(fā)射的參數(shù)能量及振鈴計(jì)數(shù)能很好地反映這一過程的活躍程度。不同體積摻量SFRC試件中的AE能量及累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)如圖3所示，可見其隨著加載的進(jìn)行表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性演化特征，不同體積摻量下SFRC加載過程中AE特征參數(shù)演化表現(xiàn)出明顯的階段性特征，依據(jù)AE能量及累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)可分為以下3個(gè)階段。 

圖  3  不同鋼纖維體積摻量下SFRC試件的AE能量及累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)

（1）Ⅰ階段（裂紋壓實(shí)閉合階段）。該階段不同摻量SFRC中AE能量隨時(shí)間表現(xiàn)出相對(duì)稀疏的分布特征，累計(jì)AE振鈴計(jì)數(shù)呈顯著上升趨勢。該階段試件在壓實(shí)過程中內(nèi)部所存在的原始缺陷如微裂紋、孔隙等被壓實(shí)閉合釋放能量，產(chǎn)生較為密集的聲發(fā)射信號(hào)，聲發(fā)射活動(dòng)較為活躍。 

（2）Ⅱ階段（裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段）。該階段不同摻量SFRC中AE能量相較于上一階段表現(xiàn)出較為密集的分布特征，累計(jì)AE振鈴計(jì)數(shù)增速放緩，表現(xiàn)出明顯的階梯狀增長特征。該階段試件內(nèi)部原始缺陷壓實(shí)閉合后，內(nèi)部微裂紋以原始缺陷為起點(diǎn)孕育、擴(kuò)展出更多微裂紋，內(nèi)部損傷不斷發(fā)展，AE信號(hào)活躍程度雖有增加，但依舊處于較為平穩(wěn)的活動(dòng)階段。 

（3）Ⅲ階段（裂紋貫通破壞階段）。該階段不同摻量SFRC中AE能量分布極為密集，在圖中表現(xiàn)出明顯的重疊堆積分布特征，同時(shí)AE能量在該階段出現(xiàn)了較為明顯的增長。與此同時(shí)，AE累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)發(fā)生陡增，表現(xiàn)出近乎平行于y軸垂直上升的發(fā)展趨勢。該階段內(nèi)部微裂紋完全發(fā)育，相互擴(kuò)展貫通形成大尺度裂紋，試件破壞。 

2.2   裂紋擴(kuò)展類型分析

SFRC混凝土試件在加載至破壞過程中主要產(chǎn)生兩種裂紋，即拉伸裂紋與剪切裂紋?；诼暟l(fā)射特征參數(shù)中的上升角（RA）、平均頻率（AF）能夠?qū)ξ⒘鸭y擴(kuò)展模式及數(shù)量進(jìn)行分析，拉伸裂紋具有高RA、低AF值的特征，而剪切裂紋具有低RA值、高AF值的特征[22]。不同鋼纖維體積摻量下SFRC在劈裂抗拉試驗(yàn)全過程中的RA-AF分布如圖4所示。 

圖  4  不同鋼纖維體積摻量下SFRC試件的RA-AF分布示意

2.3   基于聲發(fā)射b值的損傷分析

聲發(fā)射b值源于地震學(xué)，在地震學(xué)中常用于描述地震頻度與震級(jí)之間的關(guān)系，目前該方法已廣泛應(yīng)用于聲發(fā)射檢測的損傷分析當(dāng)中[23-24]，b值通常是低幅值與高幅值事件之間的比例，可以通過b值變化反映裂紋活動(dòng)情況，進(jìn)而揭示試件加載破壞過程中的損傷機(jī)制，當(dāng)b值逐漸減小，通常代表損傷加速，可能會(huì)出現(xiàn)更嚴(yán)重的破壞。b值越大且波動(dòng)不大，說明出現(xiàn)的損傷較小且較為穩(wěn)定[25]，其計(jì)算公式為 

式中：N為高于某幅值AdB的事件數(shù)量；AdB為某一聲發(fā)射事件的幅值；a為通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合所得到的參數(shù)；b值為擬合直線的斜率。 

不同鋼纖維體積摻量下SFRC的b值變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出，不同鋼纖維體積摻量SFRC在加載的過程中，隨著荷載的增大，損傷加大，b值整體上都呈下降的趨勢。在加載Ⅰ階段，聲發(fā)射信號(hào)較少，b值上下輕微的浮動(dòng)，相對(duì)穩(wěn)定且保持較高值，該階段試件內(nèi)部主要以壓實(shí)過程中的微裂紋及原始缺陷為主。在加載Ⅱ階段，普通混凝土的聲發(fā)射信號(hào)逐漸活躍，混凝土進(jìn)一步被壓實(shí)，此時(shí)混凝土內(nèi)部以微小的脆性破壞為主，b值整體呈下降趨勢，試件表面出現(xiàn)裂縫；但鋼釬維混凝土聲發(fā)射信號(hào)明顯活躍，此時(shí)鋼釬維與混凝土之間發(fā)生了黏結(jié)破壞，鋼釬維摻量越多，b值出現(xiàn)的波動(dòng)越穩(wěn)定且處于較高值，并沒有下降趨勢，因?yàn)殇摾w維抑制了更大尺度的裂紋擴(kuò)展，提升了混凝土的延性。在加載Ⅲ階段，b值整體均急劇下降，此時(shí)鋼釬維與混凝土之間的黏接作用已經(jīng)失效，試件發(fā)生劈拉破壞，出現(xiàn)宏觀裂縫。 

圖  5  不同鋼纖維體積摻量下SFRC試件的b值變化曲線

3.   結(jié)論

通過劈裂抗拉試驗(yàn)，借助聲發(fā)射技術(shù)探究了不同鋼纖維體積摻量下SFRC的聲發(fā)射演化特征，主要得出了以下結(jié)論。 

（1）通過AE能量及累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)可將SFRC劈裂抗拉破壞過程分為以下3個(gè)階段：裂紋壓實(shí)閉合階段、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段、裂紋貫通破壞階段。隨著鋼纖維體積摻量的不斷增加，混凝土的抗裂性和穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，且破壞模式趨于更均勻和平緩，但破壞階段的持續(xù)時(shí)間相應(yīng)縮短。 

（2）RA值和AF值可用于分析鋼纖維混凝土的劈裂破壞模式，隨著鋼釬維摻量的增加，拉伸裂紋的比例減少，剪切裂紋比例逐漸增加，而SFRC劈裂抗拉破壞過程中的破壞模式為以拉伸裂紋為主導(dǎo)，剪切裂紋并存。 

（3）b值演化規(guī)律揭示了材料在不同加載階段的損傷行為。隨著鋼纖維摻量的增加，裂紋的形成和擴(kuò)展受到顯著抑制，在加載初中期，聲發(fā)射信號(hào)明顯活躍，b值處于較高水平，在加載后期，鋼釬維與混凝土之間的黏接作用已經(jīng)失效，b值出現(xiàn)急劇下降，說明劈拉破壞即將來臨。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)鋼纖維摻量從0%增加到2%時(shí)，b值在加載后期的下降幅度從45%減小到28%，驗(yàn)證了鋼纖維對(duì)裂紋擴(kuò)展的抑制作用。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)