多级循环加卸载混凝土损伤特征及声学研究.pdf
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1、第40 卷第5期2023年9月建筑科学与工程学报Journal of Architecture and Civil EngineeringVol.40No.5Sept.2023引用本文:邱璐璐,刘晓斐,周鑫,等.多级循环加卸载混凝土损伤特征及声学研究 J.建筑科学与工程学报,2 0 2 3,40(5):43-51.QIU Lulu,LIU Xiaofei,ZHOU Xin,et al.Research on damage characteristics and acoustics of concrete under multi-stage cyclic loading andunloading
2、JJ.Journal of Architecture and Civil Engineering,2023,40(5):43-51.D0I:10.19815/j.jace.2022.02026多级循环加卸载混凝土损伤特征及声学研究邱璐璐1-2,刘晓斐1-2,周鑫1-2,王笑然1-2,张思清1.2(1.中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室,江苏徐州2 2 1116;2.中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州2 2 1116)摘要:为研究多级循环加卸载下混凝土损伤声学前兆响应及失稳破坏机理,构建了多级循环加卸载混凝土损伤声学试验系统,试验全程借助声发射监测技术,测试分析了不同加卸载幅度(2-
3、4-6-8MPa,3-6-9-12 M Pa)下混凝土的力学特性、损伤演化特征及声学前兆响应规律,揭示循环加卸载条件下混凝土试样的损伤破坏机理。结果表明:多级循环加卸载下混凝土变形破坏过程可分为初始压密、弹性变形、扰动损伤、塑性变形和失稳破坏阶段,循环加卸载幅度为2-4-6-8 MPa时造成的累积损伤不会破坏混凝土试样,而幅度为3-6-9-12 MPa时可破坏试样;多级循环加卸载会加速高应力状态下混凝土试样损伤破坏过程,增大其内部所积聚的能量,致使微破裂事件增多、声发射振铃计数更加活跃,且加卸载幅度越大试样破坏过程越剧烈,最终破裂也越严重;在多级循环加卸载阶段,声发射时频参数表现出明显的Kai
4、ser效应;试样破坏前其声发射时频参数会出现突增现象,并与加卸载幅度呈正比关系;声发射6 值在临近应力峰值阶段呈下降趋势,预示着主破裂的来临,在试样发生主破裂后快速下降直至最低值。关键词:混凝土;多级循环加卸载;力学特性;声学前兆;声发射6 值中图分类号:TU528Research on damage characteristics and acoustics of concrete underQIU Lulu*,LIU Xiaofei2,ZHOU Xin-,WANG Xiaoran-2,ZHANG Siqingl-?(1.Key Laboratory of Gas and Fire Cont
5、rol for Coal Mines,Ministry of Education,China University ofMining and Technology,Xuzhou 221l16,Jiangsu,China;2.School of Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,Jiangsu,China)Abstract:In order to study the acoustic precursor response and instability failure mechan
6、ism ofconcrete damage under multi-stage cyclic loading and unloading,a multi-stage cyclic loading andunloading concrete damage acoustic test system was constructed.The mechanical properties,damage evolution characteristics and acoustic precursor response laws of concrete under differentloading and u
7、nloading amplitudes(2-4-6-8 MPa,3-6-9-12 MPa)were analyzed by using acousticemission monitoring technology throughout test,and the damage failure mechanism of concretesamples under cyclic loading and unloading conditions was revealed.The results show that the收稿日期:2 0 2 2-0 2-13基金项目:国家自然科学基金项目(52 17
8、42 18,52 2 2 7 90 1)通信作者:刘晓斐(198 1-),男,工学博士,教授,博士生导师,E-。文献标志码:Amulti-stage cyclic loading and unloading文章编号:16 7 3-2 0 49(2 0 2 3)0 5-0 0 43-0 944deformation and failure process of concrete under multi-stage cyclic loading and unloading can bedivided into initial compaction,elastic deformation,multi
9、-stage cyclic loading and unloadingdamage,plastic deformation and instability failure stage.The cumulative damage caused by thecyclic loading and unloading amplitude of 2-4-6-8 MPa can not destroy the concrete sample,whilethe amplitude of 3-6-9-12 MPa can destroy the sample.The multi-stage cyclic lo
10、ading andunloading can accelerate the damage and failure process of the concrete sample,increase theenergy accumulated inside the sample and the number of micro-fracture events,make the acousticemission ring count more active.The larger the loading and unloading amplitude,the more severethe failure
11、process and the final rupture degree of the sample.The multi-stage cyclic loading andunloading stage has obvious Kaiser effect.Before the sample is destroyed,the acoustic emissiontime-domain and frequency-domain parameters will have a sudden increase,which is proportionalto the loading and unloading
12、 amplitude.Near the stress peak stage,the acoustic emission b-valueshows a downward trend,indicating the arrival of the main rupture.After the stress peak,theconcrete sample has a main rupture,and the acoustic emission b-value rapidly drops to the lowestvalue.Key words:concrete;multi-stage cyclic lo
13、ading and unloading;mechanical property;acousticprecursor;acoustic emission b-value0 引 言混凝土材料在桥梁等工程建筑中被广泛使用,桥梁除承受设计的荷载外,有时还会承受超载等循环加卸载作用。由于桥梁自身的老化,因受到超载等循环加卸载作用而发生的失稳破坏及塌灾害事故屡见不鲜 1-5。近年来发生的桥梁塌事故越来越多,仅2 0 2 0 年就有8 3起,并且原有的桥梁也在不断老化,桥梁的安全稳定性监测和损伤评估呕需得到更大的关注。因此通过开展本试验来研究多级循环加卸载下混凝土力学性能及其失稳破坏前兆,对桥梁安全稳定性评
14、价及失稳预警具有重要意义 6 。近年来,动静荷载作用下混凝土的力学特性及损伤过程受到了大量学者关注,并取得了丰硕的研究成果。李洪亚等7 对砂岩进行多级循环加卸载试验,研究得到了不同频率下的加载应力峰值大于破坏荷载的2 8%时其弹性模量与即时荷载呈线性关系;李志成等 8 对盐岩进行三轴循环加卸载试验及全过程声发射监测试验,探究了盐岩的声发射特征。下静武等9通过进行不同橡胶掺量的带缺口混凝土棱柱体的单轴拉伸破坏试验,分析得出橡胶掺量在20%以下时强度降低速率较快,在大于2 0%时其强度下降减缓;刘娟红等 10 1通过不同种类混凝土单轴加卸载试验,研究了混凝土的能量耗散和释放过程;徐松林等 11分析
15、了混凝土材料在不同真三轴静载条件下的动态压缩性能;郑丹等 12 1通过分析混凝土建筑科学与工程学报试件内部的真实应力,探讨了荷载作用下惯性和黏性对混凝土性能的作用原理;Chen等 13 研究了不同初始静荷载水平下混凝土在动态高幅循环荷载作用下的行为;Huang等 14通过施加早期扰动,分析了荷载加卸载对混凝土宏观力学性能的作用机制。受载混凝土损伤破坏过程中会向外界释放高频低幅值的弹性波,称为声发射(Acoustic emission,AE)15。R u s c h 首次将声发射技术应用于混凝土中,并指出混凝土材料Kaiser效应的适用情况 16 ;王笑然等 17 通过对声发射波形的深入挖掘可以
16、精确感知混凝土结构的内部损伤时空演化过程,进而揭示受载混凝土的失稳机理;董陇军等 18 分析声发射能级频次分布和波形频谱变化两类指标在岩石破坏过程中表现出的阶段性特征,给出基于多元声发射指标的岩石失稳评估预警建议;Du等 19 借助声发射技术研究了混凝土在准静荷载作用下的力学行为和破坏机制;赖于树等 2 0 从声发射信号频率变迁与裂纹扩展关系角度阐释了混凝土破坏机理;Fan等 2 1基于动态单轴张力下混凝土试样的声发射特性,探析了混凝土的动态性能和破坏机理;Behnia等 2 2 阐述了声发射技术在混凝土结构健康监测中的应用;Wang等 2 31研究了分级加载条件下混凝土声发射时-频-空多参量
17、联合时变响应特征,推演了试样损伤场的时空响应规律,结合纤维束模型定量解释了混凝土损伤的应力-时间双重累积效应。上述研究加深了荷载作用下混凝土的损伤力学2023年第5期特征及声发射响应规律的认识,但处于高应力状态下,多级循环加卸载对混凝土结构的劣化作用机理、损伤表征及失稳前兆规律等方面仍需进一步研究。基于此,本文通过对高应力状态下的混凝土施加多级循环加卸载来模拟桥梁等混凝土结构受到的加卸载作用,构建多级循环加卸载混凝土损伤声学试验系统,全程借助声发射技术,分析了多级循环加卸载下混凝土的力学特性、声发射特征参数变化规律及其损伤演化机制,揭示了多级循环加卸载对混凝土损伤的作用机理,并使用6 值理论方
18、法评价混凝土损伤演化过程,研究结果可为混凝土结构稳定健康监测、破坏前兆特征识别及其损伤状态评估提供理论和试验依据。1试验系统及方案1.1试样准备试验所用混凝土试样的尺寸约为10 0 mm100mm100mm,具体参数见表1、2。水泥采用P.042.5硅酸盐水泥,粗骨料选用粒径为52 5mm的碎石,细骨料选用水洗河砂,设计强度等级为C25。通过对其中3块混凝土试样进行30 0 Ns-1的单轴加载,测得其单轴抗压强度分别为2 5.2 1、28.55、2 7.56 MPa,平均单轴抗压强度为2 7.11MPa,符合混凝土强度检验评定标准(GB/T501072019)规定,试样参数见表1。振捣装模,2
19、 4h成型后将试样从模具中取出放于室内自然养护2 8d;养护完成后,对试样贴上标签并放在干燥通风处进行3个月的自然干燥。表1混凝土试样单轴抗压强度参数Table 1 Uniaxial compressive strength parameters ofconcrete samples单轴加单轴抗平均抗试样试样尺寸质量/g载速率/压强度/压强度/编号(N s-1)99mmX1021mmX101 mm100mmX9922.156mmX98 mm100 mmX1013mmX 99 mm1.2试验系统试验系统主要包括加载系统、声发射系统,如图1所示。加载系统由伺服控制压力机和计算机控制程序系统构成,最
20、大施加荷载可达30 0 0 kN,通过编程可实现对混凝土试样进行单轴分级加载和多级邱璐璐,等:多级循环加卸载混凝土损伤特征及声学研究信号屏蔽室前置放大器压机控制系统声发射探头声发射采集仪加载控制系统声发射探头Fig.1Experimental system循环加卸载。声发射系统采用美国物理声学公司Micro-IIDigital AE 主机,配套 Rock Test for Ex-press-8软件能实时采集声发射参数(事件计数、能量、主频、幅值等),本次试验前置放大倍数和门槛值都设置为40 dB,采样率为1MSs-1。1.3试验方案混凝土试样共9 块,分为3组试验,试样具体参数见表2。对试样正
21、式加载前先施加50 0 N的预应力,以保证试样与压机充分接触并固定。第1组试验:先进行单轴分级加载,荷载施加速率为50 0Ns-1,每级荷载施加时间为10 0 s,应力恒载时间MPaMPa2158300300216030045工业相机伺服压力机冷光源混凝土试样(a)试验系统现场图SANS伺服压力机声发射测试系统声发射探头布置示意图(b)试验系统示意图图1试验系统为10 0 s,一直循环加载至试样失稳破坏,记录下应25.21力峰值都约为2 0 MPa。第2 组试验:先进行单轴分级加载6 0 0 s时加载至15MPa(应力峰值的7 0%28.5527.1127.56混凝土试样前置放大器80%),再
22、进行2-4-6-8.MPa多级循环加卸载(2 MPa即以50 0 Ns-1的荷载施加速率用40 s加载至17MPa,以50 0 Ns-1的荷载卸载速率用8 0 s卸载至13MPa,再以50 0 Ns-1的荷载施加速率用40 s加载至15MPa,此16 0 s为1个循环,每级荷载加卸载用8 0 0 s进行5个循环;此后4、6、8 MPa分别以10 0 0、150 0、2 0 0 0 Ns-1荷载加卸载速率用800s进行5个循环,类似2 MPa加卸载过程),循46试样组号试样编号波速/(kms-1)13.4721234256738环加卸载过程中若试样发生破坏,试验结束;循环加卸载后试样若不破坏继续
23、进行50 0 Ns-1的单轴加载,直至试样破坏。第3组试验:先进行单轴分级加载,6 0 0 s时加载至15MPa,再进行3-6-9-12 MPa多级循环加卸载(3MPa即以50 0 Ns-1的荷载施加速率用6 0 s加载至18 MPa,以50 0 Ns-1的荷建筑科学与工程学报表2 混凝土试样参数Table2Parameters of concrete samples试样尺寸98 mmX101 mmX100 mm3.42599 mmX100 mmX98 mm3.571101 mmX101 mmX99 mm3.42598mmX99mmX101 mm3.57199 mmX100 mmX97 mm3
24、.571100 mmX99 mmX97 mm3.78897 mmX101 mmX98 mm3.472101 mmX100 mmX99 mm2023年质量/g单轴分级加载速率/(Ns-1)21552154216021562161216521552162352821147循环加卸载/MPa5005005002-4-6-83-6-9-121试样2试样3*试样载卸载速率用12 0 s卸载至12 MPa,再以50 0Ns-的荷载施加速率用6 0 s加载至15MPa,此240s为1个循环,每级荷载加卸载用12 0 0 s进行5个循环;此后6、9、12 MPa分别以10 0 0、150 0、2000Ns-1
25、荷载加卸载速率用12 0 0 s进行5个循环,类似3MPa加卸载过程),循环加卸载过程中若试样发生破坏,试验结束(第3组的3#标准试样在18 6 0 s发生破坏,即进行6 MPa第1个循环的加载过程中发生破坏,故没有此后的9、12 MPa的循环加卸载过程;循环加卸载后试样若不破坏继续进行50 0 Ns-1的单轴加载,直至试样破坏。最后每组试样各取其中的一个标准试样进行编号,第1组的标准试样编号为1#,第2 组的标准试样编号为2#,第3组的标准试样编号为3#。2多级循环加卸载下混凝土力学特性多级循环加卸载条件下混凝土试样的典型应力-应变对比关系如图2(a)所示,循环加卸载试样的变形破坏过程主要分
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- 多级 循环 卸载 混凝土 损伤 特征 声学 研究