Table 1. 水泥物理性能
| 安定性 | 凝結時間/min | 不同齡期抗壓強度/MPa | 不同齡期抗折強度/MPa | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 初凝時間 | 終凝時間 | 3 d | 28 d | 3 d | 28 d | |
| 合格 | 229 | 282 | 28.9 | 45.0 | 5.1 | 7.7 |
分享：鋼纖維混凝土劈拉損傷裂紋擴展機制研究
混凝土作為一種由粗細骨料、水泥等組成的復合材料，具有優良的抗壓性能而成為現代建筑工程中不可或缺的基礎材料。然而，混凝土作為一種脆性材料，其抗拉強度通常低于抗壓強度，在溫度變化、外部荷載等因素作用下易產生裂縫，甚至發展成開裂、剝落等工程病害，威脅結構安全性和穩定性[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）作為一種高性能復合材料，在橋梁、隧道、水利工程建筑等領域得到廣泛應用[4-6]，其優良的抗裂性、韌性和耐久性在抵御裂縫擴展和結構破壞方面具有顯著優勢[7-9]。其中，劈裂抗拉強度作為衡量鋼纖維混凝土抗拉性能的重要指標，是評價其抗裂性能和耐久性能的關鍵依據[10-11]。基于該指標，學者們開展了劈裂抗拉試驗，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、靜態劈裂抗拉試驗，探究了動、靜態荷載條件下的SFRC力學行為，結果表明SFRC在動、靜態荷載下的劈裂抗拉強度隨鋼纖維摻量的增加而增加；GAO等[13]制備再生細骨料SFRC，通過劈裂抗拉試驗分析了鋼纖維體積分數對再生細骨料SFRC劈裂抗拉性能的影響，結果表明其劈裂抗拉強度隨鋼纖維體積分數增加而增加，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數的自密實鋼纖維混凝土，開展劈裂抗拉試驗，以探究鋼纖維在混凝土基體中的分布與力學性能之間的關系，研究表明自密實鋼纖維混凝土劈裂抗拉強度同纖維系數分布呈正相關，并提出了考慮纖維分布和體積分數影響的預測模型；何文昌等[15]通過加入不同類型鋼纖維混凝土，采用劈裂抗拉試驗探究其對抗拉性能改善效果的差異，研究發現端鉤型鋼纖維對于抗拉性能的改善效果優于波紋型鋼纖維的。然而，傳統試驗方法雖可以直觀展示鋼纖維混凝土抗拉性能差異，但是其內部損傷演化及裂紋擴展機制所造成的性能差異成因，目前仍需探究。
聲發射（AE）技術作為一種實時無損監測技術，能夠在材料內部發生應力集中或裂紋擴展時捕捉到微弱的彈性波信號，并通過信號中攜帶的信息反映材料內部的損傷過程[16]。AE技術在混凝土結構破壞過程的損傷監測中應用廣泛。目前，已有部分學者借助該手段在鋼纖維混凝土檢測領域開展了部分研究。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射特征參數變化趨勢，結果表明聲發射特征參數與混凝土試件內部損傷密切相關，在不同破壞階段表現出不同的聲發射信號特征；崔正龍等[18]結合AE技術探究了不同鋼纖維摻量下SFRC的損傷演化規律，基于AE累計撞擊數建立了混凝土損傷模型，并通過試驗結果驗證了其可靠性；譚哲等[19]結合AE技術探究了SFRC在直剪作用下的破壞特征，并基于聲發射RA-AF（上升角-平均頻率）參數采用聚類分析方法對裂紋類型進行分析，結果表明SFRC在直剪作用下剪切裂紋種類最多，拉伸裂紋較少；GAO等[20]通過三點彎曲試驗，結合AE技術對缺口梁試件的彎曲損傷過程進行了分析，結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度和彎曲韌性；楊曉華等[21]通過三點彎曲試驗結合AE技術探究了不同初始縫高比SFRC對其斷裂性能的影響，研究發現可根據AE能量將SFRC斷裂過程劃分為彈塑性階段、裂紋穩定擴展階段和斷裂階段，其中隨著初始縫高比的增加，彈塑性階段的持續時間逐漸減少。
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性能試驗為主，對其內部損傷演化及裂紋擴展機制的研究還相對較少，同時SFRC內部無序的分布特征加劇了裂紋擴展過程的無序性，使得其破壞過程更為復雜，亟需借助相關監測手段進一步闡明其內部損傷與裂紋擴展之間的關系。為揭示鋼纖維混凝土劈裂抗拉破壞過程中的內部裂紋擴展機制，筆者采用劈裂抗拉試驗結合AE技術的方法，對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行監測，得到了相關AE特征參數，并基于該參數探究了不同鋼纖維體積摻量對SRFC內部損傷及裂紋擴展的影響。
1. 試驗材料和方法
1.1 試驗材料
試驗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的I級粉煤灰。水泥、粉煤灰各項物理性能和主要化學成分如表1，2，3所示。
Table 2. 水泥主要化學成分（質量分數）
| 項目 | 化學成分 | 燒失量 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SiO2 | Al2O3 | CaO | Fe2O3 | MgO | SO3 | Na2O | ||
| 含量 | 22.81 | 5.62 | 61.43 | 3.36 | 1.35 | 2.17 | 0.66 | 2.60 |
Table 3. 粉煤灰主要化學成分（質量分數）
| 項目 | 化學成分 | 燒失量 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SiO2 | Al2O3 | CaO | Fe2O3 | MgO | SO3 | Na2O | ||
| 含量 | 49.52 | 31.56 | 4.88 | 6.97 | 0.83 | 1.20 | 0.34 | 4.70 |
細骨料選用細度模數為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護工程有限公司生產的銑削型鋼纖維（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 鋼纖維實物
外加劑選用陜西沁芬建筑材料有限公司生產的專用減水劑以及江蘇博特新材料股份有限公司生產的引氣劑，水為西安市普通自來水。
1.2 試件制備
該試驗制備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），試驗所采用的混凝土配合比如表4所示。試件制備過程如下。
Table 4. 試驗所采用的混凝土配合比
| 鋼纖維體積摻量/% | 材料用量（kg/m3） | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 水泥 | 粉煤灰 | 粗骨料 | 細骨料 | 水 | 外加劑 | 鋼纖維 | |
| 0 | 282 | 18 | 1 240 | 544 | 150 | 2.130 | 0 |
| 1.0 | 282 | 18 | 1 240 | 544 | 150 | 2.130 | 78 |
| 1.5 | 282 | 18 | 1 240 | 544 | 150 | 2.130 | 117 |
| 2.0 | 282 | 18 | 1 240 | 544 | 150 | 2.130 | 156 |
（1）將攪拌機清洗干凈，采用與試驗相同的配合比對攪拌機進行掛漿后倒出。
（2）將粗細骨料、水泥加入攪拌機進行干拌，隨后將外加劑加入水中攪拌均勻倒入攪拌機。
（3）待攪拌均勻后用篩網抖動倒入鋼纖維，均勻分布于攪拌機內，避免鋼纖維聚股成團，影響成型質量，隨后繼續進行持續2 min的拌合。
（4）拌和結束后將混凝土倒入模具中放置于振動臺進行振動密實，完成鋼纖維混凝土試件的澆筑。
（5）待混凝土澆筑完成24 h后進行脫模，放置于養護箱中進行標準養護，控制養護箱溫度為20±2 °C，相對濕度在95%以上。
1.3 試驗方案
根據標準GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，使用MTS 2 000 kN萬能試驗機進行鋼纖維混凝土劈裂抗拉試驗，試驗最大荷載為2 000 kN，加載速率為0.05 MPa·s−1。試驗加載全過程采用DS2型聲發射監測系統進行混凝土內部損傷演化破壞過程中的聲發射信號監測。劈裂抗拉試驗現場如圖2所示。當試驗開始時，需確保試驗加載與聲發射信號監測同時開始，以記錄試件加載過程中的損傷情況，確保聲發射信號與加載數據的一一對應。當試件產生肉眼可見的宏觀裂縫時，同時停止加載系統及聲發射監測系統，試驗結束。
圖 2 劈裂抗拉試驗現場
2. 試驗過程與分析
2.1 AE信號特征參數分析
在試件加載過程中，內部微裂紋的萌生擴展直至最終貫通形成宏觀裂縫過程，往往伴隨著能量釋放，而聲發射的參數能量及振鈴計數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能量及累計振鈴計數如圖3所示，可見其隨著加載的進行表現出明顯的規律性演化特征，不同體積摻量下SFRC加載過程中AE特征參數演化表現出明顯的階段性特征，依據AE能量及累計振鈴計數可分為以下3個階段。
圖 3 不同鋼纖維體積摻量下SFRC試件的AE能量及累計振鈴計數
（1）Ⅰ階段（裂紋壓實閉合階段）。該階段不同摻量SFRC中AE能量隨時間表現出相對稀疏的分布特征，累計AE振鈴計數呈顯著上升趨勢。該階段試件在壓實過程中內部所存在的原始缺陷如微裂紋、孔隙等被壓實閉合釋放能量，產生較為密集的聲發射信號，聲發射活動較為活躍。
（2）Ⅱ階段（裂紋穩定擴展階段）。該階段不同摻量SFRC中AE能量相較于上一階段表現出較為密集的分布特征，累計AE振鈴計數增速放緩，表現出明顯的階梯狀增長特征。該階段試件內部原始缺陷壓實閉合后，內部微裂紋以原始缺陷為起點孕育、擴展出更多微裂紋，內部損傷不斷發展，AE信號活躍程度雖有增加，但依舊處于較為平穩的活動階段。
（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，在圖中表現出明顯的重疊堆積分布特征，同時AE能量在該階段出現了較為明顯的增長。與此同時，AE累計振鈴計數發生陡增，表現出近乎平行于y軸垂直上升的發展趨勢。該階段內部微裂紋完全發育，相互擴展貫通形成大尺度裂紋，試件破壞。
2.2 裂紋擴展類型分析
SFRC混凝土試件在加載至破壞過程中主要產生兩種裂紋，即拉伸裂紋與剪切裂紋。基于聲發射特征參數中的上升角（RA）、平均頻率（AF）能夠對微裂紋擴展模式及數量進行分析，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 基于聲發射b值的損傷分析
聲發射b值源于地震學，在地震學中常用于描述地震頻度與震級之間的關系，目前該方法已廣泛應用于聲發射檢測的損傷分析當中[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情況，進而揭示試件加載破壞過程中的損傷機制，當b值逐漸減小，通常代表損傷加速，可能會出現更嚴重的破壞。b值越大且波動不大，說明出現的損傷較小且較為穩定[25]，其計算公式為
| (1) |
式中：N為高于某幅值AdB的事件數量；AdB為某一聲發射事件的幅值；a為通過試驗數據擬合所得到的參數；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，聲發射信號較少，b值上下輕微的浮動，相對穩定且保持較高值，該階段試件內部主要以壓實過程中的微裂紋及原始缺陷為主。在加載Ⅱ階段，普通混凝土的聲發射信號逐漸活躍，混凝土進一步被壓實，此時混凝土內部以微小的脆性破壞為主，b值整體呈下降趨勢，試件表面出現裂縫；但鋼釬維混凝土聲發射信號明顯活躍，此時鋼釬維與混凝土之間發生了黏結破壞，鋼釬維摻量越多，b值出現的波動越穩定且處于較高值，并沒有下降趨勢，因為鋼纖維抑制了更大尺度的裂紋擴展，提升了混凝土的延性。在加載Ⅲ階段，b值整體均急劇下降，此時鋼釬維與混凝土之間的黏接作用已經失效，試件發生劈拉破壞，出現宏觀裂縫。
圖 5 不同鋼纖維體積摻量下SFRC試件的b值變化曲線
3. 結論
通過劈裂抗拉試驗，借助聲發射技術探究了不同鋼纖維體積摻量下SFRC的聲發射演化特征，主要得出了以下結論。
（1）通過AE能量及累計振鈴計數可將SFRC劈裂抗拉破壞過程分為以下3個階段：裂紋壓實閉合階段、裂紋穩定擴展階段、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定性顯著增強，且破壞模式趨于更均勻和平緩，但破壞階段的持續時間相應縮短。
（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，剪切裂紋并存。
（3）b值演化規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，裂紋的形成和擴展受到顯著抑制，在加載初中期，聲發射信號明顯活躍，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失效，b值出現急劇下降，說明劈拉破壞即將來臨。試驗數據表明，當鋼纖維摻量從0%增加到2%時，b值在加載后期的下降幅度從45%減小到28%，驗證了鋼纖維對裂紋擴展的抑制作用。
文章來源——材料與測試網
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