受载混凝土内部应变及声发射特征研究.pdf

第 4 2卷 第 1 O期 2 0 1 6年 1 O月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a n d M i ne Aut o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 1 0 0c t ． 2 O1 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 1 0 0 0 7 4 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 1 0 ． 0 1 7 汪皓 ， 王笑然 ， 刘晓斐 ， 等． 受载混凝土内部应变及声发射特征研究E Y 1 ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 0 7 4 7 8 ． 受载混凝土内部应变及声发射特征研究 汪 皓 ， 王 笑 然 ， 刘 晓 斐， 李 学龙 ， 湛堂殷 中 国矿 业大 学 安 全工 程学 院 ，江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘要 为了研究混凝土试样破裂失稳过程中内部裂隙演化规律 ， 对预埋应变砖 的混凝土试样进行单轴压 缩 实验 ， 研 究了混凝土试样 内部应变随时间的变化规律 ， 测试并分析 了试样 受栽破裂演化过程 中的声发射信 号特 征 ， 得 出结论 在 压 密阶段 ， 混凝 土不 同方 向的应 变量均较 小 ， 声发射计 数较低 ； 在 裂 隙稳 定扩展 阶段 ， 试 样 内部应变稳定增加 ， 不同方向的局部应 变量有明显不 同， 声发射信号也呈现稳定增长趋势； 当混凝土 出现 局部快速破裂时， 会 出现应变的突增及声发射信号激增； 在 临界失稳前 ， 局部变形量快速增加， 声发射信号也 急剧 增加 ； 试 样破 裂 时 ， 各个 方 向的局部 应 变量及 声发射脉 冲数 均达 到峰 值 。 关 键词 混凝 土 ；裂 隙演化 ；内部 应 变 ；声发射 中图分类号 TD 3 1 1 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 0 9 3 0 0 9 5 8 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 9 3 0 ． 0 9 5 8 ． 0 0 5 ． h t ml St u d y o n i n t e r n a l s t r a i n a n d a c ou s t i c e mi s s i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f l o a d e d c o nc r e t e W ANG Ha o， W ANG Xi a o r a n，LI U Xi a o f e i ，LI Xue l o n g， ZHAN Ta n gq i S c h o o l o f S a f e t y En g i n e e r i n g ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y，Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s t u d y i n t e r i o r c r a c k e v o l u t i o n r u l e s i n r u p t u r e a n d i n s t a b i l i t y p r o c e s s o f c o n c r e t e s p e c i me n ， u n i a x i a 1 c o mp r e s s i o n e x p e r i me n t o f c o n c r e t e s p e c i me n e mb e d d e d wi t h s t r a i n b r i c k wa s c o ndu c t e d，v a r i a t i o n r ul e o f i n t e r n a l s t r a i n o f t h e c on c r e t e s pe c i m e n wi t h t i m e wa s s t u d i e d，a nd a c ou s t i c e mi s s i o n s i g n a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s a mp l e s i n t h e e v o l u t i o n p r o c e s s o f l o a d i n g a n d f r a c t u r e we r e me a s u r e d a n d a n a l y z e d ．Th e f o l l o wi n g c o n c l u s i o n s a r e o b t a i n e di n t h e c o mp a c t i o n s t a g e ，v a r i a b l e s i n di f f e r e nt d i r e c t i o ns a r e s ma l l a nd a c o us t i c e mi s s i on c o un t i s l o w ；i n t he s t a b l e c r a c k p r o pa ga t i o n s t a g e，t he i nt e r na l s t r a i n o f s a mpl e s i nc r e a s e s t a b l y，l oc a l s t r a i ns i n d i f f e r e nt d i r e c t i o ns a r e s i gn i f i c a n t l y di f f e r e nt a nd a c ou s t i c e m i s s i on s i g na l s a l s o s ho w a s t e a d y g r o wt h t r e nd；wh e n l o c a l f a s t r up t ur e of c o nc r e t e a pp e a r s， s t r a i n a n d a c ou s t i c e m i s s i on s i gn a l bo t h i n c r e a s e s ud d e nl y；be f o r e t he c r i t i c a l i ns t a b i l i t y，l oc a l d e f or ma t i on i nc r e a s e s r a p i d l y a n d t h e a c ou s t i c e m i s s i o n s i gn a l s i n c r e a s e dr a m a t i c a l l y； whe n f r a c t u r e a pp e a r s ， l o c a l s t r a i n s a n d a c ou s t i c e mi s s i o n p ul s e n umbe r i n a l l d i r e c t i o ns r e a c h e s t h e pe a k． Ke y wo r d s c o n c r e t e ；c r a c k e v o l u t i o n；i n t e r n a l s t r a i n；a c o u s t i c e mi s s i o n 0 引言 随着中国经济飞速发展 ， 各类基础设施建设逐 年递增 ， 对混凝土材料的消耗巨大 ， 每年因混凝土工 程 在受 载条件 下 出现失稳 造成 的事故 时有发 生 。因 此 ， 有 效地监 测监 控混 凝 土 在受 载 条 件下 的安 全状 况具有重要意义。混凝 土在载荷作用下 ， 由于晶体 问出现滑移 ， 使得内部结构最先开始破裂失稳 ， 由内 收稿 日期 2 0 1 6 0 3 0 9 ； 修 回日期 2 0 1 6 0 8 2 2 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 国家 自然 科 学基 金项 目 5 1 5 7 4 2 3 1 ； 教 育 部 科 学 技 术研 究 项 目 1 1 3 0 3 1 A ； 中 国矿 业 大 学第 七 批 优 秀 创新 团 队建 设 项 目 2 0 1 4 Z Y0 0 1 作者简介 汪皓 1 9 9 0 一 ， 男 ， 湖北荆州人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方 向为煤 岩动力灾 害预防 ， E - ma i l 5 4 4 3 2 6 7 5 9 q q ． c o rn 通 信作 者 刘晓斐 1 9 8 1 一 ， 男 ， 山西晋中人， 副教授 ， 博士 ， 主要从事煤矿动力灾害预防 、 安全技术及工程等方面的研究工作 ， E ma i l L i u x i a o f e i 一 1 9 8 1 1 6 3 ． C O rn。 2 0 l 6年第 1 0期 汪皓等 受载混凝土 内部应变及声发射特征研 究 7 5 部 的微小 位 移变 形 逐 步 形 成 裂纹 裂 隙 ， 并 扩展 延 伸 到 整个 混凝 土 中 ， 最 后 发展成 为 宏观破 裂 ， 导致 灾 害 的 发生 。因此 ， 研 究 混 凝 土 内部 的 裂 隙 在 外 部 载 荷 作用 下 的变 化规 律具 有 重要 的实 践意 义 。很 多学 者 对 混凝 土 的裂 隙演 化 规 律 进 行 了 深入 研 究 赖 于树 等 _ 】 研究 了在单 向载 荷作 用下 混凝 土受 载 实验 全 过 程 变化 规律 ， 可 以反 映混 凝土 的 失稳情 况 ； 谢 和平 对混凝土的损伤机理 、 强度及损伤断裂做 了较为系 统 的 描述 ； 胡 少伟 等口 ] 针 对 混 凝 土试 样 的断 裂 进 行 了混凝 土 内部 裂隙 发展 的研 究 。但针 对混 凝 土试 样 的研究 大 多集 中于 表面 应变 、 裂 隙 的发展 演化 规律 ， 很少对试样 内部裂隙的发展和应变的实时动态变化 进行细致的研究。本文借鉴参考 文献[ 4 5 ] ， 提 出采 用预埋应变砖法来研究载荷作用下试样内部应变的 动 态演 化规 律 。 声 发射 A c o u s t i c E mi s s i o n ， AE 是 当材 料 受 外 力或内力作用产生变形或断裂 ， 以弹性波的形式 向 外 释放 应变 能量 的物理 现象 l 。 自 2 0世 纪 5 0年 代 金属材料声发射的 Ka i s e r 效应被发现 以来 ， 声发射 技 术逐 步 被 用 于 材 料 特 性 研 究 。L a v r o v Ac 0 利 用 声发射技术和 Ka i s e r效 应对混凝土损伤破坏过程 进行 了定性 和定量描述 ； 孙强等『 8 通过对砂 岩声发 射信息的时间特性分析 ， 研究 了整个实验过程 中的 声 发 射 信息 规 律 ； 纪洪 广 等 对 混 凝 土 材料 损 伤 的 声 发射 进行 了动态 检测 试 验研 究 ； 张茹 等 叩研 究 了 峰值应力前声发射 的平静期现象 ， 并对其成 因进行 了解释； 董毓利等⋯ 分析 了混凝土受压全过程声发 射 特性 ， 构 建 了 其 损 伤 本 构 模 型 ； 纪 洪 广 研 究 了 混 凝 土 材 料 声 发射 与 应 力一 应 变 参量 耦 合 关 系 ， 定 量 描述 了混凝 土 的损伤 过 程 。 对载 荷作 用下 混凝 土 或煤 岩体 内部 应 变演 化 的 研 究 大 多停 留在理 沦阶段 ， 实验 研 究方 面相 对不 足 ， 基于此 ， 本文通过预埋应变砖法对混凝 土模 型材料 在 单 轴压缩 条 件 下 内部 的应变 及其 声 发射 演化特 征 进 行 了实 时 、 动态 的监 测 ， 描述 了其 内部 的应 变 实时 变化 ， 从而 揭 示 了其 内部 裂隙演 化 规律 。 AE wi n R o c k T e s t f o r E x p r e s s 一8 型 声 发 射 数 据 采 集 系统 。应变 采集 系 统 由应 变 片 、 US B 8 5 1 6便 携 式数据 采集 仪、 D S G 9 8 0 3应 变放 大器 和 D a s V i e w 2 ． O 软件组成 ， 能实现应变的实时动态采集。 Da s Vie w2 ． 0应 燹采 集系统 加载 系统 ‘ ． ⋯⋯． ． ⋯．⋯一一一一 ． ． ．一⋯I 一．⋯ 一一．⋯⋯ ．⋯．⋯⋯ l 图 1 实验 系统 1 ． 2 试样 制作 为了降低实验误差 ， 应变砖 和混凝土选用相同 配 比进行制 作 。应 变砖 的制 作应 在混凝 土试 样制 作 前 1 ～2周 内完 成 ， 以 使 其 有 足够 的 时 间 凝 同 。用 5 0 2胶把 应变 花 和端 子 粘 到混 凝 土 块 的 中部 ， 然 后 用万用表检查应变花是否短路， 用小功率 的电焊把 应变 花 引线 焊 接 到端 子 上 ， 焊 接 过 程 中要 避 免 虚 焊 点 的存在 。应 变砖 如 图 2所 示 。 ／应变块 端子 ＼ ＼脚 线 f／ 六 芯 屏 蔽 线 “t ’ 图 2预 制 应 变 砖 将应 变砖 埋在 试 样 中间 高 度 的平 面 上 ， 在 距 其 正中心左右 3 7 ． 5 mm各埋设一个应变砖 ， 应变砖的 布置 如 图 3 a 、 b 所 示 。 其 中一 个 应 变 砖 贴 应 变 片的面与加载方向垂直 ， 如图 3 c 所 示， 用来测量 压应 变 ； 另一个 应 变 砖贴 应 变 片 的面 与 加 载方 向平 行 ， 如 图 3 d 所示 ， 用 来 测 量 剪 应 变 。应 变 花 布 置 如 图 3 e 所示 。 l 实验 系统 与试 样制 作 2 受载 混凝 土 内部应 变演 化规律 1 ． 1 实验 系统 受载 混凝 土 声发射 响应 和裂 隙演化 实 验 系统主 要 由加载 系统 、 应 变采 集 系统 、 声 发射数 据 采集 系统 组 成 ， 如 图 1所 示 。加 载 系 统 采 用微 机 控 制 电液 伺 服压 力试 验机 ， 实 验采 用 力控加 载 方式 ， 加 载速 率为 5 0 0 N／ s 。声发射信号的采集系统为 2 4通道 P C I 一 8 为 了减 少 环 境 因素 的干 扰 ， 另接 一 个 电 阻应 变 片作为补偿。应变放大器的放大倍数为 1 O 0倍 ， 电 阻应 变 片的灵 敏 系数 K一2 ． O 8 ， 惠 斯顿 电桥 电路 的 恒定 电压 E 为 2 V。实 验 开 始 前 ， 将应 变放 大 器 所 接通 道全 部归 零 。根 据 惠斯 特 电桥 电路 可 得应 变 e 与输 出 电压 △ U 的关 系为 7 6 工矿 自动化 2 0 1 6 年 第 4 2 卷 a 立体图 b 平面图 c 压应变 d 剪应变 图 3 应变砖埋设布置 e一 9 ． 6 1 5 4 1 O △U 1 由式 1 可知 ， 输 出电压值为 1 V时， 对应产生 的应变值为 9 ． 6 1 5 4 1 O - 。试样受载过程中内部 2 { 争 c 叔 a 应力、 应变 一时间曲线 时 间／ s c 9 0 。 剪应变 时间／ s f 9 0 。 压应变 1 一混凝土试件 ； 2 一应变砖 3 一剪应变花 ； 4 一压应变花 e 应变花布置 应 变 随时 间的动态 变化过 程如 图 4所 示 。图中应 变 值的正负代表应变片长度的变化， 正表示应变片变 短 ， 负则表示应变片变长。 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 时间／ s b 环境 干扰 d 4 5 。 剪应变 0 5 2 叔 一 1 0 议 一 1 5 g 4 5 。 压应变 h 0 。 压应变 图 4 混凝土试样内部应 变随时问动态变化 曲线 图 4 a 为试 样 的轴 向应力 、 应 变 随 时 间 的变 化 程 中引起 的应变 相 比非 常小 ， 可 以忽略不计 。 曲线 。轴向应变随时间变化可大致分为 3个 阶段 图 4 c 、 d 、 e 分别为剪 9 0 。 、 剪 4 5 。 、 剪 0 。 测 压密阶段 ， 应变快速升高； 线弹性 阶段 ， 应变缓慢升 出来的应变 ， 由图 3 d 可知 ， 剪 9 O 。 测出来 的总应变 高； 破坏阶段 ， 应变瞬间升高。图 4 b 为环境变化 应该和压机测出来的轴向应变相差不大。粗略计算 引起的应变 ， 大约在 0 ． 4 1 0 上下波动 ， 与加载过 可以发现， 图 4 c 中的曲线与横轴围成的面积与压 O O 0 O O 。． 0 _【 ＼ 2 0 1 6年第 1 O期 汪皓等 受栽混凝土 内部应变及声发射特征研 究 7 7 机测 得 的 总应变 相 差 不 大 ， 这 表 明 内部 应 变 花 测 出 的应变可以真实反 映试样加载过程 中内部的应 变。 剪 9 0 。 应变片测量的是试样内部某点处的轴 向微应 变 ， 故在整个过程 中测 出的应 变几乎都 为正值 ， 剪 4 5 。 应变片测量值先为正值 ， 后变成 负值 ， 到加载后 期 又变 成 正值 ， 而 剪 O 。 应 变 片 在 整个 加 载 过 程 中都 为负值 ， 表明试样在横向扩大。 图 4 f 、 g 、 h 分 别 为压 9 O 。 、 压 4 5 。 、 压 O 。 测 出来的应变 ， 在整个加载过程 中， 图 3 c 中的受压 面向外扩增 ， 故这 3个应变片除在加载初期有正负 波 动 外 ， 其 余 加 载 过 程 测 出 的 应 变 都 为 负 值 。 剪 0 。 、 压 9 O 。 、 压 O 。 测 出 的应 变 非常 接近 ， 这是 因为这 几个应变片测得的都是试样向外扩增应变 。 3 不 同加载 阶段 内部应 变及 声发 射演 化规 律 3 ． 1 不 同阶段 应 变演化 规律 根据试样 内部 的裂隙演化规律 ， 将试样整个实 验过 程 分为 3 个 阶段 [ 1 压 密 阶段 ， 稳 定 扩展 阶段 ， 失稳 破 坏 阶段 。 在 加载 初 期 O ～ 5 0 s ， 试 样 处 于 压 密 阶 段 ， 试 样内部的微孔隙被压实 ， 虽试样 的整体应变变化较 大 图 4 a 中初期应 变 快 速 升高 段 ， 各个 方 向应 变 片测得的应变普遍较小 ， 说 明这几处应变砖在混凝 土试样中埋放效果较好 ， 应变砖表面和试样完全接 触 ， 中间没 有微 孔 隙、 气 泡等。剪 9 O 。 应 变少量 增 加 ， 说明混凝土试样在垂直于载荷方 向上 的微裂 隙 被压密， 但 由于载荷较小 ， 轴 向应变仍然基本为零 ； 剪 0 。 、 压 9 0 。 、 压 0 。 应 变量增 加 ， 说 明此 阶段 混凝土 试样由于弹性变形 而有轻微 的膨胀现象 ， 挤压平行 于载荷方 向上 的微裂隙， 且压密程度要 大于垂直 于 载荷方 向上 的微 裂隙压密程度 ， 从而使剪 4 5 。 应 变 量 明显大 于压 4 5 。 。 当加载到 5 O ～1 0 0 S时， 试样 内部裂纹开始进 入稳 定扩 展 阶段 ， 试样 内部开 始起 裂 ， 新生 微裂 纹逐 渐生成 ， 并 不 断 扩 展、 延 伸 ， 出现 典 型 的 耗 时 现 象[ 1 。剪 4 5 。 、 剪 0 。 、 压 9 0 。 和压 0 。 的实时应变都呈 现出逐渐增大的趋势 ， 这是由于轴向载荷逐渐增大， 这些 方 向 的应变 片 受 力 逐 渐 增 大 所 致 ， 而 在 这 个 过 程中 ， 剪 9 O 。 和压 4 5 。 应变几乎保持为零 ， 说明这 2处 的应变片还没开始受力 。在 1 0 0 ～1 5 0 S时 ， 压 9 0 。 和压 O 。 两处 的应变波动较大， 说 明在该 阶段这 2处 的破裂较多。随着加 载继续进行 ， 直 到峰值应力之 前 4 5 0 s ， 除压 4 5 。 应变片外 ， 其他各处应变片测量 的实时应变基本稳定 ， 试样的整体变形较为均匀 。 随着加载进一步进行 ， 在峰值应力附近处 ， 试样 产生宏观裂纹， 破裂失 稳 ， 在 瞬间产生非 常大 的变 形 ， 此时各个方向的应变都产生突变， 变化波动大 ， 有 的甚 至超 出量 程 。 在整个加载过程 中， 选取 1 1 个时间点 ， 前 1 O个 时 间点 之 间 以 5 0 S为 间 隔 ， 最 后 一 个 时 间点 在 第 4 7 5 S 处 ， 然后 画 出 2个 直角 应变 花上 6个应 变 片的 应变 量一 时 间散 点 图 ， 如 图 5 所 示 。从 图 5可 看 出 ， 平行于载荷方向的直角应变花上所测应变量大于垂 直于载荷方 向上直角应变花所测 应变量 ， 这个结果 和大多数 的理论和实验相符 。在 0 2 0 0 S ， 剪 9 O 。 应 变量基本为零 ， 其他方向上的应变量与之相 比， 都有 明显 的增大 ， 而总的应变量 也增加 ， 说 明这个时段 内， 混凝土 实验 内部裂 纹 的变化基 本没 有沿 着剪 9 O 。 方 向 。2 0 0 S以 后 ， 剪 9 0 。 应 变 量 急 剧 增 加 ， 到 3 5 0 S以后 平稳扩 展 ， 直 到试 样 破 裂 ， 应 变 量 出 现激 增 。整个实验过程中， 剪 4 5 。 应变量都 比较大 ， 且一 直保持在较大值处 。另外 4个方向应变量也都保持 在一个稳定水平 ， 随时间变化不 明显 。剪 9 O 。 方 向 平行于载荷方向上 和剪 4 5 。 方向的应变量变化最 明显 ， 说 明主破裂 发 生在 这 2 个 方 向上 ， 这和实 验 观 测 出的结果 相 一致 。 同时 ， 由于 混凝 土材 料 的 各 向 异性 ， 混凝土内部应变演化规律也表现为复杂性 ， 各 个方向上的应变并不是都 呈现 出一个规律 ， 即使存 在规律重叠， 但应变量还是存在很大差异。 ‘圣 衩 时 l司／ s 图 5 不 同时间段各个方 向应变 同曲线 3 ． 2 不同加载阶段声发射信号特征分析 混凝土试样在单轴压缩实验下 ， 其应力、 应变 、 声发射信号随时间的变化情况如图 6 所示 。从 图 6 可 以看出， 在压密阶段微裂隙被压密 ， 所以在加载初 期 ， 总的应变量开始增加 ， 随即产生声发射信号[ 1 ； 在 5 O ～2 0 0 S时间段 内， 由于混凝土 内部有局 部裂 隙生成 ， 声发射信号会出现轻微突增 ； 2 0 0 4 0 0 S 为 裂纹稳定扩展阶段 ， 混凝土内部开始出现大量裂纹 ， 7 8 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 并不断扩展 、 汇合 ， 声发射信号 表现 出波动上升趋 势， 与此同时， 应变量也不断增加 ； 4 0 0 S以后 ， 更多 的裂纹汇合贯通 ， 声发射变形破裂加剧 ， 声发射信号 也 急剧增 加 ； 加载 至 4 7 5 S 时试 样整 体 失稳 破 裂 ， 声 发射信号达到峰值 ， 总应变量也达到最大值 。综上， 在整个加载过程 中， 混凝土试样 内部的破裂演化过 程和声发射信号呈明显的正相关性。 ＼ 毯 0 4 结论 03 0 l 翻 1 80 o l 5 0 0 1 2 00 是 o 0 蓁 6 0 0杖 3 0 0 [2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] [7 ] 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 时间／ s 图 6 受载过程 中声发射特征 [8 ] 研究受 载混凝 土试 样 内部不 同方 向上应变 随 时 间 的变化规 律及声 发射 特征 对于认识 内部裂 隙的演 化规律具有重要的指导意义， 同时有助于揭示混凝 土受载破裂机理。本文得出以下结论 1 在压密 阶段 ， 不 同方 向应 变 片所 测 的应 变 量都比较小 ， 声发射脉冲数较少 。 2 在裂隙稳定扩展 阶段 ， 试样 内部应变稳定 增加 ， 不同方向的局部应变量有明显不同， 其 中在剪 9 O 。 和压 4 5 。 方 向上的应变 量较之其他方 向最 为明 显 ； 声发射信号呈现稳定增长趋势 ， 由于试样局部出 现破碎， 会出现短暂的声发射信号激增现象。 3 在 临界失稳 前 ， 局 部 变形 量快 速增 加 ， 声 发 射信号也急剧增加 ， 试样破裂时 ， 各方向的局部应变 量及声发射脉冲数均达到峰值 。 参考文献 [ 1] 赖于树 ， 熊燕 ， 程龙飞． 混凝土受载试验全过程声发射 [9 ] [ - 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