混凝土轴拉声发射时的panys效应

混凝土轴拉声发射时的panys效应

声发射作用机理长期以来，混凝土力学的研究主要集中在抗压性的研究上，而对混凝土弹性性能的研究很少。实际上,混凝土的拉伸性能对混凝土结构的安全起着决定性作用,许多结构的破坏往往是由于混凝土抗拉性能不足而导致的,因此混凝土拉伸性能的研究具有重要的意义。混凝土是一种具有微裂隙的非均质材料,其受拉破坏过程比理想的脆性材料复杂得多,而声发射技术能动态实时探测材料内部微观结构变化,对探明混凝土拉伸破坏机理具有很大的促进作用。然而声发射技术在混凝土拉伸领域中的应用还不成熟,有许多问题亟待全面深入地研究和解决,如混凝土自身的材料特性以及外界条件对其拉伸声发射特性的影响,尤其是混凝土Kaiser效应特性的研究还处于起步阶段。1950年,德国学者Kaiser在进行金属拉伸试验时首次发现金属材料在受载过程中声发射具有不可逆性,即只有当材料所受到的应力水平超过先前所受过的最高应力水平时,才会有明显的声发射产生,这就是所谓的Kaiser(凯塞)效应,而其反效应称Felicity(费利西蒂)效应。随后,国内外许多学者陆续投身于岩石与复合材料的Kaiser效应的研究中,并成功利用Kaiser效应解决了工程中诸如岩体地应力状态历史测定、损伤劣化水平估计和稳定性评价以及压力容器的检测等问题。但到目前为止,Kaiser效应的研究主要集中在岩石以及复合材料方面,而对混凝土材料的研究较少,虽初步得到了一些结论,但有些结论(如Kaiser效应存在的应力水平)差异较大,有些因素如加载制度、加载速率、卸载后放置时间、干湿条件等对混凝土声发射Kaiser效应影响的研究还未见报道,因此对混凝土Kaiser效应还缺乏系统和深入的研究。1试验总结1.1测试安装(1)安装球铰的质疑本试验采用的加载装置为美国MTS公司322动静万能试验机加载系统,如图1所示。在试件中预埋带螺纹的钢筋,在试件的两端装上如图1(b)所示的球铰,依靠球铰的转动来保证试件的对中。试件通过球铰与MTS的液压夹头相连接。试验采用荷载控制方式加载,数据采集频率:普通加载速率采用2Hz,快速加载采用1kHz。(2)声发射采集系统试验条件本试验采用美国PAC公司的SAMOSTM16型数字式声发射仪,系统最大采样频率为3MHz。结合SAMOSTM16声发射采集系统的具体特点及本次试验的目的,试验参数选用如下:前置放大器增益=40dB;门槛值=40dB;采样频率:普通加载速率采用1MHz,快速加载采用3MHz;滤波器带通取20~200kHz;峰值鉴别时间PDT=50μs,事件鉴别时间HDT=100μs,事件锁定时间HLT=300μs。1.2试件结构及尺寸配制C25混凝土,水泥采用雨花牌32.5级普通硅酸盐水泥,砂子采用中砂,石子采用碎石(最大粒径10mm),拌合水用自来水,混凝土配合比,水泥∶砂∶石子∶水=1∶1.57∶2.79∶0.50。试件采用两端各预埋一段Ф18螺纹钢筋的平面哑铃型试件,螺纹钢筋埋置深度为120mm,试件两端截面为100mm×100mm,中部截面为100mm×60mm,具体形式及尺寸如图2所示。试件用钢模浇筑,放在震动台上振捣成型,2d后拆模,室温养护至试验日期,龄期约为180d,本次试验共48个试件。1.3声发射传感器的布置在传感器布置前,用砂纸在传感器布置的地方打磨光滑,按照图3布置4个传感器,为了使传感器接收优质的声发射信号,采用凡士林作为耦合剂,并用橡皮带把传感器固定在试件上以防脱落。1.4模拟试验试件及结果(1)Kaiser效应在混凝土材料拉伸中的有效性试验试件编号:C1、C2、C3。(2)Kaiser效应存在的应力水平试验及Kaiser效应与Felicity效应的关系试验试件编号:S1、S2、S3、S4、S5、S6。(3)加载制度对Kaiser效应的影响试验试件编号:W1、W2、W3(三角波循环);W4、W5、W6(梯形波循环)。(4)加载速率对Kaiser效应的影响试验试件编号:C1、C2、C3(250N/s);R1、R2、R3(25N/s);R4、R5、R6(2500N/s);R7、R8、R9(变速率)。(5)放置时间对Kaiser效应的影响试验试件编号:T1-1、T1-2、T1-3(1d);T3-1、T3-2、T3-3(3d);T7-1、T7-2、T7-3(7d);T14-1、T14-2、T14-3(14d);T28-1、T28-2、T28-3(28d)。(6)干湿条件对Kaiser效应的影响试验试件编号:C1、C2、C3(“干-干”);DM1、DM2、DM3(“干-湿”);DM4、DM5、DM6(“湿-干”);DM7、DM8、DM9(“湿-湿”)。2声音传输试验2.1相同速率卸载以250N/s的恒定速率加载至5000N,然后持载180s后,再以相同速率卸载至1000N,再持载180s。最后也以相同速度加载,直至试件拉伸破坏,加载曲线如图4所示。(2)声发射作用结果振铃计数与荷载历程曲线的关系如图4所示,试件C1在第一个循环中拉伸至最大荷载4826N后持载180s,其中在前25s内,产生了一定量的声发射。25s以后,基本没有声发射产生,说明在该荷载水平内混凝土内部的损伤已基本结束。卸载至1000N,并持载180s后,继续以相同的速率加载,当荷载达到5066N时,开始有明显的声发射产生,此时的荷载约为前期最大荷载值的1.050倍,说明在该试验中,混凝土轴拉声发射Kaiser效应存在并较为清晰,这证实了混凝土在轴拉试验中确实存在Kaiser效应。试件C2、试件C3Kaiser效应也十分明显,Felicity比分别为1.098、1.096,如表1所示。2.2s加载试验以250N/s的恒定速率加载至预先设定的荷载水平,持载60s,再以相同速率卸载至1000N,接下来进入下一循环,每个循环最大荷载值比前一循环提高2000N,循环加载直至试件拉伸破坏,加载曲线如图5所示。(2)微胶囊型的抗氧化性试件S4的应力-时间与振铃计数-时间的关系如图5所示,在前十个循环中,Kaiser效应都比较明显,Felicity比分别为前期应力的1.197、1.022、1.039、1.050、1.013、1.011、1.008、1.004、0.989、0.943倍。直到第十一循环,Kaiser效应失效,出现了Felicity效应,Felicity比为0.787。因此,试件S4的Kaiser效应存在的应力上限水平高达极限抗拉强度的82%。本组试验共6个试件,经统计分析,混凝土材料在轴拉荷载作用下,Kaiser效应存在的应力水平上限平均值约为极限抗拉强度的83%,如表2所示。2.3seur效应与feli效应之间的关系试验试验试件与2.2节相同。(2)混凝土声发射过程随应力水平的变化规律Felicity在研究复合材料的声发射性能时发现,复合材料在往复加载过程中,声发射过程的不可逆程度同材料在前期荷载作用下所产生的损伤程度有关。在较高的应力水平中,损伤较严重时,Kaiser效应失效,当前应力小于前期所受过的最高应力水平时声发射就开始显著增多,即出现Felicity效应。根据Kaiser效应的定义,只有当FR≥1.0时Kaiser效应才是严格有效的,而当FR<1.0时可以认为Kaiser效应失效。但由于试验总会出现一定的误差,因此在Kaiser效应研究领域,研究者一般认为只要Felicity比不小于0.90,Kaiser效应依然有效。图6为Felicity比随应力水平的平均变化趋势,大体可以分为3个阶段:(1)相对应力水平<20%时,FR>1.10,说明当本次加载的应力水平超过了前期最大应力的1.1倍以上时,才会有明显的声发射信号。有研究者认为混凝土在较低受拉应力阶段,由于混凝土中初始微裂隙、孔隙的存在,对混凝土内的应力分布产生一定的影响,同时这些微裂隙、孔隙的进一步扩展需要的能量要比裂纹的形成所需要的能量大得多,从而导致Kaiser效应在此阶段的滞后性。(2)相对应力水平在20%~80%范围内时,FR在0.9~1.1之间,混凝土的Kaiser效应比较明显。在该阶段内的声发射信号主要产生于裂纹的开裂,此时,混凝土的微裂纹结构是稳定的,裂纹的形成和扩展是稳定的,只有每当加载应力强度因子超过材料的断裂韧度时才会引起裂纹的扩展。所以,裂纹的扩展也具有不可逆性,声发射过程的不可逆性就是由裂纹扩展的不可逆性决定的,也就是说从严格意义上讲,混凝土Kaiser效应仅存在于混凝土的弹性变形阶段。(3)相对应力水平>80%时,FR<0.9,并随应力水平的提高迅速减小,声发射过程丧失不可逆性,Kaiser效应失效。在高应力阶段,混凝土内部的裂纹结构很不稳定,微裂纹的扩展不仅受荷载的作用而且受裂纹分叉及裂纹合并的影响,裂纹将自发地增长。因此,在高应力阶段,裂纹及裂纹结构不能达到稳定或平衡状态,因而混凝土不能记忆与此相应的应力状态,使得Kaiser效应失效。由此可见,声发射过程的不可逆程度同材料的损伤程度有关,Felicity比是对材料声发射过程不可逆程度的更详细描述。2.4制度加载制度本部分试验采用梯形波循环与三角波循环两种加载制度进行加载。梯形波循环加载速率为100N/s,持载时间为120s;三角波循环加载速率为100N/s。加载曲线分别如图7、图8所示。(2)抗冲层加载制度对混凝土整体结构的影响图7、图8分别为梯形波循环加载与三角波循环加载作用下声发射振铃计数与荷载历程曲线的关系。通过比较,发现在三角波循环加载试验中,各循环中的Kaiser效应并不清晰,在还没有达到前一次最高应力水平时就有大量的声发射产生,即在此过程中Kaiser效应失效,出现Felicity效应。而对于梯形波循环加载,在极限抗拉强度80%以内的应力水平下,Kaiser效应十分清晰。这表明,不同的加载制度对混凝土Kaiser效应产生了一定程度的影响,而这两种加载制度的主要区别在于是否在加载达到最高应力水平以及在卸载达到预定水平时持载一段时间,这一个持载过程对于Kaiser效应的清晰度是至关重要的。这是因为持载一段时间会使塑性变形、裂缝或损伤在该应力水平上发展比较彻底,同时又由于损伤的不可逆性,致使在下一个循环中,只有应力达到或超过了之前的最高应力水平时才会有新的损伤产生,即产生明显的声发射。由此可见,这也是许多研究者在研究材料Kaiser效应时首选采用梯形波循环加载制度的原因所在,因此这种加载制度应用较为普遍和广泛。2.5变速率加载试验本部分试验主要研究3种不同的加载速率:25N/s、250N/s、2500N/s,试验分两种情形:恒定速率加载与变速率加载,加载曲线分别如图9~图12所示。(2)试验结果与分析1两组运行试验结果图9为以25N/s加卸载速率加载时的声发射振铃计数与荷载历程曲线的关系图,从图中可以看出,当第二个循环加载水平超过前期最大荷载水平以后,才有明显的声发射产生,Kaiser效应明显,Felicity比为1.063>1.0。当以250N/s加卸载时,Kaiser效应也十分明显,Felicity比为1.050>1.0,如图10所示。在该组试验中,其规律是一致的。图11为以2500N/s加卸载速率加载时的声发射振铃计数与荷载历程曲线的关系图,在快速加载作用下,Kaiser效应依然存在。但与前两组低速加载试验的情况有所不同,在快速加载作用下Felicity比要稍大一些,即当荷载超过前期最大荷载水平约1.14倍以后,才会有明显的声发射产生。2混凝土力学性能在变速率循环加载作用下声发射振铃计数与荷载历程曲线的关系如图12所示。在该组试验中,Kaiser效应都比较明显,加载速率对混凝土Kaiser效应基本没有影响。一般认为混凝土材料具有率敏感性,在快速加载过程中,塑性变形以及裂纹的开展并没有像低速加载时的那么完全,这也是快速加载使混凝土强度提高的原因所在。因此那些还没有来得及产生的塑性变形和裂缝在下一循环中(加载速率相对较慢),较低的应力水平下就发展起来,从而出现了在低于前期最高应力水平时就有明显的声发射产生,如AlexanderLavrov的试验结果(岩石)。但笔者试验中的恒载正好使在快速加载阶段中还没有来得及产生的塑性变形和裂缝在恒载阶段得到充分的发展,使材料在该应力水平下趋于稳定了,从而在下一循环中Kaiser效应依然清晰。2.6aize现象的加载本部分试验将研究卸载后分别放置1d、3d、7d、14d和28d后的Kaiser现象。第一次以250N/s的速率加载至预先设定的荷载水平,然后持载180s后,再以250N/s的速率卸载至0。不同的试件分别放置t=1d、3d、7d、14d和28d后,再次以250N/s的速率加载至试件破坏。(2)混凝土的声发射作用结果放置时间对声发射Kaiser效应的影响如图13所示。从图中可以看出,卸载放置1d、3d和7d后,混凝土Kaiser效应依然存在,但放置14d后再次加载,Felicity比变为0.5左右,Kaiser效应失效,出现了Felicity效应。28d后再次加载,在加载初始阶段已经有明显的声发射产生,Felicity比仅为0.2左右。Michihiro的研究小组在研究岩石声发射时也有类似的结论,他们发现:7.5d后再加载,Felicity比由1变为0.75,20d后再加载,Felicity比变为0.44。从上述试验结果看,混凝土记忆应力的能力在应力解除后,随时间的延续,都有逐渐衰退的现象,只是不同的混凝土在不同的应力水平消失的时间范围不同而已。这是因为在卸荷并经过一段较长的时间过程之后,必有部分原已处于失稳态的裂纹重新恢复到稳定平衡态或者临界状态。而这种弹性后效作用和稳定态裂纹的出现必然导致发射声发射能力的恢复。2.7循环加载试验就不同的干湿条件分别进行4组试验:①“干-干”——试件预加载和重新加载都在自然干燥条件下进行。试验方法及加载方式与第2.1节试验相同。②“干-湿”——试件预加载在自然干燥条件下,重新加载在湿的条件下进行。试件以250N/s的速率加载至5000N/s,持载180s后以相同的速率卸载至0。试件从试验机上卸下后置于水池中浸泡72h,取出再次试验,以250N/s的速率加载至试件破坏。③“湿-干”——试件预加载在湿的条件下,重新加载在干的条件下进行。把在室温下养护的试件置于水池中浸泡72h,取出进行预载试验。以250N/s的速率加载至5000N/s,持载180s后以相同的速率卸载至0。试件从试验机上卸下后置于烘箱中以30℃的温度干燥72h,取出再次试验,以250N/s的速率加载至试件破坏。④“湿-湿”——试件预加载和重新加载都在湿的条件下进行。首先把在室温下养护的试件置于水池中浸泡72h,取出进行循环加载试验。试验方法及加载方式与第2.1节试验相同。(2)湿地条件下声发射试验结果图14为试件在干燥条件下预加载与重新加载时振铃计数与荷载历程曲线的关系,在干燥条件下,混凝土严格满足Kaiser效应的定义,Felicity比平均值为1.081>1.0,如表3所示。图15为试件在干燥条件下预加载,而在潮湿的条件下重新加载时振铃计数与荷载历程曲线的关系,在该条件下,混凝土在未达到前期最大荷载水平时已出现明显声发射,Kaiser效应失效,Felicity比平均值为0.833<1.0。这与Yoshikawa等人在论文中提到的结论类似,即岩石在干燥的条件下进行预加载,而在潮湿的条件下进行第二次加载,岩石表现出了明显的Felicity效应,FR=0.805。图16为试件在潮湿条件下预加载,而在干燥条件下重新加载时振铃计数与荷载历程曲线的关系,在该条件下,混凝土在仅达到前期最大荷载水平一半时就已经出现了明显的声发射,Kaiser效应严重失效,Felicity比平均值为0.556<1.0。图17为试件在潮湿条件下预加载与重新加载时振铃计数与荷载历程曲线的关系,在该条件下,当荷载超过前期最大荷载水平一定值时,方有明显的声发射产生,Felicity比平均值为1.392>1.0。Lavrov认为,由于干湿条件对混凝土试件的作用是十分复杂的,干湿条件对混凝土Kaiser效应的影响机理至今还未被真正理解,而需要更多的试验作为根据对其进行解析。3混凝土损伤的表征混凝土单轴拉伸条件下声发射信号的产生与混凝土微观结构对外力的忍受程度有关。随着外力增加,混凝土集团之间、组分之间、乃至组成化学元素之间都可能产生滑移、错位以及裂纹形成和扩展,而这些滑移、错动乃至新裂纹产生的过程是不可逆的,这种不可逆的过程反映了混凝土内部损伤的发展,其演变的最终结果即为混凝土的拉伸破坏。因此说混凝土这种不可逆的过程反映了其受外力伤害的程度,这就是通常所说的损伤。声发射的释放代