基于声发射参数的混凝土循环加卸载动态损伤破坏特性研究

彭　刚　王乾峰　陈灯红　周洪涛

(1. 三峡大学 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心， 湖北 宜昌　443002； 2. 三峡大学 土木与建筑学院， 湖北 宜昌　443002)



基于声发射参数的混凝土循环加卸载动态损伤破坏特性研究

彭刚1王乾峰2陈灯红2周洪涛2

(1. 三峡大学 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心， 湖北 宜昌443002； 2. 三峡大学 土木与建筑学院， 湖北 宜昌443002)

摘要：对5种不同几何尺寸与不同配合比的混凝土试件进行了不同加载速率下的单轴压缩试验，同步进行了声发射(AE)数据的采集；在对比分析AE参数与应力应变关系的基础上，进行了不同加载速率下的混凝土损伤机理与破坏机制研究；通过分析不同加载速率下的应力应变全曲线，研究了循环加卸载中的损伤破坏特性的速率效应；构建了基于AE参数的损伤变量模型，并基于该模型进行了动态损伤特性分析．结果表明：混凝土的峰值应力与弹性模量随加载速率的提高而增大，表现出明显的规律性；但峰值应变随加载速率的变化而表现出较大的离散性．峰值应力前的AE能量随加载速率的提高而增加；加载速率越大，上升幅度越大，峰前释放的能量越大，混凝土内部破坏越严重，残余能量不足以维持试件继续承受更多的循环加卸载而直接进入破坏阶段；峰后可完成的循环加卸载次数随着加载速率的提高而减少．在不同加载速率下材料损伤破坏的路径不同，但损伤起点与破坏终点是重合的；随加载速度提高，损伤破坏的路径变短，加载速率差异越大，损伤破坏路径差异越大；混凝土在不同应力阶段的损伤程度及破坏形态与加载速率有较强的相关性．加载速率的提高改变了混凝土的能量释放过程与方式，形成了不同的损伤破坏机制，在不同加载速率下的损伤破坏机理存在较大差异．

关键词：混凝土；循环加卸载；速率效应；损伤机理；声发射

混凝土结构的破坏是一系列损伤演化并积累的结果．作为一种新型的检测技术，声发射(Acoustic Emission，简称AE)[1-2]可以在未知混凝土损伤状态的物理参数情况下，了解混凝土内部损伤和裂缝形成、发展的过程，进而实现判定混凝土曾经承受的最大应力历史和动态评估混凝土损伤程度等目标．

吴胜兴等[3]研究了混凝土试件在往复循环拉伸加载条件下Kaiser效应的有效性及其应力范围，探讨了混凝土材料Kaiser效应与Felicity效应的关系．Su等[4]采用声发射技术研究了大坝混凝土受压状态下声发射参数与损伤变量间的关系．Lu等[5]研究了混凝土单轴受压情况下断裂能与声发射信号能量之间的关系．Sagar等[6]综述了混凝土结构声发射方面的研究成果，总结了AE能量、b值分析与桥梁结构损伤状态的关系[7]，以及结构破坏过程中释放的AE能量与破坏区的关系．Saliba等[8]采用声发射研究了混凝土结构的徐变-损伤耦合机理．

然而，目前大多数研究工作中没有考虑动态循环荷载作用下的混凝土应变速率效应损伤演化问题．为此，本文进行了不同加载速率下的单轴压缩和声发射试验，研究了加载速率对混凝土损伤机理与破坏机制的影响及循环加卸载中损伤破坏特性的速率效应．

1物理力学试验

1.1试验设备介绍

本试验设备为10 MN大型多功能液压伺服静动力三轴仪如图1所示，可进行单轴、双轴以及真三轴的混凝土动静力加载试验，加载控制方式有位移、变形与负荷等3种．竖向最大加载值为10 MN，水平最大加载值为5 MN，最大应变速率为10-2/s；最大采样频率为104Hz，可实时采集数据．在循环加卸载试验过程中，采集声发射信号的传感器为SR150N，工作频域22～220 kHz，中心频率150 kHz．

图1　三峡大学研发的静动力三轴试验仪

1.2试件制作与加工

1)混凝土原材料选用

水泥为宜昌三峡水泥有限公司生产的P.O42.5硅酸盐水泥，根据《水工混凝土试验规程》(SL35-2006)测定了水泥的物理指标．结果表明，水泥胶砂流动度为18 cm；水泥标准稠度用水量为26.2%；水泥胶砂初凝时间140 min，水泥胶砂终凝时间为218 min；水泥安定性合格，C-A=1 mm；马氏漏斗粘度计测得水泥黏度时间为207 s；水泥细度为2.1%；水泥密度为3.01 g/cm3；水泥比表面积为3 690 cm2/g．

粗骨料为5～40 mm连续级配的碎石，压碎指标为17.5%，含泥量为0.48%；细骨料为天然河砂，细度模数为2.3，含泥量为3.485%．

拌合水采用市政饮用自来水，按表1所示配合比进行混凝土搅拌．对混凝土的工作性能检测结果为混凝土坍落度平均为22 mm，混凝土维勃稠度平均为13 s，混凝土初凝时间为7 h5 min，终凝时间为18 h2 min；通过气压法得到混凝土含气量为0.83%．

2)混凝土的制作与养护

试验采用5种不同的试件，具体情况见表1．为了使骨料与水泥能均匀分布，采用先干拌后湿拌的机械搅拌方式，首先将称量好的粗细骨料及水泥依次倒入搅拌机内，机械搅拌均匀后，再加入自来水进行搅拌，搅拌时间为10 min．试件成型后在室温下静置48 h再拆模、编号，试件拆模后在大气自然环境中搁置28 d．

表1　试件设计与龄期情况表

1.3加载试验过程

在不同应变速率下，对表1所示的试件进行循环加卸载，试验主要步骤如下：

1)装样．将试件放在相应尺寸的下垫块上，再将上垫块置于试件上，然后进行调平对中．

2)安装声发射装置．在试件4个侧面的几何中心用砂纸打磨出直径为5 cm的洁净区，再用耦合剂将4个声发射探头安装在洁净区；对安装好的探头并联接好信号线；再检查声发射信号的接收状态，确保断铅信号接收幅度在90 db以上．

3)设置声发射记录文件．试验中声发射参数为：信号门槛45 db，前置放大器40 db，主放大器增益20 db；滤波器带宽20～400 kHz，采样频率833 kHz；采样长度2 048；峰值鉴别时间(PDT)50 μs；撞击鉴别时间(HDT)200 μs；撞击锁闭时间(HLT)300 μs．

4)安装与检查变形计．开启油泵，将装有试件的小车移动到指定位置，调整变形计的标距和竖向垂直度，连接变形计的数据采集系统，确认采集信号正常．

5)加载．通过试验控制软件给试件预施加荷载10 kN．根据试验循环加卸荷路径，导入预先编写的试验加载程序，实施加载，同步采集位移、负荷、变形、声

发射信号等．

6)加载完成后，取下声发射探头，保存数据文件．

2基本力学参数分析

2.1峰值应力的动态特性

在不同加载速率下，对表1所示试件进行了破坏性加载试验，得到各工况下的峰值应力见表2．峰值应力与加载速率对数间的关系如图2所示．由图可见，尽管试验结果存在一定的离散性，但混凝土抗压强度随加载速率的增加而增加的规律还是非常显著．

图2　峰值应力与加载速率的关系

(单位：MPa)

2.2峰值应变的动态特性

试验得到各工况下的峰值应变见表3，与加载速率对数间的关系如图3所示，分析表明，数据离散性较大，随加载速率变化而变化的规律不明显，与其他学者的结论相似．

图3　峰值应变与加载速率的关系

2.3弹性模量的动态特性

试验得到各工况下的弹性模量见表4，与加载速

率对数间的关系如图4所示．分析表明，弹性模量随加载速率的增加均有不同程度的增加．

图4　弹性模量与加载速率的关系

(10-3)

表4　试件在不同加载速率下的弹性模量　(单位：GPa)

3声发射参数与应力间的关系

3.1声发射参数的选择

声发射是材料因开裂损伤而急速释放能量时产生的一种弹性波，表征参数有能量数、撞击数、事件率、事件发生的时间分布、振幅、振幅分布、波形及其频谱等．由事件率可知损伤程度，从事件的时间分布可知损伤过程，不同的参数具有不同的内涵[9-11]．本文选用能量数与撞击数分析混凝土的损伤破坏机理．

撞击数的含义为超过阖值并使某一通道获取数据的任何信号称作为一个波击，分为总计数与计数率，反映AE活动的总量和频度．能量数的含义为信号波形外包线下方所围成的面积，也分为总计数与计数率，反映事件的相对能量或强度，从整体上描述AE的总强度．

3.2AE参数与应力间的关系

1)AE能量与应力的关系

图5为试件2在10-4/s加载速率下单轴压缩循环加卸载过程中的AE能量数与应力在时间轴上的同步对应关系，左侧纵坐标σ为应力瞬时值，σ0为峰值应力；右侧纵坐标N为AE能量瞬时值，Nmax为AE能量最大值；横坐标为时间t(s)．

图5　AE能量与应力的关系(试件

由图可见，在混凝土受压循环加卸载过程中，间断性地出现AE信号，AE能量集中产生在峰值应力以前，后期信号减弱．在峰值应力前的每个加载阶段都有大量的声发射信号，而且在达到90%的峰值应力水平以前，AE能量最大值随循环次数而逐步增大，过90%的峰值应力点后，AE能量随循环次数呈减弱趋势，在达到峰值应力点后，AE能量很小，趋于平稳．

AE能量的变化与材料内部裂纹形成、发展直到整体破坏的过程有着紧密的相关性．在受压状态下，混凝土先被压密，局部出现微量损伤而产生一定数量的AE信号；随应力增加，在初始缺陷的基础上试件内部新生裂纹，继而裂纹扩展引起更大损伤，产生强烈的AE信号；应力的进一步增加促使内部裂纹发展形成裂缝，裂缝交汇形成贯通裂缝，使混凝土内部产生更为强烈的AE信号；当应力达到峰值点时，宏观裂缝形成，AE能量也达到最大；过峰值点后，混凝土开裂趋于稳定和缓慢，以块体滑移变形为主，AE能量减小，进入平稳阶段．

图6为试件4在5×10-3/s加载速率下的AE能量及应力随时间而变化的局部放大图．由图可知，在单次循环中，AE信号出现在加载阶段，卸载阶段基本不出现AE信号；当后一次加载接近前一次最大应力的70%～80%时才开始产生AE信号，表明混凝土材料存在Felicity效应；随循环次数增加，混凝土内部损伤程度加重，Felicity效应的AE门限应力提前，AE门限应力与材料内部损伤程度存在相关性．

图6　AE能量与应力关系局部放大(试件

2)AE能量累计数与应力的关系

图7为试件3在10-3/s加载速率下单轴受压循环加卸载过程中的AE能量累计数与加载应力随时间的变化曲线，纵坐标σ0为峰值应力，NZ为AE能量累计值，Ni为一次循环加卸载产生的AE能量值；横坐标为时间t(s)．

图7　AE能量累计数与应力的关系(试件

对整个曲线而言，可在时间轴上大致分为三个阶段，前一阶段为线性增长段，后一阶段为水平段，最后出现急速上长升段．这一现象表明了材料内部损伤破坏的发展过程，依此可将整个过程分为“损伤产生”、“损伤扩展”与“急速破坏”3个阶段．

在“损伤产生”阶段，主要为新裂纹的产生与扩展．在外荷载作用下，材料通过变形积蓄内能，当超过极限变形后，材料内部产生裂缝而释放能量，从而出现AE信号；在新的状态下，随应力的增加材料进一步变形而产生新的能量积蓄与释放，并出现新AE信号；如此周而复始，不断产生新的裂缝而形成损伤的积累．反言之，AE能量累计值的增长表明了裂纹(缝)的不断出现，形成了一个损伤累积的过程．

过峰值应力点后，材料进入“损伤扩展”阶段．此时，即便应力水平不断下降，但在持续外荷载的作用下，由于裂纹(缝)尖端的应力集中，使裂纹(缝)继续发展并相互贯通，形成更多更大的宏观裂缝，将材料分为若干块体，块体间的相互约束使材料仍具备一定的承载能力．持续荷载的作用使各块体内部裂缝继续发展并相互贯通，进一步释放剩余内能，将块体再次分为更多更小的块体，损伤程度得以继续发展，宏观变形不断快速增加，AE信号也持续出现．由于峰值点后的应力水平持续下降，材料剩余的内能逐渐减少，单次AE能量数在时间轴上随应力水平的下降而降低，AE能量累积数则逐步趋于平稳或缓慢上升．

当损伤扩展到一定程度时，过大过多的宏观裂缝使材料内部的微结构失去稳定，所有处于临界状态的裂纹(缝)同时急速扩张并相互贯通，在宏观上表现出失稳型的“急速破坏”，同时集中释放出所有剩余内能，在声发射上表现出AE能量的集中出现与AE能量累计值的急速增长．

3)AE事件累计数与应力的关系

图8为试件3在加载过程中AE事件累计数与加载应力随时间的变化曲线．

图8　AE事件累计数与应力的关系(试件

纵坐标σ0为峰值应力，ZZ为AE事件数累计值，Zi为一次循环加卸载产生的AE事件数；横坐标为时间t(s)．由图可知，混凝土在循环加卸载时AE事件累计曲线与能量累计数曲线形状相似，变化规律基本相同．采用这个变量也可对混凝土材料的损伤机理与破坏机制作出完全相同的解释．

4基于AE参数的破坏模式分析

为讨论加载速率对混凝土材料损伤机理与破坏机制产生的影响，在10-4/s与10-3/s加载速率下，针对试件2与试件3这两个典型试件的AE参数变化特征与破坏模式间的关系进行详细讨论．

4.1AE能量与破坏模式间的关系

图9、图10为AE能量与应变在时间轴上的对应关系．纵坐标ε0为峰值应变，Nmax为AE能量最大值，N为AE能量瞬时值；横坐标为时间t(s)．

图9　AE能量与应变的关系(试件

图10　AE能量与应变的关系(试件

对图9而言，在试件出现应变急速增长而完全丧失承载能力前，其应变呈线性缓慢增长；AE能量集中产生在峰值应力(t=500 s)以前，而更高强度的AE能量则出现在90%峰值应力以前．对图10而言，在应变-时间曲线上未出现拐点，先为线性增长，继而平滑转为指数上升；AE能量的强度随时间均匀分布，最后出现高强度的AE能量．两者在终点均出现了集中能量释放的现象，但后者的绝对强度值及相对于自身前期的比值均大大超过前者．

图9与图10所示的两种对应关系，象征着二种不同的损伤机理与不同的破坏机制，本文将图9与图10对应的破坏形式分别定义为“剪滑式破坏”与“崩塌式破坏”．对比图9与图10，在两种破坏模式对应的加载过程，产生的AE波形有显著区别．在图9所示的“剪滑式破坏”模式中，在某一个AE能量最大值的前后均有大量的低能量释放，能量释放从弱转强再变弱是一个连续的渐变过程；而在图10所示的“崩塌式破坏”模式中，在某一个AE能量最大值前后无显著的低能量释放，能量释放不是一个连续的渐变过程，表现为随机脉冲波形态．通过对比分析AE波形与试验后的试件破裂面情况发现，“剪滑式破坏”以骨料与砂浆胶结面的破坏为主，而“崩塌式破坏”则同时出现了大量的骨料破裂现象，加载速率愈大，骨料破碎率愈高．

4.2AE能量累计数与破坏模式间的关系

图11、12为AE能量累计数与应变在时间轴上的对应关系，纵坐标ε0为峰值应变，NZ为AE能量累计数，Ni为一次循环加卸载产生的AE能量数；横坐标为时间t(s)．

图11　AE能量累计与应变的关系(试件

图12　AE能量累计与应变的关系(试件

对于图11所示的“剪滑式破坏”而言，AE能量累计数曲线可抽象分为4个阶段，第1阶段为急速上升的直线段；第2阶段为指数上升段，位于峰值应力前；第3阶段为平稳水平段；第4阶段为竖直线性段．这种模式的能量释放主要在加载峰值应力前释放约90%的能量，完全破坏时集中释放约10%的能量．

对图12所示的“崩塌式破坏”而言，可抽象分为3个阶段．第1阶段为线性上升段，第2阶段为水平段，第3阶段为竖直线性段．第1与第2阶段、第2与第3阶段均出现了拐点，具有明确的分区点．在这种模式下，峰值应力前释放约10%的能量，在完全破坏时集中释放约60%的能量．

4.3AE事件数与与破坏模式间的关系

图13、图14为AE事件数与应变在时间轴上的对应关系，纵坐标 为峰值应变，Z为AE事件数瞬时值，Zmax为AE事件数最大值；横坐标为时间t(s)．由图可知，AE事件数、应变随时间的变化规律与AE能量的变化规律基本相似．对比图13、14，可以更清楚地发现两种不同破坏模式的内部损伤与破坏特点．

图13　AE事件数与应变的关系(试件

图14　AE事件数与应变的关系(试件

由图13可见，“剪滑式破坏”在t=500 s的峰值应力点以前连续地频繁出现密集的AE事件，意味着在混凝土内部发生了较为严重的损伤，而峰值应力后的AE事件较少，意味新增损伤较少．对于图14所示的“崩塌式破坏”而言，在t=90 s的峰值应力点以前也出现了较多的AE事件，但能量释放率仅为10%，远小于“剪滑式破坏”的90%的能量释放率，更显著的特征差异在于该模式的AE事件连续出现在整个破坏过程中．另外，完全破坏时两者均出现了较大强度的AE事件数，但两者释放的能量差异却相差甚远，“剪滑式破坏”模式约为总量的10%，“崩塌式破坏”模式约为总量的60%．

由此可见，加载速率的提高改变了混凝土的能量释放过程，形成了不同的损伤机理与破坏机制，在不同加载速率下的损伤破坏模式存在较大差异．

4.4AE事件累计数与破坏模式间的关系

图15、16为AE事件累计数与应变在时间轴上的对应关系，纵坐标 为峰值应变，ZZ为AE事件累计数，Zi为一次循环加卸载产生的AE事件数；横坐标为时间t(s)．由图可知，AE事件累计数与AE能量累计数的变化规律基本相同．

图15　AE事件累计数与应变的关系(试件

图16　AE事件累计数与应变的关系(试件

对于图15所示的“剪滑式破坏”而言，从原点出发，AE事件累计数呈指数急速上升，后转为水平直线到完全破坏，虽然在完全破坏时出现垂直段，但上升幅度较小；图16所示的“崩塌式破坏”则完全不同，从原点出发AE事件累计数呈线性快速增长，出现拐点后以较小斜率继续线性上升，至完全破坏时出现一个90°的拐点，而后出现一个较大的垂直上升段．

通过对比两者在AE事件累计数上的差异，进一步说明了在不同加载速率下的损伤破坏过程存在较大的不同．加载速率较低时，早期损伤破坏严重，后期趋于平缓；加载速率较高时，前期损伤破坏快速增加，中期缓慢增加，后期急速增加．

5循环加卸载的速率效应分析

5.1循环加卸载曲线的特征现象

对比分析循环加卸载应力应变全曲线可以发现，峰值应力后可持续进行循环加卸载的循环次数与加载速率有明显相关性，可循环次数随加载速率的提高而减少．这一现象在本次研究中的不同类型试件中均有出现，现以图17所示试件1在不同加载速率下的循环加卸载曲线为例进行讨论．

图17　试件1的循环加卸载全曲线

为探讨这一现象的内在原因，选取峰值应力点的AE能量累积数为变量，建立图18所示AE能量累积数与加载速率间的关系．图中曲线表明，对于相同试件而言，随着加载速率的提高，峰值应力点的AE能量累积数呈快速增长趋势，加载速率越大上升幅度越大，不同试件的变化规律大体相同．

图18　试件1、3、4峰值处AE能量累计数变化趋势

5.2循环加卸载速率效应的机理分析

AE能量累计数的大小与变化规律表征了材料内能释放的大小及其变化规律．因此，由图18也可说明，不同试件峰值应力点以前释放的材料内能均随加载速率的增加而增加．加载速率越大，峰值应力前释放的内能越大．

对相同体积大小、相同几何形状与相同材料性质的物体而言，可容纳的内能总量理论上是相等的，峰值应力前的内能释放量增大，则峰值应力后可容纳的剩余内能减小．

对混凝土而言，材料通过开裂与破碎实现内能的释放，内能释放量越大，损伤破坏也就越严重．这就意味着相同的混凝土材料在峰值应力前的损伤程度随加载速率的提高而加剧，峰值应力后的承载能力随加载速率的提高而降低，最终表现为难以继续承受更多次的荷载循环而直接进入破坏阶段；峰值应力后可完成的加卸载循环次数也就随加载速率的提高而减少．

6基于AE参数的动态损伤特性分析

6.1损伤变量的确定

损伤变量的定义与选择一直都是学者们努力探索的热点问题之一，有学者采用刚度退化及残余塑性变形等参量定义损伤变量[12]．但由此得到的损伤变量不具有直观性，不能实时检测混凝土材料内部的损伤程度与演化过程．AE信号不仅可直观反映材料内部的损伤情况，而且还能实时获取监测数据[13]．从损伤理论出发建立以AE数据为变量的损伤模型具有较大的学术价值与应用前景．

定义损伤变量D为断面上微缺陷的面积Ad与无损时断面面积A的比值，即

假定材料无初始损伤，材料截面面积为A，截面完全破坏时AE事件累积数为Nm，则单位面积微元破坏时的AE事件累积数为

截面破坏面积为Ad时，AE事件累积数则为

比较式(1)与式(3)，可知AE数与损伤变量间存在以下关系，即

6.2动态损伤特性分析

根据式(4)求出每一次卸载后的AE事件累计数与事件累计总数的比值，作为损伤变量．得到每次卸载时的累积残余塑性应变与此时的损伤变量值的对应值，再得到损伤变量随累积残余塑性应变的变化规律曲线．以此方法可得到图19，由图可知，随着累积残余塑性应变的增加，损伤变量逐渐增大，曲线斜率逐渐减小，损伤的增长速度逐渐减慢．

图19　试件在不同加载速率下的损伤演化规律

随着应变的增加，试件内部的损伤在不断地累积，当损伤指标达到1时，意味着试件完全破坏．图19中的曲线表征着试件随应变增加而损伤累积的过程．对相同强度等级与相同尺寸的试件而言，在不同加载速率下的材料损伤累积路径各不同，但损伤过程的起点与终点是重合的．由以上分析可知，在加载速率较小时，混凝土的AE能量主要分布在峰值应力以前，在加载速率较高时，混凝土的AE能量分布在整个加载过程．这一结论表明加载速率的变化影响能量的释放过程与方式，加载速率越快，混凝土能量释放越均匀，加载速率越慢，混凝土的能量释放越集中在峰值应力点以前．采用混凝土能量释放表示的损伤变量D时，加载速率越快，损伤过程越均衡，其损伤对应的初始斜率越小．

由图19(a)可见，加载速率为10-4/s时，前期损伤累积程度较大，后期平缓至水平段．对比图19(a)和(b)可见，随着加载速率的提高，上升幅度变缓、损伤路径变短，由曲线向直线转变；加载速率差异越大，上升幅度与路径长短差异越大．这一结论很好地解释了图17所示峰值应力后循环次数随加载速率的提高而减少的物理现象．循环加卸载的过程实质上就是一个损伤累积与破坏的过程，随着加载速率的提高，损伤累积与破坏的路径被大幅度地缩减，循环加卸载也就没有了时域空间．

7结论

1)混凝土的峰值应力与弹性模量随加载速率的提高而增大，表现出明显的规律性；但峰值应变随加载速率的变化而表现出较大的离散性．

2)峰值应力前的AE能量随加载速率的提高而增加；加载速率越高，上升幅度越大，峰前释放的能量越大，混凝土内部破坏越严重，残余能量不足以维持试件继续承受更多的循环加卸载而直接进入破坏阶段；峰后可完成的循环加卸载次数随着加载速率的提高而减少．

3)在不同加载速率下材料损伤破坏的路径不同，但损伤起点与破坏终点是重合的；随加载速度提高，损伤破坏的路径变短，加载速率差异越大，损伤破坏路径差异越大；混凝土在不同应力阶段的损伤程度及破坏形态与加载速率有较强的相关性．

4)加载速率的提高改变了混凝土的能量释放过程与方式，形成了不同的损伤破坏机制，在不同加载速率下的损伤破坏机理存在较大差异．

参考文献：

[1]Matthews J R． Acoustic Emission (1st edition)[M]． New York：Gordon and Breach Science Publishers, 1983．

[2]Grosse C U, Ohtsu M． Acoustic Emission Testing[M]．. Berlin：Springer, 2008．

[3]吴胜兴，张顺祥，沈德建．混凝土轴心受拉声发射Kaiser效应试验研究[J]．土木工程学报,2008,41(4):31-39．

[4]Su H Z, Tong J J, Hu J, et al． Experimental Study on AE Behavior of Hydraulic Concrete under Compression[J]． Meccanica, 2013, 48：427-439．

[5]Lu Y Y, Li Z J． Study of the Relationship between Concrete Fracture Energy and AE Signal Energy under Uniaxial Compression[J]． Journal of Materials in Civil Engineering, 2012, 24(5)：538-547．

[6]Sagar R V, Prasad B K R． A Review of Recent Developments in Parametric Based Acoustic Emission Techniques Applied to Concrete Structures[J]． Nondestructive Testing and Evaluation, 2012, 27(1)：47-68．

[7]Sagar R V, Prasad B K R． Damage Limit States of Reinforced Concrete Beams Subjected to Incremental Cyclic Loading Using Relaxation Ratio Analysis of AE Parameters[J]． Construction and Building Materials, 2012, 35：139-148．

[8]Saliba J, Loukili A, Grondin F, et al． Experimental Study of Creep-damage Coupling in Concrete by Acoustic Emission Technique[J]． Materials and Structures, 2012, 45:1389-1401．

[9]Shinomiya T, Nakanishi Y, Morishima H, et al． Damage Diagnosis Technique for Brick Structures Using Acoustic Emission[J]． Journal of Acoustic Emission, 2003, 20：145-152．

[10] Carpinteri A, Lacidogna G, Pugno N． Structural Damage Diagnosis and Life-time Assessment by Acoustic Emission Monitoring[J]． Engineering Fracture Mechanics, 2006, 74(1/2)：273-289．

[11] 藤山邦久．声发射技术的应用[M]．冯夏庭，译．北京：冶金工业出版社, 1996．

[12] Lee J, Fenves G L． Plastic-damage Model for Cyclic Loading of Concrete Structures[J]． Journal of Engineering Mechanics, 1998, 124(8)：892-900．

[13] Ohtsu M, Watanabe H． Quantitative Damage Estimation of Concrete by Acoustic Emission[J]． Construction and Building Materials, 2001, 15(5-6)：217-224．

[责任编辑周文凯]

AE-based Dynamic Damage Failure Characteristics of Concrete

under Cyclic Loading and Unloading Conditions

Peng Gang1Wang Qianfeng2Chen Denghong2Zhou Hongtao2

(1. Collaborative Innovation Center for Geo-Hazards and Eco-Environment in Three Gorges Area, Hubei province, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2. College of Civil Engineering and Architecture, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractThe concrete specimens with five different geometric sizes and different mixing proportions are uniaxially compressed under different loading rates; and then acoustic emission(AE) data are collected simultaneously. The damage mechanism and failure mechanism of concrete are studied under different loading rates on the basis of comparative analysis of the relationship between AE parameters and the stress-strain. By analyzing the stress-strain curves under different loading rates, the rate effect of damage failure characteristics is studied in the process of cyclic loading and unloading conditions. The damage characteristics of concrete are analyzed based on the damage variables which is based on AE parameters. The results show that： The peak stress and elastic modulus of concrete increase with the increase of loading rates. But the peak strain with loading rates behaves great dispersion. Before the peak stress, AE energy increases with the loading rates. The higher the loading rate is, the bigger the rise and the greater the energy releases. The concrete inside is damaged more seriously, which causes the residual energy to be insufficient to maintain the specimens to bear more cyclic loading and unloading; and finally which go directly into the stage of destruction. The times of the completion of the cyclic loading and unloading after the peak stress decreases with the increase of loading rates. The damage and failure paths of materials are different at different loading rates; but the start point of the damage and end point of the destruction are the basically same. The damage and failure paths become shorter with the increase of loading rate; and the greater the difference, the larger the difference in it. There is a strong correlation among the damage degree, damage morphology and loading rate under different stress stages of the concrete. The processes and ways of energy release of the concrete change with the increase of loading rate, which develops different damage and failure mechanisms. There is a big difference in damage and failure mechanisms under different loading rates.

Keywordsconcrete;cyclic loading and unloading;rate effect;damage mechanism;acoustic emission(AE)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11171181;51279092)

中图分类号：TU311

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2015)06-0001-09

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.001

通信作者：彭刚(1964-)，男，教授，博士，研究方向为混凝土的力学性能研究．E-mail：gpeng158@126.com

收稿日期：2015-06-10 2015-06-11