结构因素对碾压混凝土声发射特征的影响研究

靳 璐

(新疆水利水电勘测设计研究院 检测试验研究中心，乌鲁木齐 830000)

1 研究背景

混凝土是世界上运用最为普遍的水工建筑材料，广泛应用于各种水利工程。其中，碾压混凝土属于超干硬性、零坍落度混凝土，具有施工方便、成本低、安全以及对环境影响小等诸多优势，在上世纪80年代以来，被广泛应用于大坝建设。由于碾压混凝土是由水泥、骨料以及外加剂材料按照一定比例组成的非均质材料，在施工过程中受到碾压夯实等因素的影响，其内部存在许多细小的裂缝和孔洞[1]。在冻融、振动等外部荷载的作用下，这些内部缺陷会逐渐发展，进而对大坝等水工结构的安全性造成不可预估的影响[2]。

声发射技术是试验应力分析的重要工具，可以用来检测各种材料与结构内部的裂纹以及研究腐蚀断裂过程，从而评价构件的完整性，判断结构的危险程度[3]。声发射技术在混凝土材料领域的研究和应用相对较晚，但是具有极为广阔的应用发展空间[4]。基于此，本文通过室内试验的方式，对不同结构特点的碾压混凝土发声特征进行研究，为声发射技术在碾压混凝土质量评价领域的应用提供支持和借鉴。

2 试验设计

2.1 试验材料

在碾压混凝土中适宜采用水化热较低、活性较高的水泥，其主要技术指标应该符合国家的相关标准[5]。此次研究中选用的是大连市水泥厂生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥；为实现碾压混凝土的连续施工要求，需要在拌和料中掺入一定量的粉煤灰，以减少施工过程中水化热的释放，同时有效改善混凝土材料的施工性能。试验中选择的是大连华能热电厂生产的国家Ⅱ级粉煤灰，其烧失量不大于8%，蓄水比不大于105%，相关指标满足国家要求。试验中使用的细骨料为普通天然河沙，其细度模数在2.60～2.80之间，粗骨料为人工碳酸岩碎石，相关指标满足要求；试验用外加剂为大连建筑科学院研制的DK-5型低引气高效复合减水剂，可以有效减水15%～18%，同时还具有一定的超塑化性能，可以显著改善碾压混凝土的和易性；试验中使用EPS颗粒调整混凝土的孔隙率，其表观密度为20 kg/m3；试验用水为普通自来水。

2.2 配合比设计

试验中以《水工碾压混凝土试验规程》(SL 48-1994)中的相关规定为依据，同时参照碾压混凝土大坝施工的工程经验，设计碾压混凝土的配合比。其中，水泥用量为91 kg/m3，粉煤灰用量为91 kg/m3，用水量为91 kg/m3，水胶比为0.5，用砂量为700 kg/m3、骨料为1 398 kg/m3，外加剂掺量为0.75%。

2.3 试件的制作

根据研究的需要，试件制作过程中选择150 mm×150 mm×150 mm和200 mm×200 mm×200 mm等两种不同的模具尺寸。碾压混凝土材料使用HJL60型强制搅拌机搅拌成型，装模后利用ZW-5型平板振揭器浅筑碾压振实。由于试件在制作和养护过程中会不可避免的产生一些损伤，为了最大限度减少这些客观因素的影响，试件制作必须要严格按照《水工混凝土试验规程》(SL 352-2006)的要求开展。碾压混凝土的拌制需要在室内进行，环境温度控制在15℃～25℃之间[6]。在拌制过程中，首先加入水泥和粉煤灰，搅拌2 min，然后加入粗骨料和细骨料再搅拌2 min，最后加入减水剂、EPS颗粒和水搅拌5 min完成。在试件装模之前，首先需要将模具内部擦拭干净，并均匀涂刷一层有机脱模剂，然后将模具放在振捣台的工作面上，并将拌制好的碾压混凝土装入模具，在其表面放置压重块并振捣成型，再用灰刀将表面抹平。在试件成型之后，静置48 h脱模，然后转入标准养护室养护至规定龄期。在试件的养护过程中，需要对室内湿度进行严格控制，保证混凝土中的水泥和粉煤灰能够充分反应[7]。

由于碾压混凝土结构中的孔隙分布是复杂的，因此没有一种检测技术可以对碾压混凝土内部的孔隙结构进行科学有效的描述。因此，在研究孔隙率对混凝土力学性能影响时，一般采用引气剂和颗粒预制的方式。结合此次研究的实际需要和两种方法的特点，此次研究选择颗粒预制的方式来定量预制孔隙。

2.4 试验方法

试验中使用一台DS2-8B 型声发射信号分析仪和一台GF3000万能伺服试验机。该型号的分析仪可以支持8通道信号检测，由于试件的尺寸较小，因此试验中选择4个传感器，并将其交叉布置于试件的左右两侧。在传感器安装之前，先将试件表面的擦拭干净，然后利用铅笔在试件表面标定具体的位置，再用硅脂将传感器探头黏结在试件表面的预设位置[8]。

声发射试验和抗压试验同步进行。在试验开始之前，通过人为敲击的方式检查仪器是否完好连接；在试验开始之后，应尽量保持试验环境的安静，避免噪声对试验结果的影响；在试验结束之后，应该迅速暂停仪器并保存好相应的试验数据。在试验中要多次试验，每组试件获得9组数据，并以各组数据的均值作为试验结果。

3 试验结果与分析

3.1 孔隙率

试验中，对0%、2%、4%和6%等4种不同预设孔隙率，尺寸均为150 mm×150 mm×150 mm的试件进行声发射试验。根据试验结果，绘制声发射撞击次数及应力随时间的变化曲线，结果见图1。由图1可知，随着碾压混凝土内部孔隙含量的增大，试件本身的均质性和密实度会有十分明显的降低，主要表现为试件从受力到发生破坏的时间明显变短，同时整个过程中有大量的声发射信号产生。具体来看，在加载初期，荷载水平相对较低，并不足以造成内部裂缝的明显扩展，因此内部孔隙结构是产生声发射信号的主要原因。随着碾压混凝土内部孔隙率的增大，其在低应力水平下的声发射撞击次数明显增加，声发射事件的概率也随之增大。此外，随着内部孔隙率的增大，声发射特征各个阶段的划分特征日渐模糊，初始阶段明显延长，在孔隙率为6%的情况下，初始阶段的持续时间几乎占到破坏过程时长的2/3左右，虽然稳定段撞击次数明显增多，峰值特征日渐模糊。这说明在孔隙率增加的情况下，碾压混凝土内部损伤的演化更为激烈。

图1 不同孔隙率声发射撞击次数及应力随时间的变化曲线

3.2 龄 期

试验中对7、14、28和60 d等4种不同龄期，孔隙率和尺寸均为2%以及150 mm×150 mm×150 mm的试件进行声发射试验。根据试验结果，绘制声发射撞击次数及应力随时间的变化曲线，结果见图2。由图2可知，龄期对声发射信号的特征也存在比较明显的影响。试件的养护龄期越短，其声发射的活动性就越高。究其原因，主要是龄期较短情况下混凝土内部的水化反应并不充分，骨料本身难以充分发挥骨架的功能，其受压破坏主要产生在界面过渡区，因此信号的三阶段特征并不明显。28 d龄期和60 d龄期的声发射特征比较相似，同时也表现出比较显著的三阶段特点，且声发射撞击数的突变次数明显偏少，稳定段持续时间明显增长，这说明此时的水化反应比较充分，试件的密度较大，也基本稳定。

图2 不同龄期声发射撞击次数及应力随时间的变化曲线

3.3 试件尺寸

试验中对150 mm×150 mm×150 mm 和200 mm×200 mm×200 mm等两种不同的试件尺寸以及孔隙率和龄期均为2%和28 d的试件进行声发射试验。根据试验结果，绘制声发射撞击次数及应力随时间的变化曲线，结果见图3。由图3可知，试件的尺寸也是影响碾压混凝土声发射特征的重要因素。一般来说，如果试件的尺寸较小，其声发射活动性会明显偏高。究其原因，主要是小试件在试验过程中的大部分声发射信号会以表面波的形式向传感器传递，其衰减会明显小于试件内部发出的纵波，因而在试验过程中可以接收到更多表示原始振幅的事件。此外，在低应力水平下，声发射事件会随着试件尺寸的增大而减少。究其原因，主要是小试件的局部峰值应力分布范围明显偏小，因而造成表面的裂纹较多，出现的时间更早；大试件的局部峰值应力分布范围较大，因此在低应力水平下仅会出现少量的裂纹。

图3 不同尺寸试件声发射撞击次数及应力随时间的变化曲线

4 结 语

本文通过室内试验的方式，探讨了结构因素对碾压混凝土声发射特征的影响，主要结论如下：

1) 碾压混凝土声发射特点与孔隙率之间存在密切关系。随着碾压混凝土内部孔隙率的增大，其内部损伤的演化愈加剧烈，低应力下的声发射事件发生概率明显增大。

2) 养护龄期也是碾压混凝土声发射特征的重要影响因素。养护龄期越短，其声发射活动性越高。

3) 碾压混凝土声发射特征也存比较显著的尺寸效应。试件的尺寸越小，试件的声发射活动性越高。