SAP内养护混凝土断裂过程声发射特性.pdf

第 42 卷 第 7 期2023 年 7 月硅 酸 盐 通 报BULLETINOFTHECHINESECERAMICSOCIETYVol.42 No.7July,2023SAP 内养护混凝土断裂过程声发射特性金子恒,谢发祥,蔡定鹏,韩 旭,掌 昀(河海大学土木与交通学院,南京 210098)摘要:基于三点弯曲试验,研究了高吸水性树脂(SAP)混凝土缺口梁在不同加载速率下的损伤特性。采用声发射(AE)技术监测断裂损伤过程,通过荷载-裂缝张开口位移(P-CMOD)曲线计算峰值能量和累积能量的变化,采用RA-AF 关联分析法对缺口梁损伤时释放的 AE 信号进行了损伤模式分析。试验结果表明:随着加载速率的增加,SAP 混凝土强度增加,拉伸型裂缝的比例显著降低;而随着 SAP 含量的提升,相同加载速率下 SAP 混凝土的强度降低,拉伸型裂缝的比例呈先增加后降低的趋势,适当的 SAP 可以增加拉伸型裂缝的比例。研究结果可为 SAP 混凝土在工程中的实际应用提供参考。关键词:高吸水性树脂;混凝土;内养护;三点弯曲试验;声发射;损伤演化中图分类号:TU528.1文献标志码:A文章编号:1001-1625(2023)07-2419-10Acoustic Emission Properties of Fracture Process of Internally CuredConcrete with Super Absorbent PolymerJIN Ziheng,XIE Faxiang,CAI Dingpeng,HAN Xu,ZHANG Yun(College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)Abstract:Based on three-point bending test,the damage characteristics of notched beams of super absorbent polymer(SAP)concrete were researched at various loading rates.The fracture damage process was monitored by employing theacoustic emission(AE)technique.Variation of peak energy and cumulative energy were calculated by using the load-crackmouth opening displacement(P-CMOD)curves,and the damage mode of AE signals released during the damage ofnotched beams was analyzed by RA-AF correlation analysis.The results indicates that the strength of SAP concreteincreases and the proportion of tensile-type fractures significantly decreases with the increase of loading rate.With theincrease of SAP content,the strength of SAP concrete decreases at an equivalent loading rate,and the proportion of tensile-type cracks increases first and then decreases.Appropriate SAP can increase the proportion of tensile-type cracks.Theresearch results can provide reference for the practical application of SAP concrete in engineering.Key words:super absorbent polymer;concrete;internal curing;three-point bending test;acoustic emission;damageevolution收稿日期:2023-03-31;修订日期:2023-05-02基金项目:国家自然科学基金面上项目(51979090)作者简介:金子恒(1999),男,硕士研究生。主要从事新型混凝土材料力学性能的研究。E-mail:1651234439 通信作者:谢发祥,博士,副教授。E-mail:xiefaxiang 0 引 言混凝土材料因具有承载能力强、施工成本低和耐久性好等诸多优点,在现代土木工程结构中得到了广泛应用。然而大量的工程实践表明,混凝土结构在服役过程中出现的自收缩会导致结构产生裂缝1-3,严重影响结构的承载能力和使用寿命4-5。因此,需要对混凝土进行定期养护以防止其收缩开裂。目前,混凝土养护方法主要分为外部养护和内部养护,传统的养护方法难以对结构内部进行充分养护,尤其对致密性较强的高性能混凝土,因此,在混凝土内部引入养护水分是有效改善混凝土抗裂性能、抑制结构收缩开裂的重要方法6-8。Jensen 等9-10研究表明,利用高吸水性树脂(super absorbent polymer,SAP)能够显著提高混凝土的内2420水泥混凝土硅 酸 盐 通 报 第 42 卷部养护效率,SAP 是一种理想的内养护材料11-12,能够在混凝土结构干燥时逐渐释放吸收的水分,进而对其结构内部进行有效养护。混凝土结构在服役中受到风荷载、地震荷载和车辆荷载等动荷载的作用,而混凝土强度具有应变率敏感性13-14。因此,研究应变率对 SAP 混凝土断裂性能的影响可以全面了解 SAP 混凝土的动态力学性能,具有实际工程意义。目前,很多国内外学者已经开展了 SAP 对混凝土断裂性能影响的研究。张志强15通过四点弯曲试验发现,随着 SAP 掺量的提升,混凝土的抗折强度和弹性模量随之降低,其自收缩、干缩、塑性开裂性能呈减小趋势。Yao 等16研究了工程水泥基复合材料(engineered cementitious composites,ECC)的性能,发现 SAP 可以很好地改善最大拉伸应变和弯曲挠度,抑制 ECC 试样的干燥收缩。杨景玉等17通过对路面混凝土的三点弯曲断裂试验研究发现,掺入 SAP 可以推迟开裂荷载的出现时间,并显著降低混凝土断裂失稳后的劣化速率。Yang 等18发现 SAP 内养护可以降低路面混凝土的收缩应变,延缓起裂时间并改善其断裂性能。Lyu 等19通过三点断裂试验研究了 SAP 混凝土的抗裂性,结果表明 SAP 可以推迟混凝土起裂时间,并提高其断裂性能。但是在现有的研究中,鲜有通过声发射(acoustic emission,AE)技术研究 SAP 内养护混凝土动态断裂性能的报道,且缺乏应变率变化对内养护混凝土损伤模式影响的研究。基于此,本文开展了三点弯曲状态下内养护混凝土断裂过程的 AE 试验,研究了 SAP 混凝土在不同加载速率下的断裂性能及 AE 特性,分析了不同加载速率下 SAP 混凝土的损伤特征变化规律,为 SAP 混凝土的后续工程应用和损伤检测等领域提供参考。1 实 验1.1 原材料及配合比混凝土强度等级设计为 C40。水泥采用海螺牌 PO 42.5 级硅酸盐水泥,细集料采用天然河砂,粗骨料采用15,20 mm 的玄武岩碎石,内养护材料采用江苏省宜兴市可信化工有限公司生产的 SAP 颗粒,其性能参数如表 1 所示。表 1 SAP 的物理力学性能Table 1 Physical and mechanical properties of SAPPropertyDiameter/mDensity/(kgm-3)Water absorption(pure water)/%Water absorption(9%NaCl)/%1 min water absorptionratio/(gg-1)pH valueMoisturecontent/%Value60 100700350452306 77SAP 的最佳内养护引水量可根据 Powers 模型20-21确定,计算式如式(1)所示。Wic=0.18W/Cfor W/C0.360.42-W/Cfor 0.36W/C0.42(1)式中:Wic为内养护水灰比(表征 SAP 在混凝土颗粒中的含量),W/C 为水灰比。根据式(1),得到不同 SAP 含量混凝土梁试件的配合比,结果如表 2 所示。试件编号表示为SAP-a%-b/(c s-1),其中,a%表示内养护水灰比 Wic,b 表示试件加载速率,c 表示试件应变率。表 2 不同 SAP 含量混凝土梁试件的配合比Table 2 Mix proportion of cement beam specimens with different SAP contentSampleW/CMix proportion/(kgm-3)CementWaterSandCoarse aggregateSAPInternal curing waterSAP-0%0.3234801556401 16000SAP-6%0.3234801556401 1601.11627.9SAP-12%0.3234801556401 1602.23255.8SAP-17%0.3234801556401 1603.34883.7SAP-23%0.3234801556401 1604.464111.61.2 试验方案SAP 混凝土梁试件的加载示意图如图 1 所示。由图 1(a)可知,梁底部支座间的跨径为 300 mm,试件外第 7 期金子恒等:SAP 内养护混凝土断裂过程声发射特性2421侧离支座的距离为 50 mm,初始切口长度 a0为 30 mm,AE 的 6 个传感器分别布置在试件的前后和顶部,具体位置如图 1(b)所示。在预制缺口处上方 5 mm 左右的位置粘贴应变片来获得起裂荷载值,在预制缺口的下方粘贴薄钢片来测量荷载下的位移值。图 1 SAP 混凝土梁试件的加载示意图(单位:mm)Fig.1 Schematic diagram of SAP cement beam specimens(unit:mm)试验前,用砂纸打磨试件粘贴区域的表面,再用环氧树脂胶将应变片粘贴至试件上,待胶水充分固化后方可进行试验。把试件放在支座上后,将 AE 传感器紧贴在试件的表面,为了使试件表面与传感器完全接触,在传感器上涂抹少许凡士林,以更好地接收到试件内部的声信号。固定好传感器再连接应变片和应变采集仪后即可开始试验。加载压头与试件轻微接触后试验开始,仪器以裂缝张开口位移(crack mouth openingdisplacement,CMOD)为控制指标,按照既定的加载速率(0.000 5、0.005 和 0.05 mm/s,分别对应 5 10-6、5 10-5、5 10-4s-1的应变率)进行加载。与此同时,AE 采集系统与动态应变仪同步开始采集数据,当加载力低至峰值荷载的 5%左右时即可停止试验,此时试件几乎完全丧失承载能力,接近破坏状态。2 结果与讨论2.1 荷载-裂缝张开口位移曲线试验得到的部分荷载-裂缝张开口位移(P-CMOD)曲线如图 2 所示。由图 2(a)可知,随着 SAP 含量增加,峰值载荷逐渐降低,这是由于 SAP 的加入伴随着内养护水增多,混凝土总水灰比增加,强度逐渐下降。此外,峰值载荷越大,软化阶段荷载的减小速率越陡,这与文献22-23结果相似。图 2(b)为不同加载速率下的 P-CMOD 曲线。由图 2(b)可知,峰值荷载随加载速率的增加而增