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技术与应用

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砼受压全过程损伤的实验研究

发布日期:2013-05-29 08:50    浏览次数:

摘要 本文利用MTS公司815.02型电液伺服实验系统对砼进行了等应变速率的单调和特环往复受压试验,测定了砼单调受压全过程的声发射特性和反复受压时砼弹性模量的变化。经研究发现与声发射相应的损伤能相对比和弹性模量的衰减比均可以表征砼的损伤发展程度,且具有较好的一致性;文中还根据试验结果,给出了所定义损伤随应变变化的关系表达式。
关键词 砼,损伤,声发射,模量衰减
1 引言
砼是应用很广的工程材料之一,文献的研究均已表明:由于成型工艺、养护条件等因素影响,即使在加载以前,砼口已存在许多微缺陷、微裂隙;随着外载荷的增加,这些微缺陷不断发展演化,也即损伤愈来愈严重。直至这些微裂隙相互贯通,最后形成宏观裂缝而导致砼试件整体破坏。
七十年代末,在Kachanov和Rabotnov所建立的理论基础上,并由Lemaitre和Chaboche等人从不可逆热力学原理出发加以证明,从而建立了损伤力学这门新兴学科,并得到了迅速发展。于是从八十年代初期,许多学者先后提出了多种关于砼的损伤力学模型,因为损伤力学描述的正是微裂缝成形、扩展直至形成宏观裂缝的过程,尤其适合描述砼材料的劣化性质。
从现有的各种砼损伤力学模型不难发现:关于损伤变量的定义各种各样,其损伤演化方程也多根据经验加以确定,有的从宏观出发,有的基于微细观观点,致使所建模型与实际有较大的出入。为此,本文拟就砼的损伤演化规律,利用实验方法加以测定。
2 砼单调受压全过程声发射特性的研究
砼是一种多相复合材料,由于各种原因,成型后即在骨粒与砂浆表面存在许多界面裂缝,这是砼内部的薄弱部分,随着外载荷的增加,在这些微裂缝的尖端形成应力集中,使这些微裂缝沿骨料界面进一步扩展,并逐渐向砂浆内部发展。在这些微裂缝不断发展变化的同时,产生一种弹性波而向周围辐射,这种现象就是声发射现象。
与岩石等材料相比,砼在声发射特性研究方面的工作进行得相对很少,特别是相应于砼应力一应变全过程曲线的声发射特性。除了因为砼材料自身组成较为复杂外,也与加载测试等试验条件有关。表明:试件形状、变形速度、温度、受载历史及加载方式等均对声发射产生较大的影响。应力控制和应变控制试验所得的声发射特性不同;应力控制试验中,接近破坏时应变速率逐渐增大,故声发射率会急剧升高。因此提出:声发射试验以应变控制方式最为合适;此外,试验机刚度也影响砼声发射的试验结果,选用刚性试验机较好。
在我们的试验中,试件是依据砼新的试验方法标准,并参照ASTM材料试验规程来制作的。本文选用了直径55×110mm的圆柱形砼试件,制作试件所用的配合比为:水:水泥:碎石=1:2.05:3.24:6,所用水泥为徐州产425#硅酸盐水泥,砂为中砂,碎石最大粒径为10mm,振动台振捣密实,24小时后从塑料模中脱出,标准养护室养护28天后用岩石切割机锯成所需的尺寸,并对其平行度和垂直度进行加工,使其满足ASTM试验规程的要求,尔后进行试验。
本次试验所用加载设备为美国MTS公司815.02型电液伺服试验系统,其机架刚度为10.5×10 9(次方)N/m。加载制度以等应变速率方式进行试验,分别选用了20-100×10(-6次方)1/s四种应变率,测试了它们的声发射特性及与之相应的应力——应变全过程曲线。应力——应变全曲线数据由与电液侗服系统配套的PDP计算机自动采集,声发射信号由沈阳电子研究所生产的AE-400B型声发射仪检测,并由与之配套的微机与PDP计算机同步记录。图1为应变与时间的关系曲线,由图可知整个加载过程中基本为等应变速率,即应变与时间为线性关系。

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由图1已知应变与时间基本为线性关系,故可以将能量率对时间的关系转换成能量率——应变的关系,许多文献也称其为“本构声发射”特性。图2即为转换后的砼本构声发射特性与相应应力——应变全曲线关系的两种典型结果。

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由图2可以看出,本构声发射特性基本可以分为两种情总,即:
(1)当应变较小即砼试件刚受力时便出现声发射信号,此阶段相应于砼的初始压密阶段,砼内部原有的微孔隙微缺陷在外载作用下逐步被压实,使其内部微结构发生变化;尔后进入一平稳阶段,没有声发射信号出现。当载荷接近80%极限载荷时,声发射信号的强度和密度不断增加,峰值载荷时尤基,说明此时砼内部的裂缝已由骨料与砂浆间的界面裂缝发展至砂浆内部,且由稳定发展状态过渡到非稳定发展阶段。峰值后应力——应变曲线的下降段的声发射信号民较峰值处的密度稍稀疏一些,但仍有相当的强度,直到残余强度阶段,此时已形成的裂缝相互作用并彼此连通,形成贯通裂缝并导致试件破坏。
(2)当砼试件刚受力时,没有声发射信号产生或者极少。当应力超过极限强度的80%以上时,声发射信号急剧增加,峰值稍后一点强度和密度最为强烈,之后便与(1)情况相同。

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文献(2)表明:能量率大小反映了声发射源释放能量的强烈程度。图2是经转换后的能量率——应变的声发射特性,这里已将时间用应变来替换,因为在研究砼的本松性质时,关心的是应变而不是时间(这里研究伯是与时间无关的工况)。根据本次试验的测试结果,图3给出了能量相对于应变的关系。为方便,图中对损伤能进行了无量纲处理,将每个测点损伤能均除以最大损伤能,该最大损伤能由应力——应变曲线的残余强度决定。因为损伤能是在砼内部微裂缝开展时释放出来的弹性波的能量度量,故损伤能的大小可以用来表征砼内部微裂缝的开展,上述无量纲处理后的损伤能比值可作为衡量损伤发展程度的度量,应具有与损伤因子相同的意义。这在文献(3)已从实验上予以证明。图3即为这种损伤能比值随应变的变
化关系。由图3可以发现:不管试件的声发射特性情况属于哪种情况,其损伤能比值随应变增加的变化规律基本相同,且均呈非线性增长趋势,可以归并为一种情况加以研究。由图知,这些曲线前期增长较慢,当应变小于某个数值时,拐伤能比值为0;随后增长速度不断加快;当应变接近残余阶段时,增长趋势再次减缓,并逐渐趋于(1-ar),此处ar为残余强度与峰
值强度之比。
经对我们进行的10个试件的测定结果回归,得损伤能比值与应变间的关系式为:

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式中W1为损伤能比值,e为应变,单位为ue,y相当于损伤阈值,一般为弹性极限应变。
3 弹性模量衰减试验
文献(3,9)等均已表明:随着砼变形的增加,砼的模量在不断衰减。众多学者也认为这种模量的衰减可以表征砼损伤的发展程度,但在国内外已完成的大量特环反复加卸试验中,尚无人给出这种模量衰减的量化测试结果。
本文利用与上节完全相同的试验设备及试件,进行了四种不同的反复加卸载试验,试验过程中加卸载应变速率相同。图4给出了每种加载制度的典型应力一应变曲线,每条曲线所采集的测试数据在600-900个之间。

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从图中可以看出:当砼卸载后再加载,直至公共点以前,基本为线性的,说明原已形成的裂缝在卸载时闭合,未达到历史上的最大应变以前不重新发展,即在卸载和再加载至最大应变以前不产生新的损伤;而过了公共点以后,应力——应变曲线刚度急剧降低,表明此时原有裂缝进一步发展,即产生新的损伤。本文研究了两种模量的变化情况,即公共点切线模量随应变的变化关系,为方便,每点的模量均除以各自的初始模量。从图中不难发现:尽管加载工况不同,但两种模量的变化趋势是相同的。文献(3)表明:损伤发展与加载过程中达到过的最大应变有关,与加载工况关系不大。虽然各种工况之间存在一定的离散性,但用统计方法加以研究,完全可以满足工程要求。从图可知:加载初期,模量变化比较小,这主要是由
于骨料与砂浆间界面裂缝发展造成的;随着应变增加,模量衰减速度加快,表明此时砼内部已经展的内料砂浆界面裂缝开始向砂浆中扩展,并逐渐变成非稳定扩展;当接近残余强度阶段时,衰减趋势又趋平缓,因为此时砂浆中的裂缝已相互贯通形成宏观裂缝,将试件分为许多群柱,表明试件已破坏。

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经对每种工况5个试件共20个试件的测试结果回归,得公共点刚度比值y2和加卸载割线刚度比值y3与应变的变化关系:

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式中e为应变,单位ue;y相当于阈值,与式(1)相同。
图7和图8为公式(2)和(3)中y2、y3与试验数值的比较,说明吻合较好。

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4 结束语
本文根据在MTS815.02型电液伺服系统上进行的循环加卸试验与声发射试验结果,研究了损伤能比值w1及模量衰减比y2和y3与应变间的量化关系。比较(1-y2)、(1-y3)和W1的表达式可以发现它们具有很好的一致性,而y2、y3是根据模量衰减结果得到的,W1则是根据声发射特性推出的,回顾图2的声发射特性,显然(1-y2)、(1-y3)和W1均可以表损伤发展的程度,这与(3)的结论是一致的,但(3)中没有定量结果;如何将它们应用到研究砼的本构关系中,限于篇幅,我们将在其它文章中介绍。