分享：钢纤维混凝土劈拉损伤裂纹扩展机制研究

混凝土作为一种由粗细骨料、水泥等组成的复合材料，具有优良的抗压性能而成为现代建筑工程中不可或缺的基础材料。然而，混凝土作为一种脆性材料，其抗拉强度通常低于抗压强度，在温度变化、外部荷载等因素作用下易产生裂缝，甚至发展成开裂、剥落等工程病害，威胁结构安全性和稳定性[1-3]。因此，混凝土在抗拉性能方面仍存在一定局限性。近年来，钢纤维混凝土（SFRC）作为一种高性能复合材料，在桥梁、隧道、水利工程建筑等领域得到广泛应用[4-6]，其优良的抗裂性、韧性和耐久性在抵御裂缝扩展和结构破坏方面具有显著优势[7-9]。其中，劈裂抗拉强度作为衡量钢纤维混凝土抗拉性能的重要指标，是评价其抗裂性能和耐久性能的关键依据[10-11]。基于该指标，学者们开展了劈裂抗拉试验，并已取得部分成果。PENG等[12]制备不同钢纤维掺量的SFRC，通过动、静态劈裂抗拉试验，探究了动、静态荷载条件下的SFRC力学行为，结果表明SFRC在动、静态荷载下的劈裂抗拉强度随钢纤维掺量的增加而增加；GAO等[13]制备再生细骨料SFRC，通过劈裂抗拉试验分析了钢纤维体积分数对再生细骨料SFRC劈裂抗拉性能的影响，结果表明其劈裂抗拉强度随钢纤维体积分数增加而增加，其单位面积上较多的钢纤维能够显著提高劈裂抗拉性能；DING等[14]通过制备不同钢纤维长度及体积分数的自密实钢纤维混凝土，开展劈裂抗拉试验，以探究钢纤维在混凝土基体中的分布与力学性能之间的关系，研究表明自密实钢纤维混凝土劈裂抗拉强度同纤维系数分布呈正相关，并提出了考虑纤维分布和体积分数影响的预测模型；何文昌等[15]通过加入不同类型钢纤维混凝土，采用劈裂抗拉试验探究其对抗拉性能改善效果的差异，研究发现端钩型钢纤维对于抗拉性能的改善效果优于波纹型钢纤维的。然而，传统试验方法虽可以直观展示钢纤维混凝土抗拉性能差异，但是其内部损伤演化及裂纹扩展机制所造成的性能差异成因，目前仍需探究。

声发射（AE）技术作为一种实时无损监测技术，能够在材料内部发生应力集中或裂纹扩展时捕捉到微弱的弹性波信号，并通过信号中携带的信息反映材料内部的损伤过程[16]。AE技术在混凝土结构破坏过程的损伤监测中应用广泛。目前，已有部分学者借助该手段在钢纤维混凝土检测领域开展了部分研究。REN等[17]分析了不同钢纤维掺量混凝土在劈裂抗拉破坏过程中的声发射特征参数变化趋势，结果表明声发射特征参数与混凝土试件内部损伤密切相关，在不同破坏阶段表现出不同的声发射信号特征；崔正龙等[18]结合AE技术探究了不同钢纤维掺量下SFRC的损伤演化规律，基于AE累计撞击数建立了混凝土损伤模型，并通过试验结果验证了其可靠性；谭哲等[19]结合AE技术探究了SFRC在直剪作用下的破坏特征，并基于声发射RA-AF（上升角-平均频率）参数采用聚类分析方法对裂纹类型进行分析，结果表明SFRC在直剪作用下剪切裂纹种类最多，拉伸裂纹较少；GAO等[20]通过三点弯曲试验，结合AE技术对缺口梁试件的弯曲损伤过程进行了分析，结果表明添加钢纤维可以有效提高缺口梁试件残余弯曲拉伸强度和弯曲韧性；杨晓华等[21]通过三点弯曲试验结合AE技术探究了不同初始缝高比SFRC对其断裂性能的影响，研究发现可根据AE能量将SFRC断裂过程划分为弹塑性阶段、裂纹稳定扩展阶段和断裂阶段，其中随着初始缝高比的增加，弹塑性阶段的持续时间逐渐减少。 

综上所述，以往SFRC在劈裂抗拉性能方面的研究主要以宏观力学性能试验为主，对其内部损伤演化及裂纹扩展机制的研究还相对较少，同时SFRC内部无序的分布特征加剧了裂纹扩展过程的无序性，使得其破坏过程更为复杂，亟需借助相关监测手段进一步阐明其内部损伤与裂纹扩展之间的关系。为揭示钢纤维混凝土劈裂抗拉破坏过程中的内部裂纹扩展机制，笔者采用劈裂抗拉试验结合AE技术的方法，对不同钢纤维体积掺量（0%，1.0%，1.5%，2.0%）下的SFRC劈裂抗拉破坏过程进行监测，得到了相关AE特征参数，并基于该参数探究了不同钢纤维体积掺量对SRFC内部损伤及裂纹扩展的影响。 

1.   试验材料和方法

1.1   试验材料

试验所选用的水泥为海螺牌P·O42.5普通硅酸盐水泥。粉煤灰选用陕西渭河电厂生产的I级粉煤灰。水泥、粉煤灰各项物理性能和主要化学成分如表1，2，3所示。 

细骨料选用细度模数为2.66的人工砂，其表观密度为2 630 kg·m−3、堆积密度为1 480 kg·m−3。粗骨料选用表观密度为2 835 kg·m−3、堆积密度为1 720 kg·m−3的人工碎石。 

钢纤维选用衡水骏晔路桥养护工程有限公司生产的铣削型钢纤维（见图1），钢纤维宽度为2.0~2.6 mm，厚度为0.4~0.8 mm，长度为38 mm。 

图  1  钢纤维实物

外加剂选用陕西沁芬建筑材料有限公司生产的专用减水剂以及江苏博特新材料股份有限公司生产的引气剂，水为西安市普通自来水。 

1.2   试件制备

该试验制备4种不同体积掺量（0%，1.0%，1.5%，2.0%）及未包含钢纤维的混凝土立方体试件，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm（长×宽×高），试验所采用的混凝土配合比如表4所示。试件制备过程如下。 

（1）将搅拌机清洗干净，采用与试验相同的配合比对搅拌机进行挂浆后倒出。 

（2）将粗细骨料、水泥加入搅拌机进行干拌，随后将外加剂加入水中搅拌均匀倒入搅拌机。 

（3）待搅拌均匀后用筛网抖动倒入钢纤维，均匀分布于搅拌机内，避免钢纤维聚股成团，影响成型质量，随后继续进行持续2 min的拌合。 

（4）拌和结束后将混凝土倒入模具中放置于振动台进行振动密实，完成钢纤维混凝土试件的浇筑。 

（5）待混凝土浇筑完成24 h后进行脱模，放置于养护箱中进行标准养护，控制养护箱温度为20±2 °C，相对湿度在95%以上。 

1.3   试验方案

根据标准GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，使用MTS 2 000 kN万能试验机进行钢纤维混凝土劈裂抗拉试验，试验最大荷载为2 000 kN，加载速率为0.05 MPa·s−1。试验加载全过程采用DS2型声发射监测系统进行混凝土内部损伤演化破坏过程中的声发射信号监测。劈裂抗拉试验现场如图2所示。当试验开始时，需确保试验加载与声发射信号监测同时开始，以记录试件加载过程中的损伤情况，确保声发射信号与加载数据的一一对应。当试件产生肉眼可见的宏观裂缝时，同时停止加载系统及声发射监测系统，试验结束。 

图  2  劈裂抗拉试验现场

2.   试验过程与分析

2.1   AE信号特征参数分析

在试件加载过程中，内部微裂纹的萌生扩展直至最终贯通形成宏观裂缝过程，往往伴随着能量释放，而声发射的参数能量及振铃计数能很好地反映这一过程的活跃程度。不同体积掺量SFRC试件中的AE能量及累计振铃计数如图3所示，可见其随着加载的进行表现出明显的规律性演化特征，不同体积掺量下SFRC加载过程中AE特征参数演化表现出明显的阶段性特征，依据AE能量及累计振铃计数可分为以下3个阶段。 

图  3  不同钢纤维体积掺量下SFRC试件的AE能量及累计振铃计数

（1）Ⅰ阶段（裂纹压实闭合阶段）。该阶段不同掺量SFRC中AE能量随时间表现出相对稀疏的分布特征，累计AE振铃计数呈显著上升趋势。该阶段试件在压实过程中内部所存在的原始缺陷如微裂纹、孔隙等被压实闭合释放能量，产生较为密集的声发射信号，声发射活动较为活跃。 

（2）Ⅱ阶段（裂纹稳定扩展阶段）。该阶段不同掺量SFRC中AE能量相较于上一阶段表现出较为密集的分布特征，累计AE振铃计数增速放缓，表现出明显的阶梯状增长特征。该阶段试件内部原始缺陷压实闭合后，内部微裂纹以原始缺陷为起点孕育、扩展出更多微裂纹，内部损伤不断发展，AE信号活跃程度虽有增加，但依旧处于较为平稳的活动阶段。 

（3）Ⅲ阶段（裂纹贯通破坏阶段）。该阶段不同掺量SFRC中AE能量分布极为密集，在图中表现出明显的重叠堆积分布特征，同时AE能量在该阶段出现了较为明显的增长。与此同时，AE累计振铃计数发生陡增，表现出近乎平行于y轴垂直上升的发展趋势。该阶段内部微裂纹完全发育，相互扩展贯通形成大尺度裂纹，试件破坏。 

2.2   裂纹扩展类型分析

SFRC混凝土试件在加载至破坏过程中主要产生两种裂纹，即拉伸裂纹与剪切裂纹。基于声发射特征参数中的上升角（RA）、平均频率（AF）能够对微裂纹扩展模式及数量进行分析，拉伸裂纹具有高RA、低AF值的特征，而剪切裂纹具有低RA值、高AF值的特征[22]。不同钢纤维体积掺量下SFRC在劈裂抗拉试验全过程中的RA-AF分布如图4所示。 

图  4  不同钢纤维体积掺量下SFRC试件的RA-AF分布示意

2.3   基于声发射b值的损伤分析

声发射b值源于地震学，在地震学中常用于描述地震频度与震级之间的关系，目前该方法已广泛应用于声发射检测的损伤分析当中[23-24]，b值通常是低幅值与高幅值事件之间的比例，可以通过b值变化反映裂纹活动情况，进而揭示试件加载破坏过程中的损伤机制，当b值逐渐减小，通常代表损伤加速，可能会出现更严重的破坏。b值越大且波动不大，说明出现的损伤较小且较为稳定[25]，其计算公式为 

式中：N为高于某幅值AdB的事件数量；AdB为某一声发射事件的幅值；a为通过试验数据拟合所得到的参数；b值为拟合直线的斜率。 

不同钢纤维体积掺量下SFRC的b值变化曲线如图5所示。由图5可以看出，不同钢纤维体积掺量SFRC在加载的过程中，随着荷载的增大，损伤加大，b值整体上都呈下降的趋势。在加载Ⅰ阶段，声发射信号较少，b值上下轻微的浮动，相对稳定且保持较高值，该阶段试件内部主要以压实过程中的微裂纹及原始缺陷为主。在加载Ⅱ阶段，普通混凝土的声发射信号逐渐活跃，混凝土进一步被压实，此时混凝土内部以微小的脆性破坏为主，b值整体呈下降趋势，试件表面出现裂缝；但钢钎维混凝土声发射信号明显活跃，此时钢钎维与混凝土之间发生了黏结破坏，钢钎维掺量越多，b值出现的波动越稳定且处于较高值，并没有下降趋势，因为钢纤维抑制了更大尺度的裂纹扩展，提升了混凝土的延性。在加载Ⅲ阶段，b值整体均急剧下降，此时钢钎维与混凝土之间的黏接作用已经失效，试件发生劈拉破坏，出现宏观裂缝。 

图  5  不同钢纤维体积掺量下SFRC试件的b值变化曲线

3.   结论

通过劈裂抗拉试验，借助声发射技术探究了不同钢纤维体积掺量下SFRC的声发射演化特征，主要得出了以下结论。 

（1）通过AE能量及累计振铃计数可将SFRC劈裂抗拉破坏过程分为以下3个阶段：裂纹压实闭合阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹贯通破坏阶段。随着钢纤维体积掺量的不断增加，混凝土的抗裂性和稳定性显著增强，且破坏模式趋于更均匀和平缓，但破坏阶段的持续时间相应缩短。 

（2）RA值和AF值可用于分析钢纤维混凝土的劈裂破坏模式，随着钢钎维掺量的增加，拉伸裂纹的比例减少，剪切裂纹比例逐渐增加，而SFRC劈裂抗拉破坏过程中的破坏模式为以拉伸裂纹为主导，剪切裂纹并存。 

（3）b值演化规律揭示了材料在不同加载阶段的损伤行为。随着钢纤维掺量的增加，裂纹的形成和扩展受到显著抑制，在加载初中期，声发射信号明显活跃，b值处于较高水平，在加载后期，钢钎维与混凝土之间的黏接作用已经失效，b值出现急剧下降，说明劈拉破坏即将来临。试验数据表明，当钢纤维掺量从0%增加到2%时，b值在加载后期的下降幅度从45%减小到28%，验证了钢纤维对裂纹扩展的抑制作用。 

文章来源——材料与测试网