基于聲發(fā)射的低溫海水腐蝕混凝土損傷研究

1、2011年第1期（總第255期）Number1in2011（TotalNo.255）混凝Concrete土理論研究THEORETICALRESEARCHdoi：10.3969/j.issn.1002-3550.2011.01.005基于聲發(fā)射的低溫海水腐蝕混凝土損傷研究張力偉，趙穎華，范穎芳（大連海事大學(xué)道路與橋梁工程研究所，遼寧大連116026）摘要：為研究低溫和海水共同作用下混凝土的腐蝕弱化機(jī)理及損傷特征，對10組不同腐蝕周期的棱柱體試件進(jìn)行了單軸抗壓聲發(fā)射試驗(yàn)，采用抗壓強(qiáng)度fc、靜力彈性模量E0、峰值應(yīng)力割線模量EP、聲發(fā)射撞擊數(shù)及聲發(fā)射能量作為評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析。結(jié)果顯示：隨著腐蝕周期增

2、加，抗壓強(qiáng)度和聲發(fā)射能量呈線性衰減，峰值應(yīng)力割線模量和聲發(fā)射撞擊呈非線性衰減，且力學(xué)指標(biāo)與聲發(fā)射指標(biāo)具有較好的相關(guān)性。利用聲發(fā)射能量來定義損傷因子能很好反映混凝土在受力過程中的損傷變化規(guī)律。關(guān)鍵詞：混凝土；低溫；腐蝕；聲發(fā)射；損傷中圖分類號：TU528.01文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1002-3550（2011）01-0016-04AEbasedstudyondamageregulationofconcreteinfluencedbyseawaterandlowtemperatureZHANGLi-wei，ZHAOYing-hua，F(xiàn)ANYing-fang（InstituteofRoadandB

3、ridgeEngineering，DalianMaritimeUniversity，Dalian116026，China）Abstract:Inordertoinvestigatethecorrosionmechanismanddeteriorationregulationofconcretecorrodedbyseawaterandlowtemperature，uniaxialcompressionacousticemissiontestswerecarriedoutontengroupsofprismoidalconcretespecimensfordifferentcorrosionti

4、me，andan-staticelasticmodule，peakstresssecantmodule，AEhitsandAEenergyasevaluatingindicator.Theresultsalyzedtakingthecompressionstrength，thecompressionstrengthandAEenergydecreaselinearly，peakstresssecantmoduleandAEhitsde-showthatwiththecorrosiontimeincreasing，creasenonlinearly，whilethestaticelasticmo

5、dulehavenonotablechangingregulation.ThedeteriorationrateofmechanicsindicatorsandthatofAEindicatorshavewelllinearrelativity.DamagevariablebasedonAEenergycanwellreflecttheconcretedamagedevelopingregulationduringloadingprocess.Keywords:lowtemperature；corrosion；acousticemission（AE）；damageconcrete；0引言在我國

6、，大規(guī)模的基礎(chǔ)建設(shè)集中于東部沿海地區(qū)，混凝土結(jié)構(gòu)遭受海水腐蝕已成為一個(gè)十分普遍的現(xiàn)象，不少海港碼頭、石油鉆井平臺及跨海大橋等混凝土結(jié)構(gòu)物投入使用僅僅數(shù)年就會(huì)出現(xiàn)明顯的混凝土開裂和剝落。海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕破壞一方面是由鋼筋的銹蝕膨脹引起的，另一方面也與混凝土材料本身的劣化有關(guān)，從目前的研究現(xiàn)狀來看，關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕及性能退化的研究已比較深入1-4，而對混凝土材料本身受海水腐蝕的研究則相對落后。凍害是當(dāng)今世界范圍內(nèi)混凝土破壞的又一大因素，僅次于鋼筋銹蝕5。在2001年“土建結(jié)構(gòu)工程的安全性與耐久性”工程科技論壇上，有關(guān)專家曾指出引起我國北方地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要因素就是凍害。在我國

7、黃渤海地區(qū)冬季氣溫可達(dá)-20左右，混凝土受到海水和冰凍的雙重影響，加劇了混凝土本身性能的劣化，縮短了結(jié)構(gòu)使用年限。因此，開展低溫環(huán)境下海水腐蝕混凝土的試驗(yàn)研究十分必要。目前，關(guān)于這方面的研究主要是借助快速凍融循環(huán)法進(jìn)行的6-8，這與工程中實(shí)際環(huán)境條件存在較大差異。為使試驗(yàn)結(jié)果更接近真實(shí)情況，本試驗(yàn)主要研究在模擬真實(shí)持續(xù)低溫環(huán)境下受海水侵蝕混凝土的單軸抗壓力學(xué)收稿日期：2010-08-08基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金委青年基金（50708010）性能退化規(guī)律，借助于聲發(fā)射參量來探討復(fù)合因素作用下混凝土的腐蝕弱化機(jī)理及損傷規(guī)律。1試驗(yàn)介紹1.1試驗(yàn)材料本試驗(yàn)采用試件為150mm×150mm

8、×300mm的棱柱體抗壓試件。為減小混凝土澆筑過程中所致的離散性，本次試驗(yàn)混凝土試件采用C30預(yù)拌混凝土。混凝土出廠時(shí)坍落度為180mm，水泥為小野田生產(chǎn)的P·O42.5R級水泥，砂子為大沙河中砂，石子為525mm青碎石，其具體的配合比如表1所示。表1水泥283砂784碎石1039混凝土配合比設(shè)計(jì)水187砂率RW-1型緩凝高效粉煤灰/kg/m3）（/kg/m3）減水劑（6.57543（/kg/m3）（/kg/m3）（/kg/m3）（/kg/m3）/%1.2試驗(yàn)方法根據(jù)大連氣象站資料，大連地區(qū)冬季的最低氣溫可達(dá)-20左右，1970年1月4日為大連歷史上的最低溫度，該天的溫度變

9、化趨勢如圖1所示，本試驗(yàn)所對混凝土試件進(jìn)行的侵蝕時(shí)間均為該日（24h）的不同循環(huán)天數(shù)。本次試驗(yàn)制作了60個(gè)棱柱體試件，共分為10組，常溫下1組，·16·圖3圖1試驗(yàn)控制溫度E0與腐蝕周期的關(guān)系其余9組進(jìn)行低溫腐蝕試驗(yàn)，腐蝕周期依次為1、2、4、5、6、7、9、11、12d。試件澆筑成型24h后脫模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d，然后從養(yǎng)護(hù)室取出放入模擬海水中浸泡。按照GBJ8285普通混凝土長期性和耐久性能試驗(yàn)方法規(guī)定，本試驗(yàn)試件浸泡6d。本試驗(yàn)?zāi)M的海水濃度為黃海水域海水主要離子濃度的5倍，具體為：SO42-為12.00g/L，Mg2+為6.750g/L，Cl-為90.000g/

10、L。浸泡完畢后將試件放入裝有海水的試件盒中，上部在空氣中，下部約100mm左右浸在海水中，然后將試件和試驗(yàn)盒一同放入EU-02KA型高低溫試驗(yàn)箱中。按照圖1的程序進(jìn)行溫度控制，達(dá)到規(guī)定試驗(yàn)時(shí)間后取出，將試件表面浮渣清理干凈，擦去表面積水，然后放采用YAW-YAW2000A型200t微機(jī)控制電液伺服壓力置5d，試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行軸心抗壓試驗(yàn)。按我國GB/T500812002普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測試軸心抗壓強(qiáng)度和靜力受壓彈性模量。試驗(yàn)連續(xù)均勻地加載，加荷速度采用應(yīng)力控制，取0.6MPa/s。聲發(fā)射采集儀為美國PAC公司生產(chǎn)的PCI-2聲發(fā)射系統(tǒng)，信號門檻設(shè)為45dB，前置放大器和主放大器

11、增益均為40dB，傳感器為DSP型混凝土專用聲發(fā)射傳感器，諧振頻率55kHz。圖4腐蝕混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系2試驗(yàn)結(jié)果分析圖2表示腐蝕后混凝土棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度與腐蝕周期的對應(yīng)關(guān)系，由圖2可以看出，低溫海水腐蝕對混凝土強(qiáng)度的影響比較明顯，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與腐蝕周期基本呈線性關(guān)系，隨著腐蝕周期的增加，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度線性遞減。圖5EP與腐蝕周期的關(guān)系快，腐蝕周期大于4d后衰減趨勢逐漸變慢。圖6是試件從初始加載到最后破壞整個(gè)過程聲發(fā)射總能量很明顯，試件破壞過程聲發(fā)射總能量數(shù)與腐蝕周期的對應(yīng)關(guān)系。這是因?yàn)檎麄€(gè)加載過程中聲發(fā)射總能據(jù)較為離散，無規(guī)律可言。量主要是由試件破壞瞬間聲發(fā)射能量決定的，如圖7

12、所示，由于極限應(yīng)力時(shí)大量粗骨料瞬間破壞產(chǎn)生較高的能量，而粗骨料本圖2fc與腐蝕周期的關(guān)系身質(zhì)地致密，受低溫腐蝕的影響較小，再加上粗骨料在試件內(nèi)分布的不規(guī)則性，導(dǎo)致了試件破壞瞬間最大釋能率存在較大離散，從而造成聲發(fā)射總能量具有較大的離散性。為排除試件破壞瞬間不穩(wěn)定因素的影響，取極限荷載95%之前的聲發(fā)射累積能量進(jìn)行分析，如圖8所示?？梢钥闯觯谠嚰_(dá)極限荷載95%之前，聲發(fā)射累積能量隨著腐蝕周期增加基本呈線性趨勢衰減。圖3表示混凝土靜力彈性模量E0隨腐蝕周期的變化規(guī)律，可以看出，隨著腐蝕周期的增加，靜力彈性模量的變化趨勢不明顯，且個(gè)別數(shù)據(jù)離散型較大。這主要是因?yàn)樵谶_(dá)到40%極限應(yīng)力之前混凝土壓縮

13、變形較小，如圖4所示。對于不同腐蝕周期的混凝土試件，早期的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線幾乎重合在一起，沒有明顯的向右偏移趨勢，因此靜力彈性模量的變化也就不明顯。加上本試驗(yàn)用于測量靜力彈性模量的裝置本身可能存在誤差，導(dǎo)致出現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)但是，在應(yīng)力加載的后期，應(yīng)力應(yīng)變曲線逐漸偏離，隨著腐的離散。蝕周期的增加，極限應(yīng)力逐漸降低的同時(shí)，峰值應(yīng)變呈逐漸增大趨勢，這說明極限應(yīng)力處的割線模量EP逐漸減小。圖5是EP隨腐蝕周期變化的關(guān)系，可以看出，隨著腐蝕周期的增加EP衰減規(guī)律與混凝土軸心抗壓強(qiáng)度線性衰減的規(guī)律略有不同，而是呈現(xiàn)出非線性遞減趨勢。當(dāng)腐蝕周期少于4d時(shí)，峰值應(yīng)力割線模量衰減較圖6聲發(fā)射總能量與腐蝕周期的關(guān)系&

14、#183;17·后期混凝土內(nèi)部的裂紋數(shù)量是隨著腐蝕周期的增加逐漸減少的；另一方面，隨著混凝土腐蝕周期的增加，混凝土內(nèi)部砂漿基體的強(qiáng)度逐漸降低，裂紋尖端所積聚的應(yīng)變能減小造成聲發(fā)射波形的幅值有所降低，并最終導(dǎo)致高于門檻電壓的信號隨之減少，因此被檢測到的聲發(fā)射數(shù)量也逐漸減少。設(shè)K為前文所選取的混凝土性能指標(biāo)，則定義混凝土參數(shù)衰減率為：=1-K×100%KKK（1）K0和K分別表示腐蝕前和腐蝕后混凝土性能指標(biāo)，包括軸式中，心抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)力模量、聲發(fā)射能量及聲發(fā)射撞擊。圖7聲發(fā)射能率與加載時(shí)間的關(guān)系圖10和圖11分別表示聲發(fā)射能量衰減率與強(qiáng)度衰減率、聲發(fā)射撞擊衰減率與峰值模量衰

15、減率之間的相互關(guān)系，由圖可撞擊衰減率與峰值以看出，聲發(fā)射能量衰減率與強(qiáng)度衰減率、模量衰減率之間具有很好的線性相關(guān)性，這說明隨著腐蝕周期的增加，聲發(fā)射參數(shù)與力學(xué)參數(shù)之間存在著密切的內(nèi)在聯(lián)系，因此均可以用來評價(jià)混凝土的損傷劣化。圖8AE能量（95%fc）與腐蝕周期的關(guān)系混凝土在破壞過程中裂紋是從砂漿基體內(nèi)原始微裂紋開始擴(kuò)展的，裂紋在延伸過程中會(huì)遇到粗骨料的阻礙作用，當(dāng)荷載增大到某一臨界值時(shí)粗骨料將斷裂，試件即告破壞9。由此可以判斷，試件在達(dá)到極限荷載95%之前這一過程聲發(fā)射能量主要由砂漿內(nèi)裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展引起的，受粗骨料影響較小，所以極限應(yīng)力95%之前聲發(fā)射累積能量的變化規(guī)律代表了混凝土腐蝕后砂漿

16、的退化和損傷。海水在試驗(yàn)溫度條件下結(jié)冰膨脹使得混凝土內(nèi)部微裂紋逐漸增大，這同時(shí)也進(jìn)一步促進(jìn)了海水向混凝土內(nèi)部的滲透。隨著腐蝕周期的增加砂漿內(nèi)初始裂紋不短增長，砂漿的弱化逐漸加重，因此導(dǎo)致了試件破壞前聲發(fā)射累積能量的逐漸降低。圖9是試件達(dá)極限應(yīng)力95%之前聲發(fā)射撞擊數(shù)（即聲發(fā)射波形個(gè)數(shù)）與腐蝕周期的對應(yīng)關(guān)系。圖中顯示，聲發(fā)射撞擊數(shù)與峰值應(yīng)力割線模量變化相似，即隨著腐蝕周期的增加聲發(fā)射撞擊數(shù)也呈現(xiàn)出非線性衰減的趨勢。聲發(fā)射撞擊數(shù)的減少大致有兩個(gè)原因：一方面隨著腐蝕周期的增加混凝土內(nèi)部初始裂紋增大，加載過程這些裂紋更容易相互貫通形成主裂紋，因此加載圖11撞擊衰減率與峰值模量衰減率的關(guān)系圖10AE能量

17、衰減率與強(qiáng)度衰減率的關(guān)系3混凝土損傷因子混凝土在外部荷載作用下，內(nèi)部將形成大量的微觀裂紋，這些裂紋的形成、擴(kuò)展及貫通將使混凝土逐漸劣化直至破壞。聲發(fā)射信號是材料受載后內(nèi)部缺陷變化引起的局部應(yīng)變能快速釋放所產(chǎn)生的應(yīng)力波，這些應(yīng)力波的特征與混凝土內(nèi)部損傷的大小密切相關(guān)。由于聲發(fā)射能量的大小不僅與波形的計(jì)數(shù)有關(guān)，而且與波形的幅值和持續(xù)時(shí)間有關(guān)10，因此聲發(fā)射能量能夠更好地反映混凝土的損傷演化規(guī)律。所以，可以用聲發(fā)射能量的相對變化來定義混凝土的損傷因子：圖9AE撞擊（95%fc）與腐蝕周期的關(guān)系D=W/W（2）·18·式中：D損傷因子；W應(yīng)力為（%）時(shí)的聲發(fā)射累積能量；W試件加載過

18、程聲發(fā)射總能量。為與前文表述一致，這里認(rèn)為試件在達(dá)到極限應(yīng)力95%時(shí)即發(fā)生完全損傷，因此W取極限應(yīng)力95%之前聲發(fā)射能量之和。圖12為四組不同腐蝕周期的試件受力過程中損傷因子隨應(yīng)力（%）變化的趨勢圖。圖中顯示，不同腐蝕周期的試件損傷因子變化曲線具有較大差異：隨著腐蝕周期的增加，混凝土損傷因子曲線逐漸向上偏移，特別是在加載的早期和中期，損傷因子相差較大，而在加載后期損傷因子的發(fā)展趨勢比較接近。這說明隨著腐蝕周期的增加，試件加載早期的聲發(fā)射能量相對較大。這主要是因?yàn)?，隨著腐蝕周期的增加，混凝土試件受海水冰凍膨脹的影響逐漸增大，試件內(nèi)部裂紋數(shù)量逐漸增多，因此在低應(yīng)力下產(chǎn)生的聲發(fā)射計(jì)數(shù)和能量也較多，這

19、一點(diǎn)與整個(gè)加載過程聲發(fā)射總能量的變化規(guī)律正好相反。另外從圖中還可以看出，在加載早期和中期，損傷因子增長比較緩慢，而加載后期損傷因子增長比較快，這說明同一組試件在不同的加載時(shí)期能量釋放的速率是不同的，加載早期應(yīng)變能釋放比較較慢，而后4組試件損傷因子變化曲線均在極限應(yīng)力80%期能量釋放則較快。前后出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，這表明當(dāng)相對應(yīng)力水平超過80%極限應(yīng)力以后，混凝土內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展速率迅速增大，試件很快進(jìn)入非穩(wěn)定破壞狀態(tài)。溫海水腐蝕混凝土劣化和損傷主要是由砂漿的劣化造成的，受粗骨料的影響較小。隨著腐蝕周期的增加，砂漿內(nèi)部原始裂紋不斷增長，造成混凝土整體性能的劣化。（3）抗壓強(qiáng)度衰減率與95%fc聲發(fā)射能

20、量衰減率及峰值模量衰減率與95%fc聲發(fā)射撞擊衰減率均具有較好的線性相關(guān)性，說明混凝土破壞過程中力學(xué)性能指標(biāo)與聲發(fā)射指標(biāo)具有密切的內(nèi)在聯(lián)系，因此采用力學(xué)指標(biāo)和聲發(fā)射指標(biāo)均能很好的反映混凝土腐蝕后的劣化規(guī)律。（4）利用聲發(fā)射能量的相對變化來定義損傷因子能夠很好的描述不同腐蝕周期的混凝土試件在受力過程中的損傷演化過程。隨著腐蝕周期的增加，混凝土損傷因子曲線逐漸向上偏移，特別是在加載的早期和中期，損傷因子相差較大，而在加載后期損傷因子的發(fā)展趨勢比較接近。參考文獻(xiàn)：1BAZANTZP.Physicalmodelforsteelcorrosioninconcreteseatructure-1979，10

21、5（6）：1137-1153.theoryJ.JournalofStructuralDivision，2洪定海.混凝土中鋼筋的腐蝕與防護(hù)M.北京：中國鐵道出版社，1998.GAMBAROVAP.Structuralassessmentofcorroded3CORONELLID，reinforcedconcretebeams：modelingguidelinesJ.JournalofStructuralEngineering，ASCE，2004，130（8）：1214-1224.4范穎芳，周晶.受腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件受力性能研究現(xiàn)狀J.土木工2004，37（7）：23-28.程學(xué)報(bào)，5METHAP

22、K.Durabilityofconcrete-fiftyyearsofprogress?DurabilityofConcreteC/G.M.IdomInternationalsymposium.SP-126，AmericanConcreteInstitute，Detroit，1991.6慕儒，繆昌文，劉加平，等.氯化鈉、硫酸鈉溶液對混凝土抗凍性的影響及其機(jī)理J.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2001，29（6）：523-529.7YANGQuan-bing.Effectsofsodiumchlorideconcentrationonsaturationdegreeinconcreteunderfreezing-thawingcyclesJ.JournaloftheChineseCeramicSociety，2007，35（1）：96-100.劉漢勇.海水凍融后輕骨料混凝土的雙軸壓壓強(qiáng)度和變形8王立成，性能J.水利學(xué)報(bào)，2006，37（2）：189-195.圖12不同腐蝕周期混凝土損傷因子演化曲線張立新，劉娟育.混凝土梁三點(diǎn)彎曲負(fù)荷下聲發(fā)射特性研究J.9陳兵，無損檢測，2000，22（3）：109