第31卷第6期 辽宁工程技术大学学报(自然科学版) 年12月 Vol 31 No 6 Journal of Liaoning Technical University( Natural Science Dec.2012 文章编号:1008-0562(201206087506 纳米混凝土声发射 Kaiser效应的试验与数值模拟 王海波1,谢志龙2 (1.华东交大理工学院土建分院,江西南昌330100:2.南昌大学建筑工程学院,江西南昌330031) 摘要:为研究纳米材料的微观结构对混凝士宏观力学性能的影响,采用声发射试验和数值模拟相结合的方法, 研究纳米混凝土在循环载荷作用下的声发射特性结果表明:纳米混凝土具有明显的 Kaiser效应,但存在一定的 应力水平范围与普通混凝土相比,由于受到纳米SO2微观作用的影响,纳米混凝土在前3次加载过程中,声发 射能量高、幅值大、活性强.但在第4次加载时,由于承载能力得到提高,纳米混凝土声发射能量累积曲线的变 化相对平缓RFPA数值模拟结果与试验结果具有一致性,其应力图和声发射图能够形象地表征试件裂纹的扩展过 程和破裂位置这有助于深入了解纳米混凝土损伤过程的声发射特征 关键词:纳米混凝土:声发射: Kaiser效应:RFPA:数值模拟:纳米SiO2:试验:损伤 中图分类号:O348.8 文献标志码 Numerical simulation and experiment on acoustic emission Kaiser effect of Nano-concrete WANG Haibo. XIe Zhilong (1. Civil Engineering and Architecture Branch, Institute of Technology, East China Jiao Tong University, Nanchang 330100, China; 2 School of Civil Engineering and Architecture, Nanchang University, Nanchang 330031, China) Abstract: To study the influence of nano material microscopic structure on the macro-mechanical properties of concrete, using AE test and numerical simulation methods, the AE characteristic of Nano-concrete under cyclic loading was investigated. The results show that the Nano-concrete has Kaiser effect, however, it occurs in a certain stress level range. Compared with ordinary concrete, the Nano-concrete has higher AE energy, larger AE amplitude and stronger AE activity during the first 3 loading processes due to the micro influence of Nano-SiOz Nevertheless, in the 4th loading, the AE energy cumulative curve of Nano-concrete is relatively flat because of the improvement of the bearing capacity of Nano-concrete. The numerical simulation results of RFPA and experimental results are consistent. The stress diagram and AE figure are able to image the characteristics of the specimen crack propagation process and the rupture position, which helps an in-depth understanding on the ae characteristics of Nano-concrete during its damage process Key words: Nano-concrete, acoustic emission; Kaiser effect; RFPA; numerical simulation; Nano-SiOz; test; damage 0引言 进行试验研究,发现掺纳米SiO2颗粒的水泥砂浆 混凝土材料自问世以来就受到了广泛的青睐其7d和28d的抗压强度均高于含有硅灰的砂浆 扶名福等将纳米SO2作为外掺剂加入到普通水泥 随着应用范围的不断扩大、理论研究的不断深入, 混凝土中,制备高性能混凝土和功能性混凝土,讨 人们对混凝土材料的要求也不断提高然而,普通混论纳米SO2对普通混凝士工作性能的改善机理杜 凝土的工作性能已经远不能满足需求伴随纳米科学 应吉吲等报道,在混凝土中,可以添加纳米SiO2作 的不断进步与发展,人们试图在普通混凝土中添加 为“添加剂”,用来改善混凝土的强度、抗冻性和 纳米材料以改善其性能,这将成为一种新的尝试2 抗渗性等 Job wan!3等对掺加纳米SiO2水泥砂浆的性能 目前,绝大多数的研究都停留在纳米材料对混 收稿日期:2012-06-26 基金项目:江西省研究生创新专项基金资助项目(YC10A034) 作者简介:王海波(1980-),男,江西南吕人,硕土研究生,主要从事无机功能材料和新型建筑材料方面的研究.本文编校:曾繁慧
第 31 卷第 6 期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2012 年 12 月 Vol.31 No.6 Journal of Liaoning Technical University（Natural Science） Dec. 2012 收稿日期：2012-06-26 基金项目：江西省研究生创新专项基金资助项目（YC10A034） 作者简介：王海波（1980-），男，江西 南昌人，硕士研究生，主要从事无机功能材料和新型建筑材料方面的研究. 本文编校：曾繁慧 文章编号：1008-0562(2012)06-0875-06 纳米混凝土声发射 Kaiser 效应的试验与数值模拟 王海波 1，谢志龙 2 （1. 华东交大理工学院 土建分院，江西 南昌 330100；2. 南昌大学 建筑工程学院，江西 南昌 330031） 摘 要：为研究纳米材料的微观结构对混凝土宏观力学性能的影响，采用声发射试验和数值模拟相结合的方法， 研究纳米混凝土在循环载荷作用下的声发射特性.结果表明：纳米混凝土具有明显的 Kaiser 效应，但存在一定的 应力水平范围.与普通混凝土相比，由于受到纳米 SiO2微观作用的影响，纳米混凝土在前 3 次加载过程中，声发 射能量高、幅值大、活性强.但在第 4 次加载时，由于承载能力得到提高，纳米混凝土声发射能量累积曲线的变 化相对平缓.RFPA 数值模拟结果与试验结果具有一致性，其应力图和声发射图能够形象地表征试件裂纹的扩展过 程和破裂位置.这有助于深入了解纳米混凝土损伤过程的声发射特征. 关键词：纳米混凝土；声发射；Kaiser 效应；RFPA；数值模拟；纳米 SiO2；试验；损伤 中图分类号：O 348.8 文献标志码：A Numerical simulation and experiment on acoustic emission Kaiser effect of Nano-concrete WANG Haibo1 , XIE Zhilong2 （1. Civil Engineering and Architecture Branch, Institute of Technology, East China Jiao Tong University, Nanchang 330100, China; 2. School of Civil Engineering and Architecture, Nanchang University, Nanchang 330031, China） Abstract: To study the influence of nano material microscopic structure on the macro-mechanical properties of concrete, using AE test and numerical simulation methods, the AE characteristic of Nano-concrete under cyclic loading was investigated. The results show that the Nano-concrete has Kaiser effect, however, it occurs in a certain stress level range. Compared with ordinary concrete, the Nano-concrete has higher AE energy, larger AE amplitude and stronger AE activity during the first 3 loading processes due to the micro influence of Nano-SiO2. Nevertheless, in the 4th loading, the AE energy cumulative curve of Nano-concrete is relatively flat because of the improvement of the bearing capacity of Nano-concrete. The numerical simulation results of RFPA and experimental results are consistent. The stress diagram and AE figure are able to image the characteristics of the specimen crack propagation process and the rupture position, which helps an in-depth understanding on the AE characteristics of Nano-concrete during its damage process. Key words: Nano-concrete; acoustic emission; Kaiser effect; RFPA; numerical simulation; Nano-SiO2; test; damage 0 引 言 混凝土材料自问世以来就受到了广泛的青睐[1] . 随着应用范围的不断扩大、理论研究的不断深入， 人们对混凝土材料的要求也不断提高.然而，普通混 凝土的工作性能已经远不能满足需求.伴随纳米科学 的不断进步与发展，人们试图在普通混凝土中添加 纳米材料以改善其性能，这将成为一种新的尝试[2] . Job Wan[3]等对掺加纳米 SiO2 水泥砂浆的性能 进行试验研究，发现掺纳米 SiO2 颗粒的水泥砂浆， 其 7 d 和 28 d 的抗压强度均高于含有硅灰的砂浆. 扶名福[4]等将纳米SiO2 作为外掺剂加入到普通水泥 混凝土中，制备高性能混凝土和功能性混凝土，讨 论纳米 SiO2 对普通混凝土工作性能的改善机理.杜 应吉[5]等报道，在混凝土中，可以添加纳米 SiO2 作 为“添加剂”，用来改善混凝土的强度、抗冻性和 抗渗性等. 目前，绝大多数的研究都停留在纳米材料对混
876 辽宁工程技术大学学报(自然科学版) 第31卷 凝土物理力学性能的影响上,关于纳米混凝土损伤伤破坏的整个物理过程为进一步研究纳米混凝土 破坏机理以及纳米材料的微观结构对混凝土宏观的损伤破坏过程提供参考. 性能的影响方面的研究很少与普通混凝土一样, 纳米混凝土是一种复杂的非均匀材料,其破坏的本 1纳米混凝土声发射试验 质是内部微裂纹逐渐发展变化的结果,也是内部损 1原材料及试件制备 伤不断积累的过程许多学者通过试验和理论研究 证明9, Kaiser效应对材料内部曾经受过的损伤程 采用的水泥为海螺牌42.5级普通硅酸盐水泥, 度存在“记忆性”,能够反映和确定材料在先前加S102为德国瓦克公司生产的气相法二氧化硅,其 SiO2(NS)含量为999%,平均粒径为40nm,比 载过程中所受的损伤程度因此,本文在普通混凝土 表面积为400m/g,采用浓度为20%的聚羧酸盐减 中添加纳米SO,通过试验研究纳米混凝土在循环水剂纳米SO2的掺量为3%试验选用边长为 载荷作用下的声发射 Kaiser效应,并与普通混凝土150mm×150mm×150mm的混凝土标准立方体试 试件进行对比分析,从微观上讨论纳米SiO2对混凝块,静置1d后脱模,置于标准养护室内养护28d 土损伤过程的影响在此基础上,应用RFPA软件对试件配合比见表1 纳米混凝土的 Kaiser效应进行数值模拟,再现其损 表1试件配合比与抗压强度 Tab 1 specimen mix ratio and compressiv sivestrength SiO/ 试件 龄期抗压强度 siO2掺量/% (kg") 普通混凝土0.36 367.0 1332 355.9 50%O 1.2试验装置与加载方式 载荷值/KN25% 759%b87.5%b 试验过程中采用声发射监测系统和加载控制2试验结果分析 系统两套装置,声发射监测系统为美国声学物理公2.1混凝士材料的声发射模式 司(PAC)生产的PC1-2声发射仪试验加载控制采 用的是深圳新三思SHI4306型微机控制电液伺服 混凝土材料在受力变形过程中的声发射信号 万能试验机试验时布置两个直径为15m,中心频可以分成2种类型10一是摩擦型声发射,由原有 率为150kH的谐振式传感器于试件两端,利用耦裂隙的闭合与颗粒间的位错、滑动摩擦引起;二是 合剂(真空酯)通过橡胶带将其固定于试件表面 破裂型声发射,由新裂纹扩张和发展引起混凝土材 在试验开始之前通过断铅试验来检测声发射传感料中砂浆和骨料的原始裂纹以及砂浆和骨料界面 器的耦合程度,检查声发射装置是否正常运行声发之间的位错、滑移和摩擦都是形成摩擦型声发射的 射采样频率为2MH,门槛值设为40dB,前置放主要原因在循环载荷作用下,颗粒间的位错和滑动 大器的增益设为40dB 摩擦在一定程度上可以恢复.因此,摩擦型声发射具 试验采用循环加卸载的方式进行加载,采用位有一定的可逆性破裂型声发射则是由材料在载荷 移控制,以恒定的速率12 A加载和卸载加作用下新生裂纹的扩张和破裂所引起混凝土在载 载步骤如表2(σ6为峰值应力) 荷作用下会发生微破裂,出现微裂纹随着载荷的增 表2试验加载步骤 加,这种微破裂发生的频度也会增加,并且这一破 Tab 2 test load steps 裂过程是不可逆的,换言之破裂型声发射具有不可 加载步骤第一次加载第二次加载第三次加载第四次加载 逆性.因此,混凝土材料的声发射反映了其内部结构 微观变化的过程
876 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第 31 卷 凝土物理力学性能的影响上，关于纳米混凝土损伤 破坏机理以及纳米材料的微观结构对混凝土宏观 性能的影响方面的研究很少[6] .与普通混凝土一样， 纳米混凝土是一种复杂的非均匀材料，其破坏的本 质是内部微裂纹逐渐发展变化的结果，也是内部损 伤不断积累的过程.许多学者通过试验和理论研究 证明[7-9]，Kaiser 效应对材料内部曾经受过的损伤程 度存在“记忆性”，能够反映和确定材料在先前加 载过程中所受的损伤程度.因此，本文在普通混凝土 中添加纳米 SiO2，通过试验研究纳米混凝土在循环 载荷作用下的声发射 Kaiser 效应，并与普通混凝土 试件进行对比分析，从微观上讨论纳米 SiO2 对混凝 土损伤过程的影响.在此基础上，应用 RFPA 软件对 纳米混凝土的 Kaiser 效应进行数值模拟，再现其损 伤破坏的整个物理过程.为进一步研究纳米混凝土 的损伤破坏过程提供参考. 1 纳米混凝土声发射试验 1.1 原材料及试件制备 采用的水泥为海螺牌 42.5 级普通硅酸盐水泥， SiO2 为德国瓦克公司生产的气相法二氧化硅，其 SiO2（NS）含量为 99.9%，平均粒径为 40 nm，比 表面积为 400 m2 /g，采用浓度为 20%的聚羧酸盐减 水剂. 纳米 SiO2 的掺量为 3%.试验选用边长为 150 mm×150 mm×150 mm 的混凝土标准立方体试 块，静置 1 d 后脱模，置于标准养护室内养护 28 d. 试件配合比见表 1. 表 1 试件配合比与抗压强度 Tab.1 specimen mix ratio and compressive strength 试件 W/C SiO2 掺量/% W/ ( kg·m -3 ) C/ ( kg·m -3 ) SiO2/ ( kg·m -3 ) S/ ( kg·m -3 ) G/ ( kg·m -3 ) 龄期 /d 抗压强度 /MPa 普通混凝土 0.36 0.0 180 367.0 0.0 571 1 332 28 47.8 纳米混凝土 0.36 3.0 180 355.9 11.1 571 1 332 28 50.8 1.2 试验装置与加载方式 试验过程中采用声发射监测系统和加载控制 系统两套装置，声发射监测系统为美国声学物理公 司（PAC）生产的 PCI-2 声发射仪.试验加载控制采 用的是深圳新三思 SHT4 306 型微机控制电液伺服 万能试验机.试验时布置两个直径为 15 mm，中心频 率为 150 kHz 的谐振式传感器于试件两端，利用耦 合剂（真空酯）通过橡胶带将其固定于试件表面. 在试验开始之前通过断铅试验来检测声发射传感 器的耦合程度，检查声发射装置是否正常运行.声发 射采样频率为 2 MHz，门槛值设为 40 dB，前置放 大器的增益设为 40 dB. 试验采用循环加卸载的方式进行加载，采用位 移控制，以恒定的速率 1.2 mm/min 加载和卸载.加 载步骤如表 2（ b 为峰值应力）. 表 2 试验加载步骤 Tab.2 test load steps 加载步骤 第一次加载 第二次加载 第三次加载 第四次加载 载荷值/KN 25% b 50% b 75% b 87.5% b 2 试验结果分析 2.1 混凝土材料的声发射模式 混凝土材料在受力变形过程中的声发射信号 可以分成 2 种类型[10]：一是摩擦型声发射，由原有 裂隙的闭合与颗粒间的位错、滑动摩擦引起；二是 破裂型声发射，由新裂纹扩张和发展引起.混凝土材 料中砂浆和骨料的原始裂纹以及砂浆和骨料界面 之间的位错、滑移和摩擦都是形成摩擦型声发射的 主要原因.在循环载荷作用下，颗粒间的位错和滑动 摩擦在一定程度上可以恢复.因此，摩擦型声发射具 有一定的可逆性.破裂型声发射则是由材料在载荷 作用下新生裂纹的扩张和破裂所引起.混凝土在载 荷作用下会发生微破裂，出现微裂纹.随着载荷的增 加，这种微破裂发生的频度也会增加，并且这一破 裂过程是不可逆的，换言之破裂型声发射具有不可 逆性.因此，混凝土材料的声发射反映了其内部结构 微观变化的过程
第6期 海波,等:纳米混凝土声发射 Kaiser效应的试验与数值模拟 877 混凝土试件进行循环加卸载试验采用声发射能量 幅值对试验结果进行分析整理试验数据,得到典型 2.2纳米混凝土声发射 Kai ser效应分析 纳米混凝土试件的应力时间-声发射能量率曲线和 应力时间-声发射能量累积曲线,如图1 按照前述试验方法分别对纳米混凝土和普通 2500 2000 1500 1000餐 050100150200250300350 时间/ (a)应力时间声发射能量率曲线 (b)声发射能量累积曲线 图1纳米混凝土试件声发射试验结果 Fig 1 result of AE test of nano-concrete specimen 从图1(a)可以看出,纳米混凝土试件存在明显386MPa,超过了峰值应力的70%,试件进入到非 的Kaer效应在第1次加卸载过程中,有少量声发稳定裂纹发展阶段从图l(a)中可以看出,在未达到 射信号出现,而在卸载过程中,几乎没有声发射信第2次载荷的应力水平之前,几乎没有声发射信号 号的产生这个阶段的信号主要是来自于加载阶段的出现由于混凝土材料存在滞后效应,在第1次、 混凝土材料内部原始微缺陷、裂纹的闭合以及材料 内部颗粒之间错动、滑移和摩擦,即由摩擦型声发第2次加载后原有缺陷与裂隙趋于闭合,颗粒之间 射引起 的摩擦滑动已经调整完毕,所以摩擦型声发射的数 在第2次加载初期,有少量能量较小的声发射量在第3次加载时急剧减少当超过第2次载荷的最 信号出现当载荷超过先前应力的最大水平后,声发大应力水平之后,微裂纹的破裂不断被激活,裂纹 射能量急剧增加,释放出大量高能量的声发射信号 不断扩展、贯通,逐渐形成宏观裂纹,与之相对应 前面已经分析过,摩擦型声发射具有一定的可逆的是再次出现了大量高高能量的声发射信号在这 性,在第1次卸载和重新加载过程中,部分滑移和个阶段,摩擦型声发射受到抑制,破裂型声发射占 摩擦得以恢复因而第2次加载初期这些可逆摩擦据了主导地位,因此Kasr效应记忆的稳定程度和 的滑动就引起了少量声发射信号的出现随着载荷准确性明显提高第4次加载过程中也有类似现象 的进一步增加,达到甚至超过先前载荷的应力水平 图1(b)为整个试验过程中的声发射能量累积曲 时,微缺陷将会被重新激活,出现新生微裂纹,促线可以看出,声发射能量累积曲线呈现阶梯型,这 使新裂纹不断扩展而释放能量,从而使声发射信号进一步证明了Karx数应的本质,当试件所承受的 急剧增加因此,与混凝士 Kaiser效应相对应的是裂载荷应力水平小于先前载荷的最大应力水平时,几 纹的稳定扩展,即破裂型声发射但在此阶段由于受乎没有声发射信号的产生,一旦超过之后,声发射 到摩擦型声发射的影响,Kasr效应记忆的稳定程信号会急剧增加 度和准确度不好 2.3纳米混凝土和普通混凝土 Kaiser效应的对比分析 在第3次加载过程中,试件承受的最大应力值 本文对纳米混凝土试件的声发射试验结果与普
第 6 期 王海波，等：纳米混凝土声发射 Kaiser 效应的试验与数值模拟 877 2.2 纳米混凝土声发射 Kaiser 效应分析 按照前述试验方法分别对纳米混凝土和普通 混凝土试件进行循环加卸载试验.采用声发射能量、 幅值对试验结果进行分析.整理试验数据，得到典型 纳米混凝土试件的应力-时间-声发射能量率曲线和 应力-时间-声发射能量累积曲线，如图 1. （a）应力-时间-声发射能量率曲线 （b）声发射能量累积曲线 图 1 纳米混凝土试件声发射试验结果 Fig.1 result of AE test of nano-concrete specimen 从图 1(a)可以看出，纳米混凝土试件存在明显 的 Kaiser 效应.在第 1 次加卸载过程中，有少量声发 射信号出现，而在卸载过程中，几乎没有声发射信 号的产生.这个阶段的信号主要是来自于加载阶段 混凝土材料内部原始微缺陷、裂纹的闭合以及材料 内部颗粒之间错动、滑移和摩擦，即由摩擦型声发 射引起. 在第 2 次加载初期，有少量能量较小的声发射 信号出现.当载荷超过先前应力的最大水平后，声发 射能量急剧增加，释放出大量高能量的声发射信号. 前面已经分析过，摩擦型声发射具有一定的可逆 性，在第 1 次卸载和重新加载过程中，部分滑移和 摩擦得以恢复.因而第 2 次加载初期这些可逆摩擦 的滑动就引起了少量声发射信号的出现.随着载荷 的进一步增加，达到甚至超过先前载荷的应力水平 时，微缺陷将会被重新激活，出现新生微裂纹，促 使新裂纹不断扩展而释放能量，从而使声发射信号 急剧增加.因此，与混凝土 Kaiser 效应相对应的是裂 纹的稳定扩展，即破裂型声发射.但在此阶段由于受 到摩擦型声发射的影响，Kaiser 效应记忆的稳定程 度和准确度不好. 在第 3 次加载过程中，试件承受的最大应力值 38.6 MPa，超过了峰值应力的 70%，试件进入到非 稳定裂纹发展阶段.从图 1(a)中可以看出，在未达到 第 2 次载荷的应力水平之前，几乎没有声发射信号 的出现.由于混凝土材料存在滞后效应，在第 1 次、 第 2 次加载后原有缺陷与裂隙趋于闭合，颗粒之间 的摩擦滑动已经调整完毕，所以摩擦型声发射的数 量在第3次加载时急剧减少.当超过第2次载荷的最 大应力水平之后，微裂纹的破裂不断被激活，裂纹 不断扩展、贯通，逐渐形成宏观裂纹，与之相对应 的是再次出现了大量高高能量的声发射信号.在这 个阶段，摩擦型声发射受到抑制，破裂型声发射占 据了主导地位，因此 Kaiser 效应记忆的稳定程度和 准确性明显提高.第 4 次加载过程中也有类似现象. 图 1(b)为整个试验过程中的声发射能量累积曲 线.可以看出，声发射能量累积曲线呈现阶梯型，这 进一步证明了 Kaiser 效应的本质，当试件所承受的 载荷应力水平小于先前载荷的最大应力水平时，几 乎没有声发射信号的产生，一旦超过之后，声发射 信号会急剧增加. 2.3 纳米混凝土和普通混凝土Kaiser 效应的对比分析 本文对纳米混凝土试件的声发射试验结果与普 100 时间/s 0 50 150 200 250 300 350 声发射能量累积值×10 4 2 4 6 8 10 12 0 50 100 150 200 250 300 350 时间/s 应力/MPa 10 20 30 40 50 500 1 000 1 500 2 000 2 500 声发射能量率
878 辽宁工程技术大学学报(自然科学版) 通混凝土试件的结果进行了对比分析,结果见图2 100纳米混凝土 纳米混凝土 普通混凝土 050100150200250300350 200250300350 时间/s 时间/s (a)声发射能量累积曲线 (b)声发射幅值 图2两种混凝士试件声发射特征参数的比较 Fig. 2 the comparison of the ae characteristic parameters of the two kinds of concrete 从图2中可以看出,在第1次、第2次和第3在前3次的加卸载过程中所释放的声发射信号能量 次循环加卸载过程中,纳米混凝土试件的声发射能更高,活性更强 量和幅值均要高于普通混凝土此外,纳米混凝土试 (2)由于纳米混凝土的微观结构得以改善,与 件在前3次加卸载过程中有大量幅值超过60dB的普通混凝土相比,纳米混凝土中固有缺陷的尺寸和 发射信号出现,而普通混凝土试件则只有少量幅数量减少、均匀性提高、质地更加致密,从而提高 值超过60dB的声发射信号,这表明在这3次加卸了混凝土的抗压强度和承载能力换言之,虽然加载 载过程中纳米混凝土试件的声发射活性更强但在第到相同的应力水平,但普通混凝土试件已经接近破 4次加载时,普通混凝土试件的声发射能量累积曲线坏,裂缝彼此连通,形成宏观裂缝,释放出大量的 急剧上升,出现比较集中的高幅值声发射信号,而能量,使声发射能量累积曲线陡升而此时纳米混凝 纳米混凝土试件的声发射能量累积曲线的变化则相土试件还具有一定的承载能力,裂纹在不断的扩展 对平缓分析原因,主要有以下两点 延伸,因而声发射能量累积曲线的变化相对平缓 (1)纳米材料的掺入,能够改善普通混凝土 的微观结构一方面,由于纳米材料特有的小尺寸效3纳米混凝土 Kaiser效应数值模拟 应和表面效应,在水泥浆体中,纳米颗粒能够填 补水泥颗粒之间的细小空隙,使胶凝材料的颗粒级 3.1数值模型建立 配得以改善,从微观尺度提高水泥浆体的密实度 试样模型尺寸为150mm×150mm,划分为150 另一方面,在水泥浆体中,纳米颗粒能起到“晶核”×150个网格基元,采用平面应力问题考虑到纳米 的作用,在加速水泥水化进程的同时,还能与水泥混凝土材料的均匀性,取均质度m=3,计算模型的 水化产物Ca(OH2晶体生成C-H-R凝胶,有效细化力学参数见表3采用反复加载的方式,采用位移控 水泥浆体内部及其与骨料之间界面上的Ca(OH)2晶制的方法,总载荷步为110步,其中加载20步, 粒、降低取向程度,从而改善水泥浆体与界面的微卸载10步,每步加载位移增量为0.002mm,卸载 观结构微裂纹在高强度界面以及密实浆体的扩展位移量为-0.002mm 过程中所受到的阻力要比原来的大,裂纹尖端积聚 的能量也要更高而当微裂纹在界面扩展或者在基 表3基元的力学参数、相变准则 体中贯通时,就会产生更大的能量释放,形成更强 Tab3 mechanical parameters and phase chang 的声发射信号因此,相比普通混凝土,纳米混凝土 criteria of primitive
878 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第 31 卷 通混凝土试件的结果进行了对比分析，结果见图 2. （a）声发射能量累积曲线 （b）声发射幅值 图 2 两种混凝土试件声发射特征参数的比较 Fig.2 the comparison of the AE characteristic parameters of the two kinds of concrete 从图 2 中可以看出，在第 1 次、第 2 次和第 3 次循环加卸载过程中，纳米混凝土试件的声发射能 量和幅值均要高于普通混凝土.此外，纳米混凝土试 件在前 3 次加卸载过程中有大量幅值超过 60 dB 的 声发射信号出现，而普通混凝土试件则只有少量幅 值超过 60 dB 的声发射信号，这表明在这 3 次加卸 载过程中纳米混凝土试件的声发射活性更强.但在第 4 次加载时，普通混凝土试件的声发射能量累积曲线 急剧上升，出现比较集中的高幅值声发射信号，而 纳米混凝土试件的声发射能量累积曲线的变化则相 对平缓.分析原因，主要有以下两点: （1）纳米材料的掺入，能够改善普通混凝土 的微观结构.一方面，由于纳米材料特有的小尺寸效 应和表面效应[11]，在水泥浆体中，纳米颗粒能够填 补水泥颗粒之间的细小空隙，使胶凝材料的颗粒级 配得以改善，从微观尺度提高水泥浆体的密实度； 另一方面，在水泥浆体中，纳米颗粒能起到“晶核” 的作用，在加速水泥水化进程的同时，还能与水泥 水化产物 Ca(OH)2 晶体生成 C-H-R 凝胶，有效细化 水泥浆体内部及其与骨料之间界面上的 Ca(OH)2 晶 粒、降低取向程度，从而改善水泥浆体与界面的微 观结构.微裂纹在高强度界面以及密实浆体的扩展 过程中所受到的阻力要比原来的大，裂纹尖端积聚 的能量也要更高.而当微裂纹在界面扩展或者在基 体中贯通时，就会产生更大的能量释放，形成更强 的声发射信号.因此，相比普通混凝土，纳米混凝土 在前 3 次的加卸载过程中所释放的声发射信号能量 更高，活性更强. （2）由于纳米混凝土的微观结构得以改善，与 普通混凝土相比，纳米混凝土中固有缺陷的尺寸和 数量减少、均匀性提高、质地更加致密，从而提高 了混凝土的抗压强度和承载能力.换言之，虽然加载 到相同的应力水平，但普通混凝土试件已经接近破 坏，裂缝彼此连通，形成宏观裂缝，释放出大量的 能量，使声发射能量累积曲线陡升.而此时纳米混凝 土试件还具有一定的承载能力，裂纹在不断的扩展、 延伸，因而声发射能量累积曲线的变化相对平缓. 3 纳米混凝土 Kaiser 效应数值模拟 3.1 数值模型建立 试样模型尺寸为150 mm×150 mm，划分为150 ×150 个网格基元，采用平面应力问题.考虑到纳米 混凝土材料的均匀性，取均质度 m=3，计算模型的 力学参数见表 3.采用反复加载的方式，采用位移控 制的方法，总载荷步为 110 步，其中加载 20 步， 卸载 10 步，每步加载位移增量为 0.002 mm，卸载 位移量为-0.002 mm. 表 3 基元的力学参数、相变准则 Tab.3 mechanical parameters and phase change criteria of primitive 25 普通混凝土 0 50 100 150 200 250 300 350 时间/s 声发射能量累积值×10 4 5 10 15 20 纳米混凝土 0 50 100 150 200 250 300 350 时间/s 40 60 80 100 40 60 80 100 纳米混凝土 普通混凝土 幅值/dB 0 50 100 150 200 250 300 350 时间/s 幅值/dB 声发射能量累积值×10 4
第6期 海波,等:纳米混凝土声发射 Kaiser效应的试验与数值模拟 879 弹性模量强度 摩擦角自重 步的时候才出现第一个声发射在卸载过程中也没 均质度 CT比 /°ANmm3) 有声发射出现再次加载时,只有当所施加的载荷超 50000 0.2530 过上次加载的最大载荷时,才会有声发射的出现 这再次验证了声发射 Kaiser效应的存在此外,从图 3.2数值模拟结果分析 5中还可以看出裂纹发展变化的整个过程,从试样 图3为循环加卸载条件下纳米混凝土试件的载最终的破坏形态来看,呈现“Z”字形 荷-加载步-声发射能量率模拟曲线从图3中可以看 出,在第1次加载初期,没有声发射信号的出现, 此时材料处于弹性变形阶段继续加载后,由于试样 微元受到损伤,原始裂隙不断闭合,出现声发射信 号,而在卸载过程中没有声发射信号的形成进行第 2次加载时,当没有达到试件先前所承受的最大载 荷时,没有微损伤的出现,也没有声发射信号产生 x联兴 而当载荷进一步增加直至超过先前载荷的最大值 时,再次出现了声发射信号,且信号的强度和密度 较第1次的要高在第3次和第4次循环过程中,都 有类似现象因此,RFPA的数值模拟试验结果验证 加载步 了纳米混凝土材料也同样存在 Kaiser效应 图4声发射能量累积数曲线 Fig 4 cumulative curve of AE energy 3000 2000 1000 1.5 8010012 加载步 图3载荷-加载步-声发射能量率曲线 Fig 3 load-step-AE count curve 在循环加载条件下,声发射能量也可以通过累 积数形式来表达,图4给出了数值模拟所得的声发 射能量累积数与载荷步的关系曲线,比较图4和图 (b)可以看出,数值模拟结果和试验结果是一致的 Step110 这进一步体现了声发射 Kaiser效应的本质,即再次 图5循环加卸载下的声发射 加载时出现明显声发射现象的前提条件是其当前 Fig. 5 the ae under cyclic loading and unload 所受荷载的应力水平已经超过之前所受的最高应 力水平2 4结论 图5给出了数值模拟的声发射图,图中圆圈的 本文通过纳米混凝土在循环载荷作用下的声 位置和数量分别表示声发射发生的部位和数量,圆 发射试验,结合RFPA数值模拟,研究纳米混凝土 圈越多表明声发射数量越多结合图4可以看出,在 的损伤破坏规律,得到以下结论 加载初期,几乎没有声发射出现,直至加载到12
第 6 期 王海波，等：纳米混凝土声发射 Kaiser 效应的试验与数值模拟 879 均质度 弹性模量 /MPa 强度 /MPa Poisson 摩擦角 /° 自重 /( N·mm -3 ) C/T 比 3 50 000 100 0.25 30 0 10 3.2 数值模拟结果分析 图 3 为循环加卸载条件下纳米混凝土试件的载 荷-加载步-声发射能量率模拟曲线.从图 3 中可以看 出，在第 1 次加载初期，没有声发射信号的出现， 此时材料处于弹性变形阶段.继续加载后，由于试样 微元受到损伤，原始裂隙不断闭合，出现声发射信 号，而在卸载过程中没有声发射信号的形成.进行第 2 次加载时，当没有达到试件先前所承受的最大载 荷时，没有微损伤的出现，也没有声发射信号产生. 而当载荷进一步增加直至超过先前载荷的最大值 时，再次出现了声发射信号，且信号的强度和密度 较第 1 次的要高.在第 3 次和第 4 次循环过程中，都 有类似现象.因此，RFPA 的数值模拟试验结果验证 了纳米混凝土材料也同样存在 Kaiser 效应. 图 3 载荷-加载步-声发射能量率曲线 Fig.3 load-step-AE count curve 在循环加载条件下，声发射能量也可以通过累 积数形式来表达，图 4 给出了数值模拟所得的声发 射能量累积数与载荷步的关系曲线，比较图 4 和图 1(b)可以看出，数值模拟结果和试验结果是一致的. 这进一步体现了声发射 Kaiser 效应的本质，即再次 加载时出现明显声发射现象的前提条件是其当前 所受荷载的应力水平已经超过之前所受的最高应 力水平[12] . 图 5 给出了数值模拟的声发射图，图中圆圈的 位置和数量分别表示声发射发生的部位和数量，圆 圈越多表明声发射数量越多.结合图 4 可以看出，在 加载初期，几乎没有声发射出现，直至加载到 12 步的时候才出现第一个声发射.在卸载过程中也没 有声发射出现.再次加载时，只有当所施加的载荷超 过上次加载的最大载荷时，才会有声发射的出现. 这再次验证了声发射 Kaiser 效应的存在.此外，从图 5 中还可以看出裂纹发展变化的整个过程，从试样 最终的破坏形态来看，呈现“Z”字形. 图 4 声发射能量累积数曲线 图 4 声发射能量累积数曲线 Fig.4 cumulative curve of AE energy Step12 Step40 Step71 Step110 图 5 循环加卸载下的声发射 Fig.5 the AE under cyclic loading and unloading 4 结 论 本文通过纳米混凝土在循环载荷作用下的声 发射试验，结合 RFPA 数值模拟，研究纳米混凝土 的损伤破坏规律，得到以下结论： 0 20 40 60 80 100 120 加载步 1 000 载荷/N 2 000 3 000 4 000 1.5 声发射能量率×10 -4 3.0 4.5 6.0 2 0 0 40 60 80 100 120 加载步 声发射能量累积数×10 -3 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
辽宁工程技术大学学报(自然科学版) 31卷 (1)纳米混凝土材料存在明显的 Kaiser效应, 的试验研究口西北农林科技大学学报:自然科学版,2004,32(7) 但有一定的应力水平范围.当处于较低的应力水平 时,由于受到摩擦型声发射的影响, Kaiser效应记 Du Yingji Han Syjian, Yao Rufang, et al. Experimental study on 忆的稳定程度和准确度不好;在高应力水平阶段 improving permeability resistant and frost resistant properties of 破裂型声发射占据主导地位,声发射信号明显增 concrete with nm level micro-powder[J). Jour. of Northwest Sci-Tech 多, Kaiser效应记忆的稳定程度和准确性明显提高 Univ of Agri. and For. Natural Science, 2004, 32(7): 107-110 阿6王彩辉,蒋金洋,任春福等.基于无机纳米混凝土的研究进展{材 (2)通过比较可以得出,由于纳米SiO2的微 料导报,2011(s1)41-44 观作用,使得纳米混凝土更加均匀、密实在前3次 Wang Caihui, Jiang Jinyang, Ren Chunfu,et al. The Study Progress of 加载过程中,纳米混凝土试件的声发射信号能量、 Inorganic Nano-concretepJ). Materials Review, 2011(sl): 41-44. 幅值更高,活性更强;在第4次加载时,普通混凝口樊运晓.单轴压缩试验下裂纹闭合阶段岩石 KAISER效应的研究卩 土试件接近破坏,导致声发射能量累积曲线陡升, 岩石力学与工程学报,2001,206)793-796 幅值更加集中,出现高幅值声发射信号群.而纳米混 Fan Yunxiao, Research an Kaiser effect during closing period of rock 凝土声发射能量累积曲线的变化相对平缓这为混 cracks under uniaxial loading[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics 凝土结构失稳破坏的监测提供了参考依据 and Engineering, 2001, 20(63: 793-796. (3)RFPA数值模拟能动态演示混凝土材料从陈忠辉 8]陈忠辉唐春安徐小荷等.岩石声发射 Kaiser效应的理论和实验研 受载到破裂的完整过程,其应力图和声发射图能够 究p中国有色金属学报,1997(1)912 Chen Zhonghui, Tang Chun'an, Xu Xiaohe, etal. Theoretical and 形象的表征试样裂纹的扩展过程和破裂位置模拟 experimental studies for Kaiser Effect in Rock[J]. The Chinese Joumal 结果显示,模型具有明显的 Kaiser效应数值模拟结 of Nonferrous Metals, 1997, 7(1): 9-12 果与试验结果之间具有很好的一致性,说明RFPA王立君刘建城杨字江等岩石非均匀性和围压对Kasr效应的影 软件处理方法的正确性、合理性 响辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2010,292)240-243 Wang Lijun, Liu Jianpo, Yang Yujiang, et al. Numenical simulation of 参考文献 pact on Kaiser Effect by rock heterog eneity and confining pressure)- Joumal of Liaoning Technical University Natural Science, 2010, 29(2) []张蔚.略谈混凝土材料研究的新进展卩福建建设科技,20024 240-243 (448-49 10]王小琼,葛洪魁宋丽莉.两类岩石声发射事件与 Kaiser效应点识 Zhang Wei. A brief discussion of new developments of concrete 别方法的试验研究岩石力学与工程学报,201130(3:580-588 materials research. Fulian Construction Science Technology, 2002 4(448-49 Wang Xiaoqiong, Ge Hongkui, Song Lili Experimental study of two types of rock sample acoustic emission events and Kaiser Effect point 2]王景贤,王立久。纳米材料在混凝土中的应用研究进展混凝 recognition approach. Chinese Joumal of Rock Mechanics and 土,2004,118-21 Engineering,2011,30(3)580-588 Wang Jingxian, Wang Lijiu. Advances in the applied research of 纳米路面混凝土的基本性能[M,哈尔滨:东北林业大学 nano-material in concrete). Concrete, 2004, 11: 18-21 [3] Byung Wan Jo, Chang Hyun Kim, Ghi ho Tae, et al. Characteristics of Zhang Maohua. The basic performance of the nano-road concrete[MI cement mortar with nano-SiOz particles). Construction and Building Haerbin: Northeast Forestry University Press, 2008: 36-43 aterials,2007,2l(6}135l-1355. H扶名福熊进刚宋固全纳米材料在混凝土中的研究与应用一第十12沈功田戴光刘时风中国声发射检测技术进展一一学会成立25 周年纪念凹无损检测,2003,25(6):302-307 届全国结构工程学术会议特邀报告工程力学,2004(s1)48-51 Shen Gongtian, Dai Guang, Liu Shifeng. Acousitc Emission testing u Mingfu, Xiong Jingang, Song Guquan. Study and application of progress in China: celebration for the 25th anniversary of Chinese nano-materials in concrete- the special report of 13th national structure ngineering academic conference]. Engineering mechanics, 2004, (sl) society for NDTUJ]. NDT, 2003, 25(6): 302-307. 48-51 5]杜应吉韩苏建姚汝方等应用纳米微粉提高混凝土抗渗抗冻性能 如果有框图或图形,图中的字均为六号宋体 除标题外,全文数字及英文都是 Times New roman
880 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第 31 卷 （1）纳米混凝土材料存在明显的 Kaiser 效应， 但有一定的应力水平范围.当处于较低的应力水平 时，由于受到摩擦型声发射的影响，Kaiser 效应记 忆的稳定程度和准确度不好；在高应力水平阶段， 破裂型声发射占据主导地位，声发射信号明显增 多，Kaiser 效应记忆的稳定程度和准确性明显提高. （2）通过比较可以得出，由于纳米 SiO2 的微 观作用，使得纳米混凝土更加均匀、密实.在前 3 次 加载过程中，纳米混凝土试件的声发射信号能量、 幅值更高，活性更强；在第 4 次加载时，普通混凝 土试件接近破坏，导致声发射能量累积曲线陡升， 幅值更加集中，出现高幅值声发射信号群.而纳米混 凝土声发射能量累积曲线的变化相对平缓.这为混 凝土结构失稳破坏的监测提供了参考依据. （3）RFPA 数值模拟能动态演示混凝土材料从 受载到破裂的完整过程，其应力图和声发射图能够 形象的表征试样裂纹的扩展过程和破裂位置.模拟 结果显示，模型具有明显的 Kaiser 效应.数值模拟结 果与试验结果之间具有很好的一致性，说明 RFPA 软件处理方法的正确性、合理性. 参考文献 [1] 张蔚. 略谈混凝土材料研究的新进展[J]. 福建建设科技,2002,4 (4):48- 49. Zhang Wei. A brief discussion of new developments of concrete materials research[J]. FuJian Construction Science & Technology, 2002, 4 (4):48-49. [2] 王景贤,王立久. 纳米材料在混凝土中的应用研究进展[J]. 混凝 土,2004,11: 18-21. Wang Jingxian, Wang Lijiu. Advances in the applied research of nano-material in concrete[J]. Concrete, 2004,11: 18-21. [3] Byung Wan Jo, Chang Hyun Kim, Ghi ho Tae, et al. Characteristics of cement mortar with nano-SiO2 particles[J]. Construction and Building Materials, 2007, 21(6): 1 351-1 355. [4] 扶名福,熊进刚,宋固全. 纳米材料在混凝土中的研究与应用—第十 三届全国结构工程学术会议特邀报告[J]. 工程力学,2004,(s1): 48-51. Fu Mingfu, Xiong Jingang, Song Guquan. Study and application of nano-materials in concrete- the special report of 13th national structure engineering academic conference[J]. Engineering mechanics,2004,(s1): 48-51. [5] 杜应吉,韩苏建,姚汝方,等. 应用纳米微粉提高混凝土抗渗抗冻性能 的试验研究[J]. 西北农林科技大学学报:自然科学版,2004,32(7): 107-110. Du Yingji, Han Sujian, Yao Rufang,et al. Experimental study on improving permeability resistant and frost resistant properties of concrete with nm level micro-powder[J]. Jour. of Northwest Sci-Tech Univ. of Agri. and For.:Natural Science, 2004,32(7): 107-110. [6] 王彩辉,蒋金洋,任春福,等. 基于无机纳米混凝土的研究进展[J]. 材 料导报,2011(s1): 41-44. Wang Caihui, Jiang Jinyang, Ren Chunfu,et al. The Study Progress of Inorganic Nano-concrete[J]. Materials Review, 2011(s1): 41-44. [7] 樊运晓. 单轴压缩试验下裂纹闭合阶段岩石 KAISER 效应的研究[J]. 岩石力学与工程学报,2001,20(6): 793-796. Fan Yunxiao. Research an Kaiser effect during closing period of rock cracks under uniaxial loading[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2001,20(6): 793-796. [8] 陈忠辉,唐春安,徐小荷,等. 岩石声发射 Kaiser 效应的理论和实验研 究[J]. 中国有色金属学报,1997,7(1): 9-12. Chen Zhonghui, Tang Chun'an, Xu Xiaohe,etal. Theoretical and experimental studies for Kaiser Effect in Rock[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 1997,7(1): 9-12. [9] 王立君,刘建坡,杨宇江,等. 岩石非均匀性和围压对 Kaiser 效应的影 响[J]. 辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2010,29(2): 240-243. Wang Lijun, Liu Jianpo, Yang Yujiang,et al. Numerical simulation of impact on Kaiser Effect by rock heterogeneity and confining pressure[J]. Journal of Liaoning Technical University:Natural Science, 2010,29(2): 240-243. [10] 王小琼,葛洪魁,宋丽莉. 两类岩石声发射事件与 Kaiser 效应点识 别方法的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报,2011,30(3): 580-588. Wang Xiaoqiong,Ge Hongkui,Song Lili. Experimental study of two types of rock sample acoustic emission events and Kaiser Effect point recognition approach[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011,30(3): 580-588. [11] 张茂花. 纳米路面混凝土的基本性能[M]. 哈尔滨: 东北林业大学 出版社,2008: 36-43. Zhang Maohua. The basic performance of the nano-road concrete[M]. Haerbin:Northeast Forestry University Press,2008: 36-43. [12] 沈功田,戴光,刘时风. 中国声发射检测技术进展——学会成立 25 周年纪念[J]. 无损检测, 2003 ,25 (6):302-307. Shen Gongtian, Dai Guang, Liu Shifeng. Acousitc Emission testing progress in China: celebration for the 25th anniversary of Chinese society for NDT[J]. NDT, 2003, 25 (6):302-307. 如果有框图或图形，图中的字均为六号宋体。 除标题外，全文数字及英文都是 Times New Roman