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 primitive878 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