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