刘娟红等：混凝土硫酸盐腐蚀损伤的声波与声发射变化特征及机理 ·1077· 2.2应力一应变关系和声发射测试结果 2试验结果分析 图2为不同腐蚀时期(0、20、40和80d)混凝土的 2.1声波测试结果 应力一应变曲线，峰值割线变形模量E,取峰值应力σ。 混凝土试件经过不同腐蚀时期后，声波传播速度 与峰值应变e。的比值，弹性模量E.取应力σ=0.4σ。 随加载应力的变化曲线如图1所示.波速的变化主要 与相应应变ε的比值.可以看出，硫酸盐腐蚀过程中， 受裂纹的影响，随着应力增加，混凝土试件开始出现微 σ。、E和E都随着腐蚀时间的延长先增大后减小腐 细裂纹并逐渐扩展，波速逐渐减小，但其变化率较小： 蚀20d时峰值应力、弹性模量和峰值变形模量较腐蚀 而加载后期，变形发展快，裂缝扩展迅速，波速骤减，变 前分别增加8.68%、16.3%和15.3%，而腐蚀80d时 化率很大，试件破坏. 峰值应力、弹性模量和峰值变形模量分别减小到腐蚀 波速的变化能够反映试件应力的变化，不同腐蚀 前的82%、74%和64%，峰值应变较腐蚀前增加 时期的试件在加载过程中波速都有较明显的突变点， 26.7% 但波速开始突然下降时对应的相对应力水平不同 50 图1中，随着腐蚀时间的增加，波速骤减的突变点出现 0 20d 40d 的愈来愈早，未腐蚀和腐蚀80d的试件分别加载到 36MPa和28MPa时波速急剧减小，此时对应的应力分 别约为峰值应力的85%和78%.可见腐蚀后期，试件 80d 在较小的应力水平下即加速破坏 5.0 48 4.4 05 1.0152.025 4.2 e/103 4.0 图2不同腐蚀时期的应力-应变曲线 3.8 Fig.2 Stress-strain curves at different erosion periods 3.6 —0d◆一20d 一40d -60d 3.4 -80d 32 在单轴加载试验过程中，混凝土内部裂纹拓展演 3. 0 10 20 30 50 化和损伤破裂，蕴含在材料内部的能量将会以弹性波 40 应力MPa 的形式释放，这些微弱的信号可以被声发射传感器所 图1波速随加载应力的变化 监测和记录围 Fig.I Change of supersonic velocity with stress 图3为不同腐蚀时期(0、20、40和80d)混凝土试 件加载时的声发射事件数量变化图.与未腐蚀混凝土 混凝土试件的波速变化规律既与混凝土受力过程 类似，受蚀混凝土加载初期，试件发生线弹性变形，声 中不同的变形阶段有关，也与硫酸盐侵蚀有关.未腐 发射数量较少，随着应力的增大，试件内部裂纹不断形 蚀和腐蚀20d、40d的试件加载前初始波速较大，加载 成和扩展，声发射事件数量开始增大，随着内部的裂纹 初期波速无较大变化.腐蚀60d和80d的试件加载前 进一步扩展，直至贯通，声发射事件数量急剧上升 初始波速较小，在加载初期，波速随应力增加而增加， 未腐蚀和腐蚀20d的混凝土，加载的过程间隔出 尤其是腐蚀80d的试件加载初期波速增加阶段更加 现多个声发射事件活跃区间.腐蚀40d和80d的试 明显，其波速峰值比加载前初始波速增加14.8%.这 件，整个加载过程中，声发射事件活跃区间较集中.这 主要是由于未腐蚀或腐蚀初期时，试件密实性和完整 主要是因为当试件受外力作用产生微破裂时，内部蕴 性较好，腐蚀初期由于腐蚀产物填充了材料内部的初 含的能量得到释放，声发射事件数量上升.未腐蚀试 始裂缝和缺陷，混凝土较腐蚀前还会更加密实：而随着 件内部结构致密少缺陷，在能量得到一次释放后，声发 腐蚀的进行，试件内部产生较多裂缝和孔隙，加载初期 射事件骤降，应力重新分配，试件继续承受压力，随着 会有较明显的压密阶段.因此，试件在单轴压缩过程 应力进一步增大，试件再次释放能量，声发射事件又开 中的应力一波速曲线可以归纳为两种基本类型：I型， 始活跃，经过多次的能量释放和应力重新平衡，最后达 出现在未受硫酸盐环境腐蚀或受蚀程度较轻的混凝土 到整体破坏；而腐蚀40d和80d的试件，由于材料内 试件中，波速变化规律为基本不变一缓慢下降一突然 部在硫酸盐侵蚀下出现较多的微孔隙微缺陷，加载过 下降：Ⅱ型，出现在受蚀程度较重的试件中，波速变化 程中试件内部应力重新分配平衡的能力降低，容易在 规律为缓慢增加一缓慢下降一突然下降. 薄弱位置形成应力集中，出现能量的集中释放，声发射刘娟红等: 混凝土硫酸盐腐蚀损伤的声波与声发射变化特征及机理 2 试验结果分析 2. 1 声波测试结果 混凝土试件经过不同腐蚀时期后，声波传播速度 随加载应力的变化曲线如图 1 所示． 波速的变化主要 受裂纹的影响，随着应力增加，混凝土试件开始出现微 细裂纹并逐渐扩展，波速逐渐减小，但其变化率较小; 而加载后期，变形发展快，裂缝扩展迅速，波速骤减，变 化率很大，试件破坏． 波速的变化能够反映试件应力的变化，不同腐蚀 时期的试件在加载过程中波速都有较明显的突变点， 但波速开始突然下降时对应的相对应力水平不同． 图 1 中，随着腐蚀时间的增加，波速骤减的突变点出现 的愈来愈早，未腐蚀和腐蚀 80 d 的试件分别加载到 36 MPa和 28 MPa 时波速急剧减小，此时对应的应力分 别约为峰值应力的 85% 和 78% ． 可见腐蚀后期，试件 在较小的应力水平下即加速破坏． 图 1 波速随加载应力的变化 Fig． 1 Change of supersonic velocity with stress 混凝土试件的波速变化规律既与混凝土受力过程 中不同的变形阶段有关，也与硫酸盐侵蚀有关． 未腐 蚀和腐蚀 20 d、40 d 的试件加载前初始波速较大，加载 初期波速无较大变化． 腐蚀 60 d 和 80 d 的试件加载前 初始波速较小，在加载初期，波速随应力增加而增加， 尤其是腐蚀 80 d 的试件加载初期波速增加阶段更加 明显，其波速峰值比加载前初始波速增加 14. 8% ． 这 主要是由于未腐蚀或腐蚀初期时，试件密实性和完整 性较好，腐蚀初期由于腐蚀产物填充了材料内部的初 始裂缝和缺陷，混凝土较腐蚀前还会更加密实; 而随着 腐蚀的进行，试件内部产生较多裂缝和孔隙，加载初期 会有较明显的压密阶段． 因此，试件在单轴压缩过程 中的应力--波速曲线可以归纳为两种基本类型: Ⅰ型， 出现在未受硫酸盐环境腐蚀或受蚀程度较轻的混凝土 试件中，波速变化规律为基本不变—缓慢下降—突然 下降; Ⅱ型，出现在受蚀程度较重的试件中，波速变化 规律为缓慢增加—缓慢下降—突然下降． 2. 2 应力--应变关系和声发射测试结果 图 2 为不同腐蚀时期( 0、20、40 和 80 d) 混凝土的 应力--应变曲线，峰值割线变形模量 Ep取峰值应力 σc 与峰值应变 εc的比值，弹性模量 Ee取应力 σ = 0. 4σc 与相应应变 ε 的比值． 可以看出，硫酸盐腐蚀过程中， σc、Ee和 Ep都随着腐蚀时间的延长先增大后减小． 腐 蚀 20 d 时峰值应力、弹性模量和峰值变形模量较腐蚀 前分别增加 8. 68% 、16. 3% 和 15. 3% ，而腐蚀 80 d 时 峰值应力、弹性模量和峰值变形模量分别减小到腐蚀 前的 82% 、74% 和 64% ，峰值应变较腐蚀前增加 26. 7% ． 图 2 不同腐蚀时期的应力--应变曲线 Fig． 2 Stress--strain curves at different erosion periods 在单轴加载试验过程中，混凝土内部裂纹拓展演 化和损伤破裂，蕴含在材料内部的能量将会以弹性波 的形式释放，这些微弱的信号可以被声发射传感器所 监测和记录［13］． 图 3 为不同腐蚀时期( 0、20、40 和 80 d) 混凝土试 件加载时的声发射事件数量变化图． 与未腐蚀混凝土 类似，受蚀混凝土加载初期，试件发生线弹性变形，声 发射数量较少，随着应力的增大，试件内部裂纹不断形 成和扩展，声发射事件数量开始增大，随着内部的裂纹 进一步扩展，直至贯通，声发射事件数量急剧上升． 未腐蚀和腐蚀 20 d 的混凝土，加载的过程间隔出 现多个声发射事件活跃区间． 腐蚀 40 d 和 80 d 的试 件，整个加载过程中，声发射事件活跃区间较集中． 这 主要是因为当试件受外力作用产生微破裂时，内部蕴 含的能量得到释放，声发射事件数量上升． 未腐蚀试 件内部结构致密少缺陷，在能量得到一次释放后，声发 射事件骤降，应力重新分配，试件继续承受压力，随着 应力进一步增大，试件再次释放能量，声发射事件又开 始活跃，经过多次的能量释放和应力重新平衡，最后达 到整体破坏; 而腐蚀 40 d 和 80 d 的试件，由于材料内 部在硫酸盐侵蚀下出现较多的微孔隙微缺陷，加载过 程中试件内部应力重新分配平衡的能力降低，容易在 薄弱位置形成应力集中，出现能量的集中释放，声发射 · 7701 ·