声发射技术揭示硅灰对超高性能混凝土抗弯性能的影响机制

本文将为您分享同济大学蒋正武教授可持续混凝土研究团队近日于Cement and Concrete Composites 期刊（2021年即时影响因子9.735，2020年最新影响因子7.586，JCR Q1区，Top期刊）发表的最新研究成果《Revealing the effect of silica fume on the flexural behavior of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete by acoustic emission technique》。

本项研究由同济大学蒋正武教授可持续混凝土研究团队完成，第一通讯单位为同济大学材料科学与工程学院教育部先进土木工程材料重点实验室，本文第一作者为同济大学郑乔木博士，通讯作者为同济大学蒋正武教授，第二作者为同济大学李晨助理教授，第三作者为同济大学何倍博士。

引言

确保在复杂的负载和环境条件下的可用性是现代混凝土结构面临的主要挑战之一。凭借优异的力学性能和耐久性能，超高性能混凝土（UHPC）被认为解决该议题的关键。硅灰（SF）是制备超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）的重要成分。用于纤维增强混凝土时，SF可以增加纤维-基体界面的粗糙度，这种效应在纤维拉出过程中消耗更多的摩擦能量，从而提高纤维-基体界面的韧性。然而，也有报道称SF也会进一步加剧胶凝材料的脆性。目前，SF对UHPFRC弯曲行为的影响仍然缺乏系统的研究。这两种效应对UHPFRC的力学性能或许会产生博弈影响，但谁起主导作用仍不清楚。另外，使用现有的主流技术很难区分SF的上述影响。

声发射技术(AE)是结构演化研究中最有效的无损评价手段之一，它通过检测由于应变能的快速释放引起的瞬态弹性波的局部发射来描述结构响应。近年来，声发射技术主要应用于材料、土木工程等重要领域，并在表征混凝土的开裂行为和破坏机制领域展现出巨大的应用前景。本文研究了不同SF含量下（0%-30%）UHPFRC的四点弯曲行为，并同步原位AE表征了UHPFRC抗弯形变过程中的微观结构变化。通过时间AE描述符和光谱AE特征分析，从1）纤维-基体界面增韧和2）基体脆化两个方面很好地理解了SF对UHPFRC弯曲性能的影响机制。

1.宏观弯曲性能

随着SF的掺入，UHPFRC在载荷-挠度曲线上呈现出更明显的应变硬化分支（图1），且曲线在非弹性阶段由平滑变得曲折。但当SF用量≥20%时，UHPFRC的弯曲韧性并未持续增加。与SF0试样相比，SF3试样在相对较高的挠度下甚至表现出更差的弯曲韧性。通过进一步分析，发现SF的掺入也在载荷-挠度曲线上引发了更陡峭的应变软化分支（图2），这种弯曲行为的变化是结构脆性增加的典型标志。

2开裂机制

如图3所示，未掺和较低掺量SF的试样在弯曲过程中通常呈现单缝破坏，其宽度较大（>50 μm）。而SF2和SF3试样在弯曲载荷下表现出多重微缝损伤。这些裂纹的总体宽度通常大于SF0试样，但它们的平均宽度要小得多（<37 μm）。而在纤维-基体界面,SF0试样中孔洞附近的基体基本保持完好；但SF3试样在钢纤维拔出后孔周围基体出现大量径向辐射的微裂纹。当纤维与水泥基体脱粘时，SF3试样钢纤维末端的部分硬化水泥浆仍保持粘结（图4）。

3.AE分析

3.1.AE事件定位

如图5所示，SF0组蚀变源主要集中在主裂纹位置，而在SF0试样的其他位置明显较少。相比之下，SF3样品中蚀变源的分布更加分散，不仅发生在主裂缝周围，而且在其他小裂缝起始位置也大量出现。与不含SF的试样相比，含SF试样的开裂导致局部损伤面积较大，但平均损伤幅度较低。

3.2.时间描述符解析

通过振铃计数，RMS和振幅分析，针对水泥基体开裂和纤维-基体破坏引起的声发射信号进行了区分。随着SF的添加，弹性阶段后的纤维振动事件数量显着增加（图6），表明钢纤维在UHPFRC的四点弯曲变形过程中发挥了更积极的作用。特别在≥20% SF剂量率下，加载持续时间的延长和纤维振动事件数的增加伴随着挠度软化阶段基体开裂事件的振铃计数减少，表明平均基体损伤幅度在此阶段有所降低。

3.3.声发射信号频谱分析

声发射事件能量率分布表明，加入SF后，UHPFRC在弹性和硬化阶段新裂纹形成产生的平均声学持续时间更长，现有裂纹进一步扩展的能量比例也有所增加（图7）。但当SF剂量率≥20%时，观察到新裂纹形成的持续时间间隔和现有裂纹扩展的能量比例再次降低。此外在软化阶段，SF2和SF3试样中现有裂纹扩展受到明显限制，伴随大量新裂纹的形成。

RAF分布趋势则表明（图8），UHPFRC在10% SF时的弯曲变形过程中，剪切开裂的比例和开裂损伤的声能均显着增加。而当SF剂量率超过20%时，观察到拉伸开裂比例的反弹和平均声能的降低。说明UHPFRC的弯曲行为在添加10% SF时主要受基体脆化效应的影响，而在超过20% SF掺入时，纤维-基体的增韧效应主导了UHPFRC的弯曲行为。

本项研究成果受到国家自然科学基金的资助和经费支持。蒋正武教授可持续混凝土团队多年来一直致力低碳先进土木工程材料可持续化理论与方法的研究主线，近5年累计在Advanced Materials, CCR, CCC, CBM等期刊发表SCI论文70余篇。

目前本论文已在线发表在Cement and Concrete Composites 期刊，欢迎大家下载浏览。

Fig. 5.四点弯曲变形过程中UHPFRC结构的AE事件位置； (a-c) SF0试样，(d-f) SF3试样。

Fig. 6.四点弯曲变形过程中UHPFRC结构的振铃计数事件记录；(a) SF0, (b) SF1, (c) SF2, (d) SF3。

Fig. 7. UHPFRC在四点弯曲变形过程中的能量持续时间分布；(a)参考，(b)弹性阶段，(c)应变硬化阶段 (d)硬变软化阶段。

Fig. 8.UHPFRC在整个弯曲变形过程中的平均频率-RA值图；(a) SF0，(b) SF1，(c) SF2，(d) SF3。