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 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.
Job Wan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，
[3]
[2]
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
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
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的损伤破坏过程提供参考.
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]
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.
，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
表1 试件配合比与抗压强度
Tab.1 specimen mix ratio and compressive strength
试件 普通混凝土 纳米混凝土
W/C 0.36 0.36
SiO2掺量/%
0.0 3.0
W/ ( kg·m-3) 180 180
C/ ( kg·m-3) 367.0 355.9
SiO2/ ( kg·m-3) 0.0 11.1
S/ ( kg·m-3) 571 571
G/ ( kg·m-3) 1 332 1 332
龄期/d 28 28
抗压强度/MPa 47.8 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 载荷值/KN
25%?b
第二次加载 50%?b
第三次加载 75%?b
第四次加载 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 王海波，等：纳米混凝土声发射Kaiser效应的试验与数值模拟 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、
50 40 30 20 10 877
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.
2 500 2 000 1 500 1 000 500
声发射能量率 12 104 声发射能量累积值×10 8 6 4 2 0 300 350 应力/MPa 0 50 100 150 200 时间/s
250 300 350
50 100 150 200 时间/s 250
（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通混凝土试件的结果进行了对比分析，结果见图2.
878
25 104 声发射能量累积值×值积累量能射发104 声×20 15
辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第31卷
100 幅值/dB 纳米混凝土
普通混凝土
80 60 40 0 100 幅值/dB 80 60 40 0
纳米混凝土
50 100
10 5
150 200 时间/s
250 300 350
普通混凝土
0 50 100 150 200 时间/s
250 300 350
50 100
150 200 时间/s
250 300 350
（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
弹性模量
均质度
/MPa
3
50 000
/MPa 100 强度
Poisson 0.25
摩擦角 /° 30
自重/( N·mm-3)
0
C/T比 10
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
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.
4 000
6.0
3 000 4.5
4-01× N率荷/2 000 3.0
量载能射发声1 000 1.5
0 20 40
60
80 100 120
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.
4.0 3.5 3 -01×3.0 数 积2.5 累 量2.0 能 射1.5 发 声1.0 0.5 0 240 60 80 100 120 加载步
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：
（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
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