混凝土硫酸盐腐蚀损伤的声波与声发射变化特征及机理

工程科学学报，第38卷，第8期：1075-1081,2016年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.8:1075-1081,August 2016 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2016.08.005:http://journals..ustb.edu.cn 混凝土硫酸盐腐蚀损伤的声波与声发射变化特征及 机理 刘娟红四，赵力”，宋少民，纪洪广” 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)北京节能减排关键技术协同创新中心，北京100044 ☒通信作者，E-mail:juanhongl966@hotmail.com 摘要试验模拟干湿循环作用下混凝土受10%（质量分数）硫酸钠溶液侵蚀的腐蚀环境，测试和分析硫酸盐不同侵蚀时期 混凝土单轴压缩试验时波速和声发射的变化特征.采用环境扫描电镜和能谱仪进行微观观测并结合X射线衍射测试手段分 析受蚀混凝土的损伤机理.结果表明：受侵蚀60d和80d的试件加载初期会有较明显的压密阶段，试件受硫酸盐侵蚀和干湿 循环作用愈久，加载中波速急剧下降的突变点愈提前：受蚀40d以上的试件加载中声发射事件活跃区间较集中，在腐蚀产生 的缺陷和薄弱位置容易出现应力集中和能量集中释放，声发射事件数量急剧上升的突变点提前.通过数学模型以声发射累 积振铃计数为损伤变量建立损伤模型可以表征混凝土中环境腐蚀、荷载及损伤之间的作用关系.腐蚀阶段钙矾石与石膏的 膨胀作用和硫酸钠的结晶压在试件内部形成微破损，受蚀混凝土表现出不同宏观性能. 关键词混凝土：硫酸盐：侵蚀：超声波速度：声发射：损伤演化：微观结构 分类号TU528.31 Ultrasonic velocity and acoustic emission properties of concrete eroded by sulfate and its damage mechanism LIU Juan-hong,ZHAO Li),SONG Shao-min2),JI Hong-guang) 1)School of Civil and Environmental Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Collaborative Innovation Center of Energy Saving Emission Reduction Key Technologies,Beijing 100044,China Corresponding author,E-mail:juanhong1966@hotmail.com ABSTRACT Simulation experiment was performed on the performance of concrete exposed to sulfate attack and dry-wet cycles. Changes in ultrasonic velocity and acoustic emission activities for concrete at different erosion periods were tested by uniaxial compres- sion test.The damage mechanism was analyzed by environmental scanning electron microscopy (ESEM),energy-dispersive X-ray analysis (EDX)and X-ray diffraction (XRD).The results show that at the beginning of loading for concrete after 60 d and 80 d ero- sion,the specimen exhibits a significant compaction phase.The longer the concrete is exposed to sulfate attack and dry-wet cycles, the earlier the sudden drop in ultrasonic velocity occurs.For concrete after 40d erosion,the active zone of acoustic emission is narrow during the loading process.The problems of stress concentration and a sudden release of energy tend to occur at the weak position caused by erosion in concrete,and a sharp increase in acoustic emission events appears in advance under sulfate attack.By means of a mathematical model,the damage model of concrete was established based on the cumulative ring-down count of acoustic emission as a variable,which reveals the relations of sulfate attack,load and damage for concrete in complex underground environments.During erosion time,the expansions caused by ettringite and gypsum and the swelling of sodium sulfate crystallization result in the evolution of micro-destruction,leading to the different macroscopic properties of corroded concrete. KEY WORDS concrete:sulfates:erosion:ultrasonic velocity:acoustic emission:damage mechanisms:microstructure 收稿日期：2015-09-22 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51174015)

工程科学学报，第 38 卷，第 8 期: 1075--1081，2016 年 8 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 8: 1075--1081，August 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 08． 005; http: / /journals． ustb． edu． cn 混凝土硫酸盐腐蚀损伤的声波与声发射变化特征及 机理 刘娟红1) ，赵 力1) ，宋少民2) ，纪洪广1) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 2) 北京节能减排关键技术协同创新中心，北京 100044  通信作者，E-mail: juanhong1966@ hotmail． com 摘 要 试验模拟干湿循环作用下混凝土受 10% ( 质量分数) 硫酸钠溶液侵蚀的腐蚀环境，测试和分析硫酸盐不同侵蚀时期 混凝土单轴压缩试验时波速和声发射的变化特征． 采用环境扫描电镜和能谱仪进行微观观测并结合 X 射线衍射测试手段分 析受蚀混凝土的损伤机理． 结果表明: 受侵蚀 60 d 和80 d 的试件加载初期会有较明显的压密阶段，试件受硫酸盐侵蚀和干湿 循环作用愈久，加载中波速急剧下降的突变点愈提前; 受蚀 40 d 以上的试件加载中声发射事件活跃区间较集中，在腐蚀产生 的缺陷和薄弱位置容易出现应力集中和能量集中释放，声发射事件数量急剧上升的突变点提前． 通过数学模型以声发射累 积振铃计数为损伤变量建立损伤模型可以表征混凝土中环境腐蚀、荷载及损伤之间的作用关系． 腐蚀阶段钙矾石与石膏的 膨胀作用和硫酸钠的结晶压在试件内部形成微破损，受蚀混凝土表现出不同宏观性能． 关键词 混凝土; 硫酸盐; 侵蚀; 超声波速度; 声发射; 损伤演化; 微观结构 分类号 TU528. 31 收稿日期: 2015--09--22 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51174015) Ultrasonic velocity and acoustic emission properties of concrete eroded by sulfate and its damage mechanism LIU Juan-hong1)  ，ZHAO Li1) ，SONG Shao-min2) ，JI Hong-guang1) 1) School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Beijing Collaborative Innovation Center of Energy Saving ＆ Emission Ｒeduction Key Technologies，Beijing 100044，China  Corresponding author，E-mail: juanhong1966@ hotmail． com ABSTＲACT Simulation experiment was performed on the performance of concrete exposed to sulfate attack and dry--wet cycles． Changes in ultrasonic velocity and acoustic emission activities for concrete at different erosion periods were tested by uniaxial compres￾sion test． The damage mechanism was analyzed by environmental scanning electron microscopy ( ESEM) ，energy-dispersive X-ray analysis ( EDX) and X-ray diffraction ( XＲD) ． The results show that at the beginning of loading for concrete after 60 d and 80 d ero￾sion，the specimen exhibits a significant compaction phase． The longer the concrete is exposed to sulfate attack and dry--wet cycles， the earlier the sudden drop in ultrasonic velocity occurs． For concrete after 40 d erosion，the active zone of acoustic emission is narrow during the loading process． The problems of stress concentration and a sudden release of energy tend to occur at the weak position caused by erosion in concrete，and a sharp increase in acoustic emission events appears in advance under sulfate attack． By means of a mathematical model，the damage model of concrete was established based on the cumulative ring-down count of acoustic emission as a variable，which reveals the relations of sulfate attack，load and damage for concrete in complex underground environments． During erosion time，the expansions caused by ettringite and gypsum and the swelling of sodium sulfate crystallization result in the evolution of micro-destruction，leading to the different macroscopic properties of corroded concrete． KEY WOＲDS concrete; sulfates; erosion; ultrasonic velocity; acoustic emission; damage mechanisms; microstructure

·1076· 工程科学学报，第38卷，第8期 随着地下空间开发深度和范围不断扩大，矿山井 本文通过试验模拟干湿循环作用下混凝土受 筒、巷道等地下混凝土结构的耐久性问题日益突出，受 10%质量分数硫酸钠溶液侵蚀，测试和分析不同侵蚀 地质条件制约，混凝土长期受到地下水中富含的可溶 龄期混凝土加载过程中波速和声发射的变化特征，运 性盐，如硫酸盐的化学侵蚀，而地下水位变动又使混凝 用损伤力学，以声发射累积振铃计数为损伤变量将腐 土受到干湿交替的加速破坏.此外，混凝土结构在服 蚀损伤和受荷损伤用数学模型统一起来，表征混凝土 役期间也在承受荷载作用.因此，矿井井简等地下 在环境腐蚀和荷载作用下损伤的演化规律：采用环境 混凝土结构时常受到化学过程和力学过程的双重破坏 扫描电镜和能谱仪进行微观观测并结合X射线衍射 作用，服役状态和性能出现劣化现象，而混凝土结 技术分析受蚀混凝土的微结构演化和腐蚀产物，揭示 构由损伤劣化至失稳失效是逐渐发展的过程，具有时 地下环境不同侵蚀时期混凝土的损伤演化机理. 间效应，这就增加了工程灾害的隐蔽性和破坏性，因此 1 试验方案 研究混凝土在硫酸盐侵蚀和干湿循环特殊环境下的损 伤演化规律和机理对判定混凝土结构损伤状态和工程 1.1原材料和试件制作 灾害预警具有现实意义60 试验采用P.042.5金隅牌普通硅酸盐水泥，掺合 材料的波速特征是其物理性质的综合反映，国内 料选用Ⅱ级粉煤灰和S95级磨细矿渣，水泥主要性能 外许多学者在材料受力破坏过程中的波速和声发射特 指标见表1，其中水泥细度采用80um方孔标准筛进行 征方面进行了大量研究切，研究表明，在材料的损 筛析试验.细骨料为天然河砂，细度模数2.8；粗骨料 伤和破坏过程中，超声波波速将发生改变，同时释放出 连续级配，粒径范围5~20mm;减水剂为西卡聚羧酸 大量的弹性波，即伴有声发射现象：通过对材料波速和 型减水剂：拌合水为自来水.无水硫酸钠采用国药集 声发射信号的分析，可推断其内部的性态变化，分析其 团生产的AR级分析纯试剂. 破坏机制.但多数研究集中在混凝土、岩石等材料在 试验用混凝土配合比见表2.根据试验需要，试件 力学破坏过程中的声发射特性，针对矿井特殊环境下 尺寸为100mm×100mm×100mm.试件成型后自然养 受硫酸盐腐蚀的混凝土材料的波速和声发射特性有待 护24h后拆模，移入温度(20±2)℃、相对湿度95%的 进一步研究. 养护室内养护28d,然后进行试验 表1水泥的主要性能 Table 1 Performance indicators of cement 凝结时间/min 抗压强度/MPa 抗折强度/MPa 标准稠度用水量 细度/% 初凝 终凝 3d 28d 3d 28d (质量分数)1% 170 390 29.8 47.8 5.2 8.1 6.6 28.5 表2混凝土配合比 Table 2 Proportions of the prepared concrete mixture 强度等级 水泥kg 粉煤灰kg磨细矿渣kg石kg 砂kg 水kg 减水剂kg水胶质量比 G30 220 90 1017 833 170 2.59 0.46 1.2试验方法 试件长度的比值即为声波传播速度：在混凝土试件侧 试验时，为加速试验进程，腐蚀溶液配制质量分数 面固定声发射传感器接收试件破裂的声发射信号，试 10%的硫酸钠溶液，其他步骤按照GB/T50082一2009 件在承受外力作用时，内部将会发生损伤破坏，利用声 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进 发射探头可以对这一过程进行监测因.采用扫描电 行硫酸盐干湿循环腐蚀，干湿循环周期为24h,其中浸 镜和能谱仪观测混凝土腐蚀损伤后的微观结构，根据 泡16h,烘干温度80℃，烘干6h,冷却2h.在混凝土试 X射线衍射测试结果分析混凝土腐蚀产物的物质组 件侵蚀20d、40d、60d,80d后取出采用液压式屏显万 成.硫酸盐干湿循环试验设备为NELDSC全自动硫 能试验机（型号WEP-600)进行单轴压缩试验，同时测 酸盐干湿循环试验机，超声检测设备为康科瑞NM4A 试加载过程中声波传播速度和声发射特征的变化.试 非金属超声检测分析仪，声发射试验采用美国物理声 验过程中，在混凝土试件侧面布置声波传感器，测量加 学公司生产的6通道PCI2声发射检测系统进行声发 载过程中试件的声波波速变化规律，采用发射和接收 射监测，通道传感器谐振频率为60kHz,前置放大器增 两个传感器测量超声波在试件中传播的时间差，其与 益为40db,噪音门槛值为45dh

工程科学学报，第 38 卷，第 8 期 随着地下空间开发深度和范围不断扩大，矿山井 筒、巷道等地下混凝土结构的耐久性问题日益突出，受 地质条件制约，混凝土长期受到地下水中富含的可溶 性盐，如硫酸盐的化学侵蚀，而地下水位变动又使混凝 土受到干湿交替的加速破坏． 此外，混凝土结构在服 役期间也在承受荷载作用［1--4］． 因此，矿井井筒等地下 混凝土结构时常受到化学过程和力学过程的双重破坏 作用［4--5］，服役状态和性能出现劣化现象，而混凝土结 构由损伤劣化至失稳失效是逐渐发展的过程，具有时 间效应，这就增加了工程灾害的隐蔽性和破坏性，因此 研究混凝土在硫酸盐侵蚀和干湿循环特殊环境下的损 伤演化规律和机理对判定混凝土结构损伤状态和工程 灾害预警具有现实意义［6--10］． 材料的波速特征是其物理性质的综合反映，国内 外许多学者在材料受力破坏过程中的波速和声发射特 征方面进行了大量研究［11--17］，研究表明，在材料的损 伤和破坏过程中，超声波波速将发生改变，同时释放出 大量的弹性波，即伴有声发射现象; 通过对材料波速和 声发射信号的分析，可推断其内部的性态变化，分析其 破坏机制． 但多数研究集中在混凝土、岩石等材料在 力学破坏过程中的声发射特性，针对矿井特殊环境下 受硫酸盐腐蚀的混凝土材料的波速和声发射特性有待 进一步研究． 本文通过试验模拟干湿循 环 作 用 下 混 凝 土 受 10% 质量分数硫酸钠溶液侵蚀，测试和分析不同侵蚀 龄期混凝土加载过程中波速和声发射的变化特征，运 用损伤力学，以声发射累积振铃计数为损伤变量将腐 蚀损伤和受荷损伤用数学模型统一起来，表征混凝土 在环境腐蚀和荷载作用下损伤的演化规律; 采用环境 扫描电镜和能谱仪进行微观观测并结合 X 射线衍射 技术分析受蚀混凝土的微结构演化和腐蚀产物，揭示 地下环境不同侵蚀时期混凝土的损伤演化机理． 1 试验方案 1. 1 原材料和试件制作 试验采用 P． O 42. 5 金隅牌普通硅酸盐水泥，掺合 料选用Ⅱ级粉煤灰和 S95 级磨细矿渣，水泥主要性能 指标见表 1，其中水泥细度采用 80 um 方孔标准筛进行 筛析试验． 细骨料为天然河砂，细度模数 2. 8; 粗骨料 连续级配，粒径范围 5 ～ 20 mm; 减水剂为西卡聚羧酸 型减水剂; 拌合水为自来水． 无水硫酸钠采用国药集 团生产的 AＲ 级分析纯试剂． 试验用混凝土配合比见表 2． 根据试验需要，试件 尺寸为 100 mm × 100 mm × 100 mm． 试件成型后自然养 护 24 h 后拆模，移入温度( 20 ± 2) ℃、相对湿度 95% 的 养护室内养护 28 d，然后进行试验． 表 1 水泥的主要性能 Table 1 Performance indicators of cement 凝结时间/min 抗压强度/MPa 抗折强度/MPa 初凝 终凝 3 d 28 d 3 d 28 d 细度/% 标准稠度用水量 ( 质量分数) /% 170 390 29. 8 47. 8 5. 2 8. 1 6. 6 28. 5 表 2 混凝土配合比 Table 2 Proportions of the prepared concrete mixture 强度等级 水泥/ kg 粉煤灰/ kg 磨细矿渣/ kg 石/ kg 砂/ kg 水/ kg 减水剂/ kg 水胶质量比 C30 220 90 60 1017 833 170 2. 59 0. 46 1. 2 试验方法 试验时，为加速试验进程，腐蚀溶液配制质量分数 10% 的硫酸钠溶液，其他步骤按照 GB / T 50082—2009 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进 行硫酸盐干湿循环腐蚀，干湿循环周期为 24 h，其中浸 泡 16 h，烘干温度 80 ℃，烘干 6 h，冷却 2 h． 在混凝土试 件侵蚀 20 d、40 d、60 d、80 d 后取出采用液压式屏显万 能试验机( 型号 WEP--600) 进行单轴压缩试验，同时测 试加载过程中声波传播速度和声发射特征的变化． 试 验过程中，在混凝土试件侧面布置声波传感器，测量加 载过程中试件的声波波速变化规律，采用发射和接收 两个传感器测量超声波在试件中传播的时间差，其与 试件长度的比值即为声波传播速度; 在混凝土试件侧 面固定声发射传感器接收试件破裂的声发射信号，试 件在承受外力作用时，内部将会发生损伤破坏，利用声 发射探头可以对这一过程进行监测［13］． 采用扫描电 镜和能谱仪观测混凝土腐蚀损伤后的微观结构，根据 X 射线衍射测试结果分析混凝土腐蚀产物的物质组 成． 硫酸盐干湿循环试验设备为 NELD-LSC 全自动硫 酸盐干湿循环试验机，超声检测设备为康科瑞 NM-4A 非金属超声检测分析仪，声发射试验采用美国物理声 学公司生产的 6 通道 PCI-2 声发射检测系统进行声发 射监测，通道传感器谐振频率为 60 kHz，前置放大器增 益为 40 db，噪音门槛值为 45 db． · 6701 ·

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 ·

·1078· 工程科学学报，第38卷，第8期 1.0ra 10r) 4 应力应变曲线 应力应变出线 0.8 振铃计数 0.8 振铃计数 3 0.6 3 0.6 12 0.4 0.4 0.2 1感 0.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.2 0.40.6 0.8 相对应力水平 相对应力水平 20 1.0r(d 710 应力应变曲线 应力应变曲线 0.8 振铃计数 16 0.8 振铃计数 P 0.6 12 0.6 6 0.4 0.2 0.2 040.6 0.8 1.0 0.20.40.6 0.8 相对应力水平 相对应力水平 图3不同腐蚀龄期声发射数量随相对应力水平变化柱状图.(a)0d:(b)20d:(c)40d:(d)80d Fig.3 Histograms of acoustic emission number with relative stress level at different erosion periods:(a)0d;(b)20d:(c)40d:(d)80d 事件集中，最后出现局部破坏网 式中，D为受荷损伤因子，E,为腐蚀一段时间的弹性 随着腐蚀时间的增加，试件受腐蚀程度加重，加载 模量. 过程中声发射事件数量开始急剧上升的突变点出现得 用腐蚀和受荷总损伤变量D表示的混凝土腐蚀 更早，未腐蚀和腐蚀80d的试件分别加载到相对应力 受荷应力一应变关系为陶 水平0.6~0.8和0.4~0.7时声发射密集出现，表明 o=E。(1-D）e, (4) 腐蚀后期，试件在较小的应力水平下就开始加速破坏. 其中 D.=D,+D-DD. (5) 2.3基于声发射特征的受腐蚀混凝土损伤演化分析 式中，D,为腐蚀引起的损伤因子，E。为未受腐蚀时的弹 材料在承受荷载的过程中，内部缺陷萌生、拓展演 性模量，D,D为耦合项. 化，为了分析该过程的损伤演化规律，Kachanov将损失 随着腐蚀时间的增加，混凝土结构的力学性能逐 变量定义为叨 渐降低，为了能够反映材料内部的劣化程度，选取便于 Aa D二A (1) 测量的弹性模量作为损伤变量，定义硫酸盐干湿循环 腐蚀引起的损伤 式中，A为承载断面上微缺陷的所有面积，A为初始无 (6) 损时的断面积. =1会 在此基础上，刘保县等叨选用振铃计数和累积振 由式(2)、式(5)和式(6)可得到混凝土腐蚀受荷的总 铃计数描述单轴压缩岩石材料损伤特性，推导得出 损伤演化方程为 (2) D.=1-E.Co-Ca (7) E。C。 式中，C。为无损材料整个截面A完全破坏的累积声发 当仅考虑腐蚀损伤时，加载累积振铃计数C:=0, 射振铃计数，C:为断面损伤面积达A,时累积声发射振 此时D。=D:当仅考虑受荷损伤时，E,=E。,此时D。= 铃计数.本文将试件加载到峰值强度视为破坏，即试 D.图4为利用试验数据由式(7)计算得到的混凝土 件达到峰值破坏的累积声发射振铃计数记为C。· 材料腐蚀受荷损伤模型演化曲线. 将硫酸盐干湿循环引起的腐蚀损伤后的状态作为 利用声发射累积振铃计数来表征混凝土损伤演化 第一种损伤状态，腐蚀后受荷引起的损伤状态作为第 规律能够较好地描述腐蚀损伤对混凝土性能的影响 二种损伤状态，应用由Lemaitre应变等价原理推广后 由图4可以看出：对于受疏酸盐腐蚀的试件，腐蚀引起 的应变等价圆，可得材料内部腐蚀受荷损伤本构关 混凝土材料内部初始损伤的形成，且随着腐蚀的进行 系为 初始损伤不断增大.腐蚀20d时，腐蚀产物起到填充 o=E,(1-D)E. (3) 微孔隙的密实作用，混凝土性能得到强化（图4中损伤

工程科学学报，第 38 卷，第 8 期 图 3 不同腐蚀龄期声发射数量随相对应力水平变化柱状图． ( a) 0 d; ( b) 20 d; ( c) 40 d; ( d) 80 d Fig． 3 Histograms of acoustic emission number with relative stress level at different erosion periods: ( a) 0 d; ( b) 20 d; ( c) 40 d; ( d) 80 d 事件集中，最后出现局部破坏［15］． 随着腐蚀时间的增加，试件受腐蚀程度加重，加载 过程中声发射事件数量开始急剧上升的突变点出现得 更早，未腐蚀和腐蚀 80 d 的试件分别加载到相对应力 水平 0. 6 ～ 0. 8 和 0. 4 ～ 0. 7 时声发射密集出现，表明 腐蚀后期，试件在较小的应力水平下就开始加速破坏． 2. 3 基于声发射特征的受腐蚀混凝土损伤演化分析 材料在承受荷载的过程中，内部缺陷萌生、拓展演 化，为了分析该过程的损伤演化规律，Kachanov 将损失 变量定义为［17］ D = Ad A ． ( 1) 式中，Ad为承载断面上微缺陷的所有面积，A 为初始无 损时的断面积． 在此基础上，刘保县等［17］选用振铃计数和累积振 铃计数描述单轴压缩岩石材料损伤特性，推导得出 D = Cd C0 ． ( 2) 式中，C0为无损材料整个截面 A 完全破坏的累积声发 射振铃计数，Cd为断面损伤面积达 Ad时累积声发射振 铃计数． 本文将试件加载到峰值强度视为破坏，即试 件达到峰值破坏的累积声发射振铃计数记为 C0 ． 将硫酸盐干湿循环引起的腐蚀损伤后的状态作为 第一种损伤状态，腐蚀后受荷引起的损伤状态作为第 二种损伤状态，应用由 Lemaitre 应变等价原理推广后 的应变等价［18］，可得材料内部腐蚀受荷损伤本构关 系为 σ = Et ( 1 － D) ε． ( 3) 式中，D 为受荷损伤因子，Et 为腐蚀一段时间的弹性 模量． 用腐蚀和受荷总损伤变量 Dm表示的混凝土腐蚀 受荷应力--应变关系为［18］ σ = E0 ( 1 － Dm ) ε， ( 4) 其中 Dm = Dt + D － DtD． ( 5) 式中，Dt为腐蚀引起的损伤因子，E0为未受腐蚀时的弹 性模量，DtD 为耦合项． 随着腐蚀时间的增加，混凝土结构的力学性能逐 渐降低，为了能够反映材料内部的劣化程度，选取便于 测量的弹性模量作为损伤变量，定义硫酸盐干湿循环 腐蚀引起的损伤 Dt = 1 － Et E0 ． ( 6) 由式( 2) 、式( 5) 和式( 6) 可得到混凝土腐蚀受荷的总 损伤演化方程为 Dm = 1 － Et E0 C0 － Cd C0 ． ( 7) 当仅考虑腐蚀损伤时，加载累积振铃计数 Cd = 0， 此时 Dm = Dt ; 当仅考虑受荷损伤时，Et = E0，此时 Dm = D． 图 4 为利用试验数据由式( 7) 计算得到的混凝土 材料腐蚀受荷损伤模型演化曲线． 利用声发射累积振铃计数来表征混凝土损伤演化 规律能够较好地描述腐蚀损伤对混凝土性能的影响． 由图 4 可以看出: 对于受硫酸盐腐蚀的试件，腐蚀引起 混凝土材料内部初始损伤的形成，且随着腐蚀的进行 初始损伤不断增大． 腐蚀 20 d 时，腐蚀产物起到填充 微孔隙的密实作用，混凝土性能得到强化( 图4 中损伤 · 8701 ·

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 ·1079* 1.0r 快，在较小应力水平下损伤突然加速发展，且随着腐蚀 -0d -20d -40d- -80d 0.8 加剧，损伤度急剧增大的拐点也愈早到达（图4中虚线 所示)，这是由于腐蚀引起混凝土内部微缺陷不断增 0.6 加，在较小应力水平下即产生局部破坏 0.4 2.4混凝土腐蚀劣化的微观机理分析 0.2 如图5所示，腐蚀初期，试件棱角开始酥松，轻微 劣化（图5(a)),随着腐蚀的进行，细小的裂纹从棱边 向内部延伸（图5(）)，裂纹逐渐拓宽增多，棱角受损 0.20.40.60.81.0 加重，伴有软化剥落（图5(c)),直到出现粗大、贯通裂 ele 缝（图5(d)). 图4受蚀混凝土受荷损伤模型演化曲线 图6为腐蚀前后试件的微观结构.可以看出，未 Fig.4 Damage model evolution curves of corroded concrete 受硫酸盐腐蚀的混凝土存在大量的水化产物C一S一 值D.为负数)，腐蚀40d和80d时对应的初始损伤分 H凝胶，结构完整、密实.腐蚀80d时，试件内部裂缝 别增大到0.055和0.261.随着应变的逐渐增大，未腐 增多，局部可见明显的贯通裂缝，裂缝和孔隙被大量的 蚀试件损伤发展比较均匀，而受蚀混凝土损伤发展较 石膏、钙矾石等晶体填充 (a) (b) g (④ 图5受蚀试件的外观形貌演化 Fig.5 Physical appearance of corroded concrete 1.4r L.1 0.8 A 0.5 能谱图1 原子百分比：A=7.43% :Si=16.02% 0.3 Mg Ca=20.089% 12345678910111213 能量/keV (a) .4 0 0.8 能谱图2 05 原子百分比：A1=5.60% Si=10.79% 0.3 Mg S-4.57% Ca=15.80% 0 4 68 101214 能量/keV 图6试件腐蚀前后的微观结构和能谱分析.(a)0d:(b)80d Fig.6 ESEM images and EDX spectra of concrete before and after erosion.(a)0d:(b)80d

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 图 4 受蚀混凝土受荷损伤模型演化曲线 Fig． 4 Damage model evolution curves of corroded concrete 值 Dm为负数) ，腐蚀 40 d 和 80 d 时对应的初始损伤分 别增大到 0. 055 和 0. 261． 随着应变的逐渐增大，未腐 蚀试件损伤发展比较均匀，而受蚀混凝土损伤发展较 快，在较小应力水平下损伤突然加速发展，且随着腐蚀 加剧，损伤度急剧增大的拐点也愈早到达( 图4 中虚线 所示) ，这是由于腐蚀引起混凝土内部微缺陷不断增 加，在较小应力水平下即产生局部破坏． 2. 4 混凝土腐蚀劣化的微观机理分析 如图 5 所示，腐蚀初期，试件棱角开始酥松，轻微 劣化( 图 5( a) ) ，随着腐蚀的进行，细小的裂纹从棱边 向内部延伸( 图 5( b) ) ，裂纹逐渐拓宽增多，棱角受损 加重，伴有软化剥落( 图 5( c) ) ，直到出现粗大、贯通裂 缝( 图 5( d) ) ． 图 6 为腐蚀前后试件的微观结构． 可以看出，未 受硫酸盐腐蚀的混凝土存在大量的水化产物 C—S— H 凝胶，结构完整、密实． 腐蚀 80 d 时，试件内部裂缝 增多，局部可见明显的贯通裂缝，裂缝和孔隙被大量的 石膏、钙矾石等晶体填充． 图 5 受蚀试件的外观形貌演化 Fig． 5 Physical appearance of corroded concrete 图 6 试件腐蚀前后的微观结构和能谱分析． ( a) 0 d; ( b) 80 d Fig． 6 ESEM images and EDX spectra of concrete before and after erosion． ( a) 0 d; ( b) 80 d · 9701 ·