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陈 波，袁志颖，陈家林，徐 波
（1.河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098；
2.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098；
3.扬州大学 水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009）
蒸汽养护是混凝土预制构件生产时常用的养护方式，它能显著提高混凝土的早期强度，加快模具周转速率，从而提高施工效率［1-2］.但是，蒸汽养护下的高温、高湿条件会造成混凝土内部孔隙粗化、膨胀变形及脆性增大等热损伤效应，对混凝土的抗冻耐久性不利［3-5］.国内外学者对混凝土抗冻性进行了大量的研究，也取得了不少成果［6-10］.然而，目前混凝土抗冻性研究主要是针对常温养护的混凝土，蒸汽养护混凝土的抗冻性并未受到相应重视，尤其是对冻融循环下蒸汽养护混凝土的应力应变行为及冻融循环作用造成的材料耐久性损伤认识不足.
混凝土材料受外荷载作用发生变形破坏时，常伴随着声发射现象，其声发射信号蕴含着混凝土内部破裂过程的丰富信息.依据声发射信号特征参数可对冻融循环后混凝土内部损伤动态演化过程进行实时监测［11］.
本文通过开展不同蒸汽养护制度下混凝土的冻融循环试验，探究了蒸汽养护混凝土在不同冻融循环次数下的物理力学性能变化规律，并通过单轴压缩-声发射试验，分析了不同冻融循环次数下蒸汽养护混凝土声发射参数动态变化特征.同时，依据声发射累计事件数，并结合损伤力学基本理论，建立了冻融循环下蒸汽养护混凝土受压损伤本构模型，定量评价了不同蒸汽养护制度下混凝土的抗冻性能，以期为蒸汽养护混凝土冻融环境健康服役提供技术支撑.
1.1 原材料
P·O 42.5 普通硅酸盐水泥（C）；
Ⅱ级粉煤灰（FA）；
S95 型矿渣粉（GGBS）；
粗骨料采用直径为5～25 mm 连续颗粒级配碎石（CA）；
细骨料采用天然河砂（S），级配符合Ⅱ区要求，细度模数为2.5；
减水剂为高效聚羧酸型减水剂（WR），减水率（质量分数，本文涉及的掺量、比值等均为质量分数或质量比）达30%以上.
1.2 试件的配合比与养护制度
试件的水灰比为0.3，配合比mC∶mFA∶mGGBS∶mWR∶mCA∶mS=241.50∶144.90∶96.60∶3.42∶957.00∶815.00.对浇筑成型后的试件分别进行标准养护和蒸汽养护.蒸汽养护制度为：试件在标准养护室静停3 h 后，放入蒸汽养护箱中，设置蒸汽养护温度t为40、60、80 ℃，升温、降温速率均为15～20 ℃/h，恒温时间为12 h，养护结束后脱模.将标准养护和蒸汽养护试件放入标准养护室养护至28 d 龄期，从养护箱中取出，放置在室内自然条件下继续养护至180 d.根据蒸汽养护温度，将蒸汽养护试件命名为ZF-40、ZF-60、ZF-80；
标准养护试件命名为BF.
1.3 试验方法
1.3.1 冻融循环试验
采用CABR-HDK 型快速冻融试验机，根据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法标准》中的快冻法进行蒸汽养护混凝土冻融循环试验.试验设定冻融循环次数n=0、40、80、120、160 次，每40 次循环结束后进行质量、弹性模量、抗压强度测试.质量和弹性模量测试试件均为100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱体，抗压强度测试试件为100 mm×100 mm×100 mm 的立方体.
1.3.2 单轴压缩-声发射试验
蒸汽养护混凝土单轴抗压试验采用WAW-1000电液伺服万能试验机，加载方式为荷载控制.综合考虑电液伺服万能试验机的性质和SL352—2006《水工混凝土试验规程》的要求，设置常规加载速率为3 kN/s.
声发射采集系统采用美国生产的Sensor Highway Ⅲ型声发射仪，前置放大器增益选为40 dB.为提高数据的可靠性和定位的准确性，在混凝土试件侧面对称布置4 个传感器（见图1）.
图1 传感器布置示意图Fig.1 Schematic diagram of sensor layout（size：mm）
2.1 物理力学性能分析
不同冻融循环次数下混凝土的质量损失率和抗压强度损失率见图2.由图2（a）可见：当n＜40 次时，混凝土的质量随冻融循环次数的增加而增大，这主要是由于冻融循环初期混凝土内部孔隙吸收水分的质量大于冻融损失的质量，因而在宏观上表现为混凝土质量增加；
当n＞40 次时，混凝土的质量逐渐开始减小，这是因为随着冻融循环次数的增加，混凝土表面逐渐开始剥落，冻融质量损失增大，超过了孔隙吸收水分的质量，导致混凝土质量开始降低；
随着蒸汽养护温度的升高，冻融循环后期混凝土的质量损失率增大，这主要是因为蒸汽养护温度越高，与初始静置温度（20 ℃）的温差越大，混凝土内部孔隙结构越粗化，产生的裂缝就越多，在冻融循环后期损失的质量就越大.由图2（b）可见：蒸汽养护温度为60、80 ℃时，蒸汽养护混凝土在经历不同冻融循环次数后，其强度损失率远高于标准养护混凝土，如n=80次时，60、80 ℃蒸汽养护混凝土的强度损失率分别比标准养护混凝土高7.89%、10.20%；
40 ℃蒸汽养护混凝土的强度损失率与标准养护混凝土相差不大.这主要是因为过高的蒸汽养护温度使混凝土内部有害孔增多，对孔隙结构的破坏增加，结晶度降低，导致界面过渡区性能变差，混凝土抗冻性能下降.
图2 不同冻融循环次数下混凝土的质量损失率和强度损失率Fig.2 Mass loss rate and strength loss rate of concretes under different freeze-thaw cycles
2.2 声发射特征分析
不同冻融循环次数下试件ZF-60 的声发射特征参数见图3（图中：NR为振铃计数；
N为声发射累计事件数；
L为荷载）.由图3 可见：不同冻融循环次数下，混凝土振铃计数随着荷载的增加而发生变化，呈现出试验初期振铃计数增加较快、随后增加速率减缓、接近破坏时振铃计数突增的三阶段规律；
混凝土声发射累计事件数峰值随着冻融循环次数的增加先增大后减小，n=80 次时其达到最大值，这是因为随着冻融循环次数的增加，混凝土内部微裂隙的数量不断增加，微裂隙受压破坏时不断释放出弹性波，从而使产生的事件数增多，而到冻融循环后期，微裂隙不断汇聚、贯通，混凝土强度迅速降低，累积的能量不断提前释放，因而在受压过程中传感器捕捉到的声发射事件数变少.
图3 不同冻融循环次数下试件ZF-60 的声发射特征参数Fig.3 Acoustic emission characteristic parameters of specimen ZF-60 under different freeze-thaw cycles
将混凝土冻融循环后的受压破坏过程分为接触期（Ⅰ）、平静期（Ⅱ）、陡增期（Ⅲ）三阶段.不同阶段试件ZF-60 振铃计数的平均值见表1.由表1 可见：冻融循环作用下，不同阶段混凝土的声发射振铃计数平均值有较大差异.
表1 不同阶段试件ZF-60 振铃计数的平均值Table 1 Average value of ringing counts of specimen ZF-60 at different stages
（1）接触期 接触期主要发生在受压初始阶段，此时振铃计数增加较快，持续时间较短，混凝土表面基本没有变化.这主要是由于压缩试验机加载板和试件刚接触时，二者之间存在少量空隙，在惯性作用下导致瞬时应力过大，且在加载阶段初期，混凝土内部已有部分孔隙被压密，因而产生了振铃计数增加较快的现象.
（2）平静期 随着荷载的逐渐增大，冻融损伤产生的微裂隙在混凝土局部迅速扩展，在主应力和次生应力作用下不断聚合、贯通，矿物颗粒间的连接破坏，累积的能量不断释放，混凝土内部损伤程度加剧.同时在试验过程中可观察到混凝土表面出现掉屑情况，且冻融循环次数越多，其掉屑情况越严重.
（3）陡增期 随着受压过程的继续进行，试件内部裂隙迅速发展，声发射活动异常活跃，振铃计数陡增，同时可观察到试件表面掉屑非常严重，表明混凝土内部损伤已接近极限.在荷载接近峰值荷载时，试件内部裂缝迅速扩展至表面，形成可见的宏观裂缝，同时可听见混凝土发出剧烈的破裂声，并伴有大量碎片飞出，试件发生破坏.陡增期内振铃计数发生突变，是损伤传导和加剧的重要参照.陡增期是冻融循环下蒸汽养护混凝土强度破坏时间域的前兆信息，此阶段需密切关注监测范围内混凝土结构的稳定状态.
相对声发射累计事件数Nr为声发射累计事件数与总声发射累计事件数的比值；
相对峰值应力σr为应力σ与峰值应力的比值.不同冻融循环次数下试件ZF-60 平静期-陡增期分界点的特征参数见表2.由表2 可见，当n=0～160 次时，分界点处相对声发射累计事件数从30.37%增加到71.39%，相对峰值应力从0.83 增加到0.91，二者均随着冻融循环次数的增加而增大，这表明平静期-陡增期分界点随着冻融循环次数的增加在时间上发生后移.
表2 不同冻融循环次数下试件ZF-60 平静期-陡增期分界点的特征参数Table 2 Characteristic parameters of the boundary point between calm stage and the stage of specimen ZF-60 under different freeze-thaw cycles
声发射幅值可以表征混凝土局部损伤的剧烈程度，当某处损伤越剧烈时，所产生的幅值越高，幅值信号越密集.不同冻融循环次数下试件ZF-60 的声发射幅值信号图见图4.由图4 可见：加载过程中试件ZF-60 的声发射幅值信号存在明显的阶段性，这些现象与声发射振铃计数表现出来的规律一致；
在接触期内，由于瞬时应力的作用以及孔隙的闭合与基质之间的接触磨擦，此阶段声发射幅值信号较为密集；
在平静期内，混凝土内部主要表现为微裂隙的连通和扩展，损伤程度增加但并未发生明显破坏，此阶段声发射幅值信号较为稀疏；
在陡增期内，裂隙迅速发展形成可见的宏观裂缝，并伴随剧烈的结构性损伤，此阶段声发射幅值信号迅速增强，达到峰值.
图4 不同冻融循环次数下试件ZF-60 的声发射幅值信号图Fig.4 Acoustic emission amplitude signal diagrams of specimen ZF-60 under different freeze-thaw cycles
2.3 受压损伤本构模型
2.3.1 声发射累计事件数与受压损伤模型的建立
Ohtsu［12］通过对混凝土声发射机理的分析，认为混凝土声发射累计事件数N与应力σ之间存在如下关系：
式中：c为积分常量；
a、b为与混凝土材料损伤特性相关的参数.
纪洪广等［13］研究发现，在受压过程中，混凝土由荷载引起的损伤变量Dc与声发射累计事件数N成正比：
式中：k为比例系数.
龙广成等［14］指出，在冻融条件下，混凝土总损伤变量D包括冻融损伤变量Di和荷载引起的损伤变量Dc：
同时，根据宏观唯象损伤力学，混凝土宏观物理力学性能能够代表内部劣化程度，将材料的总损伤变量D定义为［15］：
式中：E(σ)为受压过程中不同应力状态下混凝土的动弹性模量；
E0为混凝土受压前的初始动弹性模量.
由Lemaitre 应变等价性假说可知，应力σ作用在损伤材料上产生的应变与有效应力作用在无损材料上引起的应变等价，联立式（1）、（3）、（4），得到冻融循环后蒸汽养护混凝土的受压损伤本构模型：
式中：ε为应变.
2.3.2 冻融循环下蒸汽养护混凝土受压损伤本构模型的验证
以试件ZF-60 为例，根据试验所得蒸汽养护混凝土声发射累计事件数和应力参数，通过式（1）对不同蒸汽养护制度下的数据进行拟合分析.n=0 次时，试件ZF-60 的初始冻融损伤变量Di0=0，将拟合所得参数a、b、c值代入式（5），再与实测应力-应变数据进行拟合，得到E0=4.2×104MPa，k=1.23×10-6，相关系数R2=0.978.将E0值代入式（5），即可得不同冻融循环次数下蒸汽养护混凝土的受压损伤本构模型.分别将n=40、80、120、160 次时的混凝土试件应力-应变数据与式（5）进行拟合分析，求出不同冻融循环次数下混凝土受压损伤本构模型的Di和参数k，并联立式（3）建立蒸汽养护混凝土受压损伤演化方程.不同冻融循环次数下试件ZF-60 的受压损伤演化过程见图5.由图5 可见：受压前期，蒸汽养护混凝土损伤演化较为缓慢；
当相对峰值应力达到0.8 以后，蒸汽养护混凝土损伤发展较为迅速；
峰值应力处总损伤变量D达到最大值.
图5 不同冻融循环次数下试件ZF-60 的受压损伤演化过程Fig.5 Evolution process of specimen ZF-60 compression damage under different freeze-thaw cycles
同样，通过上述方法分别建立了试件BF、ZF-40、ZF-80 在不同冻融循环次数下的受压损伤本构模型，且其模型拟合相关系数R2均在0.919～0.992.由此可见，通过声发射累计事件数所建立的蒸汽养护混凝土受压损伤本构模型与实测应力-应变数据具有良好的相关性，可较好地描述冻融循环作用后混凝土应力应变关系.
2.3.3 不同蒸汽养护制度下混凝土的冻融损伤评价
为进一步评价不同蒸汽养护制度下混凝土的冻融损伤，通过前文建立的受压损伤本构模型，求出相对峰值应力为0 时受压损伤本构模型的初始冻融损伤变量Di0，根据其值可以定量评价混凝土的冻融损伤状态.不同蒸汽养护制度下混凝土的初始冻融损伤变量见图6.由图6 可见：随着冻融循环次数的增加，不同蒸汽养护制度下试件的初始冻融损伤变量值增大；
与标准养护混凝土相比，60、80 ℃蒸汽养护混凝土在不同冻融循环次数下的初始冻融损伤变量值均更高，且差异较为明显，这表明在该温度下进行蒸汽养护不利于混凝土抗冻性能发展；
40 ℃蒸汽养护混凝土在不同冻融循环次数下初始冻融损伤变量值与标准养护混凝土相近，二者抗冻性能无明显差异.
图6 不同蒸汽养护制度下混凝土的初始冻融损伤变量Fig.6 Di0 of concretes under different steamcuring systerms
（1）根据声发射振铃计数变化，可将冻融循环后蒸汽养护混凝土受压破坏过程分为接触期、平静期、陡增期三阶段，声发射幅值变化规律与振铃计数变化规律相同.随着冻融循环次数的增加，平静期-陡增期分界点在时间上发生后移，混凝土声发射累计事件数峰值先增大后减小.
（2）通过声发射累计事件数建立的受压损伤本构模型可较好地表征蒸汽养护混凝土在初始冻融损伤后，其单轴抗压应力与损伤程度之间的关系，实现了对蒸汽养护混凝土损伤定量分析.在受压过程前期，蒸汽养护混凝土损伤发展较为缓慢；
当相对峰值应力达到0.8 以后，蒸汽养护混凝土损伤发展较为迅速，直至受压破坏.
（3）基于声发射累计事件数建立的初始冻融损伤变量Di0变化规律表明，60、80 ℃蒸汽养护温度不利于混凝土抗冻性能发展；
40 ℃蒸汽养护混凝土与标准养护混凝土抗冻性能无明显差异.
