使用声发射技术对混杂钢-聚烯烃纤维增强再生骨料混凝土的损伤监测

《Fibers》：Damage Monitoring in Recycled Aggregate Concrete Reinforced with Hybrid Steel–Polyolefin Fibers Using Acoustic Emission Technique

　　

研究了含有100%再生混凝土骨料（RCA）的可持续混凝土（SC）在混杂钢纤维和聚烯烃纤维联合作用下的力学性能和实时损伤演化。受到解决建筑垃圾对环境的巨大影响以及提高低等级RCA较低力学性能的启发，研究人员研究了在RCA内结合高刚度钩端钢纤维和柔性大尺寸聚烯烃纤维的效果。考虑了六种不同的配合比：普通、单纤维（100%钢和100%聚烯烃）和三种混杂复合材料，钢/聚烯烃纤维比例分别为25/75、50/50和75/25。通过力学测试确定抗压、抗拉和抗弯强度。在压缩测试期间，使用低成本声发射（AE）作为无损技术监测损伤演化。采用累计撞击分析、振幅分布和统计b值参数进行损伤表征。结果表明，钢纤维显著提高了抗压强度（最高增加13.8%），50/50混杂混合物表现出高协同效应，获得了最高的抗拉（4.86 MPa）和抗弯（25.54 MPa）强度。AE分析识别出不同的损伤指纹：基于振幅分析，钢纤维复合材料表现出高振幅事件（可能归因于纤维拔出）；聚烯烃纤维复合材料产生中振幅事件（可能由分布式微裂纹导致）；混杂混合物表现出混合振幅分布。b值分析提供了渐进损伤的见解，并揭示了混杂纤维诱导稳定、弥散的损伤，防止了普通再生骨料混凝土（RAC）的脆性破坏。结果表明，混杂纤维增强可以是提高RAC力学性能和抗裂性的可靠方法。此外，低成本声发射（AE）可作为监测材料内损伤进展的有效无损方法。

论文解读文章

研究背景方面，建筑垃圾（CDW）的大量产生对生态环境造成巨大压力，将建筑垃圾再生骨料用于混凝土生产可缓解天然骨料资源短缺并减少环境污染。然而，再生骨料混凝土（RAC）因旧砂浆附着导致孔隙率高、吸水率大、密度低，其力学性能（如抗压、抗拉强度）和耐久性显著低于天然骨料混凝土，这限制了RAC在高强结构中的应用。现有研究通过预处理再生骨料（如机械、热、化学处理）、添加辅助胶凝材料及掺入纤维等方式提升RAC性能。其中，钢纤维对RAC力学性能的改善效果最为显著，但钢纤维存在腐蚀问题；聚烯烃纤维（柔性）则能提升韧性和抗裂性。单独使用一种纤维在提升RAC综合性能方面仍存在局限，而混杂纤维（钢-聚烯烃）有望通过协同作用平衡强度与韧性。然而，由于RAC的复杂微观结构及纤维增强特性，传统损伤检测方法（如目视检查、应变片）难以实时捕捉内部微裂纹萌生与扩展。针对这一需求，声发射（AE）技术作为一种无损检测（NDE）方法，能够高精度监测材料内部损伤的起始与演化，并通过波形参数（如振幅、上升时间、频率）识别失效模式。本研究旨在利用低成本压电晶片主动传感器（PWAS）作为AE传感器，研究混杂钢-聚烯烃纤维对100%替换RCA的RAC力学性能及损伤演化的影响，验证AE监测的有效性。该论文发表在《Fibers》。

研究方法方面，研究人员设计了六种配合比：普通混凝土（C000）、100%钢纤维（S100）、100%聚烯烃纤维（P100）以及三种混杂比例（P025：75%钢+25%聚烯烃；P050：50%钢+50%聚烯烃；P075：25%钢+75%聚烯烃），纤维总体积分数固定为1%。原材料包括钩端钢纤维、宏观聚烯烃纤维、波特兰I型水泥、砂、再生粗骨料（RCA，粒径4.75–12.5 mm，来自巴斯大学土木工程系实验室的废弃混凝土试块，抗压强度25–35 MPa）及超塑化剂。所有RCA使用前经饱和面干处理以弥补高吸水率。通过力学测试测定立方体抗压强度（f_cu）、圆柱体抗压强度（f'_c）、劈裂抗拉强度（f_ct）和抗弯强度（f_t）。在压缩加载过程中，采用单个PWAS传感器（中心频率20–200 kHz）粘贴于试件侧面，通过笔记本电脑内置声卡（采样频率48 kHz，触发阈值0.005 V）采集AE信号。利用累计撞击分析、振幅分布分类（低<0.1 V、中0.1–0.6 V、高>0.6 V）以及基于最大似然估计（MLE）的b值分析表征损伤演化。

研究结果保留原文小标题如下：

3.1 Mechanical Properties Analysis（力学性能分析）
通过力学测试得出各配合比的抗压、抗拉和抗弯强度值。结果表明：S100（100%钢纤维）获得最高抗压强度（f_cu=41.45 MPa，f'_c=34.54 MPa），相比C000（36.41/30.34 MPa）提高约13.8%；P100（100%聚烯烃纤维）抗压强度略有提升（37.48/31.23 MPa）；混杂混合物中，随聚烯烃纤维比例增加，抗压强度逐渐下降，说明钢纤维主导抗压性能。在抗拉强度方面，S100为4.30 MPa，P100为3.47 MPa，而P050（50/50混杂）达到最高值4.86 MPa，表明钢纤维与聚烯烃纤维在抗拉时产生协同效应——钢纤维提高峰值荷载，聚烯烃纤维增强延性与能量吸收。抗弯强度趋势与抗拉一致：P050获得最大值25.54 MPa（较C000的16.13 MPa提高58.3%），证实混杂纤维在弯曲荷载下同样能有效改善抗裂性能。

3.2 Acoustic Emission（声发射分析）
通过AE信号分析揭示不同纤维增强RAC的损伤演化过程。累计撞击曲线显示：C000（普通RAC）呈现典型脆性——弹性阶段AE活动低，随后在后期出现指数级撞击突增，对应宏观裂纹不稳定扩展至破坏。S100（钢纤维）的AE活动在峰值荷载附近及之后显著增加，代表钢纤维的桥接、脱粘及拔出等耗能机制，表现出延性破坏。P100（聚烯烃纤维）的AE累计曲线呈平滑线性增加，表明分布式微裂纹持续扩展，由大量中等振幅事件（纤维摩擦拔出）主导，显示伪延性。混杂试样（P050、P075、P025）的AE特征介于两者之间：P050在峰值荷载前出现中振幅与高振幅混合活动，峰值后持续活跃，体现两种纤维的协同；P075偏向聚烯烃特征（分布式损伤），但钢纤维贡献了部分高振幅事件；P025偏向钢纤维特征（高振幅事件集中），但聚烯烃纤维提高了中等振幅活动基线，增强损伤分散性。振幅分布分析进一步验证：钢纤维导致大量高振幅事件（>0.6 V），聚烯烃纤维产生巨量中振幅事件（0.1–0.6 V），混杂混合物则展现两者的混合分布。

3.3 Crack Evolution（裂纹演化分析）
采用b值分析（基于AE振幅分布的统计参数）评估损伤类型与演化趋势。高b值（>1.5）代表低能量事件主导（分布式微损伤）；低b值（<1.0）代表高能量事件主导（局部化大裂纹）。C000的b值大幅波动，早期即降至0.63，后期骤升至2.63后突然崩塌，预示脆性破坏。S100的b值持续较低（0.63–1.26），反映钢纤维拔出产生的离散高能量事件，但无灾难性下降，表明延性控制。P100的b值从初始1.61下降至0.73（40%寿命），随后单调回升至1.71，表明微裂纹萌发后纤维拔出过程产生大量低-中能量事件，损伤均匀化。P050的b值呈现先高后降再恢复稳定的模式，体现聚烯烃纤维的分布式损伤与钢纤维的局部化损伤协同。P075以聚烯烃为主，b值稳定在中等偏高水平（0.92–1.32）；P025以钢纤维为主，b值早期快速下降后缓慢恢复。这些结果表明，聚烯烃纤维提高b值（促进分布式损伤），钢纤维降低b值（导致局部损伤），混杂纤维可实现稳定、可控的损伤演化，防止脆性破坏。

总结讨论部分：研究人员指出，b值分析是损伤演化和失效行为的敏感指标。普通RAC呈现脆性断裂，而纤维增强混合物（尤其混杂体系）表现出更稳定的b值响应和增强的延性破坏行为。混杂纤维系统通过聚烯烃纤维的分布式微裂纹控制与钢纤维的局部桥接，实现了损伤的稳定化。低成本PWAS基AE监测与传统力学测试的结合，为理解损伤机制提供了深入洞察。

研究结论翻译如下：本研究表明，混杂钢-聚烯烃纤维组合为优化使用100%再生混凝土骨料（RCA）的混凝土力学性能提供了一种有效且可持续的解决方案。将低成本PWAS基声发射监测与传统力学测试相结合，为潜在的损伤机制、失效模式和损伤演化提供了深入见解。测试结果表明，混杂纤维增强提高了再生骨料混凝土（RAC）的性能。钢纤维提高了抗压强度，而50%钢与50%聚烯烃的混杂混合物获得了最大的抗拉和抗弯强度。声发射（AE）监测识别了失效模式：钢纤维增强混合物以与纤维脱粘和拔出相关的高振幅AE信号为特征，而聚烯烃纤维产生了大量与分布式微裂纹和界面摩擦滑移相关的中振幅事件。此外，b值分析是损伤演化和失效行为的敏感指标。普通RAC呈现脆性断裂；与普通RAC相比，纤维增强混合物表现出改善的b值响应，反映了更稳定的损伤演化和增强的延性破坏行为，尤其对于混杂纤维系统。这种组合方法为现代建筑应用中高性能、生态可持续混凝土的设计、评估和结构健康监测提供了有力工具。