基于声发射与数字图像相关技术对增强型超高压水凝胶梁弯曲与断裂行为的研究

《Construction and Building Materials》：Study on bending and fracture behavior of reinforced UHPMC beams based on acoustic emission and digital image correlation monitoring

　　摘要：采用机制砂替代石英砂制成的超高性能机制砂混凝土是一种新型的环保高强建筑材料。然而，对于以机制砂代替石英砂制成的UHPMC梁，不同配筋率及钢筋强度对其抗弯性能的影响尚不明确。为阐明配筋UHPMC梁的破坏机制与抗弯性能，本研究结合声发射技术与数字图像相关技术，分析了不同配筋率（0.6%、1.24%、2.07%、3.14%和10.02%）及钢筋强度（HRB400、HRB500、HRB600）对梁的破坏模式、能量耗散、延性、刚度衰减及裂纹扩展规律的影响。试验结果表明，提高配筋率与钢筋强度可提升UHPMC梁的屈服荷载、极限荷载及能量消耗，但会降低其延性。较高的配筋率与强度有助于延缓刚度衰减并改善裂纹控制，从而在相同裂纹宽度下承受更大荷载。在合理配筋范围内，较高配筋率可促进应力均匀分布，使裂纹从宽大变为细密，但也会增加弹性应变能，导致最终断裂时出现强烈的声发射信号及损伤集中现象（信息熵降低），同时还能抑制拉裂裂纹，促使裂纹更早转变为剪裂裂纹。较高的钢筋强度则能延迟材料屈服，使损伤分散在多个微裂纹中，实现逐步能量耗散及更随机的破坏过程（信息熵波动加剧），并在高应力作用下产生额外的剪裂裂纹。因此，合理匹配配筋率与钢筋强度既能保证结构的承载能力，又能提升其使用性能，为安全经济的结构设计提供依据。

引言：超高性能混凝土具有优异的工作性、超高强度、出色的耐久性以及良好的延性与韧性[1]–[6]，这些特性使其成为提升建筑物及基础设施结构抗灾能力与使用寿命的关键材料[7]–[9]。相较于普通混凝土，UHPC具有更高的承载能力，因此可在不影响结构安全的前提下大幅减小构件截面尺寸及整体自重[10]，这一优势使其被广泛应用于各种苛刻场景，如大跨度桥梁的轻量化桥面[11]–[12]、复杂的建筑立面系统[13]，以及重要结构构件的加固与修复[14]。传统UHPC混合料由水泥、硅灰、石英粉、石英砂和钢纤维组成[15]–[17]，其中石英砂作为主要骨料，对形成致密微观结构至关重要。然而，石英砂的破碎加工会产生含有有害硅质物质（如石棉）的超细粉尘，对生产人员健康构成严重威胁[18]–[19]，国际癌症研究机构更是将工作场所中的可吸入石英粉尘列为1类致癌物[20]。因此，寻找能够满足UHPC强度要求的新型绿色骨料已成为近年来的研究热点。

机制砂是通过机械破碎与筛分工艺得到的岩石骨料，其颗粒尺寸小于4.75毫米[21]–[23]，原料来源于各类岩石、尾矿及挖掘废料[24]。与从特定石英岩矿中开采的石英砂相比，机制砂可就地取材，既降低了采矿与运输成本，又减少了石英砂生产带来的环境负担[25]–[26]。此外，机制砂经过破碎处理后形成的颗粒粗糙且棱角分明，与水泥浆体的粘结强度更高[27]–[28]。大量研究表明，用机制砂制备的UHPC具备优异的力学性能与工作性，例如Shen等人[29]通过优化机制砂级配成功制备出符合强度要求的UHPC，证明了用机制砂替代石英砂作为UHPC骨料的可行性；Yang等人[30]则通过部分替代天然砂来制备UHPC并系统评估了其性能，发现即便替代比例高达50%，机制砂对UHPC的水化反应及孔结构影响甚微。由于机制砂颗粒表面粗糙，其与水泥基体的粘结强度高于天然砂。Donza的研究[31]表明，机制砂凭借其棱角分明的特征，能够促进骨料间有效咬合，增强颗粒与水泥浆体的粘附力[32]–[33]，进而提升UHPMC的整体强度，尤其是抗弯抗拉强度表现更为突出。上述研究均证实，机制砂可作为石英砂的有效替代品，用于制备满足力学性能要求的UHPMC，为减轻环境压力及降低骨料生产成本提供了材料层面的解决方案。

在实际承重结构中，为充分发挥UHPC的高强度与高韧性优势，通常会将其与钢筋结合形成复合结构[34]–[39]。例如Li等人[40]通过拔出试验研究了高强度钢棒与超高性能纤维增强混凝土之间的粘结行为，发现钢纤维可通过桥接效应提升粘结强度，使得UHPFRC试件的粘结强度高于普通混凝土试件；Qiu等人[41]则研究了加筋螺纹钢的UHPC梁的抗弯性能，实验结果显示此类梁的刚度、抗弯能力及延性均有显著提升。Said等人[42]–[44]则研究了FRP与钢棒混合加筋的混凝土梁的抗弯行为，结果表明这种混合加筋方式能够结合FRP的高强度与钢材的延性，大幅提高梁的极限承载能力、延性及抗腐蚀性能。Cao等人[45]通过采用HRB400钢筋加筋来提升UHPC梁的抗弯强度与断裂韧性，且这种提升效果不受梁尺寸的影响。现有研究大多聚焦于钢棒加筋UHPC梁的力学性能与破坏模式，可以推断，作为钢筋混凝土结构设计核心参数的配筋率与钢筋强度，直接决定了结构构件的承载能力、变形能力及破坏模式。目前关于UHPMC的研究主要集中在基体组成及基本力学性能方面，如纤维含量[46]、水胶比[47]及石粉含量[48]，但对于两大核心结构设计参数——配筋率与钢筋强度——如何影响UHPMC梁的抗弯能力、裂纹发展、延性及破坏模式，仍缺乏系统的研究。

声发射是一种物理现象，当材料或结构内部发生变化或损伤时，局部能量释放会引发瞬态弹性波的产生[49]。由于其具备实时监测能力、覆盖范围广且检测灵敏度高的优点，声发射技术已成为结构健康监测的重要手段，可用于实时追踪正常使用状态下的内部损伤发展过程，已被广泛应用于混凝土损伤检测领域[50]–[52]。数字图像相关技术则是一种数字图像处理方法，通过对比加载前后的图像来分析测量全场位移与应变。该技术操作简单、测量精度高、适应性强且能够实现全场测量，已被广泛应用于观察表面裂纹的萌生与扩展过程[53]–[54]。近年来，有大量研究分别利用声发射或数字图像相关技术来监测UHPC材料与构件的损伤发展情况，例如Li等人[55]通过声发射参数分析（如振幅、RA值、AF值）表征了UHPC在受弯作用下的开裂模式（拉裂与剪裂）及纤维桥接效应，发现声发射计数与多裂纹发展过程具有良好的相关性；Pream等人[55]则运用声发射层析技术定位UHPC梁内部的微裂纹扩展路径，揭示了钢纤维含量对损伤分布的影响。同样，Wang等人[56]利用数字图像相关技术定量分析了UHPC试件表面裂纹宽度及应变局部的演变过程，成功识别出了从分布式微裂纹向局部化宏观裂纹的转变过程。Dadmand等人[57]则跟踪了UHPC梁在四点弯曲过程中的全场位移，发现基于数字图像相关技术得到的应变图能够有效预测裂纹的萌生位置与扩展路径。

鉴于声发射对内部微损伤敏感、数字图像相关技术能够实现全场表面变形测量的互补优势，已有部分研究将这两种技术结合使用，以更全面地了解水泥基复合材料的损伤机制。声发射与数字图像相关技术的结合使得研究人员能够相互验证研究结果，从而更精准地探究钢筋混凝土结构的损伤机制，这种集成方法有助于实现有效的损伤定位与早期损伤预警。例如Zhou等人[58]通过声发射与数字图像相关技术实时观测了混凝土梁中宏观裂纹与内部微裂纹的发展情况，阐明了钢纤维含量对梁的四点弯曲性能及韧性的影响；Ashraf等人[59]则将声发射的断裂识别功能与数字图像相关技术相结合，研究了聚烯烃纤维与钢纤维增强混凝土的损伤定位及其演变过程。针对UHPC而言，Xu等人[60]结合声发射与数字图像相关技术监测了UHPC的多裂纹发展过程，并能够实时同步识别内部损伤源；Zhan等人[61]则利用这两种技术研究了弯曲疲劳损伤过程，发现累积声发射能量与基于数字图像相关技术得到的裂纹开口位移之间存在较强的线性关系，可用于残余寿命预测。Yao等人[62]通过这种集成技术评估了钢棒与UHPC基体之间的粘结滑移行为，发现声发射信号能够比数字图像相关技术所捕捉到的可见表面裂纹更早地检测到粘结失效的起始阶段。尽管取得了这些进展，现有研究大多集中在含有传统骨料（如石英砂或天然砂）的UHPC上，而针对在不同配筋率及钢筋强度条件下配筋UHPMC的损伤与开裂行为，很少有研究采用声发射与数字图像相关技术相结合的方法进行探讨。

综上所述，对于以机制砂替代石英砂制成的UHPMC梁，不同配筋率及钢筋强度等级对其抗弯性能的影响尚未明确，同时也缺乏能够完整反映在这些不同参数作用下从内部微裂纹发展到表面宏观裂纹的全过程损伤监测研究。为弥补这些不足，本研究开展了结合声发射与数字图像相关技术的四点弯曲试验，从以下三个方面作出创新性贡献：（1）系统分析了不同配筋率（0.6%–10.02%）及钢筋强度等级（HRB400、HRB500、HRB600）对UHPMC梁抗弯性能的影响，包括破坏模式、延性、刚度衰减、能量耗散及裂纹宽度控制情况，为了解UHPMC在受弯作用下的材料-结构相互作用提供了初步依据；（2）联合应用声发射与数字图像相关技术，全程监测UHPMC梁的抗弯损伤发展过程，实现了从内部微裂纹萌生到表面宏观裂纹扩展的跨尺度协同观测，有助于更直观地理解钢筋与UHPMC基体之间的协同力学作用机制；（3）研究了声发射信息熵的下降特征，探讨其在判断合理配筋下的破坏模式方面的潜在参考价值，同时采用RA-AF聚类分析方法定量区分拉裂裂纹与剪裂裂纹的演化比例，揭示了配筋率与钢筋强度等级对裂纹模式转变的影响，为类似结构的损伤预警及破坏模式识别提供了新的分析思路。

原材料与配合比：本研究使用的主要水泥基材料包括波特兰水泥（P·O 52.5）、粒径范围为0.02–2000微米的硅灰，以及平均粒径为10微米的石英粉，这些水泥基材料的物理性质详见表1。作为细骨料使用的机制砂经过筛分处理，其粒径控制在0.15毫米至1.18毫米之间，筛分前的物理特性见表2。图1展示了UHPMC的微观结构。

UHPMC的破坏模式与裂纹扩展：图10与图11呈现了七根加筋UHPMC试验梁的裂纹扩展规律。从破坏模式来看，配筋率起着主导作用。配筋率过低的梁（D10-S0.6%?400）表现出欠配筋破坏的特征，即受拉钢筋先发生断裂，而压应力区并未出现压碎现象。不过，由于钢纤维在声发射能量图和数字图像相关技术图中的桥接作用，其破坏过程仍保留了一定程度的延性。通过将声发射能量图与数字图像相关技术图结合，可以明确损伤发展过程，并将其与宏观效应相关联。根据荷载-位移曲线和数字图像相关技术图，声发射能量图可划分为三个阶段：无裂缝阶段（第一阶段）、裂缝扩展阶段（第二阶段），以及从屈服到破坏的阶段（第三阶段）。第一阶段和第二阶段对应于荷载-位移曲线中的弹性阶段，而第三阶段则涵盖了后续的破坏过程。

结论
本研究通过四点弯曲试验，系统研究了配筋率和钢筋强度对超高分子量聚合物混凝土梁的抗弯性能及破坏行为的影响。通过结合宏观力学响应、裂缝发展观测，以及利用声发射技术和数字图像相关技术进行的多尺度损伤监测，揭示了超高分子量聚合物混凝土梁从微观裂纹萌生到最终破坏的完整内在机制。主要研究结果如下：
(1) 对于经过配筋处理的……

作者贡献声明
杨玉兴：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，验证，监督，方法论，研究，正式分析，数据整理，概念构建。焦宇波：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，验证，监督，资源协调，项目管理，概念构建。肖明奇：写作——审稿与编辑，资源协调，项目管理，方法论，资金获取，概念构建。苏荣荣：写作——审稿与编辑，监督。

利益冲突声明
我们声明，在与所提交的论文“基于声发射和数字图像相关技术监测的配筋超高分子量聚合物混凝土梁的弯曲与破坏行为研究”相关的工作中，我们不存在任何可能构成利益冲突的商业或关联利益。

致谢
作者们感谢中国国家自然科学基金（编号52178266）以及山西省基础研究计划（自由探索类）青年科研项目（编号202403021222523）的财政支持。

杨玉兴|焦宇波|肖明奇|苏荣荣|杨华
中国北京，北京工业大学，教育部城市安全与灾害工程重点实验室，桥梁工程安全与韧性国家重点实验室