摘要
为研究冻融循环对蒸汽养护混凝土力学性能演化规律的影响，通过开展蒸汽养护混凝土试件冻融循环试验和单轴压缩-声发射试验，分析了冻融循环作用后不同蒸汽养护制度下混凝土加载损伤破坏声发射过程，依据声发射特征参数建立了冻融循环后蒸汽养护混凝土受压损伤本构模型，探究了损伤变量与冻融循环次数的变化关系.结果表明：60、80 ℃蒸汽养护对混凝土抗冻性能不利，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；混凝土受压破坏过程的声发射振铃计数变化呈现出明显的接触期、平静期、陡增期三阶段变化规律，平静期-陡增期分界点随冻融循环次数的增加在时间上发生后移；受压过程前期，蒸汽养护混凝土损伤发展较为缓慢；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.
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
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
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.
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.
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.
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.
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 传感器布置示意图
Fig.1 Schematic diagram of sensor layout（size： mm）
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 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
不同冻融循环次数下试件ZF‑60的声发射特征参数见
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
| n/times | Contact stage | Calm stage | Spike stage |
|---|---|---|---|
| 0 | 523 | 217 | 5 224 |
| 40 | 738 | 198 | 6 457 |
| 80 | 627 | 322 | 7 566 |
| 120 | 689 | 225 | 6 238 |
| 160 | 786 | 247 | 4 853 |
（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r为应力与峰值应力的比值.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
| n/times | Nr/% | r |
|---|---|---|
| 0 | 30.37 | 0.83 |
| 40 | 33.94 | 0.85 |
| 80 | 59.84 | 0.88 |
| 120 | 69.30 | 0.90 |
| 160 | 71.39 | 0.91 |
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 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
Ohts
| （1） |
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
| （2） |
式中：k为比例系数.
龙广成
| （3） |
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
| （4） |
式中：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（
| （5） |
式中：ε为应变.
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
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
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 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 steam‑curing 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.
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