声发射（acoustic emission，AE）是一种常见的物理现象，指材料弹性、塑性变形过程中能量释放所产生的应力波，也叫应力波发射^[1]。20世纪50年代，Kaise首次发现金属断裂过程中伴随着声发射现象产生^[2]，声发射技术已经广泛应用于多种行业之中。在混凝土断裂损伤过程中，可以利用AE参数对混凝土内部变化进行描述，其中包括撞击计数、振铃计数、能量计数、持续时间等参数。张立伟^[3]、胡少伟^[4]等利用声发射监测了混凝土受压和断裂全过程，研究断裂过程各个阶段的声发射特性。陈忠购^[5]利用声发射撞击数表示混凝土损伤，进行了损伤评估。Ohno^[6]、Maji^[7]等利用声发射对断裂过程区的发展进行监测，清晰地看到了微裂隙带的发展过程。Otsuka等^[8]利用声发射观测了不同尺寸试件断裂过程区的尺寸变化。大量研究结果表明，声发射可以很好地表示混凝土破坏过程中混凝土内部微裂隙的发展和力学参数的变化，但是这些声发射技术测试中，并没有考虑到含水率的变化对声发射特性的影响。

另一方面，水分对混凝土力学性能存在一定的影响已是学术界普遍认可的观点^[9-11]。声发射信号也是混凝土破坏过程中一种物理量变化的信息，肯定会受到含水率的影响。关于含水率对混凝土力学性能影响的研究已有大量文献。Wittmann^[12]、李鑫鑫^[13]认为混凝土内部水分的存在降低了混凝土颗粒的表面能，进而影响混凝土强度；Reinhardt等^[14]通过试验研究了自由水对混凝土力学性能的影响，认为饱和混凝土的静杨氏模量低于动杨氏模量。目前，大部分研究都注重含水率对弹性模量、强度和断裂韧度等力学性能的影响，但关于含水率对断裂过程区的研究较少。张国辉等^[15]对不同含水率下的三点弯曲梁进行韧度试验，结果表明饱和混凝土断裂韧度较干燥状态最大下降57%，但并没有研究断裂过程区变化规律。而断裂过程区准确描述的关键是捕捉起裂荷载和失稳荷载，是研究混凝土双K断裂准则的前提^[16-17]。加之断裂过程区发展比较快，定量描述存在较大的难度，而声发射技术为此提供了可靠的技术支撑。

作者通过控制浸泡时间，使试件达到不同含水率，基于双K断裂准则，利用声发射对不同含水率下三点弯曲梁的断裂过程进行监测，结合撞击计数、振铃计数和能量计数捕捉起裂荷载，探究不同含水率对混凝土断裂过程区特征尺寸的影响，分析混凝土内部水分对起裂韧度和失稳韧度的影响，为研究湿态混凝土断裂过程提供试验基础。

1 试　验 1.1 试验材料

水泥：P·O42.5R级普通硅酸盐水泥；砂：天然中砂，细度模数为2.80；粗骨料：卵石，粒径5～20 mm；粉煤灰：河南蓝科Ⅱ级粉煤灰，密度2.34 g/cm³；水：自来水。

1.2 试件制备

试件采用图1所示的带切口的三点弯曲梁，试件尺寸为515 mm×100 mm×100 mm，跨度S为400 mm，预制裂缝单边切口角度为0，预制裂缝深度a₀为50 mm，缝高比为0.5，裂缝宽度为3 mm。混凝土强度等级为C30，28 d的抗压强度为40.51 MPa，劈裂抗拉强度为1.74 MPa，弹性模量为3.42×10⁴ MPa，配合比如表1所示。

1.3 试验设计与方法

按《水工混凝土试验规程》（SL352—2006）拌制C30混凝土，将标准养护（温度为（20±2） ℃，相对含水率为95%以上）28 d后的混凝土三点弯曲梁试件放入电热恒温鼓风干燥箱中，选取105 ℃为干燥温度^[18]，对三点弯曲梁干燥至恒重。试验控制变量为试件含水率，按照含水率设置6个试验组，每个试验组5块试件。将非干燥试验组放入水箱中，使水面恰好淹没试件上表面，浸泡时间参考文献[15]，使其达到不同含水率。断裂过程中声发射探头（S1、S2、S3、S4）位置设置如图2中圆圈所示。

声发射仪器采用德国Vallen公司生产的AMSY–6型声发射系统，声发射参数设置：信号门槛设为45 dB，前置放大器和主放大器增益设为40 dB，滤波器带宽选为20～200 kHz，采样频率为1 MHz，峰值鉴别时间（PDT）为50 μs，撞击鉴别时间（HDT）为500 μs，撞击锁闭时间（HLT）为1000 μs。试件断裂过程中，加载速率采用位移控制，为0.1 mm/min，在断裂过程中采集荷载P、裂缝嘴张开位移（crack mouse opening displacement，CMOD）、撞击计数、振铃计数、能量计数等参数。

2 结果分析 2.1 含水率对混凝土断裂过程分析 2.1.1 不同含水率混凝土断裂P–CMOD曲线的比较

图3为不同含水率混凝土P–CMOD曲线，其规律与张国辉等^[15]的研究结果基本吻合。由图3可以看出，不同含水率P–CMOD关系曲线形态相似，分为直线上升段、曲线上升段和曲线下降段。直线上升段反映裂尖处于弹性，裂缝口张开位移较小，水分对其影响较小；曲线上升段反映裂尖出现微裂缝的萌生，断裂过程区开始形成，含水率越大，弯曲程度越大，表明水分促进断裂过程区的发展。含水率越大，峰值荷载越小，峰值对应的裂缝口张开位移越小；以饱和试件和干燥试件为例，饱和试件峰值荷载较干燥试件减小了49.1%，裂缝口张开位移较干燥试件减小了35.0%。

2.1.2 含水率对声发射基本参数影响分析

混凝土含水率势必影响声波传播介质的特性变化，从而影响声发射信号的波速和振幅等特征参数，影响混凝土断裂过程区的监测结果。以干燥和饱和试件两种极限含水率状况为例，通过断铅试验来分析含水率对声发射波速、振幅和定位3个基本参数精度的影响。具体来说，断铅试验是通过固定位置（断铅点）处铅笔铅的折断声来模拟被测试材料的断裂声波，获取波速等参数，以及通过比较已知声源位置和声发射系统所监测计算出的位置来分析声发射系统的精度。该方法是确定声发射基本参数及声发射精度监测的常用基本方法^[19-20]。为便于试验结果对比分析，将断铅点设置在两两探头中间，在试件的裂尖、裂尖正前方和侧方设置3个断铅点，如图4所示A、B、C这3点，A点位于探头S3、S4中间，B位于探头S1、S2探头中间，C位于探头S1、S3中间。声发射探头布置如图2所示，每个断铅点进行5次断铅试验。分别监测干燥和饱和试件两种极限含水率状况下的声发射传播速度（V）、振幅（Amp）及定位偏差（LD），定位偏差为断铅点与定位点之间的距离。断铅试验结果如表2和3所示。

由表2和3可以看出：在相同含水率情况下，不同探头监测的波速、振幅差异较小；干燥和饱和状态下，平均定位误差和平均振幅变化差异较小，平均波速差异显著。试件饱和时，其内孔隙被液体填充，波速较干燥时大，振幅较小，上述结果与这个规律基本吻合，表明无论试件含水率如何，声发射所采集的撞击计数、振铃计数等参数及定位结果是可靠的。

2.1.3 不同含水率混凝土断裂过程声发射规律

以含水率为4.16%的混凝土试件为例，得到了混凝土声发射参数发展历程，如图5所示。

由图5可以看出，声发射历程图大致分为4个阶段：1）初始压密阶段（0～20 s）：在试件加载初期，由于试件与压力机接触面压紧，出现小的撞击计数和振铃计数。2）线弹性阶段（20～50 s）：随着荷载的持续加载，大致在峰值荷载的40%时，撞击数计数开始发展且发展趋势平稳，但是相对应的振铃计数与能量计数并未产生明显的发展，数值仍然较低。3）稳定扩展阶段（50～105 s）：当荷载达到60%峰值荷载附近时，撞击数和振铃数数值增大，能量计数产生较大的局部峰值，此时声发射事件较为活跃，随着荷载持续增大，在荷载峰值前锋附近，撞击数和振铃数突然增大，接近峰值，在荷载达到峰值同时，撞击数、振铃数和能量计数同时达到峰值。4）失稳扩展阶段（105～400 s）：随着裂缝的失稳扩展，撞击计数和振铃计数在峰值后较小的一段区域内仍保持较大数值，而后以较小的数值发展，直至试件完全破坏。含水率不同的混凝土试件，声发射历程在数值与分布上存在一定差异。以干燥和饱和试件为例，声发射撞击计数、振铃计数和能量计数历程局部放大如图6所示。

由图6可以看出：饱和试件的撞击计数、振铃计数和能量计数数值明显低于干燥试件；干燥试件峰值前后出现较大的突变特性，饱和试件声发射数值整体较干燥试件平缓，在稳定扩展阶段尤为明显。撞击计数和振铃计数是表征混凝土内部声发射事件的活跃程度，能量计数可以表征事件的相对能量或强度，也可以辨别声发射源的类型。根据试验数据，得出了峰值荷载时，不同含水率对声发射事件活跃程度的影响情况，如图7所示。

由图7可知，随着含水率的增大，声发射参数值呈现下降趋势，含水率越大，声发射事件活跃程度越低，相对能量也越低。饱和试件较干燥试件撞击数峰值减小35%，累计值减小47%；振铃计数减小52%，累计值减小36%；能量计数峰值减小29%，累计值减小41%。

另外，当混凝土加载应变能积蓄到某个临界值时，应变能释放形成新的裂缝而后重新积蓄应变能直到下一次极限，声发射能量计数表现为多个峰值（图6（e）、（f））。试件起裂前有大量数值较小的能量计数，随着含水率的增大，数值个数增多，数值之间的间距减少，表明含水率的存在缩短了能量积蓄过程，降低了积蓄能量的能力，湿态混凝土较干燥混凝土积攒较少的应变能就会达到极限，导致微裂缝的生成。

2.1.4 不同含水率混凝土损伤定位结果

混凝土内部微裂隙的产生与发展，以弹性波的形式向外释放能量，微裂隙发生位置便成为声发射源，发射源的汇集程度可以应用信号聚类分析法来确定。聚类分析法是以某观测点为中心，采用盒子尺寸为10 mm×10 mm的盒子去覆盖观测20、30、40、50进行分析。通过多个观测点聚类区域拼接，就可确定出断裂过程区的大小。图8分别为饱和试件与干燥试件试验得到的混凝土断裂过程中不同阶段的损伤定位图。

图8中虚线均为阈值取10时，聚类分布范围的外边界；图8中（c）、（d）中实线为阈值取20时，聚类分布范围的外边界；图8中（e）、（f）、（g）和（h）中实线为阈值取50时，聚类分布范围的外边界。整个定位过程中，阈值取10时，聚类分布范围的宽度最大，聚类分布范围的宽度随阈值的增大而依次减小，当阈值取50时，聚类仅在裂缝尖端附近较小区域内产生。从整个损伤定位及定位过程来看，随着荷载的增加混凝土材料内部损伤逐步积累，材料性质不断发生变化，损伤定位区域的宽度随裂缝的扩展经历了先增大后减小的历程，在峰值荷载后锋达到最大值。表4为干燥试件不同聚类阈值下聚类出的损伤区域宽度。

Otsuka等^[8]基于能量计数值，采用不规则图形对定位源进行分类，将包含大于95%全部能量的区域定义为断裂过程区（FPZ），将包含大于70%全部能量的区域定义为断裂核心区（FCZ）。基于Otsuka的定义与声发射聚类结果，将整个定位过程中聚类阈值为10时的聚类区域最大宽度定义为断裂过程区宽度，聚类阈值为50时的聚类区域最大宽度定义为裂缝核心区宽度，断裂过程区宽度和裂缝核心区宽度如表5所示。由表5可以看出，断裂过程区宽度随含水率的增大呈现线性增长，不同含水率下断裂过程区宽度较干燥试件分别增长3.3%、6.7%、10.4%、18.7%和20.8%，而含水率对裂缝核心区域宽度影响不大，宽度大致等于2倍粗骨料最大粒径。

2.2 起裂韧度计算 2.2.1 起裂荷载的确定

由图6可以看出，当荷载达到60%峰值荷载附近，能量计数总会出现一个局部峰值，此时撞击计数和振铃计数数值处于稳定发展，其中掺杂少量的数值较小的计数，这一点和文献[21]的研究结果相吻合，起裂前后振铃数和能量计数在数值上有明显的增大，并且有少量的小数值掺杂其中，此时对应的荷载处于P–CMOD曲线直线阶段的后半段，因此，结合声发射能量计数局部峰值、撞击数和振铃计数共同捕捉起裂荷载是合适的。不同含水率下试件的起裂荷载见表6。由表6可以看出，随着含水率的增大，起裂荷载大致呈现线性下降趋势，不同含水率混凝土试件起裂荷载较干燥试件分别降低了21.0%、26.2%、33.7%、41.9%和51.8%。

2.2.2 含水率对起裂韧度影响分析

起裂韧度的计算采用以下公式^[22]：

$K_{\!{\text{Ⅰ}}\!{\rm{c}}}^{{\rm{ini}}} = 1.5\frac{{P_{{\rm{ini}}}^{}S}}{{ht_{}^2}}\sqrt a F(\alpha )$

(1)

$F(\alpha ) = \frac{{1.99 - \alpha (1 - \alpha )(2.15 - 3.93\alpha + 2.7\alpha _{}^2)}}{{(1 + 2\alpha )(1 - \alpha )_{}^{3/2}}}$

(2)

式中， $K_{\!{\text{Ⅰ}}\!{\rm{c}}}^{{\rm{ini}}}$ 为起裂韧度，P_ini为起裂荷载，h为试件高度，t为试件厚度， $\alpha $ 为试件缝高比，S为跨度，a为初始裂缝长度。

由式（1）可以看出，起裂荷载计算过程中，仅有荷载一个变量，因此，起裂韧度的变化规律和起裂荷载是一致的，均随含水率的增大呈现下降趋势。

Guinea等^[23]曾用激光散斑法监测混凝土断裂过程，当荷载为40%峰值荷载附近时，在混凝土浅层附近出现了一条4 mm长的微裂隙，即认为此时对应的荷载为损伤演化起始的门槛值。由此，本文定义当聚类阈值为10，首次出现在10 mm×10 mm观测框内的声发射源数超过聚类阈值时对应的荷载为损伤门槛值。以干燥试件为例，试验过程中，当荷载为49.35%峰值荷载时，损伤源数目增多，如图9所示，在裂缝尖端附近10 mm×10 mm区域内，出现了超过10个（聚类阈值最小值）声发射源，则认为损伤演化起始的门槛值为49.35%峰值荷载。

图10和11为起裂前声发射撞击数累计值与损伤演化起始门槛值的变化规律。在计算撞击数累计值中，根据损伤阈值，已将试验中由于初始压密阶段的声发射撞击数舍去。由图10和11可以看出，随着含水率的增大，线弹性阶段声发射撞击数呈现近似线性增长趋势，表明线弹性阶段内，随着含水率的增加，声发射活跃程度增加，初始缺陷发展和位错增大，材料抵抗损伤的能力降低，导致损伤演化起始门槛值降低，损伤演化起始门槛值呈现直线下降规律，饱和试件的损伤演化门槛值较干燥试件最大下降64%。

2.3 失稳韧度计算 2.3.1 失稳荷载确定

在加载过程中，荷载达到峰值时，裂缝处于临界失稳状态，因此可以认为此时的峰值荷载为不同含水率下混凝土的失稳荷载，如表7所示。

由表7可以看出，随着含水率的增大，失稳荷载大致呈现线性下降趋势，不同含水率下的试件较干燥试件分别下降了14.9%、22.5%、31.4%、36.%和49.1%。

2.3.2 含水率对失稳韧度影响分析

失稳韧度的计算仍采用式（1），分别用峰值荷载和临界等效裂缝长度代替式（1）中的起裂荷载和初始裂缝长度即可得到失稳韧度。临界等效裂缝长度的计算公式采用Tada应力强度因子手册给出的荷载–裂缝口张开位移公式迭代试算得到^[24]，迭代公式见式（3）。迭代试算前需要在荷载–裂缝口张开位移曲线起始线弹性阶段分别找3个点（P₁，CMOD₁）（P₂，CMOD₂）（P₃，CMOD₃），结合初始裂缝长度a₀、试件宽度t及高度h代入式（3）和（4）中求解出弹性模量E₁、E₂和E₃，对其求平均值，即可获得该试件的弹性模量E，进而将峰值荷载和峰值荷载对应的裂缝口张开位移代入式（3）中，求解临界等效裂缝长度，见表7，不同含水率下试件的弹性模量和临界等效裂缝长度。

${\rm{CMOD}} = \frac{{24Pa}}{{thE}}V_2^{}\Big(\frac{a}{h}\Big)$

(3)

$\begin{aligned}[b] V_2^{}\Big(\frac{a}{h}\Big) =& 0.76 - 2.28\frac{a}{h} + 3.87\Big(\frac{a}{h}\Big)_{}^2-\\ &2.04\Big(\frac{a}{h}\Big)_{}^3 + \frac{{0.66}}{{\Big(1 - \dfrac{a}{h}\Big)_{}^2}}\; \end{aligned}$

(4)

式中，CMOD为裂缝口张开位移，P为峰值荷载， $a$ 为临界等效裂缝长度，t为试件厚度，h为试件高度，E为试件弹性模量。

由表7可得：混凝土弹性模量随含水率的增大而增大，其规律与大多数学者的研究结论吻合^[12-14]；临界等效裂缝长度随着含水率的增大而减小，饱和试件较干燥试件最大减小了4.1%。随着含水率的增加，失稳韧度大致呈现线性减小趋势，不同含水率下试件较干燥试件分别减小了16.7%、23.7%、32.7%、3.9%和52.5%。

3 结　论

1）结合声发射能量计数、撞击计数和振铃计数共同捕捉起裂荷载，减少了对起裂荷载捕捉时的主观性。

2）随着含水率的增大，混凝土断裂过程中声发射参数值及累计值呈现减小趋势。混凝土断裂过程区宽度随荷载的变化经历了先增大后减小的历程，在峰值后达到最大值。断裂过程区宽度随含水率的增大呈现增大趋势。

3）随着混凝土含水率增大，损伤演化门槛值减小，饱和试件的损伤演化门槛值较干燥试件最大下降64%。