由于蒸养制度带来的热湿耦合作用会使混凝土的孔隙粗化、劣化[1]，周期性冻融将是蒸汽养护混凝土(蒸养混凝土)面临的主要问题之一[2]．Lee等[3]进行了4种配比的蒸养混凝土抗冻性试验，结果发现所有配比的相对动弹性模量均随着冻融次数的增加而降低．谢友均等[4]发现当粉煤灰掺量小于30%、硅灰掺量小于5%时，冻融后的蒸养混凝土损失了12%～16%的抗压强度．杨全兵等[5]认为养护28 d后蒸养混凝土的抗盐冻性能和冻融后的抗压强度均明显低于标养混凝土．这些研究对冻融环境下蒸养混凝土的耐久性和力学特性进行了唯象分析，较好地展示了蒸养混凝土抗冻性和强度方面的规律和趋势．然而，要系统地了解蒸养混凝土受冻融影响的力学性能表现，明析其破坏的过程、形式和发展趋势具有重要的意义．声发射技术在混凝土领域的应用已日趋成熟[2]，通过监测混凝土的受力过程，可获得用于描述混凝土损伤演化的声发射信号参数，同时也可有效表征其破坏机制[6]．Guan等[7]认为声发射信号参数可以较好地表征混凝土的损伤演化过程；彭竹君等[8]发现由声发射信号计算的混凝土损伤值与荷载应力之间具有直接关联关系；Suzuki等[9]认为混凝土声发射信号与裂缝之间存在一定关系．以上研究表明，采用声发射技术研究混凝土的冻融损伤具有较好的可行性，但目前还未见到蒸养混凝土方面的相关报道．为此，本研究以冻融环境下的蒸养混凝土为研究对象，结合声发射技术测试了不同冻融次数下蒸养混凝土的抗压强度，分析了声发射信号参数与蒸养混凝土损伤的演化过程和规律之间的关系，探讨了冻融环境下蒸养混凝土的破裂形式和裂缝的发展情况．研究结果可为蒸养混凝土在寒冷地区的应用提供一定的参考．1 试验材料与方法1.1　试验材料粗骨料：天然碎石骨料，粒径为5~25 mm的连续级配；细骨料：天然中河砂，细度模数为2.5；水：自来水；水泥：P·O 42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰：II级低钙粉煤灰，其主要化学成分为SiO2和Al2O3；矿粉：S95级矿渣粉，其主要化学成分为CaO和SiO2；减水剂：高效聚羧酸减水剂，减水率为28%，含气量为2.5%．1.2　试验配合比设计及制备流程蒸养混凝土的配合比为：水泥241.5kg/m3、粉煤灰144.9 kg/m3、矿粉96.6 kg/m3、减水剂3.42 kg/m3、粗骨料957 kg/m3、河砂815 kg/m3和水145 kg/m3．养护制度：本次设置的蒸养步骤为：装模→静置→升温→恒温→降温．其中：静置的温度和时间分别为20 ℃和3 h；升、降温的速率和时间分别为20 ℃/h和2 h；恒温的温度和时间分别为40 ℃和12 h．制备流程：将试验原材料放入强制搅拌机中搅拌3 min，然后装模放入振动台上振动20 s，按照蒸养步骤进行蒸汽养护，将蒸养后的混凝土放入标准养护室养护至28 d．考虑到28 d时粉煤灰和矿粉参与水化反应的程度较低[10]，本次试验将蒸养混凝土继续养护至180 d，以测试其冻融后的强度性能．1.3　试验方法蒸养混凝土的声发射监测过程如图1所示．蒸养混凝土冻融循环试验参照GB/T 50082—2009中的快冻法执行，其融化时间不小于1/4冻融周期．冻融前将试块泡水48 h进行饱水处理．冻融循环总次数为200次，冻融循环周期为4 h，每隔50次测一次抗压强度．10.13245/j.hust.230808.F001图1蒸养混凝土的声发射监测过程蒸养混凝土抗压强度测试参照GB/T 50107—2010和ASTM C39执行，加载速率为3 kN/s．试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体，每组3个试件，试验结果取均值．蒸养混凝土的声发射测试和抗压强度同步完成．试验前根据调试结果与现场噪声水平的测试结果，将前置放大器的增益设置为40 dB，门槛值设置为40 dB，滤波频率为1~60 kHz．试验采用4根传感器布置在蒸养混凝土的四周．为降低误差，试验时还应在探头和蒸养混凝土试件之间涂抹凡士林．2 不同冻融次数下蒸养混凝土的抗压强度通过测试不同冻融次数下蒸养混凝土的抗压强度，发现其随着冻融次数的增加而呈现出持续下降的趋势．例如，当冻融次数从0次增加至50次时，蒸养混凝土的抗压强度由原来的61.6 MPa下降至59.1 MPa，强度损失率为4.23%，表面的砂浆碎屑出现了小范围的脱落；当冻融次数为100次时，蒸养混凝土的抗压强度为55.9 MPa，强度损失率增长至10.2%，此时表面除了不同程度的碎屑脱落，还伴随着细小裂纹的出现，这是由于冻融介质的相变张力超过了部分蒸养混凝土的孔隙张力[11]，内部的损伤逐渐积累导致微裂纹开始萌生和发展；当冻融次数为150和200次时，蒸养混凝土的抗压强度分别为49.4和43.4 MPa，强度损失率分别达到了24.7%和41.94%，此时蒸养混凝土的表面砂浆出现了大范围的脱落，冻融作用促进了微裂纹的进一步发展和贯通并逐渐演变成裂缝[12]，从而导致了蒸养混凝土抗压强度损失率的大幅度增加．3 声发射的信号参数分析本次采用应力、时间、上升时间和累计计数来描述冻融环境下蒸养混凝土的损伤演化规律；采用信号强度对蒸养混凝土的声发射进行三维源定位并观察不同荷载阶段的损伤演化过程；采用上升时间、幅值和平均频率计算了RA-AF值(RA为上升时间/幅值，AF为平均频率)，用以判断冻融环境下蒸养混凝土的破裂类型；采用幅值计算了声发射b值，并以此来判断蒸养混凝土的裂缝发展形式．3.1　蒸养混凝土的损伤演化规律图2为蒸养混凝土在经历0，100和200次冻融循环后获得的声发射特征参数经历图，图中：S为应力；TR为上升时间；C为累计计数；T为加载时间．由图可知，上升时间随冻融次数的增加而发生了明显的变化．当冻融次数从0增加至100次时，上升时间的峰值由原来的123 s左移到了70 s．这是由于冻融环境降低了蒸养混凝土的自身性能，加速了连续型信号的产生，裂纹的发展趋势由稳定增长状态转向为非稳定增长状态．当冻融次数增加至200次时，上升时间从12 s开始明显增大，且在后续27，43，63和72 s的加载过程中分别达到极值，此时蒸养混凝土内部的信号类型由大量的突击型信号转变成了强烈的连续型信号[13]，破坏的脆性特征开始向延性特征转变．10.13245/j.hust.230808.F002图2不同冻融次数的声发射信号参数从声发射累计计数可以看出，累计计数的峰值随冻融次数的增加而逐渐降低．当冻融次数从0分别增加至100和200次时，声发射累计计数的峰值从冻融前的9 849个分别下降到5 945个和2 665个．这是由于冻融后蒸养混凝土的抗压强度明显降低，从而导致声发射信号源在加载过程中的整体活跃度下降，该结论与抗压强度的测试结果一致．同时，对比应力发展曲线和声发射累计计数曲线的趋势可知：声发射累计计数曲线随着冻融次数的增加而发生明显的滞后性，且还伴随着跳跃现象的产生，这是由于冻融循环过程中蒸养混凝土的孔隙结构向不利的方向发展[12]，在持续冻融循环的条件下造成蒸养混凝土的初始损伤不断累积，性能趋于劣化．3.2　损伤演化过程为了解蒸养混凝土在0，100和200次冻融循环条件下，以及同一冻融次数下不同加载阶段的损伤演化过程，本文研究了声发射的三维源定位并以此来判定损伤的发展趋势[6]．将蒸养混凝土的加载过程按照应力应变曲线的变化划分为I，II和III三个阶段，声发射三维源定位及损伤演化过程如图3所示，图中x，y和z分别为蒸养混凝土试件的长、宽和高．10.13245/j.hust.230808.F003图3声发射三维源定位及损伤演化过程由图3可知：当冻融次数为0时，蒸养混凝土的声发射源定位随着应力的加载而呈现出密集且范围增大的现象．I阶段声发射源的数量最少，这是由于蒸养混凝土因蒸养制度的缘故而增加了其内部的孔隙率[14]，当受到荷载应力时表现为孔隙压密状态，从而导致产生的声发射数量较少．II阶段声发射源的数量开始增加，此时蒸养混凝土内部的初始损伤得以发展，由微裂纹逐渐演变成细小的裂缝．III阶段声发射源的数量最多，这是由于蒸养混凝土已经临近破坏状态，内部的损伤(微裂纹和裂缝)不断发展、融合和贯通[12]，直至完全失效破坏．100和200次冻融循环的损伤发展趋势与0次类似，此处不再赘述．此外，对比了蒸养混凝土在0，100和200次冻融循环后声发射源的总数量和各阶段的声发射源数量，发现声发射源的总数量随着冻融次数的增加而减少，如0，100和200次冻融循环的声发射源总数量分别为1 361，1 221和1 058个．这是由于蒸养混凝土在冻融过程中，冻融介质的相转换产生的相变张力会破坏蒸养混凝土的孔隙结构[11]，且冻融次数越多，破坏得越明显，从而导致了声发射源总数量的减少．而I，II阶段的声发射源数量随着冻融次数的增加而增多，如冻融200次的声发射源数量比冻融0次和100次分别增加了70.29%，19.21%和40.18%，12.15%．这是由于冻融环境会增加混凝土基体的内部损伤[15]，从而提前了蒸养混凝土声发射现象的发生．3.3　RA-AF值关联分析本研究分别计算了蒸养混凝土在冻融0，100和200次后的RA-AF值，将其根据极限荷载应力的25%，50%，75%和100%划分为A，B，C和D阶段，并取k=95绘制了RA-AF图[16]．图4为蒸养混凝土在冻融0次时不同阶段的RA-AF值，图中：A为AF值，R为RA值．10.13245/j.hust.230808.F004图4不同阶段的蒸养混凝土RA-AF值由图可知：RA-AF值的活跃度随着荷载的增加而增大，蒸养混凝土各阶段的RA-AF值活跃度由大到小依次为D，C，B，A．其中：A阶段的AF值比RA值多，说明此时蒸养混凝土的破裂形式主要以张拉破裂为主，分析原因认为，蒸养混凝土由于内部存在的不均匀孔及材料的特性，导致其在受载初期产生部分的应力集中现象[11]；B，C和D阶段的RA值比AF值多，说明蒸养混凝土的破裂形式开始转变为剪切破裂为主，且越接近极限荷载剪切破裂为主的现象越明显，与文献[17]的结论一致．此外分别计算了蒸养混凝土在冻融0，100和200次时不同阶段的RA-AF值．可知随着冻融次数的增加，蒸养混凝土AF值所占比例逐渐降低，如冻融0次的各阶段AF值占比由原来的78.3%，39.6%，23.1%，15.5%，分别下降到冻融100和200次后的67.7%，31.8%，19.4%，10.3%和52.9%，27.4%，15.7%，8.6%，下降范围为13.54%~80.23%．由此说明了冻融环境能够加速张拉破裂提前向剪切破裂的转变，从而劣化蒸养混凝土的性能．3.4　声发射b值本研究采用最小二乘法计算了蒸养混凝土在不同冻融次数后的声发射b值，并对计算后的b值进行了归一化处理[18-19]．图5为蒸养混凝土在0，100和200次冻融循环后的声发射b值，图中：c为变形；b为声发射b值．由图可知：不同冻融次数下蒸养混凝土的声发射b值随着应力的发展基本呈现出类似的增减趋势．为便于讨论，本次将蒸养混凝土的b值划分为压密阶段、上升阶段和破坏阶段．从压密阶段的发展趋势可以看出：蒸养混凝土在冻融0，100和200次后均为下降段，且其下降的幅度随着冻融次数的增加而增大．如蒸养混凝土的b值在冻融0，100和200次后分别从原来的0.30，0.94和1.00下降到0.00，0.16和0.15．分析原因认为，蒸养混凝土由于蒸汽养护的缘故导致内部的孔隙率较大[14]，而该现象在冻融环境下表现的更为明显，且冻融作用还会导致孔隙的破坏及裂缝的产生[11]．因此，当蒸养混凝土受到荷载应力时会产生孔隙、裂缝压密的现象，从而导致了b值的下降．但由于该阶段不属于真正的破坏阶段，当利用b值判断蒸养混凝土是否破坏时应予以剔除．上升阶段的整体发展趋势为先上升后基本保持稳定，说明此时蒸养混凝土内部的裂纹正以小尺度裂纹的形式进行发展和聚集[16]．随着荷载的继续施加，蒸养混凝土的裂纹不断地发展、聚集，最后形成贯通，b值达到了最大值．破坏阶段所有工况的b值均发生了突减现象，分别从1.00，1.00和0.82减小至0.27，0.12和0.00．说明蒸养混凝土内部的裂纹状态变化激烈，裂纹实现由小尺度向大尺度的转变，蒸养混凝土发生破坏[19]．10.13245/j.hust.230808.F005图5不同冻融次数下蒸养混凝土的声发射b值4 结论a．蒸养混凝土的抗压强度随冻融次数的增加而降低．在经历0，50，100，150和200次冻融循环后，蒸养混凝土的强度损失率分别为4.23%，10.2%，24.7%和41.94%．b．冻融环境加速了蒸养混凝土裂纹由稳定增长状态向非稳定增长状态的转变，同时也降低了声发射的整体活跃度．随着冻融次数的增加，声发射源定位的整体数量减少，但在前期的数量增加，说明冻融环境增加了蒸养混凝土的初始损伤．c．蒸养混凝土张拉破裂的活跃度随着冻融次数的增加而降低，降低范围为13.54%~80.23%．冻融环境能够降低声发射b值的峰值，当冻融次数为200次时蒸养混凝土b值的峰值降低了0.18．当用声发射b值对冻融后的蒸养混凝土进行破坏状态判断时，应剔除前期孔隙或裂缝压密的数据．