地震应变应力对使用声发射技术的混凝土TPB试验中微裂纹演化规律的影响

为什么地震中混凝土的微小裂缝很重要

当地震摇动城市时，桥梁、隧道和建筑物的安全取决于其中混凝土的破坏方式。本研究着重观察在类似地震的弯曲速度下混凝土中形成和扩展的微小裂缝。通过“聆听”裂缝形成时发出的声响，研究人员展示了更快的振动如何使混凝土表现出更高的表观强度，同时将破坏转变为更突然、更脆性的事件，这对结构安全有重要影响。

研究团队如何施加类地震荷载

研究人员制备了带起始缺口的混凝土梁，采用三点弯曲装置进行弯曲试验：每根梁在两个支点上支承，中间施加向下的载荷。他们精确控制载荷施加的速率，从非常缓慢、近似静态的条件到类似地震的速率。与此同时，使用声发射传感器，这些传感器像微小的麦克风一样捕捉每当微裂纹在混凝土内部形成或扩展时释放的弹性波。这样他们既记录了梁的可见变形行为，也记录了深处发生的不可见裂缝活动。

随着荷载速率加快，混凝土更强但更脆

弯曲试验证明混凝土在慢速和快速荷载下行为不同。随着变形速率从近静态增加到地震级别，梁的峰值承载力约增加了三分之一，驱动裂缝贯穿梁所需的能量也有类似增长。这种表观增强的原因在于，在高载荷速率下，材料孔隙和微小缝隙中的水无法快速排出，产生额外阻力，抑制裂缝扩展。然而，尽管梁能承受更高的载荷，其失效方式变得更为突发，警示信号减少，一旦主裂缝扩展，载荷急剧下降。

从迂回破裂到直穿断裂

通过检查断裂面，研究人员发现裂缝路径随荷载速率而变化。在慢速荷载下，裂缝绕过较大的石料颗粒，在骨料与砂浆之间较弱的界面区弯曲前进。断裂面粗糙，暴露出许多完整的粗骨料，这是材料较为逐步、韧性破坏的标志。在更快的荷载下，主裂缝走向更直，直接穿断了许多骨料。这种直穿式的破坏表明材料来不及寻找更容易的断裂路径，而是破坏了内部骨架的较强部分，把损伤集中在一条狭窄带内。

通过“倾听”裂缝绘制隐藏损伤图谱

声发射测量提供了微裂纹发展过程的详尽图景。随着荷载速率增加，记录到的裂缝事件数量与总声能均增加，表明内部损伤更为剧烈。在低速时，这些事件沿梁长度分布，反映出宽广的损伤带和蜿蜒的主裂缝。在高速时，信号在预先存在的缺口附近紧密聚集，表明微小裂缝正在汇聚成一条集中断裂线。通过分析记录到的波形形状，团队还发现主导裂缝类型随荷载加速由张开型（拉开断面）转向滑移型（剪切错动）。

对抗震设计的意义

研究结论指出，在类地震荷载下，混凝土能够承受更高的应力但更倾向于发生突发性破坏，且裂缝更直、以剪切为主，几乎没有提前警示。这种强度与韧性之间的权衡意味着仅基于缓慢静态试验的设计规范可能低估真实地震中脆性破坏的风险。研究结果建议工程师应考虑裂缝模式和内部损伤随荷载速率改变的情况，加强易发生剪切裂缝的构件部位，并采用能在破坏前检测到裂缝行为变化的监测系统。

引用: Xiao, D., Wen, L., Cao, Y. et al. Influence of seismic strain stress on evolution law of microcracks in concrete TPB tests using AE technology. Sci Rep 16, 15483 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49968-0

关键词: 混凝土断裂, 地震荷载, 应变速率, 微裂纹, 声发射