小灣拱壩濕篩與三級(jí)配混凝土靜態(tài)彎拉聲發(fā)射特性

王 巖， 吳勝興， 周繼凱， 陳厚群，2

(1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，南京 210098;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100044)

小灣拱壩濕篩與三級(jí)配混凝土靜態(tài)彎拉聲發(fā)射特性

王 巖1， 吳勝興1， 周繼凱1， 陳厚群1，2

(1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，南京 210098;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100044)

結(jié)合小灣拱壩濕篩和三級(jí)配混凝土靜態(tài)彎拉試驗(yàn)，采用全數(shù)字化聲發(fā)射系統(tǒng)采集了兩種混凝土在三點(diǎn)彎曲荷載作用下從加載至最終破壞的聲發(fā)射特征參數(shù)和波形。對(duì)比分析了各加載階段的聲發(fā)射活動(dòng)發(fā)展規(guī)律及聲發(fā)射波形FFT功率譜峰值頻率和頻率質(zhì)心的統(tǒng)計(jì)特征，識(shí)別了兩種混凝土以聲發(fā)射特征參數(shù)為基礎(chǔ)的損傷斷裂機(jī)制，采用商業(yè)聲發(fā)射軟件對(duì)微裂縫局部化區(qū)域進(jìn)行了定位。結(jié)果表明，三級(jí)配混凝土與濕篩混凝土相比，具有以下聲發(fā)射特征:① 更易誘發(fā)損傷，在各個(gè)加載階段具有較小的聲發(fā)射b值;② 聲發(fā)射撞擊峰值頻率在100 kHz－125 kHz頻段及225 kHz－250 kHz頻段也有分布，同時(shí)頻率質(zhì)心比濕篩混凝土低;③ 在濕篩混凝土的一個(gè)特定機(jī)制的持續(xù)時(shí)間范圍內(nèi)，三級(jí)配混凝土識(shí)別為兩個(gè)機(jī)制;④ 微裂縫的局部化區(qū)域范圍大于濕篩混凝土。

濕篩混凝土;三級(jí)配混凝土;彎拉;聲發(fā)射

聲發(fā)射技術(shù)作為一種實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)技術(shù)，已經(jīng)開始被應(yīng)用于研究混凝土、巖石等準(zhǔn)脆性材料的損傷破壞過程。在國(guó)外，近年來聲發(fā)射技術(shù)已被應(yīng)用于混凝土材料研究和結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域，如混凝土徐變監(jiān)測(cè)、混凝土構(gòu)件變形和斷裂過程評(píng)估［1－3］，以及混凝土大壩、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、混凝土橋墩等結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)［4－6］等。在國(guó)內(nèi)，相關(guān)研究起步較晚，1995 年－2002 年期間的紀(jì)洪廣［7－10］，陳兵、姚武［11－14］等學(xué)者的混凝土材料聲發(fā)射特性研究較為系統(tǒng)。隨著聲發(fā)射采集系統(tǒng)的不斷更新?lián)Q代，相關(guān)研究也在不斷深入，王彬和駱英等［15－16］采用全波形聲發(fā)射技術(shù)分別分析素混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁破壞過程的聲發(fā)射全波形，得到了各個(gè)荷載階段聲發(fā)射信號(hào)的頻譜特征。歐陽利軍、趙艷林等［17，18］以及劉紅光、駱英等［19－21］也對(duì)混凝土損傷過程的聲發(fā)射特性進(jìn)行了深入的探討。從這些研究成果中可以發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射技術(shù)對(duì)于研究混凝土材料的損傷特征及用于實(shí)際結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)都非常有潛力。

本研究結(jié)合小灣拱壩混凝土靜態(tài)彎拉系列試驗(yàn)，采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)濕篩和三級(jí)配混凝土在靜態(tài)彎拉荷載作用下從加載到最終破壞整個(gè)過程的聲發(fā)射活動(dòng)性、聲發(fā)射特征參數(shù)和波形頻譜特征以及聲發(fā)射源定位特征進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)從材料組成角度探討聲發(fā)射特性可能蘊(yùn)含的損傷斷裂機(jī)理。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件準(zhǔn)備與制作

本研究所采用的三級(jí)配混凝土配合比見文獻(xiàn)［22，23］，其原材料均來源于小灣拱壩設(shè)計(jì)所用實(shí)際材料。其中骨料為按照3∶1混合的黑云花崗片麻巖和角閃斜長(zhǎng)片麻巖的人工砂石，其級(jí)配為，大石:中石:小石=4∶3∶3，粒徑范圍分別是80 mm～40 mm，40 mm～20 mm和20mm～5 mm。采用250L自落式攪拌機(jī)拌和混凝土，用鋼模澆筑成尺寸為300 mm×300 mm×1 100 mm的三級(jí)配混凝土試件。為了得到濕篩混凝土，先用40 mm孔篩篩除上述流態(tài)新拌混凝土中的大直徑骨料，然后用鋼模澆筑成尺寸為150 mm×150 mm×550mm的濕篩混凝土試件，試驗(yàn)時(shí)混凝土齡期約為1 380天。

1.2 加載設(shè)備與制度

試驗(yàn)在美國(guó)MTS公司生產(chǎn)的322型動(dòng)靜萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其控制系統(tǒng)為多通道FlexTest GT數(shù)字控制器，采用荷載控制加載速率的方式進(jìn)行，控制加載速率為0.25 kN/s。關(guān)于試驗(yàn)過程的其它詳細(xì)情況詳見本課題研究的其它相關(guān)文獻(xiàn)［22，23，24］。

1.3 聲發(fā)射采集系統(tǒng)

采用美國(guó)聲學(xué)物理公司(PAC)生產(chǎn)的SAMOSTM系列聲發(fā)射儀采集和存儲(chǔ)聲發(fā)射信號(hào)，采集控制軟件為AEwinTM。前置放大器(型號(hào)PAC－2/4/6)帶寬為10 kHz～2.0 MHz，設(shè)置其增益為40 dB。布置6個(gè)諧振式傳感器(型號(hào)R6α，共振頻率為90 kHz)和一個(gè)寬頻式傳感器(型號(hào) PAC－WD，帶寬為100 kHz～1.0 MHz)于混凝土試件表面，并利用耦合劑(凡士林)通過橡膠帶將其固定。諧振式傳感器用于聲發(fā)射參數(shù)和源定位分析，寬頻式傳感器用于聲發(fā)射波形頻譜分析?？紤]到試件上加載裝置及其它測(cè)量器械如應(yīng)變片的布置，結(jié)合文獻(xiàn)［25］中幾種傳感器布置方案定位精度的評(píng)定結(jié)果，選擇的布置方案如圖1所示。

圖1 傳感器布置簡(jiǎn)圖(1－6號(hào)為諧振式傳感器，7號(hào)為寬頻式傳感器，單位:mm)Fig.1 Schematic diagram of AE sensor arrangement(Broadband sensors No.1 －6，resonant sensor of No.7)

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)過程中的背景噪音通常具有低頻、低幅的特點(diǎn)，而從限制頻率范圍和幅值范圍的方式對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行濾噪是有效抑制噪聲的方法。通過綜合比較采集卡和傳感器的頻率范圍，設(shè)置系統(tǒng)帶通濾波器范圍為100 kHz～400 kHz，實(shí)踐證明，可有效抑制背景噪音的影響。閾值越低，會(huì)有更多可疑的微弱信號(hào)被采集，也會(huì)導(dǎo)致聲發(fā)射撞擊的持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)，不利于分析波形?；谶@一考慮，通過預(yù)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)加載設(shè)備噪音水平評(píng)定，設(shè)定諧振式和寬頻式傳感器通道的閥值分別為38 dB和35 dB。

2 聲發(fā)射分析技術(shù)

2.1 聲發(fā)射特征參數(shù)

傳感器所接收的聲發(fā)射信號(hào)一般需要予以參數(shù)化以便作更深入的探討，這一過程由計(jì)算機(jī)在采集過程中自動(dòng)完成。下面簡(jiǎn)要介紹各種參數(shù)的定義:一個(gè)通道探測(cè)并記錄的一個(gè)聲發(fā)射信號(hào)稱為Hit［26］(撞擊)，其中，持續(xù)時(shí)間是信號(hào)第一次越過閥值至最終降至閥值以下所經(jīng)歷的時(shí)間間隔;幅度為信號(hào)波形的最大幅度值，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移的平方正比于該質(zhì)點(diǎn)所具有的能量，因此，幅度能反映出聲發(fā)射撞擊所釋放出的能量［27］，有理論研究表明［28，29］幅度是表征聲發(fā)射源特征最有效的參數(shù)，主要用于混凝土中聲發(fā)射源機(jī)制的分類和評(píng)價(jià);振鈴指在持續(xù)時(shí)間之內(nèi)所測(cè)量超過系統(tǒng)閥值的脈沖震蕩次數(shù)。

2.2 聲發(fā)射b值

在地震學(xué)研究中，大幅度的事件發(fā)生的頻率沒有較小幅度的事件頻繁［30］，這一事實(shí)可以用幅度－頻度關(guān)系表示，即古登堡 －里希特(Gutenberg-Richter)關(guān)系:

式中:M為震級(jí)，N為某一時(shí)期，某一震級(jí)范圍內(nèi)(M±ΔM/2)的地震頻度，a為表示某一地區(qū)某一時(shí)期內(nèi)地震活動(dòng)程度的常數(shù)。式(1)對(duì)聲發(fā)射數(shù)據(jù)處理同樣適用，由于幅度的單位是dB，因此，需將聲發(fā)射信號(hào)幅度除以20以便得到Richter定義的幅度，公式修正為:

其中:N是頻度增量，在某一時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射事件(撞擊)的個(gè)數(shù)［30］，a是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，b值定義為聲發(fā)射頻率－幅度分布曲線的對(duì)數(shù)線性斜率，它反映了聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)弱，以及不同強(qiáng)度信號(hào)的組合情況。聲發(fā)射b值能反映材料內(nèi)部微裂縫發(fā)展情況，其物理意義是:當(dāng)裂縫以較大步進(jìn)擴(kuò)展時(shí)，幅度大的信號(hào)成分比例較大，則b值較小，裂縫以較小的步進(jìn)擴(kuò)展時(shí)，b值較大［31］。

2.3 聲發(fā)射波形頻譜分析

為了識(shí)別出材料在損傷破壞過程中所釋放出的聲發(fā)射信號(hào)中可能蘊(yùn)含的特定物理機(jī)制，通常要對(duì)聲發(fā)射波形進(jìn)行分析，但人們很難從中直接得到定量的結(jié)論［32］，而需要借助信號(hào)分析技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)中所采集的典型聲發(fā)射波形及其FFT功率譜如圖4所示。峰值頻率是指功率譜值最大點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率值，頻率質(zhì)心指功率譜圖在x軸(頻率軸)上的質(zhì)量中心。本文主要通過分析這兩個(gè)指標(biāo)來比較兩種混凝土在破壞過程中所表現(xiàn)出的聲發(fā)射頻譜特征。

2.4 聲發(fā)射源定位

本研究采用AEwinTM軟件［33］所提供的三維聲發(fā)射源定位程序進(jìn)行計(jì)算，所采用的搜索算法為單純形法，在定位計(jì)算執(zhí)行之前，需要輸入相應(yīng)試件的聲發(fā)射波速，本研究采用斷鉛人工激發(fā)源測(cè)得的濕篩與三級(jí)配混凝土試件的Vp值分別為4 200 m/s和4 150 m/s。

3 結(jié)果與分析

3.1 聲發(fā)射活動(dòng)性分析

聲發(fā)射撞擊累計(jì)曲線可以展示材料損傷累積的發(fā)展過程，濕篩和三級(jí)配混凝土試件的加載曲線和聲發(fā)射撞擊累計(jì)數(shù)曲線如圖5所示，為了方便討論，根據(jù)曲線形狀將整個(gè)過程分成三個(gè)階段:A階段(0－85%極限荷載)，B階段(85% －95%極限荷載)，C階段(95%－100%極限荷載)。從表1可以看出，在A和B階段，三級(jí)配混凝土試件的聲發(fā)射撞擊數(shù)所占總數(shù)的比例始終多于濕篩混凝土，表明其聲發(fā)射活動(dòng)比濕篩混凝土活躍，而在臨近最終破壞的C階段，濕篩混凝土試件的比例明顯高于三級(jí)配試件，并且累計(jì)曲線的斜率更大，聲發(fā)射活動(dòng)呈現(xiàn)劇烈增加的趨勢(shì)，表明濕篩混凝土試件內(nèi)與微裂縫不穩(wěn)定發(fā)展有關(guān)的聲發(fā)射活動(dòng)主要集中于高應(yīng)力水平。

圖5 聲發(fā)射撞擊波形頻率質(zhì)心統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.5 AE centroid frequency histogram

從聲發(fā)射撞擊開始連續(xù)出現(xiàn)的時(shí)機(jī)來看，三級(jí)配混凝土試件損傷出現(xiàn)的比濕篩混凝土試件早，這可能是由于三級(jí)配混凝土中存在較大粒徑(大于40 mm)的粗骨料，大骨料底部可能存在的水隙，使得諸如泌水等原因引起的原生界面微裂縫較濕篩混凝土多;此外，粗骨料的尺寸增加之后，其本身存在原生裂隙等缺陷的概率也隨之增大，進(jìn)而導(dǎo)致粗骨料的強(qiáng)度降低，因此，在較低的應(yīng)力條件下就誘發(fā)能夠被系統(tǒng)采集的聲發(fā)射活動(dòng)。有研究結(jié)果表明［34］，在強(qiáng)度為15 MPa～40 MPa時(shí)，全級(jí)配混凝土(骨料最大粒徑為80 mm)抗壓、劈拉和軸拉強(qiáng)度均小于濕篩混凝土試件，從表2中可以發(fā)現(xiàn)，三級(jí)配混凝土的彎拉強(qiáng)度與上述強(qiáng)度規(guī)律一樣，也小于濕篩混凝土。Sadowska等人［35］的研究結(jié)果表明，損傷(聲發(fā)射信號(hào))出現(xiàn)的越早，混凝土的強(qiáng)度越低，這在以上的分析中得到了證實(shí)，三級(jí)配與濕篩試件相比，損傷出現(xiàn)更早且強(qiáng)度較低。

從表2中還可以看出，對(duì)于兩種混凝土試件的彎拉破壞過程而言，聲發(fā)射b值隨著加載階段的延續(xù)而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，此外，無論是在各加載階段還是整個(gè)加載過程中，三級(jí)配混凝土的聲發(fā)射b值均低于濕篩混凝土，表明在所產(chǎn)生的聲發(fā)射撞擊中，高幅度的聲發(fā)射撞擊占總撞擊數(shù)的比例高于濕篩混凝土，說明其斷裂規(guī)模較大，而濕篩混凝土試件在斷裂過程所產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的幅度則以低幅度為主，斷裂的規(guī)模較小。

表1 力學(xué)特性與聲發(fā)射特性Tab.1 Mechanical and AE characteristics

3.2 聲發(fā)射波形頻譜分析

對(duì)整個(gè)加載過程中，濕篩混凝土和三級(jí)配混凝土聲發(fā)射撞擊波形的峰值頻率分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如圖6所示，可以看出，三級(jí)配混凝土除了具有濕篩混凝土所具有的峰值頻率分布特征之外，在100 kHz～125 kHz頻段以及225 kHz～250 kHz頻段也有相當(dāng)數(shù)量的聲發(fā)射撞擊分布。

圖6 機(jī)制識(shí)別程序流程圖Fig.6 Flowchart of mechanisms to identify program

在整個(gè)加載過程中，濕篩混凝土和三級(jí)配混凝土聲發(fā)射撞擊波形的頻率質(zhì)心分布情況如圖7所示，從中可以看出，濕篩混凝土的聲發(fā)射撞擊頻率質(zhì)心均分布在200 kHz－400 kHz范圍之內(nèi)，而三級(jí)配混凝土則分布在100 kHz－400 kHz的更寬的范圍之內(nèi)。有研究表明［36－37］，混凝土中粗骨料和水泥漿的界面破壞以低頻(低于100 kHz)的聲發(fā)射信號(hào)占主導(dǎo)，因此，三級(jí)配混凝土頻率質(zhì)心在較低的頻段也有出現(xiàn)的這一現(xiàn)象可能也與在三級(jí)配混凝土中比濕篩混凝土含有更豐富的界面破壞成分有關(guān)。Sagaidak等人［2］也指出，聲發(fā)射撞擊的頻率特征依賴于裂縫的尺寸和方向，裂縫的不斷增長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致聲發(fā)射頻譜的主頻降低，從這一點(diǎn)上來看，三級(jí)配混凝土具有更低范圍的頻率質(zhì)心分布這一特征說明，三級(jí)配混凝土在整個(gè)破壞過程中的裂縫尺寸和規(guī)模都大于濕篩混凝土。

3.3 基于聲發(fā)射參數(shù)的破壞機(jī)制識(shí)別

材料的破壞過程通常包含著各種不同的機(jī)制，伴隨破壞過程產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)則包含著與機(jī)制有關(guān)的信息［38］，從蘊(yùn)含材料內(nèi)部缺陷發(fā)展過程信息的聲發(fā)射信號(hào)中分離出相互重疊的斷裂機(jī)制是一項(xiàng)復(fù)雜而具有挑戰(zhàn)性的工作。

3.3.1 基本原理

Wu等人［38］提出了一種分離與不同斷裂機(jī)制相關(guān)的聲發(fā)射信號(hào)的方法，該方法也被 Chotard等人［39］應(yīng)用于水泥硬化過程的聲發(fā)射特性研究中，主要依據(jù)以下2個(gè)原則:(1)對(duì)于相同的聲發(fā)射活動(dòng)，其釋放能量越高，則對(duì)應(yīng)聲發(fā)射幅度越高、持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng);(2)同一破壞機(jī)制產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)具有相同的參數(shù)特性(如幅度分布、單位撞擊數(shù)對(duì)應(yīng)的振鈴數(shù)和持續(xù)時(shí)間等)。本文采用該分析方法分離并識(shí)別出聲發(fā)射特性，編寫了計(jì)算機(jī)程序?qū)β暟l(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，識(shí)別程序的流程如圖8所示，通過該方法可將相互重疊的多種聲發(fā)射特性在以上兩個(gè)原則的基礎(chǔ)上分離出來，而分離之后的聲發(fā)射特性主要是由持續(xù)時(shí)間范圍的不同來相互區(qū)別的，這里的聲發(fā)射特性可以稱之為"機(jī)制"，實(shí)施的具體過程如文獻(xiàn)［40］所述。本文在識(shí)別過程中，當(dāng)?shù)臄?shù)值不大于二者均值的15%時(shí)，認(rèn)為HC和CPA近似相等，各持續(xù)時(shí)間范圍的機(jī)制識(shí)別掃描過程由計(jì)算機(jī)程序完成，持續(xù)時(shí)間范圍選擇的基本原則是確保相鄰持續(xù)時(shí)間范圍的連續(xù)性。

3.3.2 識(shí)別結(jié)果與分析經(jīng)過程序分析與處理后，濕篩混凝土和三級(jí)配混凝土在1 800μs以下的持續(xù)時(shí)間范圍之內(nèi)分別得到了11種和12種破壞機(jī)制(同一機(jī)制在兩種混凝土中的持續(xù)時(shí)間范圍可能略有不同，但這并不影響對(duì)結(jié)果的分析)，識(shí)別率分別達(dá)到了97.4%和91.9%，只有個(gè)別持續(xù)時(shí)間范圍的聲發(fā)射撞擊沒有被識(shí)別成特定的機(jī)制，由此可見，這些機(jī)制可以近似代表兩種混凝土整個(gè)破壞過程的主要特征，被識(shí)別成的破壞機(jī)制情況如表2和表3所示，比較后可以發(fā)現(xiàn)，除了機(jī)制4之外，兩種混凝土其它機(jī)制的參數(shù)分布特征基本相同，表明兩種混凝土中的破壞機(jī)制基本相同。Wu等人［38］將在混凝土中分離出的斷裂機(jī)制與其細(xì)觀層次的破壞機(jī)制進(jìn)行了對(duì)應(yīng)，本文著重分析兩種混凝土破壞機(jī)制的主要差異。

兩種混凝土的主要不同之處在于，濕篩混凝土試件中機(jī)制4的持續(xù)時(shí)間范圍覆蓋了三級(jí)配混凝土試件中的機(jī)制4a和4b，更進(jìn)一步地，由于濕篩混凝土機(jī)制4的單位撞擊振鈴數(shù)和撞擊－振鈴數(shù)直方圖峰值與三級(jí)配混凝土試件的機(jī)制4a更接近，也就是說，這兩種機(jī)制的幅度分布特征相似，推斷其可能來源于相似的機(jī)制，由于兩種混凝土中均含有小于40 mm的粗骨料以及水泥砂漿，因此，可以推斷，機(jī)制4和機(jī)制4a可能都來源于小尺寸粗骨料與水泥漿界面破壞，而機(jī)制4b則可能歸屬于大尺寸骨料與水泥漿界面破壞。這些結(jié)論具有較強(qiáng)的推測(cè)意味，因?yàn)槿?jí)配混凝土中大尺寸骨料本身的缺陷也可能使得其斷裂機(jī)制更加復(fù)雜，但是，與濕篩混凝土相比，三級(jí)配混凝土中大尺寸骨料的引入是導(dǎo)致其聲發(fā)射機(jī)制更加復(fù)雜這一結(jié)論是非常明確的。Wu等人［38］在研究砂漿、普通混凝土梁試件破壞過程的聲發(fā)射特性并對(duì)其破壞機(jī)制進(jìn)行探討的過程中，也發(fā)現(xiàn)砂漿試件中的某一持續(xù)時(shí)間范圍的機(jī)制出現(xiàn)了覆蓋普通混凝土中兩個(gè)機(jī)制的現(xiàn)象。

表2 濕篩混凝土的聲發(fā)射參數(shù)特征Tab.2 AE parameters characteristics of wet sieving concrete

表3 三級(jí)配混凝土的聲發(fā)射參數(shù)特征Tab.3 AE parameters characteristics of three-graded concrete

3.4 聲發(fā)射源定位分析

在試驗(yàn)過程中，隨著荷載的逐漸施加，混凝土試件內(nèi)部的微裂縫不斷誘發(fā)和擴(kuò)展，達(dá)到混凝土的極限承載力時(shí)，試件突然斷裂成兩段，在此過程中，混凝土微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展過程可以通過聲發(fā)射源定位技術(shù)得以展現(xiàn)。兩種混凝土在不同的受力階段的聲發(fā)射源定位結(jié)果如圖7所示，兩種混凝土試件破壞過程中所被定位出的聲發(fā)射事件均是從約85%極限荷載階段開始出現(xiàn)，從圖7中可以看出，在整個(gè)加載過程中，三級(jí)配混凝土的損傷出現(xiàn)的空間分布區(qū)域要比濕篩混凝土更廣，濕篩混凝土微裂縫的開展主要是集中在最大拉應(yīng)力區(qū)，而三級(jí)配混凝土的微裂縫除了在最大拉應(yīng)力區(qū)有所分布之外，在其它區(qū)域也有一定數(shù)量的分布，而且表現(xiàn)出多個(gè)區(qū)域微裂縫共同活躍的現(xiàn)象，表明兩種混凝土內(nèi)由于應(yīng)力集中而形成的微裂縫發(fā)展方式存在差異，Joseph等人［40］指出，骨料粒徑較大的混凝土在損傷斷裂過程會(huì)形成更大的微裂縫局部化區(qū)域，因此，三級(jí)配混凝土中大尺寸骨料的引入是出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因。

4 結(jié)論

本文對(duì)比了濕篩混凝土和三級(jí)配混凝土在靜態(tài)彎拉荷載作用下破壞過程的聲發(fā)射特性，并從材料組成等方面對(duì)可能存在的內(nèi)在機(jī)制進(jìn)行了分析，得到了以下結(jié)論:

(1)三級(jí)配混凝土中較大直徑粗骨料本身的原生微裂縫及其內(nèi)部由于泌水等原因引起的原生界面微裂縫，在較低的應(yīng)力條件下就可以誘發(fā)損傷，故開始連續(xù)出現(xiàn)聲發(fā)射活動(dòng)的應(yīng)力水平和極限彎拉強(qiáng)度都較低。

(2)三級(jí)配混凝土在各加載階段具有較低聲發(fā)射b值，以及具有峰值頻率分布特征和頻率質(zhì)心趨向低頻的這些特點(diǎn)，都說明其在破壞過程中的微裂縫尺寸和斷裂規(guī)模均高于濕篩混凝土。

(3)濕篩混凝土機(jī)制4的持續(xù)時(shí)間范圍覆蓋了三級(jí)配混凝土試件中的機(jī)制4a和4b，三級(jí)配混凝土中大尺寸骨料的引入可能是導(dǎo)致其聲發(fā)射機(jī)制較濕篩混凝土復(fù)雜的主要原因。

(4)采用聲發(fā)射技術(shù)可以展現(xiàn)混凝土微裂縫發(fā)展的空間分布規(guī)律。在整個(gè)損傷斷裂過程中，三級(jí)配混凝土所呈現(xiàn)的微裂縫局部化區(qū)域的范圍大于濕篩混凝土。采用聲發(fā)射技術(shù)能夠展現(xiàn)出兩種大壩混凝土在整個(gè)損傷斷裂過程中所表現(xiàn)出的損傷發(fā)展過程及其機(jī)制的差異，有助于深化人們對(duì)大壩混凝土破壞過程的認(rèn)識(shí)，本課題將在本文研究的基礎(chǔ)上，對(duì)濕篩和全級(jí)配混凝土開展在動(dòng)態(tài)加載條件下聲發(fā)射特性的研究工作。

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Acoustic emission characteristics of wet sieving concrete and three-graded one in xiaowan arch dam under static flexural-tensile

WANG Yan1，WU Sheng-xing1，ZHOU Ji-kai1，CHEN Hou-qun1，2

(1.College of Civil Engineering and Transportation，Hohai University，Nanjing 210098，China;2.Institute of Water Resources＆ Hydropower Research of China，Beijing 100044，China)

Combining with flexural-tensile tests of wet sieving and three-graded concrete in Xiaowan arch dam，feature parameters and waveforms of acoustic emission(AE)signals under action of third-point flexural-tensile were acquired using a full-digital acoustic emission system.The law of acoustic emission activities in each loading stages was analyzed，the statistical features of the peak frequencies and the frequency centroids calculated from the FFT power spectra of the acoustic emission waves were compared，the damage and fracture mechanisms were identified based on the acoustic emission parameters，and the localized failure zones of microcracks were also located using the commercial software AEwin.It was found in a three-graded concrete comparing with a wet sieving concrete that acoustic emission in the former is easier to induce damage，and lower b value of acoustic emission is observed in each loading stages;the peak frequencies of the acoustic emission in the former appear in frequency bands of 100 kHz～125 kHz and 225 kHz～250 kHz，and the frequency centroids are lower than those of the latter;two specific mechanisms are identified in the former but within the same time duration one is identified in the latter;the localized zone of microcrack in the former is larger than that in the latter.

wet sieving concrete;three-graded concrete;flexural-tensile;acoustic emission

TB3

A

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(90510017)，水利部公益性項(xiàng)目(200701004);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51009058);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2009B03014)

2010－01－07 修改稿收到日期:2010－03－12

王 巖 男，博士，1980年生