聲發(fā)射技術(shù)在纖維混凝土中的應用現(xiàn)狀與展望★

魏寶龍 王 瑤 馬海濤

1 概述

混凝土材料在許多工程中廣泛使用。但混凝土的自身缺陷也限制了它的應用范圍和效果。混凝土工程中使用的纖維包括:碳纖維、聚丙烯纖維、鋼纖維等。碳纖維水泥基復合材料能使普通材料的抗拉、壓和抗折性能都得到改善，且增加了材料的耐磨性，降低了材料的干縮。聚丙烯纖維在一定程度上提高了水泥的抗沖擊強度，且價格低、耐老化、具有優(yōu)良的分散性。鋼纖維可以顯著提高混凝土的性能。纖維混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的性能，但因材料的各向異性，且使用過程中可能受到的各種復雜載荷作用，使材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同類型的損傷，對結(jié)構(gòu)的安全使用和壽命造成威脅。而傳統(tǒng)的材料無損檢測方法難以適應于檢測損傷復雜的纖維混凝土材料。近年來，聲發(fā)射[1］檢測技術(shù)作為一種新的無損檢測技術(shù)得到了迅速發(fā)展。

本文主要從聲發(fā)射在各種纖維混凝土應用中的優(yōu)勢、可行性等方面論述各種纖維混凝土中聲發(fā)射技術(shù)應用的現(xiàn)狀以及展望。

2 聲發(fā)射技術(shù)在纖維混凝土中的研究現(xiàn)狀

2.1 聲發(fā)射技術(shù)在碳纖維混凝土中的研究

Adam R.Ridge 和 Paul H.Ziehl[2］比較循環(huán)荷載測試方法和聲發(fā)射方法對碳纖維混凝土的破壞的無損評價，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射方法評價更加簡易和靈敏。裔裕峰等人[3］進行了碳纖維水泥基材料在不同制作工藝下的聲發(fā)射特性的研究。結(jié)果表明，利用聲發(fā)射可以定性評價碳纖維的分散性;不同摻量分散劑和硅粉，在單軸壓縮下表現(xiàn)出不同的聲發(fā)射特性。陸見廣[4］同時用聲發(fā)射方法和傳統(tǒng)電阻測量法測定了SCFC梁在三點彎曲試驗過程中的電阻變化和聲發(fā)射信號特征。分析表明聲發(fā)射方法在結(jié)構(gòu)的損傷檢測中的有效性。張琴[5］采用聲發(fā)射裝置監(jiān)測了有初始缺陷的碳纖維混凝土梁內(nèi)部裂縫的發(fā)生發(fā)展，對比自身的電阻變化規(guī)律，印證了碳纖維混凝土梁監(jiān)測裂縫發(fā)展的可靠性。國內(nèi)外的研究分別對聲發(fā)射在碳纖維混凝土疲勞、破壞研究中的應用進行了探索，通過與傳統(tǒng)方法的對比得出聲發(fā)射應用的可行性結(jié)論，而裔裕峰、謝慧才又通過聲發(fā)射技術(shù)進一步對不同制作工藝下的碳纖維水泥基材性質(zhì)進行研究。

2.2 聲發(fā)射技術(shù)在聚丙烯纖維混凝土中的研究

鐘文慧[6］采用Dolant聚丙烯腈纖維，分別對素混凝土、摻加兩種不同長度纖維混凝土進行了三點彎曲循環(huán)加載試驗，同時對其進行聲發(fā)射監(jiān)測。建立了材料聲發(fā)射參數(shù)與撓度的關(guān)系方程，得到了混凝土損傷與聲發(fā)射累積能量之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，并根據(jù)聲發(fā)射累積能量定量化地監(jiān)測和描述混凝土材料的細觀損傷，從細觀層次上分析了纖維在混凝土中的作用。Dimitrios G.Aggelis等人[7］的研究顯示了聲發(fā)射技術(shù)在研究混凝土破壞過程的可靠性。宣衛(wèi)紅等人[8］系統(tǒng)地進行了室內(nèi)纖維拔出試驗和聲發(fā)射試驗，以探究聚丙烯纖維混凝土/砂漿材料的粘結(jié)破壞機理。聲發(fā)射試驗結(jié)果為提出的聚丙烯纖維拔出破壞模型提供了較好的佐證。

在鐘文慧利用聲發(fā)射研究了纖維在混凝土細觀層次上的作用后，Dimitrios G.Aggelis等進行了聲發(fā)射技術(shù)應用于聚丙烯纖維混凝土研究的可靠性研究，而宣衛(wèi)紅等利用聲發(fā)射為聚丙烯纖維拔出破壞模型提供佐證。

2.3 聲發(fā)射技術(shù)在鋼纖維混凝土中的研究

D.Soulioti等人[9］對不同鋼纖維摻量混凝土板的聲發(fā)射行為進行研究。發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射的活動性與纖維含量成正比。分析顯示，聲發(fā)射參數(shù)的變化可用于表征纖維混凝土的破壞過程;同時可通過聲發(fā)射來判斷混凝土的損傷程度，并為采取何種加固設(shè)計提供依據(jù)。林峰等人[10］對鋼纖維混凝土試樣和素混凝土試樣損傷變量與聲發(fā)射數(shù)的關(guān)系進行對比分析，說明一次聲發(fā)射在鋼纖維混凝土試樣中換算的當量要高于素混凝土試樣。Dimitrios G.Aggelis[11］研究了不同鋼纖維含量的混凝土的聲發(fā)射，確定不同混凝土破壞模式的簡單分類方法，以適用于施工現(xiàn)場作業(yè)。王明[12］通過對混凝土和鋼纖維混凝土進行單軸壓縮試驗和聲發(fā)射試驗研究，應用Dai公式分析了聲發(fā)射事件數(shù)與應力之間的關(guān)系，驗證了其適用性和有效性;并利用聲發(fā)射概率密度函數(shù)的概念，分析了不同荷載水平的損傷過程。D.Soulioti等人進行了不同鋼纖維摻量混凝土板的四點彎曲實驗，而林峰等人對前人的結(jié)論進行了驗證，Dimitrios G.Aggelis對聲發(fā)射如何應用于施工現(xiàn)場進行研究，王明應用Dai公式分析聲發(fā)射事件數(shù)與應力之間的關(guān)系。

2.4 聲發(fā)射技術(shù)在多種纖維混凝土中的對比研究

Amir Mirmiran和Salam Philip[13］進行了鋼纖維和FRP纖維混凝土梁的聲發(fā)射對比。研究發(fā)現(xiàn)FRP纖維混凝土梁由于其較低的剛度和較大的脆性，其聲發(fā)射活動性和峰值振幅更高，且在卸載過程仍發(fā)射信號;而鋼纖維混凝土的行為更接近于Kaiser效應。陳兵等人[14］觀測了不同種類混凝土三點彎曲梁的聲發(fā)射(AE)特性，發(fā)現(xiàn)摻加纖維對聲發(fā)射特性有明顯影響。J.M.L.Reis等人[15］對聲發(fā)射驗證纖維混凝土破壞的機理做了探究，并進一步說明了纖維對混凝土的增強作用。李琳、張亞芳[16］通過RFPA2D對層布式混雜纖維混凝土進行試件變形與破壞過程的數(shù)值模擬，并對最大拉應力和聲發(fā)射過程進行分析。得出層布式混雜纖維使混凝土的抗彎強度和韌性得到明顯提高的結(jié)論。嚴軍等人[17］在瀝青混凝土中添加纖維，通過在傳統(tǒng)帶切口小梁彎曲試驗基礎(chǔ)上增加聲發(fā)射測試設(shè)備，對纖維瀝青混凝土的斷裂行為進行了分析。通過試驗建立了聲發(fā)射特征和參數(shù)與力學參數(shù)的關(guān)系，更準確地反映了材料的斷裂特征。

Luigi Biolzi等人[18］對高溫后纖維混凝土的剩余屬性進行了評估，實驗采用了鋼纖維混凝土與聚丙烯纖維混凝土兩種樣本，使用聲發(fā)射技術(shù)對熱處理后的混凝土損傷區(qū)進行觀測，結(jié)果顯示混凝土損傷在熱處理后有增加趨勢。多種纖維混凝土的對比研究與混雜纖維混凝土的研究中，聲發(fā)射的應用相當廣泛，其作用機理也不斷被人認清。嚴軍等建立了聲發(fā)射與纖維瀝青混凝土的力學參數(shù)的關(guān)系，Luigi Biolzi等對高溫處理混凝土的剩余屬性進行了評估。

3 聲發(fā)射在纖維混凝土研究中的應用總結(jié)

本文通過對聲發(fā)射技術(shù)在纖維混凝土研究中應用的相關(guān)文獻的收集、整理和歸納總結(jié)，從聲發(fā)射在各種纖維混凝土應用中的優(yōu)勢、可行性等方面論述了該領(lǐng)域的相關(guān)研究進展和展望，得到如下結(jié)論:

1)總結(jié)上述研究發(fā)現(xiàn)。國內(nèi)外研究中，對鋼纖維混凝土的研究較成熟，國外使用四點彎曲的實驗較多并且研究方向較新，做了一些突發(fā)情況的纖維混凝土聲發(fā)射研究。

2)幾點展望。針對碳纖維水泥基復合材料壓敏性、溫敏性、電磁屏蔽等一系列優(yōu)良的性能，其纖維混凝土的聲發(fā)射研究應得到注意;纖維混凝土在惡劣條件下，如極端溫度、凍融、爆炸情況下的聲發(fā)射研究前景廣闊;玻璃纖維混凝土的聲發(fā)射研究是個空白，可對其進行進一步研究。

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