自愈合混凝土損傷演化聲發(fā)射監(jiān)測及其評價技術

李 冬 生， 匡 亞 川， 胡 倩

（1.大連理工大學 土木工程學院，遼寧 大連 116024；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410083）

0 引 言

混凝土是一種多孔性的脆性材料，作為土木工程結構中應用最廣泛的材料，其抗拉強度遠遠低于其抗壓強度，韌性差，對沖擊、開裂的抵抗能力差，在外部荷載下，不可避免地產生裂縫.一旦裂縫產生，其防水性降低，導致鋼筋腐蝕，混凝土的粘結能力下降，結構的安全性和耐久性將降低.因此，修復混凝土裂縫顯得非常必要.自愈合混凝土是對材料損傷破壞具有自行愈合和再生功能，可恢復甚至提高材料性能、增強延性彎曲能力的一種新型復合材料[1].對于混凝土的自愈合行為，它的愈合效果及其服役過程中的損傷演化，目前還缺乏有效的研究手段.尋找一種方法合理地、準確地判斷和跟蹤愈合效果及其損傷演化，將為自愈合混凝土走向實際工程應用奠定很好的基礎.

構件受力作用產生變形或斷裂，以彈性波的形式釋放應變能的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射（acoustic emission，簡稱 AE）[2].聲發(fā)射是一種動態(tài)、被動監(jiān)測技術，不像超聲那樣需借助外界的能量.它能夠真正做到在線、實時監(jiān)測，能快速顯示物體的破損狀態(tài)和缺陷位置，大大節(jié)省監(jiān)測時間、降低成本[3].Georg等[4]基于聲發(fā)射凱塞 （Kaiser）效應的荷載比和卡姆比等方法得到了混凝土損傷程度等級分類；Santosh等[5]利用聲發(fā)射事件數(shù)和聲發(fā)射能量研究了混凝土界面斷裂行為；吳勝興等[6]在MTS材料試驗機上進行相同尺寸的混凝土、骨料（花崗巖）、砂漿和骨料、砂漿界面4種試件的軸拉試驗，利用聲發(fā)射技術識別混凝土損傷斷裂過程的物理機理；朱宏平等[7]利用聲發(fā)射信號與速率過程理論對混凝土損傷進行了定量評估.從國內外的研究成果來看，聲發(fā)射技術可以有效地監(jiān)測混凝土裂紋的產生與擴展.它對構件內部變化非常敏感，混凝土愈合前后由于構件內部變化，在宏觀上將表現(xiàn)聲發(fā)射信號的不同.不擴展的裂紋就不會產生聲發(fā)射信號，利用有無聲發(fā)射信號及信號的特征變化，可以判斷混凝土自愈合效果及其損傷演化過程，及時提供預警信息，避免災難性的事故發(fā)生.

1 試驗方案與加載裝置

（1）自修復混凝土的制備

自修復混凝土是根據(jù)人體傷口由“破裂—流血—凝結—愈合”的過程，將含有修復劑的修復纖維摻入到混凝土材料中，當混凝土基體出現(xiàn)損傷或裂縫時，纖維膠液管隨之破裂，其中的修復膠粘劑流出，修復損傷.具體制備工藝及要求見文獻[8].

（2）試驗裝置與方法

本試驗以環(huán)氧樹脂為修復劑，砂漿為基體材料.試件尺寸為40mm×40mm×160mm，水灰比為0.5，灰砂比為1∶3.

澆注后，在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至28d齡期，在Instron8501萬能試驗機上進行三點彎曲試驗（圖1、2）.加載速度為0.025mm/min.為了有效監(jiān)測自愈合混凝土損傷演化和開裂情況，在試件兩端各布設一個聲發(fā)射傳感器，距離端部20 mm.在試驗過程中，不可避免出現(xiàn)噪聲.通過兩種辦法去除環(huán)境噪聲，一種是設置門檻值，另一種是設置濾波頻率.通過空采和混凝土損傷聲發(fā)射頻率段，聲發(fā)射試驗門檻值設置為45dB，濾波頻率為100～600kHz.在試件的初始損傷階段，聲發(fā)射信號比較微弱，通過設置增益來提高信號的強度.本試驗采取兩級增益放大，前置放大增益設置為40dB，主放大增益為20dB.試驗過程中，應該不斷觀察裂紋擴展情況，一旦發(fā)現(xiàn)修復劑流出，停止加載.然后等待10d左右，待修復劑完全固化并對裂縫進行了有效的修復，再進行第2次試驗.

圖1 三點彎曲裂縫自修復試驗Fig.1 Three point bending experimentation of cracks self－repairing

圖2 試驗加載裝置Fig.2 Load device of experimentation

2 試驗結果與討論

2.1 自愈合混凝土強度回復率

試驗測試了修復前后試件的強度，第1次測試（修復膠粘劑釋放之前）結果與第2次測試（修復膠粘劑釋放，滲入到基體中修復裂縫之后）結果比較如表1所示.從表1可以看到：未經修復膠粘劑修復的試件，在第1次三點彎曲試驗后已經破壞，因而在第2次試驗時其強度下降了80%～90%，幾乎不能再次承受荷載.而經修復膠粘劑修復后的試件第2次彎曲試驗時，混凝土平均強度提高了30.6%.這是因為，混凝土出現(xiàn)開裂后，事先埋置在里面的膠粘劑發(fā)生破裂，膠粘劑流向裂縫處，使裂縫面重新愈合，試件的承載能力得到提高.第2次加載時，由于修復膠粘劑的粘結能力大于砂漿，裂紋并不在上次出現(xiàn)裂縫的地方開裂，應力分配到別的未開裂的地方，這就是試件強度提高的原因.

表1 修復前后試件的強度回復率Tab.1 Strength recovering ratio of samples before and after repairing

2.2 自愈合混凝土損傷聲發(fā)射特征信號

為了得到自愈合混凝土損傷過程的聲發(fā)射特征，運用聲發(fā)射技術進行自愈合混凝土破損全過程檢測.愈合前后聲發(fā)射特征參數(shù)如圖3、4所示.愈合前后的混凝土在加載過程中都產生了豐富的聲發(fā)射信號.隨著荷載的增加，聲發(fā)射信號逐漸變大.這種變化現(xiàn)象不符合聲發(fā)射凱塞效應.這是因為在這次試驗之前的加載中，盡管混凝土已經產生了裂縫，但埋在混凝土中的內置纖維膠液管隨著混凝土的開裂而斷裂，修復膠粘劑迅速流出，混凝土裂縫重新修復，使混凝土變得完好如初.因而在進行自愈合效果驗證試驗時，愈合后的混凝土跟愈合前的混凝土發(fā)生了類似的損傷過程.其聲發(fā)射監(jiān)測結果也說明了這一點.具體損傷過程為，在加載初期，聲發(fā)射事件數(shù)隨著時間增加變化不大，這是因為混凝土是一種多孔材料，在外部荷載的作用下，內部微小孔洞被壓實，壓實過程中，砂漿顆粒相互摩擦和碰撞，產生小量的聲發(fā)射信號.此后，隨著荷載的增加，聲發(fā)射計數(shù)增加得越來越明顯，這說明試件內部開始發(fā)生了變化，產生了微裂縫；在試驗進行到180s之后，荷載達到最大值，聲發(fā)射特性參數(shù)變化非常劇烈，其特征參數(shù)值急劇增加.這是因為混凝土為一種脆性材料，荷載達到最大值之后，裂縫出現(xiàn)不穩(wěn)定擴展，試件發(fā)生脆性斷裂.

圖3 聲發(fā)射傳感器累積計數(shù)變化曲線Fig.3 Evolution of acoustic emission hits recorded by transducers

圖4 自愈合混凝土聲發(fā)射計數(shù)與荷載曲線Fig.4 Load and AE hits for self－repairing concrete

從圖4還可以看出，聲發(fā)射計數(shù)變化曲線和荷載曲線同步變化，具有良好的對應關系.在荷載的最大值處，聲發(fā)射計數(shù)達到最大值，聲發(fā)射信號變化更加劇烈.因此可以利用聲發(fā)射計數(shù)包絡曲線代替荷載曲線，定性地揭示試件的破壞情況.

2.3 聲發(fā)射費利西蒂（Felicity）比與混凝土愈合效果比較

從圖3愈合前后的聲發(fā)射計數(shù)圖可以看出，自愈合混凝土不符合聲發(fā)射凱塞效應，重新加載聲發(fā)射信號出現(xiàn)的時刻早于預定時刻，即荷載并未達到前一次加載的最大值已產生新的信號，這種現(xiàn)象稱為費利西蒂（Felicity）效應.Felicity比定義為第i＋1次加載過程中出現(xiàn)的第一個聲發(fā)射信號對應的荷載與第i次加載過程中的最大荷載之比.它反映了加載歷史對材料或結構的影響.但在試驗現(xiàn)場，由于各種環(huán)境及試驗過程產生的噪聲，即使試件沒有發(fā)生損傷，聲發(fā)射儀器也可能接收到信號.因此如何判斷是不是有效聲發(fā)射信號，顯得很重要.本文根據(jù)紀洪廣等[9]提出的方法來進行Felicity比的計算，結果見表2.

表2 混凝土愈合強度與Felicity比Tab.2 Repairing strength of concrete and Felicity ratio

從表2可以看出：Felicity比隨著愈合強度的提高而減小.這是因為試件經過預加載，內部產生了微裂縫，修復劑流向斷面處，使它得到了及時的修復，試件的強度得到了改善.等到第2次加載時，根據(jù)微裂縫面粘結的好壞，如果粘結處的強度大于原來的強度，將在試件別的地方產生微裂縫，如果低于原來的強度，微裂縫面將發(fā)生二次開裂.這樣，就表現(xiàn)出了Felicity效應.因此，利用Felicity效應可以判斷愈合效果的優(yōu)劣，至于Felicity比跟愈合效果優(yōu)劣是否有定量的關系，有待進一步研究.

3 基于小波分析技術自愈合混凝土損傷演化分析

聲發(fā)射信號是典型的非平穩(wěn)信號，經典的傅里葉變換不適合分析這類信號，而小波分析技術能夠在時頻上同時進行信號分析，非常適合非平穩(wěn)信號分析.通過對聲發(fā)射信號進行小波分析，提取相關特征參數(shù)、尋找信號突變點，能有效地判斷自愈合混凝土的損傷演化.這是因為，不同損傷類型的聲發(fā)射信號在時域上（如幅值）、頻域上（如頻率）具有不同的信號特征，而且不同的損傷階段，小波分解系數(shù)會出現(xiàn)一些突變點.根據(jù)這些突變信號的變化，可以有效劃分信號的不同損傷階段.

3.1 小波分解奇異性檢測理論簡介

一般地，信號的奇異性大小可用Lipschitz指數(shù)來描述，也稱奇異性指數(shù)[10，11].設有非負整數(shù)n，n≤a≤n＋1，如果存在常數(shù)A＞0，以及n次多項 式pn（t），對 于t∈ （t0－δ，t0＋δ）使則稱f（t）在t0數(shù)），是Lipschitza的，如果f（t）在t0的Lipschitz指數(shù)a小于1，則稱t0為f（t）的奇異點.對于小波分析而言，在小波變換中，局部奇異性可定義為設f（x）∈L2（R），若f（x）對x∈δx0，小波φ（x）滿足連續(xù)可微，并且具有n階消失矩（n為正整數(shù)）有（K為常數(shù)），則稱a為x0點的奇異性指數(shù)（也稱Lipschitz指數(shù)）.

基于上述小波奇異性檢測原理，對聲發(fā)射特征信號進行小波分解.為了確保劃分的準確性，同時結合聲發(fā)射技術、能量、幅值等參數(shù)綜合判斷其損傷演化狀況，本文選取聲發(fā)射計數(shù)進行小波分解和奇異性分析.小波母波選用緊湊型的db3，綜合采樣頻率和分解精度，分解階次定為5次.為了節(jié)省篇幅，本文僅給出第5次分解的聲發(fā)射計數(shù)與時間細節(jié)圖（圖5）.

圖5 聲發(fā)射計數(shù)小波分解細節(jié)圖（d5）Fig.5 Wavelet decomposition detail of AE hits at level 5

圖5小波分解的結果顯示，不同的損傷階段，其聲發(fā)射特征參數(shù)相差比較大，而且出現(xiàn)了較多的信號奇異點，這表明自愈合混凝土整個加載過程中損傷非常豐富.但總體上看，聲發(fā)射計數(shù)小波分解信號明顯分為兩個不同的階段，第一階段信號比較少，第二階段聲發(fā)射信號非常豐富，有效驗證了利用小波分解系數(shù)奇異檢測方法能夠準確刻畫不同的損傷階段.基于不同的損傷階段，可以進一步提取不同損傷的聲發(fā)射信號，運用小波時頻分析技術，確定不同損傷階段的聲發(fā)射信號特征.

3.2 自愈合混凝土損傷演化聲發(fā)射波形小波分析及其損傷類型判定

（1）階段1自愈合混凝土損傷聲發(fā)射波形特征

這個階段的聲發(fā)射出現(xiàn)了波形1、波形2兩種波形，如圖6所示；基于小波變換的時頻關系如圖7（a）、（b）所示.

圖6 自愈合混凝土階段1聲發(fā)射特征波形Fig.6 Acoustic emission waveforms of self－repairing concrete of Stage 1damage

圖7 波形1、2時頻分析Fig.7 Time－frequency analysis of waveforms 1，2

從圖5可以看出，在整個過程中都有聲發(fā)射信號產生，階段1的信號表現(xiàn)出很大的離散性，信號大致都保持在一個較小的區(qū)域內，發(fā)展較為平穩(wěn)，這個階段的聲發(fā)射以波形1為主，信號波形為中低幅度脈沖，如圖7（a）所示，其頻域分布范圍較窄且頻率較低，大部分集中在125～250kHz，這是因為自愈合混凝土水泥砂漿被壓實，砂漿顆粒相互擠壓與摩擦，從而導致了聲發(fā)射信號的產生.在階段1中，也出現(xiàn)了少量的突發(fā)型信號，但幅值都較低，其聲發(fā)射為波形2，信號波形為中低幅度脈沖，如圖7（b）所示，其頻域分布相對較寬，最高可達1 024kHz.這是因為自愈合混凝土是一種多相材料，其內部存在著許多天然的微孔隙和微裂紋，這些缺陷在荷載作用下演化發(fā)展，相互融合增長，不斷擴展，從而導致了突發(fā)型信號的產生.

（2）階段2自愈合混凝土損傷聲發(fā)射波形特征

圖8 階段2聲發(fā)射特征波形Fig.8 Acoustic emission characteristic waveform of Stage 2

圖9 階段2聲發(fā)射特征波形時頻分析Fig.9 Time－frequency analysis of acoustic emission characteristic waveform of Stage 2

從圖5可見，這個階段的聲發(fā)射事件數(shù)增加得越來越明顯，信號密集且幅值較大，其聲發(fā)射信號波形如圖8所示，基于小波變換的時頻關系如圖9所示.這個階段的信號波形為高幅度脈沖，與階段1相比，其頻域范圍較寬，在32～1 024 kHz內都有分布，大部分集中在128～512kHz的范圍，最高可達1 024kHz.說明試件內部開始發(fā)生了明顯的變化，觀察試件，發(fā)現(xiàn)它產生了明顯的裂縫并出現(xiàn)不穩(wěn)定擴展，也就是說，階段2是裂縫的快速擴展階段.宏觀裂縫的產生是這個階段聲發(fā)射信號的主要來源.

4 結 論

（1）自愈合混凝土極限承載力比普通混凝土大約提高30%.聲發(fā)射特征參數(shù)能夠準確表征自愈合混凝土的損傷變化.隨著損傷的加劇，聲發(fā)射特征參數(shù)幅值越來越大，變化更加劇烈.此外，聲發(fā)射特征參數(shù)變化曲線和荷載曲線具有同步變化關系.

（2）運用凱塞效應和Felicity效應能夠直觀地判斷愈合效果的好壞.愈合效果越好，F(xiàn)elicity效應越明顯；愈合效果越差，凱塞效應越明顯.

（3）對聲發(fā)射特征參數(shù)進行小波奇異分解，能夠更準確劃分不同的損傷階段.對不同損傷階段的聲發(fā)射波形進行小波時頻分析，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射波形隨著損傷程度的增加，其幅值變大，頻率變寬.不同的損傷階段其聲發(fā)射信號具有較大的差異.

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