混凝土聲彈應(yīng)力測試技術(shù)的新進(jìn)展

劉新健，許錫賓，2，林軍志

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶400074;2.重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院，重慶400039)

混凝土作為目前土木建筑工程中主要的建筑材料之一，以其來源廣泛、成本低廉、施工方便和耐久性好等諸多特點，已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外諸多由于混凝土在實際使用階段性能劣化而引起的工程事故表明:作為反映混凝土結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的最重要指標(biāo)之一的混凝土實際應(yīng)力水平，已經(jīng)被各類工程技術(shù)人員所關(guān)注。因此混凝土結(jié)構(gòu)的健康診斷對于混凝土結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行起著非常重要的作用，而對其工作應(yīng)力的準(zhǔn)確測試又是混凝土結(jié)構(gòu)健康診斷的重要環(huán)節(jié)。

就土木工程結(jié)構(gòu)的耐久性而言，無損檢測是一種獲得現(xiàn)場數(shù)據(jù)和提高對實際結(jié)構(gòu)潛在工作壽命評估水平的高性能方法［1］。在各種各樣的無損檢測技術(shù)中，超聲波可以很容易地和混凝土被檢測部分的力學(xué)狀態(tài)聯(lián)系起來?；炷潦且环N不均勻材料，即使在受到破壞之前，由于微裂縫和孔隙的存在，它也會表現(xiàn)出一種復(fù)雜的彈性性質(zhì)［2－3］。在低應(yīng)力狀態(tài)下，混凝土呈現(xiàn)一定的線彈性，而在應(yīng)力較大時，則呈現(xiàn)出明顯的非線性。聲彈性理論表明，超聲波波速與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)的現(xiàn)象，不論在彈性范圍，還是在非線性應(yīng)力－應(yīng)變范圍均存在［4］。對混凝土試件中聲彈常數(shù)的評估，使得證明混凝土中聲彈現(xiàn)象的存在成為可能，理所當(dāng)然的是用超聲測量方法去評估混凝土中的應(yīng)力也是可行的。然而由于超聲波在混凝土中存在多次散射現(xiàn)象，從某種意義上講，超聲波速的測量將面臨一定的挑戰(zhàn)，又因為聲彈技術(shù)的發(fā)展是在基于實驗室的條件下進(jìn)行的，還不能適用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的測試，這些問題的存在都嚴(yán)重制約了聲彈技術(shù)的發(fā)展。

為了促進(jìn)聲彈技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，有必要對近些年來聲彈技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其若干新進(jìn)展有一個新的認(rèn)識。因此，筆者收集整理了國內(nèi)外近些年來在這一領(lǐng)域的研究資料，對其新進(jìn)展做了較為詳細(xì)的闡述，并對混凝土聲彈技術(shù)今后的發(fā)展提出了自己的看法。

1 聲彈技術(shù)原理及其發(fā)展

1.1 聲彈理論概述

20世紀(jì)40年代末50年代初，加拿大的Leslie和Cheesman、英國的Jones等學(xué)者率先將超聲波用于混凝土檢測［4］，為混凝土無損檢測技術(shù)開辟了一個全新的領(lǐng)域。然而當(dāng)時由于儀器靈敏度低，分辨率差，再加上混凝土超聲檢測的影響因素尚未弄清楚，因此難以普遍用于工程實測。目前超聲法檢測已應(yīng)用于混凝土工程的各個方面，主要有混凝土測強(qiáng)、混凝土裂縫深度檢測、不密實區(qū)空洞檢測、混凝土結(jié)合面質(zhì)量檢測、表面損傷層檢測、灌注樁混凝土缺陷檢測和鋼管混凝土缺陷檢測等［5］。

自從Murnaghan［6］提出了非線性行為準(zhǔn)則之后，聲彈性理論便開始慢慢地揭開了它那神秘的面紗。正如當(dāng)吉他上弦的拉力產(chǎn)生變化時，就會改變吉他的音調(diào)一樣，當(dāng)一種材料被施加荷載并且產(chǎn)生變形之后，它的聲學(xué)特性也隨之發(fā)生變化?；诖耍琀ughes和 Kelly［7］正式提出了聲彈性理論的概念。后來，Kobayashi和Vanderby這兩位學(xué)者提出:由于彈性變形引起的聲學(xué)特性的變化是可以用波的傳播速度或反射波的振幅來衡量的。并且他們通過研究得出了一種變形到幾乎不能再壓縮的材料的力學(xué)性質(zhì)和反射波振幅之間的聲彈性關(guān)系［8－9］。

聲彈技術(shù)是一項新的正在探索的固體力學(xué)實驗方法，是解決非透明構(gòu)件原型三維應(yīng)力分析難題的重要途徑。聲彈性應(yīng)力測量技術(shù)的基本原理主要是利用材料的超聲波縱橫波速與應(yīng)力的相關(guān)性而建立起的一種全新的測試技術(shù)［10］。這種方法的顯著好處是不需要象光彈性那樣的透明模型，可直接應(yīng)用于原型構(gòu)件，既可用于加載應(yīng)力測量又可用于殘余應(yīng)力的無損檢測，因此具有重要的應(yīng)用前景［11］。

1.2 國內(nèi)外的最新進(jìn)展

目前國內(nèi)外學(xué)者在這方面做了大量的理論研究工作，筆者在林軍志，等［12］所做工作基礎(chǔ)之上收集了國內(nèi)外最新的發(fā)展情況并例舉如下:Y.Wali［13］應(yīng)用聲彈性理論來分析預(yù)應(yīng)力薄膜的應(yīng)力情況，得出了用來計算預(yù)應(yīng)力薄膜的聲彈效應(yīng)的通用剛度矩陣法;D.Algernon，等［14］運(yùn)用掃描激光示振器使超聲波在混凝土表面的傳播過程可視化，進(jìn)一步為更精確的分析聲彈技術(shù)中的聲彈參數(shù)提供了依據(jù);E.G.Bazulin［15］將最大熵法運(yùn)用到分散圖像的多頻重組問題上，為超聲波圖像處理提供了一種更加合理的方法;A.Abdullah和 E.Fallahi Sichani［16］研究了超聲波在混凝土中傳播時衰減系數(shù)的影響因素;Neetu Garg［17］采用群組速度替代傳統(tǒng)的相位速度的方法研究了縱波在具有預(yù)加應(yīng)力的各向異性的彈性介質(zhì)中的傳播方向問題，并提出了計算具體傳播方向的算法;Masumi Hasegawa［18］將聲彈技術(shù)運(yùn)用到木結(jié)構(gòu)的無損應(yīng)力分析當(dāng)中，他們的研究成果表明:木結(jié)構(gòu)在荷載作用下的應(yīng)力與采用應(yīng)變計方法測出的結(jié)果具有很好的吻合性;由于受光彈性理論本身運(yùn)用條件的限制，Sarah Duenwald［19］用聲彈性理論代之，研究用超聲回波測量鋼束的應(yīng)力應(yīng)變，得出了回波強(qiáng)度與應(yīng)力呈線性關(guān)系而與應(yīng)變近似呈線性關(guān)系的結(jié)論;Ivan Lillamand，等［20］研究了混凝土材料在軸向壓力作用下的聲彈效應(yīng)，得出了對于應(yīng)力水平最為敏感的是沿著加載方向偏振的縱波和橫波的結(jié)論。國內(nèi)中科院、中國科大、長江科學(xué)院以及東北大學(xué)等單位也在巖石混凝土損傷的波動特性研究方面作了大量的基礎(chǔ)性研究工作，如朱勁松，等［21］研究了混凝土在雙軸壓疲勞荷載作用下超聲波波速的變化規(guī)律;林軍志，等［22］做了混凝土聲學(xué)參數(shù)與應(yīng)力相關(guān)性的試驗研究;陳立新，等23］分析了混凝土聲－應(yīng)力相關(guān)性影響因素;汪宇兵，等［24］研究了基于超聲波技術(shù)的混凝土梁在加載過程中聲學(xué)參數(shù)變化與混凝土損傷演化規(guī)律之間的關(guān)系。朱志文，等［25］研究了鋼纖維摻量對超聲聲速的影響及鋼纖維增強(qiáng)橡膠高強(qiáng)混凝土在單軸受壓狀態(tài)下超聲聲速的變化規(guī)律。林軍志，等［26］研究了外加劑對混凝土聲速和加權(quán)譜面積等聲學(xué)參數(shù)與應(yīng)力相關(guān)性的影響，從而為混凝土聲彈應(yīng)力測試技術(shù)的發(fā)展起到了一定的推動作用。同時，國內(nèi)外學(xué)者也得出了不同條件和假設(shè)下的聲彈性公式，現(xiàn)將總結(jié)如下。

1.2.1 超聲波沿著垂直平面應(yīng)力作用面?zhèn)鞑?/p>

超聲波在材料內(nèi)部傳播時，利用應(yīng)力引起的聲雙折射效應(yīng)對應(yīng)力進(jìn)行測量。由有限變形彈性理論可知，對于垂直平面應(yīng)力作用面?zhèn)鞑サ某暺駲M波和垂直平面作用面的超聲縱波，傳播速度和主應(yīng)力之間存在以下關(guān)系［27］:

式中:VT0為應(yīng)力為0時各向同性固體中超聲橫波速度;VT1，VT2為超聲波在各向同性固體中超聲橫波速度;VL為超聲波在各向同性固體中超聲縱波速度;VL0為應(yīng)力為0時各向同性固體中超聲縱波速度;σ1，σ2為平面主應(yīng)力;ST=4(μ +l)/8μ2為橫波聲彈性常數(shù)，是與拉梅常數(shù)μ以及三階彈性常數(shù)l有關(guān)的物理量;SL為超聲縱波聲彈性常數(shù)，是與拉梅常數(shù)μ，λ，三階彈性常數(shù)l，m有關(guān)的物理量，SL=［μl－ λ(mλ +2μ)］/［μ(3λ +2μ)(λ +2μ)］，ST和SL均可由實驗求得。

1.2.2 聲彈性方程

早在1953年的時候，Hughes和Kelly就提出了對于在軸向1壓力作用下的各向同性介質(zhì)(2和3是垂直于1的其他兩個方向)，彈性波的速度通過式(3)計算［7，28］:

式中:cij為波的傳播速度(i表示波的傳播方向;j表示波的偏振方向);σ11是1方向的法向應(yīng)力;(λ，μ)是1階系數(shù)稱為拉梅系數(shù);(l，m，n)是2階系數(shù)稱為默納漢系數(shù);K=λ+2/3μ是壓縮模量。

式(3)主要是描述固定方向上超聲波速和該方向上應(yīng)力之間的關(guān)系，只要測出該方向上的波速就可以確定出應(yīng)力的大小。

后來Pao Yihhsing在1984年又推導(dǎo)出了適用于測定金屬殘余應(yīng)力的聲彈性方程。設(shè)ξ，X和x分別為物體未變形狀態(tài)(I狀態(tài))、予變形狀態(tài)(Ⅱ狀態(tài)，即殘余應(yīng)力狀態(tài))和超聲波檢測狀態(tài)(Ⅲ狀態(tài))的位置矢量，根據(jù)聲彈性理論有限變形的幾何關(guān)系、超彈性的本構(gòu)關(guān)系以及超聲波傳播是小擾動等假設(shè)可得聲彈性方程［29］:

公式(4)主要用于測定金屬構(gòu)件的殘余應(yīng)力，但是由于變形前的狀態(tài)無法得知，故宜將以I狀態(tài)為坐標(biāo)的公式(3)轉(zhuǎn)換為以Ⅱ狀態(tài)為坐標(biāo)的公式，具體方程參看文獻(xiàn)［30］。

2 混凝土聲－應(yīng)力特性研究現(xiàn)狀

2.1 混凝土在0荷載狀態(tài)下的聲波傳播特性

混凝土是由膠結(jié)料和集料混合，通過一定的工藝成型后硬化而成的復(fù)合材料。由于混凝土的非均勻性和各向異性，并具有多孔性和黏彈塑性，超聲波在其中傳播時，其在每一個隨機(jī)分布的石子表面都要發(fā)生復(fù)雜的反射、透射及衍射等現(xiàn)象，因此要精確描述混凝土內(nèi)部超聲波射線的傳播路徑是非常困難的。只能從宏觀的角度出發(fā)，將混凝土內(nèi)部具有一定尺度的缺陷體認(rèn)為是異常體，觀測超聲波通過這些異常體時的異常表現(xiàn)來確定混凝土內(nèi)部的質(zhì)量狀況［31］。

超聲波在混凝土構(gòu)件中傳播時，其速度與混凝土的密實程度有著非常密切的關(guān)系，對于配合比、齡期、原材料等相同的混凝土構(gòu)件而言，一般超聲波的速度越大則混凝土越密實;反之，則混凝土越不密實。此外，若混凝土構(gòu)件在制作或者使用過程中，由于外界環(huán)境的影響，其內(nèi)部出現(xiàn)裂縫或者空洞時，那么超聲波只能繞過這些空洞傳播，使得其傳播距離增大，進(jìn)而使測得的速度變小。

一般，當(dāng)超聲波透過無缺陷混凝土?xí)r，其波形表現(xiàn)的特征為:波形為正常波形，波幅沒有明顯的衰減，聲速較快;首波陡峭，振幅大;第1周期波的后半周即達(dá)到較高振幅，接收波的包絡(luò)線呈半圓形，整個周期的波形無畸變。若混凝土出現(xiàn)蜂窩、輕微夾泥沙團(tuán)等情況時，其波形表現(xiàn)的特征為:首波起跳點偏后，與正?；炷料啾嚷曀佥^低，波形較緩，振幅較小;波形出現(xiàn)畸變，波幅明顯衰減;第1周波的后半周甚至第2個周波的增幅仍不夠，接收波的包絡(luò)線呈放射狀。若混凝土出現(xiàn)夾層、斷樁、沉渣等情況時，其波形表現(xiàn)的特征為:波形畸變，聲時很大，首波起跳點偏后，波形平緩，振幅較小;第1、第2個周波，甚至以后各周波的增幅仍不夠［32］。

2.2 混凝土在非0荷載狀態(tài)下的聲學(xué)特性研究

混凝土的組成成分決定其力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而對超聲波在其中的傳播產(chǎn)生影響?；炷潦丘椝苄詮?fù)合體，各組分的比例變化、制造工藝、養(yǎng)護(hù)條件不同，以及混凝土硬化時的隨機(jī)性等，對凝聚體的性質(zhì)產(chǎn)生了錯綜復(fù)雜的影響。同時，由于大量的黏結(jié)微裂縫存留在較大骨料和砂漿接觸面上，在外荷載的作用下，微裂縫將產(chǎn)生閉合或擴(kuò)展，從而引起超聲波參數(shù)發(fā)生變化［23］。

林軍志，等［22］在不同的荷載條件下，對不同材料組分的混凝土試件進(jìn)行超聲波測試，研究了混凝土應(yīng)力與首波振幅、最大振幅、聲速等聲學(xué)參數(shù)的相關(guān)性，并采用小波變換和傅立葉變換這兩種信號處理方法對測試信號進(jìn)行處理，分析了譜面積、主頻幅值、主頻以及加權(quán)波譜參數(shù)等與應(yīng)力的相關(guān)關(guān)系。他們的試驗研究表明:①主頻與應(yīng)力不敏感;②聲速和應(yīng)力有一定的敏感性，具有較好的穩(wěn)定性;③聲幅與應(yīng)力之間存在著相關(guān)性，但穩(wěn)定性不好，較離散;④與聲幅相比，譜面積顯得更穩(wěn)定些，且與應(yīng)力的敏感性顯得更強(qiáng)些;⑤經(jīng)過小波變換處理后得到的加權(quán)譜面積與應(yīng)力的敏感性和穩(wěn)定性都顯得較好。他們的研究成果為混凝土結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測和評價提供了新的思路和方法。

陳立新，等［23］通過大量的試驗研究和精確的數(shù)據(jù)分析，得到了對混凝土聲－應(yīng)力關(guān)系最為敏感的骨料粒徑、骨料種類、水灰比和砂率。其研究成果可歸納如下:①超聲波聲學(xué)參數(shù)與應(yīng)力的變化關(guān)系隨著混凝土混合料的粗骨料粒徑的增大而變得越發(fā)明顯。具體表現(xiàn)為:超聲波聲速與應(yīng)力的敏感性隨著粒徑的增大而增強(qiáng)。當(dāng)混凝土粗骨料粒徑為40 mm時，加權(quán)譜面積與應(yīng)力顯示出較好的相關(guān)性，隨應(yīng)力的變化明顯;當(dāng)混凝土粗骨料粒徑為10 mm和25 mm時，其加權(quán)譜面積同應(yīng)力的變化關(guān)系變得相對較離散;②過高或者過低的水灰比對混凝土聲學(xué)參數(shù)與應(yīng)力相關(guān)性都會產(chǎn)生較大的影響，且不利于分析相關(guān)性，但是這種影響需要進(jìn)一步的研究;③砂率較小時，聲學(xué)參數(shù)的變化顯得較離散;砂率較大時，其聲學(xué)參數(shù)與應(yīng)力的相關(guān)性較好。取0.31為混凝土聲學(xué)參數(shù)與應(yīng)力較為敏感時的含砂率。

3 結(jié)語

縱觀混凝土聲彈應(yīng)力測試技術(shù)的研究歷程，大量研究成果都是建立在試驗基礎(chǔ)上的定性分析，而用于定量理論分析的理論模型遠(yuǎn)未成熟。同時混凝土作為一種復(fù)合脆性材料，雖然試驗結(jié)果已經(jīng)表明其聲應(yīng)力相關(guān)性與巖石的聲應(yīng)力相關(guān)性具有相同的趨勢，但由于其多相復(fù)合體的特性，不同的骨料成分、不同配比和不同強(qiáng)度的混凝土，其聲學(xué)特性和損傷特性也有差異，特別是其內(nèi)部孔隙、裂隙等初始損傷在外荷載的作用下演化要受到相應(yīng)的影響。因此必須對混凝土的聲應(yīng)力相關(guān)性進(jìn)行深入系統(tǒng)的理論和試驗研究，方能形成混凝土受力狀態(tài)的聲彈測試技術(shù)的理論基礎(chǔ)。鑒于此，筆者建議在以后的研究工作中，可以著重加強(qiáng)以下幾方面的工作:

1)超聲波根據(jù)質(zhì)點振動方向和傳播方向的關(guān)系可以分為縱波和橫波兩大類，已有的研究成果以采集超聲縱波信號來研究聲波參數(shù)與應(yīng)力的關(guān)系為主。建議在以后的研究中可以側(cè)重于同時考慮縱波和橫波信號來進(jìn)行敏感性和相關(guān)性的分析和研究，并在提高試驗儀器精度和改進(jìn)加載方式上作進(jìn)一步的提高和優(yōu)化。

2)對采集到的聲波信號，如果采用不同的聲波信息處理技術(shù)或許會得到不盡相同的處理結(jié)果，為了能夠最大限度的從聲波信號中提取對應(yīng)力敏感的聲學(xué)參數(shù)，建議采用更加先進(jìn)的聲波信號處理方法，如小波包理論，希爾伯特－黃變換等。

3)可以采用雙管齊下的方法開展研究工作。一方面通過試驗研究，尋找與應(yīng)力敏感的超聲波聲學(xué)參數(shù);另一方面可以從材料著手，尋找與應(yīng)力敏感的聲彈材料并加入混凝土中，然后運(yùn)用聲彈測試技術(shù)，或許可以得到比前者更加理想的測試效果。

混凝土聲彈技術(shù)對于不同的混凝土結(jié)構(gòu)具有通用性，能夠?qū)炷两Y(jié)構(gòu)的任何部位進(jìn)行測試，測試成本低廉，測試速度快，并且測試結(jié)果受外界因素影響小，能夠比較真實的反應(yīng)混凝土結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)力狀況，為混凝土結(jié)構(gòu)的健康診斷與評價提供了更為準(zhǔn)確科學(xué)的依據(jù)。因此該項技術(shù)的研究對于推動混凝土工作應(yīng)力測試技術(shù)的發(fā)展具有重要的科學(xué)意義和工程實用價值。隨著復(fù)合材料應(yīng)用的日趨廣泛和復(fù)雜結(jié)構(gòu)現(xiàn)場量測的大量涌現(xiàn)，聲彈性測試?yán)碚摵图夹g(shù)的研究以及在工程實際中將具有廣闊的應(yīng)用前景［10，30］。

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