鋼筋混凝土板聲發(fā)射波傳播特性試驗研究

門進杰， 郭昌靈， 王應(yīng)生， 朱 樂

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055)

聲發(fā)射是指材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬間彈性波的現(xiàn)象[1]。聲發(fā)射檢測技術(shù)是通過對聲發(fā)射信號的測量、處理、分析來評價材料或構(gòu)件內(nèi)部缺陷的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，評定聲發(fā)射源的特性，確定聲發(fā)射源的位置。在工程領(lǐng)域，聲發(fā)射檢測由于具有動態(tài)、實時、在線檢測的特點，可以對材料構(gòu)件內(nèi)部損傷進行檢測識別，甚至提前預(yù)測損傷源的位置和材料內(nèi)部損傷的發(fā)展狀態(tài)。

聲發(fā)射檢測技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于金屬結(jié)構(gòu)和巖石等這些均質(zhì)材料的損傷檢測中，而在鋼筋混凝土材料中的研究和應(yīng)用較少。目前，主要集中在對聲發(fā)射特征參數(shù)與混凝土材料參數(shù)之間的定性和定量關(guān)系方面。Kentaro等[2]、Norazura等[3]、Goszczyńska等[4]分別通過試驗研究，給出了聲發(fā)射參數(shù)和混凝土應(yīng)力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并且指出聲發(fā)射檢測對于評價結(jié)構(gòu)損傷有著良好的效果。陳兵等[5]通過對不同材料的梁構(gòu)件進行三點彎曲試驗，得到了聲發(fā)射特性與集料粒徑之間的關(guān)系。李旭等[6]利用鋼筋混凝土斷裂過程中能量平衡的原理，通過加載實驗，驗證了利用能量平衡理論預(yù)測鋼筋混凝土梁承載力的可行性。紀洪廣等[7]通過試驗研究，探討了聲發(fā)射信號頻率特征與混凝土強度指標之間的關(guān)系。門進杰等[8]通過對鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的試驗研究，給出了聲發(fā)射特性與構(gòu)件不同階段受力特性的相關(guān)關(guān)系。

傳播速度和振幅衰減是聲發(fā)射波傳播的兩個關(guān)鍵參數(shù)。波速對聲發(fā)射源定位至關(guān)重要。例如，時差定位法[9]是最常用的聲發(fā)射定位方法，該方法可以利用兩個及兩個以上傳感器接收的聲發(fā)射波到達時間差來確定聲發(fā)射源位置。而要確定聲發(fā)射波的到達時間，就必須先確定波在介質(zhì)中的傳播速度，目前的研究中多數(shù)采用固定波速假定，即假定波速在整個檢測過程中是保持不變的，這往往會導(dǎo)致定位誤差太大，很難直接得到令人滿意的結(jié)果。此外，振幅衰減表征著聲發(fā)射波在材料中傳播受阻的程度。振幅衰減程度過大，則會限制傳感器準確接收聲發(fā)射信號的有效距離，進而限制了傳感器檢測的有效區(qū)域。

為了研究聲發(fā)射波的傳播特性(波速和振幅衰減)與鋼筋混凝土具體參數(shù)(材料成分和幾何形狀)之間的關(guān)系。本文考慮了板厚、混凝土強度、粗骨料最大粒徑、鋼筋布置和齡期等參數(shù)，設(shè)計制作了9個鋼筋混凝土板試件，并進行了斷鉛試驗和聲發(fā)射檢測，采用正交試驗方法，研究鋼筋混凝土板的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)對聲發(fā)射波傳播特性的影響規(guī)律，為提升聲發(fā)射檢測的損傷識別，裂縫定位精度等提供基礎(chǔ)資料。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計及制作

為了研究板的不同材料和配筋參數(shù)對聲發(fā)射波速和振幅衰減的影響，采用正交試驗方法設(shè)計試件。考慮板厚、混凝土強度等級、粗骨料最大粒徑、配筋量四個因素，且分別變化三個水平。厚度分別取100 mm、150 mm和200 mm，混凝土強度等級取C20、C30和C40，粗骨料最大粒徑取5 mm、10 mm和15 mm，配筋量用受力鋼筋的配筋間距來衡量，分別為0 mm、100 mm和150 mm。通過上述四因素三水平設(shè)計，得到了9個板試件，編號分別為B1～B9。此外，在試件澆筑后，還考慮混凝土齡期的影響，齡期分別取3 d、7 d、15 d和28 d。

9個試件的長度、寬度相同，都為1 500 mm×800 mm，保護層厚度均為20 mm。使用普通硅酸鹽42.5R級水泥，中砂，粗骨料為碎石，板內(nèi)均配置受力鋼筋和分布鋼筋，鋼筋強度等級為HPB300，直徑為10 mm。試件尺寸、材料和配筋等參數(shù)詳見表1。試件的制作和聲發(fā)射測試均在西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點實驗室完成。

表1 試件參數(shù)表

1.2 試驗測試方案

(1)試驗測試方案

在試件表面進行斷鉛試驗，利用斷鉛試驗得到的聲發(fā)射波來研究試件的相關(guān)參數(shù)對聲發(fā)射波傳播特性的影響規(guī)律。為了研究齡期對聲發(fā)射傳播特性的影響，分別在混凝土齡期的第3天、第7天、第15天和第28天對板進行斷鉛試驗，并采集聲發(fā)射數(shù)據(jù)，分析波速和振幅衰減的變化規(guī)律，而其他參數(shù)的影響，在不同試件中加以考慮。

為了研究聲發(fā)射波在不同傳播距離和傳播方向上的波速和振幅衰減情況。將聲發(fā)射傳感器布置為矩形，如圖1所示，其中S1、S2、S3、S4為傳感器布置點，并在試件短邊、長邊和對角線方向設(shè)置了三個傳播路徑，即圖中S1-S2、S1-S4和S1-S3，分別在這三個路徑上進行斷鉛試驗，并采集聲發(fā)射數(shù)據(jù)。每個斷鉛路徑上斷鉛點的間隔為100 mm，如圖1中實心圓點所示。

(2)測試儀器和自制斷鉛試驗裝置

采用北京聲華SAEU2S數(shù)字聲發(fā)射系統(tǒng)，試驗中傳感器型號為SR150N，頻率范圍為22～220 kHz，靈敏度峰值大于75 dB，前置放大器型號為PA I寬帶型。按照GB/T 18182[10]和ASTM[11]推薦的產(chǎn)生聲發(fā)射事件的方法，斷鉛試驗采用標準的0.5 mm粗的HB鉛芯，伸出長度為2.5 mm，在構(gòu)件表面斷鉛點折斷，其釋放的能量作為一個聲發(fā)射事件。根據(jù)上述規(guī)定，自制了斷鉛裝置，如圖2所示，將鉛芯直徑為0.5 mm的自動鉛筆分別固定在30°、45°、60°的三角板邊緣上，這樣可以保證斷鉛時鉛芯與斷鉛面保持為三種不同的角度。在試驗時，通過測量來保證鉛芯的伸出長度為2.5 mm。

(a) 布置圖

(b) 現(xiàn)場照片

(b) 鉛芯長度的確定

(3) 測試步驟

①安裝試件，布置傳感器。將試件放在預(yù)先制作的支座上，清理構(gòu)件表面，把安裝聲發(fā)射傳感器的位置打磨平整，涂抹凡士林作為耦合劑，并用膠帶固定傳感器。按圖1所示布置傳感器。②調(diào)試儀器，設(shè)置門檻值。安裝調(diào)試聲發(fā)射儀，在試驗現(xiàn)場對試件進行30 min數(shù)據(jù)采集，當門檻值取40 dB時，聲發(fā)射儀采集不到任何信號，而小于40 dB時，會出現(xiàn)少量信號，因此將門檻值設(shè)置為40 dB。③設(shè)置采集參數(shù)。在靠近傳感器位置處斷鉛15次(鉛芯與試件表面成30°、45°、60°各做5次)，通過斷鉛的上升時間，最終確定峰值定義時間(PDT)為50 μs，撞擊定義時間(HDT)為100 μs，撞擊閉鎖時間(HLT)為250 μs。④斷鉛試驗測試。按照試驗方案在試件表面進行斷鉛，如圖3所示，在每個斷鉛點進行三次斷鉛，并采集聲發(fā)射數(shù)據(jù)，用于聲發(fā)射波傳播特性的分析。圖4為試件B1斷鉛時，傳感器S3和S4采集到的聲發(fā)射波形圖。

圖3 斷鉛試驗

(a) S3采集到的斷鉛信號

(b) S4采集到的斷鉛信號

(4)波速和振幅的理論計算公式

一般的，聲發(fā)射波在混凝土中傳播時會產(chǎn)生縱波、橫波和面波。而由于縱波(P波)的傳播速度最快，因此，往往用來表征聲發(fā)射波的特性。對于聲發(fā)射波波速v的計算，一般采用時差定位法，計算公式如下

(1)

式中，d1、d2和ΔS分別表示斷鉛點到兩個傳感器S1、S2的距離及距離差，Δt表示聲發(fā)射波到達兩個傳感器的時間差。

聲發(fā)射波的振幅A計算公式如下

(2)

式中，A0為原始振幅；φ為材料衰減系數(shù)；f為聲發(fā)射波頻率；L為傳播距離；v為傳播速度。

從式(1)和(2)可以看出，影響聲發(fā)射波傳波速的主要因素是波在介質(zhì)中的傳播時間；而影響振幅或振幅衰減程度的主要因素有聲發(fā)射頻率、介質(zhì)材料、波速和傳播距離等。

(5) 正交試驗方法

利用正交表即直觀分析表，對正交試驗結(jié)果進行處理。所謂正交表，就是將試驗結(jié)果數(shù)據(jù)編寫成Lα(βγ)表格，其中L代表正交表，α表示試驗次數(shù)，γ表示試驗因素個數(shù)，β表示因素的水平個數(shù)。正交表的主要特點是使試驗設(shè)計的因素和水平均勻搭配，各因子和水平的組合既不遺漏，也不重復(fù)。這樣，僅用少量的試驗就可以基本反映全面試驗結(jié)果[12]。在直觀分析表中，可通過計算不同因素各水平時的均值K和極差R來反映不同因素對試驗結(jié)果的影響規(guī)律。當各因素不同水平的均值遞增時，則其與試驗結(jié)果成正比關(guān)系，反之則成反比。而且由均值增加的幅度，可以判斷出因素對試驗結(jié)果的影響程度大小。當因素的極差越大時，則其對試驗結(jié)果的影響較大，反之則較小，并由此可得出影響因素的主次關(guān)系。

此外，還可進行正交試驗層次分析，利用各因素水平的權(quán)重對試驗結(jié)果進行分析。因素的權(quán)重越大，則其對試驗結(jié)果的影響較大，反之則較小。同時還可以得出適合試驗?zāi)康牡淖罴岩蛩厮浇M合。本文采用文獻[13]中提出的因素權(quán)重矩陣[W]來表示四個材料因素情況下，三種水平的權(quán)重值，其計算式為

[W]=[A]·[S]·[C]T

(3)

式中，[A]為因素影響效應(yīng)矩陣，在本文中指試件四個因素三種水平的均值構(gòu)成的矩陣，其表達式為

(4)

式中，Mij為j因素i水平的均值。

[S]為權(quán)重系數(shù)矩陣，表達式為

(5)

[C]為因素影響權(quán)重矩陣，其表達式為

(6)

式中，R為四個因素的極差值。

2 波速與振幅衰減的正交試驗結(jié)果分析

在進行正交試驗結(jié)果分析時，首先利用正交直觀分析表，得出聲發(fā)射波速和振幅衰減值的均值K和極差R，并分析不同因素對波速和振幅衰減的定性影響；再利用正交試驗層次分析，計算得出因素水平權(quán)重，得出不同因素對波速和振幅衰減影響程度的主次關(guān)系。

2.1 正交試驗結(jié)果分析

為了能普遍反應(yīng)聲發(fā)射波在鋼筋混凝土板中的傳播特點，分別選取試件28 d齡期時，斷鉛路徑長邊方向(S1-S4)測點的波速平均值，以及斷鉛后聲發(fā)射波傳播距離為800 mm時的振幅衰減值作為對比參數(shù)，進行正交試驗分析。因素和水平按表1確定，即可形成四因素三水平的正交直觀分析表L9(34)，如表2所示。

正交直觀分析表中，分別以①②③表示板試件不同因素的三個水平，且隨著序號增加，除了配筋量對應(yīng)的水平值遞減，其余因素的水平值增大；水平序號后的數(shù)據(jù)分別對應(yīng)波速V(左)和振幅衰減值ΔA(右)在該因素水平下的權(quán)重值。在表中的下半部分，即均值K和極差R對應(yīng)的行列中，K-①表示因素在①水平時，波速和振幅衰減值(括號內(nèi))的均值，其余水平序號類似。R表示不同因素時，波速和振幅衰減值(括號內(nèi))的極差值。

從表2可以看出，當板厚從100 mm遞增到150 mm時，即從①水平到③水平，波速的K值從2 585.53 m/s減小到2 285.63 m/s，呈減小趨勢，且隨著板厚度的增加，波速減小的幅度逐漸增大，說明聲發(fā)射波在板中的傳播速度隨著板厚的增大而減??；而振幅衰減的K值則從13.28 dB增加到21.37 dB，呈遞增趨勢，說明振幅衰減值隨著板厚的增大而增大，且板厚度增加，振幅衰減的增加幅度逐漸減小。當骨料粒徑從10 mm增加到20 mm時，波速的K值逐漸減小，和板厚的影響規(guī)律相同，說明聲發(fā)射波在板中的傳播速度隨著骨料粒徑的增大而減?。欢穹p的K值則逐漸增大，但振幅衰減的變化并不明顯，說明骨料粒徑的改變對振幅衰減的影響較小。當混凝土強度等級從C20增加到C40時，即①水平到③水平，波速的K值從2 234.67m/s增大到2 636.47 m/s，說明波速隨著混凝土強度等級的增大而增大；而振幅衰減的K值從19.89 dB減小到15.35 dB，逐漸降低，且混凝土強度等級每提高一個水平，振幅衰減降低11%左右。在本次試驗中，配筋量可用配筋間距來間接衡量。間距分別從150 mm減小到0 mm，即從①水平到③水平；當在③水平即板不配筋時，波速的K值最小，可以看出沿著聲發(fā)射波傳播的方向，配筋量越高，波傳播的速度越快；板厚較小時，配筋量對波速的影響不明顯；不配鋼筋時，波的傳播速度較??；而振幅衰減的K值從17.52 dB減小到17.02 dB，呈遞減趨勢，說明聲發(fā)射波傳播的方向配筋率越高，振幅衰減越快。

綜上所述，由不同材料因素的K值分析可得，隨著板厚和骨料粒徑的增大，聲發(fā)射波在板中的傳播速度逐漸減小，而振幅衰減逐漸增大；隨著混凝土強度等級和配筋量的增加，聲發(fā)射波在板中的傳播速度逐漸增大，振幅衰減逐漸降低。

從理論上分析，根據(jù)式(1)，當板厚增加時，由于P波在試件內(nèi)部的實際傳播路徑變長(如圖5示意)，使聲發(fā)射波到達兩個傳感器的時間差Δt增大，而距離差Δs保持不變，則會導(dǎo)致波速減小。同時，根據(jù)式(2)，在保持材料不變的情況下，傳播距離的增大、波速的降低均會導(dǎo)致振幅的降低，進而導(dǎo)致振幅衰減的增大。這與文獻[3]中對不同尺寸鋼筋混凝土梁進行的聲發(fā)射測試結(jié)果一致，即隨著聲發(fā)射波傳播距離的增大，波速會減小。而當骨料粒徑增大時，由于聲發(fā)射波在試件內(nèi)部傳播時受到大骨料影響而產(chǎn)生的散射、衍射現(xiàn)象會加劇，進而阻礙了波的傳播，也就降低了波速、加劇了振幅的衰減。這與文獻[14]中對砂漿試件和混凝土試件進行的超聲波檢測試驗結(jié)果一致，即混凝土中的粗骨料會加劇波的衰減。當混凝土強度等級和配筋量增加時，試件的彈性模量會增大，有利于波的傳播，從而提高了波速，也減輕了振幅的衰減。

此外，由不同因素的極差值R可以得到材料因素對聲發(fā)射波傳播特性的影響主次關(guān)系。對于波速而言，混凝土強度等級的R值最大為401.8，說明其對板中波速有主要影響；配筋的R值最小為153.5，則對波速的影響較小。由此可知，在設(shè)計試件時，配筋可以按照常規(guī)標準選取即可。對于聲發(fā)射波振幅衰減而言，板厚的R值最大為8.09，說明其對試件中聲發(fā)射波的振幅衰減有主要影響；骨料粒徑的R值最小為0.63，對振幅衰減的影響較小可忽略不計。

2.2 正交試驗層次分析

選取試件第28天混凝土齡期時斷鉛路徑長邊方向測點的波速平均值和聲發(fā)射檢測時波傳播距離為800 mm時的振幅衰減值作為對比參數(shù)，進行正交試驗層次分析，得出不同因素各水平對聲發(fā)射傳播特性的影響權(quán)重，并確定因素最佳條件。

(1) 波速的正交試驗層次分析

正交試驗分析中，四個因素分別為板厚、混凝土強度等級、骨料粒徑、試件配筋，每個因素分別有三個水平，共有12個權(quán)重值。由因素權(quán)重矩陣計算式(3)和上述表2數(shù)據(jù)，可得波速的各因素不同水平時的權(quán)重值，如下所示

[WV]=[A][S][C]T=

[0.107 0.102 0.094 0.123 0.136 0.146

0.057 0.055 0.053 0.052 0.053 0.049]T

(7)

由式(7)可以看出，板厚三種水平的總權(quán)重為0.303，其中水平①(即100 mm厚的板)的權(quán)重較大，隨著厚度增加，權(quán)重減小，說明板厚與波速成反比關(guān)系；混凝土強度等級的總權(quán)重為0.405，水平③(即C40混凝土?xí)r)的權(quán)重較大，隨著強度等級的增加，權(quán)重逐漸增大，說明混凝土強度等級越高，板的強度越大，波速越快；骨料粒徑的總權(quán)重為0.165，隨著粒徑增大，權(quán)重遞減，波速逐漸降低，且不同水平的權(quán)重相差較小，表明粒徑對波速的影響不明顯；試件配筋的總權(quán)重為0.154，相比其他因素的權(quán)重較小，表明配筋對波速影響不大。其中，混凝土強度等級的權(quán)重最大，對聲發(fā)射波在試件里的傳播速度有較大影響，這與前文正交試驗中因素的K值和R值分析結(jié)果一致。

(2)振幅衰減的正交試驗層次分析

振幅衰減的各因素不同水平權(quán)重，如下所示

[WΔA]=[A][S][C]T=

[0.139 0.191 0.224 0.117 0.104 0.090

0.014 0.014 0.015 0.031 0.032 0.030]T

(8)

由式(8)可以看出，板厚的總權(quán)重為0.554，水平③的權(quán)重較大，隨著板厚增加，權(quán)重逐漸增大，但其增大幅度減小，說明隨著板厚增加，聲發(fā)射波的振幅衰減值逐漸增大，且板越厚，衰減率逐漸變小?；炷翉姸鹊燃壍目倷?quán)重為0.311，水平①的權(quán)重較大，聲發(fā)射波的振幅衰減隨著混凝土強度等級的增加而減少。骨料粒徑的總權(quán)重為0.043，各水平的權(quán)重值變化不明顯，說明骨料粒徑對振幅衰減的影響很小，可忽略不計。試件配筋的總權(quán)重為0.093，各水平的權(quán)重值相差較小，沿著聲發(fā)射波的傳播方向，板配筋率較高時，振幅的衰減值較大，不配鋼筋時，振幅衰減值最小。根據(jù)不同因素的權(quán)重值可以看出其對聲發(fā)射波的振幅衰減影響大小，其中板厚的影響最大，混凝土強度等級的影響次之，而骨料粒徑的影響最小。

3.3.3 種子處理 播前可用10%鹽水浸種并沖洗；進行苗床消毒，培育無病壯苗，加強苗期管理；進行覆膜種植，可提高土溫，抑制病菌萌發(fā)。

(3)聲發(fā)射波傳播的最佳材料條件

聲發(fā)射波在鋼筋混凝土試件中傳播的最佳條件，由不同因素的較大權(quán)重水平?jīng)Q定。由上述層次分析可知，波速傳播的最佳條件為板厚水平①、混凝土強度等級水平③、骨料粒徑水平①和配筋水平②，即混凝土強度等級為C40，骨料粒徑為10 mm，受力鋼筋為A10@100，分布鋼筋為A10@200條件下澆筑的100 mm厚的板；聲發(fā)射波振幅衰減值較小的最佳條件為板厚水平①、混凝土強度等級水平③、骨料粒徑水平③和配筋水平③，即混凝土強度等級為C40，骨料粒徑為20 mm條件下澆筑的100 mm厚的素混凝土板。

3 聲發(fā)射波傳播特性試驗結(jié)果分析

為了研究齡期對聲發(fā)射波傳播特性的影響，分別對其進行單因素影響分析。此外，還探討了板面?zhèn)鞑ヂ窂胶驼穹p的關(guān)系。

3.1 齡期與聲發(fā)射傳播特性的關(guān)系

(1) 齡期對波速的影響分析

為了研究試件不同齡期聲發(fā)射波速的變化規(guī)律，通過斷鉛試驗和聲發(fā)射檢測，得到板不同齡期時三條斷鉛路徑的波速平均值，以試件不同齡期時長邊方向(S1-S4)斷鉛路徑的波速為例，如圖6所示。

從圖6可見，隨著混凝土齡期的增加，聲發(fā)射波的傳播速度逐漸增大，增大趨勢分兩個階段，在前7 d齡期時曲線斜率較大，波速增大較快；7 d齡期以后曲線斜率開始降低但仍是增加趨勢，波速增大緩慢。分析原因，隨著齡期的增加，混凝土抗壓強度逐漸增大，而混凝土的抗壓強度的60%～70%是在混凝土7 d齡期內(nèi)獲得的，所以在7 d齡期內(nèi)，聲發(fā)射波波速增大較快。混凝土3 d齡期時，各組試件強度初期的波速大小各異，混凝土強度等級較高，骨料粒徑大的試件，其起始波速較大，隨著齡期增加，波速增大也較快，且在28 d齡期時的波速值相對本組其它試件也較大。

(2) 齡期對振幅衰減的影響分析

為了研究混凝土齡期對聲發(fā)射波振幅衰減的影響，在試件不同齡期時，斷鉛路徑長邊方向上進行斷鉛試驗，得到聲發(fā)射波振幅和斷鉛距離關(guān)系曲線，以B4試件為例，如圖7所示。

圖7 B4試件不同齡期的衰減曲線

從圖7可以看出，混凝土齡期和斷鉛距離對聲發(fā)射波振幅衰減均有影響，隨著混凝土齡期增長，斷鉛信號振幅相對較大，衰減率減小。在3 d齡期時，振幅曲線下降很快，說明混凝土強度初期時，振幅衰減較快；隨著齡期增加，振幅曲線下降變慢，振幅衰減降低。隨著斷鉛距離的增大，振幅減小，振幅衰減曲線在距離源點較近的地方衰減率明顯較大，而隨著傳播距離增大，振幅衰減率逐漸變小。在試件表面?zhèn)鞲衅鬟吘壷車鷶嚆U時，即斷鉛距離為零，試件不同齡期時斷鉛產(chǎn)生的聲發(fā)射信號振幅值相差小，表明試件不同齡期情況下短距離斷鉛時，波的振幅衰減不明顯。分析原因，為了排除低幅值噪聲的影響，設(shè)置聲發(fā)射門檻值為40 dB，聲發(fā)射波振幅大于40 dB時，數(shù)據(jù)才會被記錄下來，近距離斷鉛時，接近40 dB的數(shù)據(jù)可能存在一定偏差。

同樣，從理論上分析，齡期和強度的增大及其增大的程度，會使試件的彈性模量發(fā)生相應(yīng)變化，進而導(dǎo)致了波速發(fā)生不同程度的增大，以及振幅衰減的降低。文獻[15]中，對不同齡期時的混凝土圓柱體試件和板試件進行了應(yīng)力波傳播試驗，結(jié)果也表明混凝土齡期的增加會使波速有不同程度的提高。

3.2 傳播路徑、傳播距離與聲發(fā)射波振幅衰減的關(guān)系

由前文分析可知，在鋼筋混凝土試件中，聲發(fā)射波振幅衰減和傳播距離成正相關(guān)關(guān)系；為了進一步研究板中聲發(fā)射波振幅衰減特性，對振幅衰減與傳播路徑、傳播距離之間的關(guān)系進行了探討。

板聲發(fā)射檢測時，利用自制斷鉛裝置，沿正向斷鉛時以S1傳感器為起點，分別沿短邊、對角線和長邊三條路徑進行斷鉛試驗，采集記錄S1傳感器的振幅值，且反向沿三條路徑進行斷鉛試驗，分別采集記錄S2、S3和S4傳感器的振幅值，得到不同傳播路徑在不同傳播距離時的振幅衰減規(guī)律。本文以B1試件在混凝土28天齡期時振幅衰減曲線為例，如圖8所示。

從圖8可以看出，分別沿三條傳播路徑正反向斷鉛時聲發(fā)射波的振幅都呈衰減趨勢，沿正向路徑斷鉛時，振幅衰減略快一些。在傳播距離為200 mm范圍內(nèi)，三條斷鉛路徑的振幅衰減率均較大，達到20%左右，其后振幅衰減逐漸變小，直到800 mm時，振幅衰減程度趨于穩(wěn)定，這一規(guī)律在圖7中也有反映。這個距離可以作為板試件聲發(fā)射測試時振幅衰減限值的取值依據(jù)。

(a) S1記錄的數(shù)據(jù)

(b) S2、S3和S4記錄的數(shù)據(jù)

4 振幅衰減值的建議公式和限值

(1) 振幅衰減值與傳播距離的關(guān)系式

由前面的分析可知，聲發(fā)射波傳播距離對振幅衰減的影響最為顯著，因此對聲發(fā)射波振幅衰減值和傳播距離的關(guān)系進行擬合。擬合時選取試驗斷鉛路徑中板面長邊方向的聲發(fā)射振幅值，擬合關(guān)系選取指數(shù)型函數(shù)，擬合結(jié)果如圖9所示，即振幅衰減值ΔA和傳播距離L的關(guān)系式為

ΔA=35.91exp(L/27.92)+56.73

(9)

對于式(9)，其擬合函數(shù)的相關(guān)系數(shù)為94.4%，擬合精度較高。從圖9可以看出，測點距離傳感器越遠，聲發(fā)射波在試件中的振幅衰減越大，隨著傳播距離的增大，衰減率逐漸降低。式(9)可以作為聲發(fā)射波振幅衰減值的修正公式，供鋼筋混凝土構(gòu)件聲發(fā)射檢測時參考使用。

(2) 振幅衰減限值建議

為了減少由于傳播距離影響引起的信號失真，在利用聲發(fā)射波進行檢測時，除了應(yīng)根據(jù)式(9)對聲發(fā)射波振幅衰減值進行距離修正以外，還應(yīng)對波的最大傳播距離即聲發(fā)射源與傳感器之間的距離進行限制。本文根據(jù)前述試驗結(jié)果及參考其他學(xué)者的成果[16]，建議振幅衰減值為30 dB時(即圖9中振幅由95 dB衰減到65 dB)時的距離點為聲發(fā)射檢測的衰減限值(Res)；對于鋼筋混凝土板，該衰減限值Res可取800 mm。

圖9 振幅衰減擬合曲線

5 結(jié) 論

通過對9個鋼筋混凝土板進行斷鉛試驗和聲發(fā)射測試，研究了板厚、粗骨料最大粒徑、混凝土強度、鋼筋布置和齡期等參數(shù)對聲發(fā)射波傳播特性的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1) 通過正交表均值分析和理論分析可知，隨著板厚和骨料粒徑的增大，聲發(fā)射波在板中的傳播速度逐漸減小，振幅衰減逐漸增大；隨著混凝土強度等級和配筋量的增加，聲發(fā)射波在板中的傳播速度逐漸增大，振幅衰減逐漸降低。

(2) 通過不同因素的極差值R分析可知，對于波速而言，混凝土強度等級對聲發(fā)射波的傳播速度有主要影響，配筋量對波速的影響較小；對于聲發(fā)射波振幅衰減而言，板厚對聲發(fā)射波的振幅衰減有主要影響，而骨料粒徑對振幅衰減的影響較小可忽略不計。

(3) 通過正交試驗層次分析以及各因素的權(quán)重計算分析可知，隨著板厚的增加，波速降低而振幅衰減值逐漸增大；混凝土強度等級越高，波速越快而振幅衰減降低；隨著骨料粒徑增大，波速逐漸降低而對振幅衰減的影響很小。配筋對波速影響不大而對振幅的衰減值影響較大。這些結(jié)論與正交表分析的結(jié)果是相符的。

(4) 通過單因素分析可知，聲發(fā)射波速隨著齡期的增加而增大，振幅衰減隨著齡期的增長而減小；隨著傳播距離的增加，振幅減小，振幅衰減率逐漸降低。分別沿板面短邊、對角線和長邊傳播路徑正反向斷鉛時，聲發(fā)射波的振幅都出現(xiàn)減小趨勢，且沿路徑正向斷鉛時，振幅衰減快，反向斷鉛時，振幅衰減慢。

(5) 對于鋼筋混凝土板，聲發(fā)射波波速的最佳條件為，板厚較小、混凝土強度等級較高、骨料粒徑較小和配筋中等時；而聲發(fā)射波振幅衰減值較小的最佳條件為，板厚較小、混凝土強度等級較高、骨料粒徑較大和配筋較多時。

(6) 為了保證傳感器采集到準確的聲發(fā)射信號，根據(jù)振幅衰減規(guī)律，給出了振幅衰減值與傳播距離的關(guān)系式即式(9)；并給出了振幅衰減限值Res的建議值為800 mm。