聲發(fā)射與超聲波聯(lián)合測試混凝土構(gòu)件損傷量試驗(yàn)研究

張昊 隋黎港 王軍

（山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

重大工程結(jié)構(gòu)的檢測和損傷評(píng)估是一個(gè)與科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)和諧關(guān)系密切的科學(xué)技術(shù)問題。為保障結(jié)構(gòu)的安全可靠并能及時(shí)準(zhǔn)確判定服役結(jié)構(gòu)的損傷量，達(dá)到消除存在的結(jié)構(gòu)隱患、避免安全事故發(fā)生，采取適當(dāng)?shù)姆椒ê图夹g(shù)對(duì)服役工程進(jìn)行檢測鑒定成為工程結(jié)構(gòu)無損檢測研究的熱點(diǎn)課題[1-3]。本文探索通過無損檢測方法定量評(píng)估損傷混凝土構(gòu)件的損傷量，為科學(xué)確定服役結(jié)構(gòu)的損傷量提供借鑒。

1 超聲波與聲發(fā)射結(jié)合確定混凝土損傷量理論分析

1.1 聲發(fā)射參數(shù)與混凝土損傷量關(guān)系研究

混凝土損傷變量可由下式表示[4]：

式中，D為損傷量；E為混凝土的彈性模量；E*為無損狀態(tài)混凝土的彈性模量。

由公式（1）知，混凝土損傷量可以通過混凝土的彈性模量表征，如果能獲得混凝土的彈性模量，就可以確定混凝土的損傷量。但是對(duì)于重大服役結(jié)構(gòu)，在不破損取樣的前提下獲取彈性模量需要借助聲發(fā)射和超聲波的數(shù)據(jù)。

聲發(fā)射參數(shù)與損傷量D成正比關(guān)系，因而可用下面公式表達(dá)[5]：

D與a具有比較強(qiáng)的相關(guān)性，而與b，c相關(guān)性較少。謝洪林[5]認(rèn)為a值的大小反映出了材料內(nèi)部含有裂紋的多少，即a值與混凝土材料內(nèi)部裂紋數(shù)量具有正比關(guān)系，可以認(rèn)定損傷量D與a成線性關(guān)系，即：

從以上推導(dǎo)可以發(fā)現(xiàn)，混凝土的損傷與其彈性模量是緊密相連的，對(duì)于確定的混凝土結(jié)構(gòu)，E0為常數(shù)，考慮應(yīng)用方便，將公式（3）轉(zhuǎn)換為[6]：

通過前面分析知a的變化與混凝土損傷緊密聯(lián)系，對(duì)于初始時(shí)刻未受損傷的混凝土a為零，混凝土無損狀態(tài)的彈模為：

式（2）、（3）、（4）、（5）中Dp，材料極限應(yīng)變時(shí)的損傷量；D0，初始時(shí)刻損傷量；E，受損材料彈性模量；E*，無損狀態(tài)下的彈性模量；E0，初始時(shí)刻混凝土彈性模量；Ep，極限應(yīng)力下混凝土彈性模量；λ、β，系數(shù)；a、b、c，參數(shù)。

若定義混凝土材料從應(yīng)力水平L（%）到L+dL過程中產(chǎn)生聲發(fā)射事件的概率密度函數(shù)為f（L），則有：

式中dN，聲發(fā)射增加數(shù)；dL，壓應(yīng)力水平增加數(shù)；f（L），壓應(yīng)力發(fā)生概率密度函數(shù)；N，聲發(fā)射數(shù)。

f（L）表達(dá)式為：

式中a、b，試驗(yàn)參數(shù)，同公式（2）。

將（7）代入（6）進(jìn)行積分，得到壓應(yīng)力水平與聲發(fā)射事件總數(shù)量的關(guān)系式：

式中C，積分常數(shù)。其他字母含義與式（6）相同。

通過公式（8），可以獲得參數(shù)a的具體數(shù)據(jù)，利用公式（4），通過求解方程組可以確定β，進(jìn)而確定了混凝土的E*。但僅通過聲發(fā)射技術(shù)還不能確定混凝土的彈性模量，必須引入另外的參數(shù)。

1.2 超聲波波速確定混凝土彈性模量

高強(qiáng)度混凝土的強(qiáng)度與彈性模量的關(guān)系可用公式（9）表達(dá)[7]：

超聲波速與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系可用公式（10）表達(dá)[7]：

式（9）、（10）中，P，損傷混凝土的抗壓強(qiáng)度（MPa）；P0，無損狀態(tài)混凝土的抗壓強(qiáng)度（MPa）；v0，混凝土無損狀態(tài)的超聲波速度；V，混凝土實(shí)測超聲波速度。

通過以上理論分析，確定E、E*，就可以依據(jù)公式（1）計(jì)算混凝土構(gòu)件的損傷量。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

液壓屏顯萬能試驗(yàn)機(jī)；AE21C聲發(fā)射檢測儀，性能參數(shù)見表1，ZBL-U520非金屬無損超聲檢測儀。

表1 AE21C聲發(fā)射儀 參數(shù)表

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

制作100mm×100mm×100mm的C60混凝土試塊，制作工藝、攪拌時(shí)間、振搗方式依據(jù)規(guī)范要求。試塊養(yǎng)護(hù)28天后，半浸泡于10%硫酸鈉溶液中進(jìn)行干濕浸烘試驗(yàn)，方法是先置于溶液浸泡12小時(shí)，再取出放入80℃的烘箱內(nèi)烘6小時(shí)，取出冷卻6小時(shí)為一個(gè)循環(huán)，如此反復(fù)進(jìn)行，制造混凝土試件的損傷。分別測試浸烘循環(huán)10、20、30…50次的混凝土試塊超聲波速、抗壓強(qiáng)度和聲發(fā)射參數(shù)。試驗(yàn)中每10次循環(huán)更換新的溶液一次，溶液濃度保持在10%。為進(jìn)行比對(duì)，保留部分未浸泡和未干濕浸烘試塊。

3 混凝土損傷量確定

聲發(fā)射事件數(shù)與相對(duì)應(yīng)力水平的數(shù)據(jù)見表2，根據(jù)表2的數(shù)據(jù)利用Matlab數(shù)值軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到不同混凝土試樣的a、b、c數(shù)值如表3，損傷量的計(jì)算結(jié)果見表4。

表2 不同應(yīng)力水平聲發(fā)射數(shù)據(jù)（104）

表3 混凝土聲發(fā)射參數(shù)

從表4的測試數(shù)據(jù)分析，混凝土試件理論計(jì)算的損傷量與實(shí)際測得的損傷量的數(shù)據(jù)基本逼近，個(gè)別數(shù)據(jù)誤差在理論允許范圍，但仍較大，達(dá)到4.55%，是浸烘循環(huán)試驗(yàn)40次后的損傷量。理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明通過聲發(fā)射與超聲波聯(lián)合判定混凝土構(gòu)件損傷量是可行的，但是試驗(yàn)測試的損傷量與結(jié)構(gòu)的實(shí)際損傷量需要進(jìn)一步吻合；公式中的參數(shù)應(yīng)進(jìn)行更深入的研究。

表4 混凝土試樣損傷量

4 結(jié)語

1）根據(jù)損傷力學(xué)理論，推導(dǎo)出聲發(fā)射與超聲波聯(lián)合測試混凝土構(gòu)件損傷量的可行性；

2）通過設(shè)計(jì)的試驗(yàn)測試混凝土試件的損傷量，與混凝土的實(shí)測損傷量比對(duì)發(fā)現(xiàn)基本能反映混凝土的實(shí)際損傷值，但需要進(jìn)一步研究以保證試驗(yàn)測試損傷量與實(shí)際服役結(jié)構(gòu)吻合。