混凝土在軸拉斷裂時聲發(fā)射信號分析

陳鵬州

摘要：在已有的實驗基礎上，利用聲發(fā)射來判斷裂紋擴展的產(chǎn)生。并通過斷裂力學理論，討論張開型斷裂為主的情況下，載荷、裂紋尺寸與混凝土產(chǎn)生聲發(fā)射機理之間的關系。

關鍵詞：斷裂力學;應力強度因子;聲發(fā)射

當材料或者結構在受到外力、內(nèi)力的作用產(chǎn)生了位錯運動、相變、斷裂等變化，以局域源快速釋放能量產(chǎn)生彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。聲發(fā)射技術是可以作用參與結構內(nèi)部缺陷產(chǎn)生、斷裂擴展的無損檢測技術。

1利用聲發(fā)射來判斷裂紋擴展點

1.1應力強度因子

對于無限平板，兩向受到均布拉應力σ，其上具有與拉力方向垂直的長為2a的穿透性裂紋，稱為I型裂紋加載[1]。

在求解I型裂紋問題時，Westergaard利用應力函數(shù)ZI（z）來表示應力分量的表達式：

表示應力函數(shù)ZI（z）的實部，ImZI（z）表示應力函數(shù)ZI（z）的虛部，常數(shù)A=B=0。

在滿足r << a的應力情況下，將r的大小忽略，此時應力函數(shù)可近似的表述為：

將式帶入式中，得到裂紋端部區(qū)域的應力分量：

KI被稱為應力強度因子，是反應裂紋尖端應力場強弱程度的參數(shù)。無論帶裂紋的構件在受到多大的載荷值，只要當r → 0時，各個應力分量都會趨向于無窮大，那么對于應力強度因子KI來說，只有當應力或者裂紋尺寸增加，KI才會增加。由此可以推斷當KI達到一個臨界值時，裂紋才會擴展。

1.2試件受載情況下聲發(fā)射情況

根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)討論下利用聲發(fā)射來判斷裂分擴展的可行性?；炷猎谑芰螅瑫霈F(xiàn)三個聲發(fā)射產(chǎn)生的階段[2]：

（1）開始階段，混凝土在受到荷載時還處于彈性階段，此時的聲發(fā)射產(chǎn)生大多是因為混凝土本身的片狀水泥漿體剝落產(chǎn)生或由于本身材料的多相復合的不均勻性，在低水平應力下少量微裂紋產(chǎn)生的變形或開裂。

（2）穩(wěn)定階段，裂紋端部隨之荷載的不斷增加因應力集中而出現(xiàn)塑性區(qū)，并逐步開裂。聲發(fā)射事件數(shù)逐漸增多，射率增大。此時的聲發(fā)射事件數(shù)的增長在呈現(xiàn)指數(shù)增長的趨勢。

（3）不穩(wěn)定階段，聲發(fā)射事件數(shù)隨著時間呈指數(shù)化增長。此階段的聲發(fā)射事件數(shù)比前兩個階段增長趨向更明顯。

混凝土在原生裂紋端部因應力集中而出現(xiàn)的塑性變形或者裂紋的開裂都會引起聲發(fā)射的產(chǎn)生[3]。

混凝土在其受載后，在開裂前會出現(xiàn)塑性區(qū)。Irwin認為塑性區(qū)的存在和增長裂紋長度的作用相當。將原來位于裂紋尖端的坐標系向前推移一段距離，產(chǎn)生新的裂紋尖端，由a+ry → a′，a′稱為稱為等效長度[1]計算時將原來置于裂紋尖端的坐標軸移動a′ → a的長度，移至塑性區(qū)的邊緣。

由裂紋擴展而產(chǎn)生的聲發(fā)射彈性波產(chǎn)生的能量理應比塑性變形而導致的聲發(fā)射彈性波的能量大[4]?？梢愿鶕?jù)能量在加載過程中的高低變化來判斷開裂時間。

2聲發(fā)射機制與斷裂力學聯(lián)系

混凝土產(chǎn)生聲發(fā)射是由于在原生裂紋端部因應力集中而出現(xiàn)的塑性變形和裂紋的開裂兩種情況產(chǎn)生的。

秦四清[5]認為聲發(fā)射總計數(shù)不但和應力強度因子有關，還和導致裂紋擴展的材料斷裂韌性有關。應力強度因子KI就不止是跟載荷和裂紋尺寸有關，還與材料的幾何形狀、載荷形式、材料常數(shù)有關。設置一個參數(shù)m來表征試驗條件、材料常數(shù)的影響。

其中A為常數(shù)。由公式可以看出，當KI越接近于臨界強度（斷裂韌性）KIC，聲發(fā)射的個數(shù)就越多。如果令dσ/dt為實驗的加載速率，dN/dt為實驗產(chǎn)生聲發(fā)射的速率[6]。對兩邊同時對時間t求導，得：

在軸拉的情況下，可以認為混凝土內(nèi)部的裂紋開裂主要是I型張開型斷裂。那么裂紋尖端區(qū)域y方向上：

3結語

（1）混凝土在受到荷載作用時產(chǎn)生聲發(fā)射主要是由于在原生裂紋端部因應力集中而出現(xiàn)的塑性變形和裂紋的開裂這兩種情況導致的。

（2）由以上的公式可以推導，聲發(fā)射產(chǎn)生個數(shù)與裂縫尺寸、應力大小;聲發(fā)射速率與加載速率;聲發(fā)射速率與裂紋擴展速度這三組關系都呈正相關。

參考文獻：

[1] 洪超超. 工程斷裂力學基礎[M]. 上海交通大學出版社， 1987.

[2] 吳政， 楊成球. 聲發(fā)射技術在混凝土中的應用綜述[J]. 水電工程研究， 1993， 000（001）：61-66.

[3] 劉東燕， 朱可善. 巖石壓剪斷裂的模型試驗研究[J]. 土木建筑與環(huán)境 工程， 1994， 000（001）：56-62.

[4] 秦四清. 巖石斷裂過程的聲發(fā)射試驗研究[J]. 地質災害與環(huán)境保護， 1994（03）：50-57.

[5] 秦四清， 李造鼎. 聲發(fā)射技術在巖石斷裂力學研究中的應用[J]. 應用 聲學， 1993（06）：7-11.

[6] 紀洪廣， 賈立宏. 混凝土材料在單軸拉伸時的聲發(fā)射機理探討[J]. 東 北大學學報：自然科學版， 1995， 016（006）：568-572.