聲發(fā)射技術(shù)在混凝土中的研究進展

黃有棟

（廣西大學 土木建筑工程學院， 廣西 南寧 530004）

0 引言

聲發(fā)射技術(shù)誕生于上世紀 30年代，人們將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于礦山巖石爆破方面的相關(guān)預(yù)測。之后，聲發(fā)射技術(shù)被逐漸運用到地質(zhì)勘探與航空航天領(lǐng)域的研究。到上世紀50年代，Kaiser發(fā)現(xiàn)了材料變形所產(chǎn)生的的聲發(fā)射信號具有不可逆效應(yīng)，即“凱塞效應(yīng)”。再到 Rusch對混凝土材料受力后的聲發(fā)射信號進行分析，發(fā)現(xiàn)了凱塞效應(yīng)只有在混凝土極限應(yīng)力 70%～85%以下時才會產(chǎn)生。到如今，聲發(fā)射技術(shù)作為一種有著獨特優(yōu)勢的無損檢測技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于土木工程，并且取得了令人矚目的發(fā)展。通過對聲發(fā)射檢測系統(tǒng)收集到的聲發(fā)射信號，對聲發(fā)射信號中的特征參數(shù)與波形進行分析，就能很好的了解到混凝土材料內(nèi)部損傷情況。本文簡要介紹了聲發(fā)射的概念與其工作的基本原理，總結(jié)了當前聲發(fā)射技術(shù)在混凝土領(lǐng)域的研究進展。

1 聲發(fā)射技術(shù)簡介

1.1 聲發(fā)射技術(shù)概念

當材料某一區(qū)域受到外荷載或者內(nèi)力作用時，材料產(chǎn)生變形位移，此時材料會迅速向外放出能量，產(chǎn)生瞬時態(tài)的彈性波的現(xiàn)象就是聲發(fā)射。聲發(fā)射是一種生活中比較常見的現(xiàn)象，通常材料變形都會伴隨著聲發(fā)射的產(chǎn)生，通過聲發(fā)射檢測系統(tǒng)對聲發(fā)射信號的采集分析，就能很好的了解到材料內(nèi)部的損傷情況，從而能對結(jié)果進行損傷破壞預(yù)警。

1.2 聲發(fā)射技術(shù)基本原理

當聲發(fā)射現(xiàn)象產(chǎn)生的瞬時彈性波傳到材料的表面時，就會被聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的高靈敏傳感器所捕捉，布置在材料表面的傳感器會根據(jù)振動的強弱將振動信號轉(zhuǎn)化強度不一的電信號，電信號經(jīng)過聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的放大器的放大與增益處理后就能進入到聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的采集系統(tǒng)，通過采集系統(tǒng)對這些聲發(fā)射信號的計算分析和處理，就能將結(jié)果反映到顯示系統(tǒng)上，從而根據(jù)結(jié)果我們就能判斷材料內(nèi)部損傷變化情況。聲發(fā)射技術(shù)的基本原理如圖1。

圖1 聲發(fā)射技術(shù)基本原理Fig. 1 Basic principles of acoustic emission technology

2 混凝土聲發(fā)射b值研究現(xiàn)狀

聲發(fā)射b值的概念為累積的聲發(fā)射事件頻數(shù)的對數(shù)與振幅之間線性關(guān)系的負梯度。當b值較大時表明聲發(fā)射事件數(shù)中小振幅事件數(shù)所占比例較大，大振幅事件數(shù)所占比例較小，結(jié)構(gòu)損傷劣化較輕，而當b值變小說明小振幅事件數(shù)所占比例降低，大振幅事件數(shù)所占比例變高時，說明結(jié)構(gòu)的宏觀裂縫即將出現(xiàn)。因此工程上常用b值來對混凝土結(jié)構(gòu)的損傷破壞進行預(yù)警。國內(nèi)外學者對此也做了許多研究。

Colombo[1]最早將b值引入到混凝土結(jié)構(gòu)的分析中，他將b值定義為振幅值與聲發(fā)射事件數(shù)頻度對數(shù)的直接線性關(guān)系的斜率。且詳細說明了b值分析在混凝土梁中的可行性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)計算所得b值與混凝土梁的斷裂破壞過程具有較好的對應(yīng)關(guān)系。Colombo點燃了學者對b值研究的熱情。

Vidya Sagar[2]研究了加載速率對RC結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)展過程中聲發(fā)射b值變化的影響。以4 kN/s、5 kN/s和6 kN/s的荷載控制速率對3.2 m長的鋼筋混凝土梁進行了試驗，并利用地震學中的b值分析方法研究了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的斷裂過程。此外，b值與鋼中的應(yīng)變有關(guān)，可用于評估損傷狀態(tài)。結(jié)果表明，加載速率越高，裂紋發(fā)展越快，b值波動越大，下降越快。也可以觀察到混凝土在更高的加載速率(或更高的應(yīng)變速率)下表現(xiàn)出相對更脆。在低加載率(或低應(yīng)變率)下，發(fā)生少量但較大的聲發(fā)射事件，相對于發(fā)生較多的低振幅聲發(fā)射事件，平均b值較低。

Alberto Carpinteri[3]將b值應(yīng)用到脆性混凝土在受到外荷載作用時的聲發(fā)射信號分析中，他對混凝土結(jié)構(gòu)的塑性變形階段到脆性斷裂這一階段的b值進行了重點分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這一過程總b值的變化范圍為1.0～1.5，且b值是從1.5降到了1.0。

雖然我國對于混凝土b值的研究起步較晚，但也在一定程度上對混凝土的聲發(fā)射b值研究做出了比較重大的貢獻。Li[4]提出了一種基于數(shù)字信號處理技術(shù)的新方法。然后對普通混凝土和高強混凝土在單軸拉伸下進行聲發(fā)射分析，通過解釋聲發(fā)射事件的活動和位置來研究損傷的開始和發(fā)展。結(jié)果表明，用該方法確定聲發(fā)射信號p波到達時間是很成功的。研究發(fā)現(xiàn)，微裂紋早在峰值應(yīng)力出現(xiàn)之前就開始了。普通混凝土和高強混凝土的局部化現(xiàn)象都很明顯。

3 混凝土凱塞效應(yīng)研究現(xiàn)狀

凱塞效應(yīng)一直是學者們關(guān)注的焦點，它最早是由德國科學家Kaiser[5]在對金屬進行試驗時發(fā)現(xiàn)的，凱塞效應(yīng)的概念是材料在往復(fù)荷載的作用下，唯有當再次作用的荷載大于前一次所加荷載時，材料才會產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象，表明記憶性是材料的一種性質(zhì)。Rusch[6]與Mccabeetal[7]在對混凝土與巖石進行試驗時，發(fā)現(xiàn)混凝土與巖石中同樣存在凱塞效應(yīng)。

Takeshi-Watanabe[8]為了明確骨料再生混凝土的斷裂過程特征，采用聲發(fā)射技術(shù)檢測混凝土在壓縮作用下的微裂紋。研究了一種提高再生骨料混凝土強度的方法。結(jié)果發(fā)現(xiàn)混凝土的凱塞效應(yīng)與混凝土強度等級存在一定關(guān)系，隨著混凝土強度等級的提高，凱塞效應(yīng)會愈加明顯。

Dr Carol K Shield[9]通過三根普通鋼筋和兩根預(yù)應(yīng)力混凝土梁在三點彎曲下循環(huán)加載直至破壞。利用聲發(fā)射(AE)監(jiān)測裂紋的起裂和彎曲裂紋擴展，并與目測結(jié)果進行比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在加載階段兩種類型的梁均有較明顯的凱塞現(xiàn)象產(chǎn)生，但在卸載階段預(yù)應(yīng)力混凝土梁的聲發(fā)射信號仍然非常明顯，而普通鋼筋混凝土梁的聲發(fā)射信號已經(jīng)很弱。

紀洪廣[10]通過試驗證明了凱塞效應(yīng)與弗勒斯特效應(yīng)確實存在。凱塞效應(yīng)在混凝土往復(fù)加載試驗中不僅具有應(yīng)力上限（極限應(yīng)力的70%～80%），還有應(yīng)力下限（極限應(yīng)力30%～40%）。應(yīng)力上限是由混凝土破壞機制所導(dǎo)致，應(yīng)力下限則是由混凝土本身的材料結(jié)構(gòu)特點所決定的。

李冬生[11]發(fā)現(xiàn)在聲發(fā)射技術(shù)評價自愈合混凝土損傷變化時，應(yīng)用凱塞效應(yīng)與弗勒斯特效應(yīng)能夠簡便且直觀地評價自愈合混凝土愈合效果的好壞。弗勒斯特效應(yīng)越顯著，愈合效果越好；而隨著凱塞效應(yīng)愈加顯著，愈合效果會降低。

對混凝土材料凱瑟效應(yīng)的研究具有非常重要的意義，因為可以通過對混凝土結(jié)構(gòu)凱塞效應(yīng)的分析，得到混凝土材料以前所受過的最大荷載，這就能對混凝土材料當前的損傷狀況作出評價，為工程建設(shè)提供理論指導(dǎo)。

4 混凝土斷裂的聲發(fā)射特性研究現(xiàn)狀

聲發(fā)射技術(shù)是一種具有其獨特優(yōu)勢的無損檢測技術(shù)，在混凝土斷裂力學領(lǐng)域已的到廣泛運用。1970年，Green發(fā)現(xiàn)，利用聲發(fā)射技術(shù)可以很好的對混凝土梁的斷裂破壞全過程進行實時監(jiān)測。B.K.Raghu Prasad[12]通過三點彎曲斷裂試驗，研究了混凝土試件尺寸與聲發(fā)射能與斷裂能的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著混凝土試件尺寸的增加，聲發(fā)射能與斷裂能均提高。門進杰[13]基于聲發(fā)射技術(shù)進行了四點彎曲剪切試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)混凝土梁的起裂與屈服時刻與聲發(fā)射特征參數(shù)的突變時刻基本一致，表明可以利用聲發(fā)射特征參數(shù)的演化規(guī)律來描述試件的斷裂破壞全過程，且還發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射的損傷事件定位與實際破壞時裂紋數(shù)量和位置基本一致。Yu[14]通過偏縫設(shè)計，基于聲發(fā)射技術(shù)進行了混凝土梁四點剪切試驗，探究了混凝土梁試件I-II復(fù)合型斷裂破壞的過程，分析了混凝土在隨機骨料狀況下，試件裂縫的發(fā)展路徑與演化過程。

可以看到聲發(fā)射技術(shù)作為一種正處于快速發(fā)展中的無損檢測技術(shù)，在混凝土斷裂力學領(lǐng)域也取得了令人矚目的成果。聲發(fā)射技術(shù)可實時得到混凝土材料內(nèi)部的損傷信息，及動態(tài)破壞過程，通過對聲發(fā)射信號的對比分析，可從不同角度探究混凝土裂縫的擴展趨勢與損傷的演化規(guī)律。

5 結(jié)論與展望

可以看到，聲發(fā)射技術(shù)作為一種先進的無損檢測技術(shù)，在混凝土領(lǐng)域的研究中已經(jīng)取得了較為豐富的成果。但可以看到聲發(fā)射技術(shù)在混凝土損傷中的理論研究任然較少，研究的進程目前仍落后于是的應(yīng)用。同時，聲發(fā)射技術(shù)在混凝土耐久性中的應(yīng)用以及在鋼筋混凝土中的理論研究仍是不足。為此，筆者認為這幾個點可以作為聲發(fā)射技術(shù)未來研究的熱點，對他們做進一步的研究。