基于聲發(fā)射的混凝土全時域損傷試驗(yàn)研究

楊 康，李冬雪，何兆益，周翰林，李家琪

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 2. 重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

混凝土材料在各類建設(shè)工程中被廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)受載開裂產(chǎn)生裂紋，裂紋的擴(kuò)展延伸，將使結(jié)構(gòu)承載力降低，引發(fā)其他病害，從而影響結(jié)構(gòu)正常的使用和安全[1]。因此對混凝土裂縫的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行深入研究，并對在役混凝土進(jìn)行有效地監(jiān)測，評價(jià)其損傷程度，進(jìn)而采取措施預(yù)防結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞十分必要。

材料中局部快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(acoustic emission,簡稱AE)，已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的動態(tài)無損健康監(jiān)測中[2-5]。聲發(fā)射技術(shù)已廣泛運(yùn)用于巖石、金屬等領(lǐng)域。劉傳孝等[6]對不同風(fēng)化程度的片麻巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，探討了片麻巖風(fēng)化程度及其聲發(fā)射特征的關(guān)系；M. CAI等[7]利用聲發(fā)射監(jiān)測的參數(shù)信息，從彈性模型獲得巖體中的應(yīng)力，對巖體強(qiáng)度進(jìn)行反算。

在混凝土中，裂縫的產(chǎn)生伴隨著彈性波的產(chǎn)生，從而產(chǎn)生聲發(fā)射信號。因此通過對聲發(fā)射信號進(jìn)行檢測、記錄和分析，可以實(shí)現(xiàn)混凝土內(nèi)部損傷程度的評估以及損傷的定位識別，有助于進(jìn)一步認(rèn)知混凝土內(nèi)部破壞機(jī)理，對在役混凝土安全性研究意義重大。

目前，利用聲發(fā)射技術(shù)對混凝土的研究主要集中于利用參數(shù)變化對混凝土各損傷階段的特征進(jìn)行分析。胡鈺泉等[8]對混凝土進(jìn)行動態(tài)軸向拉伸斷裂試驗(yàn)，利用聲發(fā)射參數(shù)對破壞過程進(jìn)行階段劃分，結(jié)果表明，混凝土軸向拉伸斷裂不具有明顯的裂縫發(fā)展階段；劉京紅等[9-10]結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)與CT測試研究混凝土受載損傷過程，結(jié)果表明，綜合CT圖像與聲發(fā)射定位可以對混凝土裂縫萌生和演化損傷的全過程進(jìn)行分析；郭慶華[11]對混凝土石塊進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，利用振鈴計(jì)數(shù)和能量對混凝土損傷階段進(jìn)行劃分。

由于聲發(fā)射技術(shù)本身敏感度高，信號較為繁雜，對損傷階段進(jìn)行精準(zhǔn)劃分時對參數(shù)的選擇要求較高且常依賴于研究者的經(jīng)驗(yàn)判斷，影響了對損傷階段評價(jià)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

聲發(fā)射b值是分析巖石破壞的重要依據(jù)之一，常用于巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷評價(jià)與失穩(wěn)破壞的預(yù)防[12-17]，相比參數(shù)法，其結(jié)果更直觀、簡便。然而b值運(yùn)用于水泥混凝土損傷的研究相對較少。賴于樹等[18]利用原始b值公式，對水泥混凝土破壞末期時的b值進(jìn)行分析，但并未對全時域損傷的b值變化特征進(jìn)行闡述；XIE Chao等[19]通過b值對多孔混凝土全時域受載損傷進(jìn)行階段劃分，但并未對水泥混凝土進(jìn)行研究。

頻率作為聲發(fā)射重要信號之一，被廣泛應(yīng)用于巖石等脆性材料的破壞特征研究[20-23]。目前對混凝土損傷的頻率特征研究較少，且多為定性研究，缺乏成熟的定量研究[24-25]。

基于此，筆者設(shè)計(jì)完成了混凝土單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)全程采集聲發(fā)射信號及參數(shù)；利用能量參數(shù)結(jié)合荷載-位移曲線對混凝土全時域受損過程進(jìn)行評價(jià)，并對其損傷階段進(jìn)行劃分；通過b值進(jìn)一步評價(jià)試件受載全過程的內(nèi)部損傷；引入頻率因子H，對頻率變化規(guī)律進(jìn)行分析。

1 受載混凝土聲發(fā)射試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)設(shè)置

試驗(yàn)采用萬能壓力機(jī)，其最大輸出壓力為3 000 kN，可實(shí)現(xiàn)控制恒定位移進(jìn)行加載；采用SAEU3H聲發(fā)射采集系統(tǒng)，可進(jìn)行最多16通道聲發(fā)射信號采集與傳輸。試驗(yàn)聲發(fā)射參數(shù)設(shè)定為：前置放大40 dB，參數(shù)及波形閾值為45 dB。試驗(yàn)保持0.2 mm/min的加載速率，耗時約11 min，加載系統(tǒng)全程記錄荷載-位移曲線。

1.2 試驗(yàn)試件

采用強(qiáng)度等級為C30的100 mm×100 mm×100 mm立方體試件和P.O42.5普通硅酸鹽水泥，粗骨料為粒徑5～20 mm的石灰?guī)r碎石，配合比見表1。試件經(jīng)機(jī)械拌合、振動臺振搗后，放置標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7 d，成型試件如圖1。

表1 混凝土試件配合比Table 1 Mix proportion of concrete specimen

圖1 試驗(yàn)試件Fig. 1 Test specimens

1.3 傳感器布設(shè)

試驗(yàn)全程采用4通道進(jìn)行聲發(fā)射信號采集，傳感器布設(shè)方式如圖2。

圖2 傳感器布設(shè)Fig. 2 Layout of sensors

2 試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

因1# ～3# 試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一致性，故筆者取1# 試件進(jìn)行分析。圖3為1#試件試驗(yàn)全程全波形。

圖3 全波形Fig. 3 Full waveform

圖4為試件在不同時間點(diǎn)的破壞情況。由圖4可知，在加載前320 s，試件表面無明顯變化；加載320 s左右，混凝土表面開始出現(xiàn)少量細(xì)微裂紋；加載320～400 s時，試件表面裂紋大量發(fā)展并貫通，試件表面呈現(xiàn)不同程度的碎片剝落，右側(cè)表面明顯向外變形隆起；加載400～500 s時，表面裂縫繼續(xù)擴(kuò)展延伸，裂縫寬度增大，承載力逐漸減小至喪失，試驗(yàn)結(jié)束。

圖4 試件損壞現(xiàn)象Fig. 4 Specimen damage

2.2 基于參數(shù)的損傷分析

試驗(yàn)中1#～4# 通道采集到的參數(shù)變化趨勢具有一致性，筆者取4# 通道參數(shù)進(jìn)行分析。

聲發(fā)射參數(shù)的變化規(guī)律，可以很好地表征混凝土內(nèi)部裂紋的發(fā)展過程[26]，其中振鈴計(jì)數(shù)與能量分別反映聲發(fā)射信號的數(shù)量及強(qiáng)度。圖5、圖6為混凝土受載破壞過程中聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)能量與荷載關(guān)系曲線。由圖5、圖6可看出，混凝土受載全時域可以分為4個階段：Ⅰ：初始壓密；Ⅱ：微裂紋萌生；Ⅲ：裂紋擴(kuò)展貫通；Ⅳ：峰后破壞。其中各階段損傷時段約為：Ⅰ：0～100 s；Ⅱ：100～300 s；Ⅲ：300～500 s；Ⅳ：500～620 s。

圖5 荷載-累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)-時程關(guān)系曲線Fig. 5 Load-cumulative ringing count-time history curve

圖6 荷載-累計(jì)能量-時程曲線Fig. 6 Load-cumulative energy-time history curve

在初始壓密階段，荷載較小，累積振鈴計(jì)數(shù)增長較緩慢，同時累計(jì)能量曲線呈平緩上升趨勢，表明試件內(nèi)部產(chǎn)生聲發(fā)射活動數(shù)目較少，并且能量值均較低；隨著荷載增大，進(jìn)入微裂紋萌生階段，此階段累積振鈴計(jì)數(shù)與累積能量均無明顯波動，表明此時試件內(nèi)部產(chǎn)生的聲發(fā)射活動數(shù)目極少且能量極低；荷載達(dá)到峰值附近時，混凝土損傷進(jìn)入裂紋擴(kuò)展貫通階段，此時累積振鈴計(jì)數(shù)和累積能量曲線急劇上升，并且累積能量值存在幾處突變點(diǎn)，表明此時試件內(nèi)部聲發(fā)射活動較為活躍，并且高能量值的聲發(fā)射事件較多；試件破壞后聲發(fā)射信號顯著減少，累積振鈴計(jì)數(shù)和累積能量曲線斜率放緩。

在荷載施加初期，混凝土試件骨架受力后，內(nèi)部原有孔隙及微裂紋發(fā)生壓密變形，應(yīng)力在微裂紋尖端處少量釋放，產(chǎn)生部分能量較低的聲發(fā)射事件。

隨著荷載不斷增加，混凝土變形進(jìn)入階段Ⅱ，此時的應(yīng)力在微裂紋尖端處不斷累積。而由于混凝土強(qiáng)度較高，混凝土內(nèi)部砂石顆粒并未立刻發(fā)生相對錯位與滑移，微裂紋未立刻延伸發(fā)展。因此，此階段聲發(fā)射事件較少，并且均為低能量事件。

荷載持續(xù)增大至峰值附近時，荷載即將達(dá)到混凝土的抗壓強(qiáng)度，此時累積在微裂紋尖端的應(yīng)力得到釋放，砂石晶體發(fā)生大量錯位滑移，微裂紋大量發(fā)育擴(kuò)展并連通，形成宏觀裂縫。荷載達(dá)到峰值后開始下降，表明試件逐漸失去承載能力。此階段應(yīng)力大量釋放，聲發(fā)射處于活躍期，產(chǎn)生大量高能量信號。

在峰后階段，由于混凝土強(qiáng)度較高，其核心部件仍有部分殘余承載能力，在荷載作用下仍有部分低能量聲發(fā)射信號產(chǎn)生。

2.3 基于b值的損傷分析

b值可以很好地表示材料內(nèi)部的損傷情況。巖石的相關(guān)研究表明，b值的變化趨勢及特征可以反映巖石內(nèi)部微裂紋尺度的變化情況[27]，其計(jì)算方法是利用GR公式對大量的信號參數(shù)進(jìn)行簡化運(yùn)算，得到b值的變化趨勢。在聲發(fā)射領(lǐng)域，GR公式經(jīng)過運(yùn)用與改進(jìn)，其形式如式(1)[28]：

(1)

式中：N為在試驗(yàn)取定時間范圍內(nèi)，幅度值M超過預(yù)設(shè)門檻幅度值m的聲發(fā)射事件累計(jì)個數(shù)，本次試驗(yàn)m設(shè)定為45 dB；AdB為試驗(yàn)過程中幅度峰值。

試件完全損壞時b設(shè)定為1，此時測得N=6 588；幅度峰值A(chǔ)dB=73.82 dB，帶入式(1)得a=7.52，b值公式簡化為式(2)：

(2)

由式(2)求得試驗(yàn)過程中b值的變化，如圖7。

圖7 b值曲線Fig. 7 b-value curve

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，混凝土試件在損傷階段Ⅰ時孔隙被壓密，存在少量應(yīng)力釋放，b值由1.29降至1.2，在A點(diǎn)斜率突然變小，此時試件的損傷由階段Ⅰ向階段Ⅱ過渡。

進(jìn)入階段 Ⅱ 后，試件內(nèi)部微裂紋發(fā)育較少，主要為應(yīng)力的大量累積，曲線較為平緩，b值緩慢減小，在B點(diǎn)斜率突然增大，此時試件的損傷由階段 Ⅱ 向階段 Ⅲ 過渡。在階段 Ⅲ 混凝土應(yīng)力大量釋放，微裂紋大量發(fā)育并擴(kuò)展貫通，b值急劇減小直至在C點(diǎn)接近1，C點(diǎn)之后曲線下降較為平緩，b值無限接近1。

結(jié)果表明，b值的變化趨勢可以用來評價(jià)混凝土內(nèi)部的損傷程度。b值的急劇變化更直觀地表明，混凝土損傷處于新階段，標(biāo)志混凝土損傷進(jìn)入新階段的突變點(diǎn)(A、B、C)更為精確，精確的損傷階段的劃分為：Ⅰ：0～93 s、Ⅱ：93～296 s、Ⅲ：296～485 s、Ⅳ：485～620 s。。

通過比較參數(shù)與b值的評價(jià)方法，不難發(fā)現(xiàn)，參數(shù)的變化較繁雜，混凝土損傷處于新階段時，難以得到準(zhǔn)確時間點(diǎn)。若只依靠參數(shù)對混凝土損傷階段進(jìn)行劃分，準(zhǔn)確性難以得到保證。而b值的變化趨勢更為簡捷直觀，標(biāo)志混凝土損傷處于新階段的突變點(diǎn)更為精確。但若單純依靠b值進(jìn)行損傷分析過于片面，難以對其整體損傷過程進(jìn)行定量、全面的闡述，而參數(shù)數(shù)目較多，且均為定量參數(shù)，分析水泥混凝土全時域損傷時，相比b值更為全面。

因此混凝土損傷識別分析中，將二者結(jié)合進(jìn)行整體分析，可大大提高損傷識別的準(zhǔn)確性及實(shí)用性。

3 損傷頻譜分析

試件內(nèi)部損傷可以通過聲發(fā)射基本信號(能量，幅度等)進(jìn)行推演，通過分析頻譜圖可以進(jìn)一步對內(nèi)部損傷進(jìn)行分析[29]。

圖8為試件損傷各階段經(jīng)快速傅氏變換FFT頻譜圖。由圖8可知，試件破壞聲發(fā)射波頻率主要在200 kHz附近波動，因此筆者取低于200 kHz的頻率信號為低頻信號，高于200 kHz的頻率信號為高頻信號。全過程中，低頻信號主頻率較為穩(wěn)定，帶寬始終保持在100～180 kHz，峰值在155 kHz附近；高頻信號主頻率呈先增大后減小趨勢，帶寬在200～400 kHz之間波動。

圖8 不同階段聲發(fā)射頻率Fig. 8 Acoustic emission frequency diagrams at different stages

為進(jìn)一步分析損傷過程中高、低頻占比變化與試件損傷的相關(guān)性，筆者引入頻率因子。頻率因子定義為超過某一閾值的高頻與低頻信號的帶寬長度之比。其具體計(jì)算方式為：將各階段頻率強(qiáng)度最大值定義為頻率峰值，在頻率峰值1/7處做一水平線，水平線對應(yīng)的頻率強(qiáng)度為閾值；將頻率強(qiáng)度高于此閾值的頻率在此線上進(jìn)行投影，并將投影長度累加，分別得到各階段高頻與低頻信號的帶寬長度累加值∑L(f>200 kHz)與∑L(f<200 kHz)，則頻率系數(shù)H為：

(3)

H越大，表明高頻信號占比越高，反之則越少。每隔50 s取一頻譜圖進(jìn)行各階段頻率系數(shù)計(jì)算，共選取12個，各頻譜圖頻率因子計(jì)算結(jié)果見圖9。

圖9 H值曲線Fig. 9 H-value curve

從圖9可以看出，H值在初始壓密階段較小，未超過1；在微裂紋萌生階段，H值達(dá)到1～3.5之間，隨后在階段Ⅲ驟降至最低值；試件破壞后，H值小幅上升，但總體均小于1，處于較低水平，與圖5中聲發(fā)射能量信號呈相反態(tài)勢，即小尺度破裂對應(yīng)低能量信號與高頻率信號，反之大尺度破裂對應(yīng)高能量信號與低頻率信號，這與巖石類準(zhǔn)脆性材料相關(guān)研究結(jié)論一致[30]。

值得注意的是，在階段Ⅱ，H值處于較高水平，試件表面未出現(xiàn)表觀裂紋，能量值亦處于較低水平，但此階段微裂紋的萌生是裂縫擴(kuò)展的重要前提。此階段高頻信號的驟增，表明試件內(nèi)部微裂紋尖端應(yīng)力的大量累積。應(yīng)力大量累計(jì)必然導(dǎo)致后期裂縫大量延伸發(fā)展。因此高頻率信號的驟增可視為應(yīng)力大量累積的重要依據(jù)，可以作為預(yù)警監(jiān)控的重要指標(biāo)。

4 結(jié) 論

通過對水泥混凝土?xí)r間的單軸壓縮試驗(yàn)，利用聲發(fā)射特征參數(shù)與b值對其損傷階段進(jìn)行劃分，并比較二者優(yōu)缺點(diǎn)，利用頻率圖分析了損傷過程中高、低頻率信號占比的變化。得到以下結(jié)論：

1)聲發(fā)射信號可以反映混凝土內(nèi)部應(yīng)力的動態(tài)演化與細(xì)微損傷。聲發(fā)射信號在應(yīng)力累積過程中較弱，呈低且散的特征；在應(yīng)力集中釋放過程較強(qiáng)，呈高且密的特征。

2)聲發(fā)射b值可以作為普通水泥混凝土內(nèi)部損傷的分析手段。b值的急劇變化表示混凝土損傷處于新階段。水泥混凝土在破壞失穩(wěn)階段，曲線急劇下降并無限接近于1。

3)對頻率的定量分析表明，水泥混凝土內(nèi)部小尺度破裂對應(yīng)高頻率AE信號，大尺度破裂對應(yīng)低頻率AE信號。高頻率信號的驟增意味著水泥混凝土內(nèi)部應(yīng)力大量累積，可以作為預(yù)警監(jiān)控的重要指標(biāo)。