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声发射技术在混凝土研究中的应用 陈 兵 姚 武 吴科如 (同济大学混凝土材料研究国家重点实验室,上海 200092) 摘 要 混凝土声发射特性的研究已有近40a(年)的历史,研究证实它与混凝土性能有重要 关系。结合作者在这方面的研究工作,分析和回顾了声发射技术在混凝土研究中的应用和发展,并 指出声发射技术是研究混凝土性能的一个重要手段。 主题词 声发射技术 混凝土 裂纹 性能测试 APPL ICATI ON OF ACOUSTIC EM ISSI ON TECHNIQUE TO THE STUDY OF CONCRETE Chen Bing YaoW u W u Keru (State Key L aboratory of ConcreteM aterial Research, TongjiU niversity, Shanghai) Abstract A coustic em ission in concrete has been studied for 40 years, which can provide useful information on concrete properties . Development and application of acoustic em ission technique to the study of concrete are reviewed and discussed based on the authors experience in this field.It is concluded that acoustic em ission technique is a very usefulway for the study of concrete properties . Keywords A coustic em ission technique Concrete Crack Property testing 材料或结构受外力或内力作用产生变形或断 裂,以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射 或应力波1。 这种弹性波一边进行多重反射,反复变 换波形,一边传播。作为表面振动可被声发射(A E) 换能器接收。 人们很早就注意到这种现象,但作为一 门技术和有科学价值的研究工作是由德国的Kaiser 在1950年开始进行的。此后,不断有文献报道声发 射在无损检测中的应用。但早期的研究工作大多集 中在声频范围内,受到噪声影响很大。1965年, Dunegan等将实验频率提高到100kHz1 M Hz,这 是实验技术的重要发展,为声发射技术从实验室的 材料研究发展到生产现场中监视大型构件的结构完 整性创造了条件,从而开始了将声发射用于各类容 器、 航空航天工业中的某些重要构件以及核装置等 方面的检测。 声发射是一种动态的检测方法,可能动地反映 材料微观结构的变化。 其信号来自缺陷本身,故利用 声发射可判断缺陷的严重性。大小和性质相同的缺 陷,当所处的位置和所受的应力状态不同时,对结构 的损伤程度也不同,所以其声发射特性也有差异。 明 确了来自缺陷的声发射信号的特性,就可以对材料 的性能进行研究,这便是应用声发射技术的关键。 一般来说,发生于材料内部的声发射是由于材 料发生不可逆变化引起的,如晶体结构变化、 滑移变 形、 孪生变形、 裂纹的形成和扩展以及复合材料不同 相界面的脱落2等。 但对于混凝土材料来说,前三种 机理是不存在的,主要是由于 裂纹的形成和扩 展。 钢筋混凝土中,钢筋与水泥基体间的滑移。 纤维增强混凝土中,纤维断裂以及纤维的拔出。 自1959年R sch将声发射技术应用到混凝土 研究中,人们对混凝土声发射特性的研究已进行了 40a,并取得了一定的成果。本文简要分析和回顾了 声发射技术在混凝土研究中的应用,并对其中某些 应用进行了阐述。 1 声发射测试系统 在混凝土实验研究中,大多采用多通道声发射 源定位及分析系统。图1是声发射测试系统的基本 原理图。 换能器是信号接收部分,通常用钡钛酸铝压电 晶体制成,作用是将脉冲应力波信号转化为电信号, 其自振频率为150kHz,通常用硅胶或黄油耦合在试 783 第22卷第9期 2 0 0 0年9月 无损检测 NDT Vol . 22 No. 9 Sep. 2 0 0 0 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 图1 声发射测试系统原理图 件中。前置放大器的增益一般选为40dB,以提高抗 干扰能力。滤波器采用高通滤波和低通滤波来降低 背景噪音,对混凝土,门槛电压多选为45dB,而对砂 浆,则选为60dB。主放大器增益选为20dB。在测试 过程中,通常记录声发射总计数与荷载(N2P)、 声发 射率与荷载(dN?dt2P)或声发射率与时间(dN?dt2 t)等特性参数关系。声发射特性可用振铃计数、 事件 计数和能量等表示。 2 声发射在混凝土力学性能试验中的应用 研究 关于混凝土在受压、 受拉和受弯状态下的声发 射性能,国内外已有不少文献报道3,并取得了一定 的成果。图2是混凝土(试件尺寸为100mm100 mm505mm)在受弯过程中典型的声发射特性曲 线图4。 可见dN?dt 2 (为挠度)关系可以划分为三 个阶段:dN?dt = 0( 没有声发射)。dN?dt曲线 是非连续的。dN?dt是连续的。对dN?dt2曲线 进行进一步的分析,可以认为混凝土梁受弯过程分 为微裂纹稳定、 微裂纹扩展和主裂缝连通三个阶段。 (1)微裂纹稳定 当PPb时, 主裂纹尖端附近微裂纹开始扩展,在此阶段,主裂纹 图2 混凝土受弯时的声发射特性 不会扩展。因此 , d N?dt2曲线是不连续的。 (3)主裂缝扩展(切口梁) 当外加荷载达到临 界荷载Pc时,主裂缝开始扩展,因此dN?dt2曲线 是连续的。 从以上分析可见,声发射事件的发展趋势反映 了混凝土内部破坏的微观过程,由此可以反演出混 凝土的断裂过程,同时利用声发射曲线可以定性地 判断材料的脆性。 图3, 4分别是混凝土轴压和劈裂受拉时的声发 射事件率图,图3的横坐标为相对压应力,即应力与 最大压应力值53. 4 M Pa的比值,图4的横坐标为相 对应力值,即应力与最大应力值8. 2M Pa之比,它们 都较形象地反映了混凝土内部结构的变化。当声发 射事件率突然上升,则表明混凝土结构发生了重要 变化,需采取必要的安全措施;而声发射率幅度变化 很小时,说明结构是安全的。 但两者的声发射信号又 有差异,混凝土受拉时声发射信号的幅值比受压时 要高,反映了混凝土受拉后,裂缝迅速扩展伸入水泥 石,并贯穿骨料,使骨料形成解理断裂,因而消耗能 量大,和混凝土受压时的能量释放相比,拉力试验时 至少大于压力试验时的23倍。 3 声发射在混凝土断裂力学研究中的应用 许多研究表明,声发射与水泥基体、 砂浆和混凝 图3 混凝土单轴抗压下的声发射特性 图4 混凝土试件劈裂受拉下的声发射特性 883 陈 兵等:声发射技术在混凝土研究中的应用 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 土中裂缝的发展和断裂机理相关。Evans等指出声 发射事件数能与砂浆裂缝发展速率建立联系; M orital等将声发射振铃数与应力强度因子Kc建立 联系;在我国有一些学者利用声发射判断混凝土的 开裂点从而测定混凝土的断裂韧性; HL Chen等5 研究得更为深入,他们报道说利用声发射可以计算 出临界应力强度因子KIcS和临界切口尖端张开位 移CTODc。然而,这些关系都是经验性的,到目前为 止,声发射事件数与断裂参数还没有建立起一个基 本的理论关系,似乎这种关系并不存在。 目前,声发射在混凝土断裂力学中最大的应用, 或者说人们最感兴趣的是,利用声发射三维定位技 术对断裂过程区的确定。图5是混凝土梁三点弯曲 受载下断裂过程区的声发射定位图,从图中可明显 地确定断裂过程区的大小6。K O tszka等用同样的 方法研究了集料尺寸对混凝土断裂过程区大小的影 响7,结果发现集料尺寸越大,其形成的断裂过程区 越大(图 6) 。声发射三维定位技术的应用,解决了长 期以来人们对混凝土断裂过程区内部结构缺乏真正 了解的难题,为混凝土断裂力学的发展提供了新的 机会。 图5 声发射对断裂过程区的定位图 图6 集料尺寸对混凝土断裂过程区的影响 Gmax最大集料粒径 4 声发射在混凝土裂缝种类和破坏机理研 究中的应用 人们试图将声发射事件的不同频率和能量与混 凝土中不同裂缝建立联系。如Saeki等对在不同荷 载下的混凝土试样,其声发射释放的能量不同进行 了研究,他认为裂缝出现的第一阶段是水泥基体与 集料间裂缝的扩展,释放的能量较高;第二阶段是裂 缝的愈合,释放的能量较低;最后一个阶段是裂缝在 整个混凝土试样中扩展,再一次释放出高能量。 而T Kamada等采用瞬时张量分析法,利用声发射将钢 筋混凝土梁发生破坏时出现的不同裂缝划分开,如 弯曲裂缝、 剪切裂缝和钢筋与混凝土界面裂缝8(图 7) 。这些研究是将得到的不同声发射信号与预先设 计好的裂缝特性建立起关系。 笔者对砂浆、 素混凝土 和钢纤维混凝土梁在三点弯曲负荷下的破坏过程中 的声发射信号特性进行了研究9,通过对声发射信 号的持续时间设置滤值,按照声发射信号振幅分布 特性,将声发射信号划分为不同的区段,并与混凝土 内部不同破坏机理建立一一对应的联系(附表 ), 发 现实验结果具有很好的重复性。 (a)振幅分布 (b)平均频率分布 图7 不同裂缝对应的声发射参数 5 声发射在混凝土其它研究中的应用 5. 1 冻融循环测试 在恶劣的气候环境中,混凝土结构的一个不容 忽视的破坏是冻融循环破坏。因为混凝土内部含有 一些可蒸发的水份,当结冰时,由于体积的改变引起 混凝土内部微裂缝的出现。 当冻融循环不断进行时, 混凝土内部微裂缝不断累计最终导致混凝土结构的 破坏。 图8是利用声发射对冻融循环监测的结果。 可 见,在冻融循环进行到30次后,出现高声发射发生 率,同时释放能与弹性能的比值开始上升。 这表明对 经受冻融循环的混凝土结构持续地进行声发射监测 可以预报其破坏的危险程度。 5. 2 钢筋混凝土中钢筋锈蚀 钢筋锈蚀是混凝土结构破坏的另一个主要问 983 陈 兵等:声发射技术在混凝土研究中的应用 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 附表 不同破坏机理对应的声发射参数 破坏机理 持续时间 s 振幅分布 峰值?dB范围?dB 各破坏机理对应的 声发射数含量?% 水泥基体中微缺陷聚合03540365435. 30 水泥基体中微裂纹形成356042385910. 67 集料与水泥基体界面开裂6013044406018. 50 水泥基体中裂纹扩展13022047426412. 10 水泥基体中裂纹的合并22035551436610. 35 宏观裂纹的形成3555555647707. 72 粗集料的开裂5558006251753. 35 钢纤维的拔出8001 0807155831. 31 钢纤维的拉断1 0804 00073621000. 70 图8 冻融循环过程中声发射监测 题,大多在探测到时,已发生了很严重的破坏。W eng 等发现甚至在未加荷载时,钢筋锈蚀也可能有声发 射发生,他们指出,至少在实验室条件下,声发射对 于描述钢筋锈蚀具有一定的帮助作用。在后来的研 究中,Dunn等建立了观察到的破坏与测得的声发 射结果间的关系,并在锈蚀的早期,利用振铃总数与 振幅结合,探测了钢筋锈蚀早期的特征。 5. 3 强度与声发射参数间的关系 由于混凝土的质量通常由强度来表征,故许多 研 究 直 接 针 对 强 度 与 声 发 射 参 数 间 的 关 系。 Tanigaw a等认为,在低应力水平下,混凝土强度可 近似地由声发射振铃数计算得到,这就是用声发射 技术对混凝土的强度进行无损检测。Rebic发现,通 过对声发射测试,可以建立声发射破坏时临界荷载 与极限强度的关系,即声发射可用来对混凝土强度 进行预测。Sadow ska等10还建立了混凝土强度与 声发射参数间的关系,即 Fr=AFb+B 式中 Fr混凝土破坏强度 Fb出现第一个声发射时的荷载值 A,B与材料和加载方式相关的常数 他们发现,此线性方程与实际测得数据的相关 性较好,因此,在低应力水平下,声发射可以用来预 测混凝土强度。 5. 4 干缩、 温差裂缝和徐变 声发射已经用于对水泥浆体和砂浆收缩的探测 中。N adean等发现,在水化水泥浆体中,由于水化产 物收缩不同引起的裂缝产生了声发射,但砂浆较净 浆产生的声发射弱,这表明砂子与浆体界面间的开 裂并非是声发射的主要声源。Jeong等在研究蒸压 混凝土时也指出,干缩引起的声发射可与微观裂缝 联系起来,但利用声发射将收缩与时间之间建立起 联系的设想还没有实现。 相对来说,对在高温下混凝土声发射特性的研 究很少。H inrichsmeyer等曾对温度 900的混凝 土进行了研究,他指出声发射分析能够区分温差引 起的不同裂缝,且在300600之间存在温差凯塞 效应。 另外,也有人利用声发射对混凝土的徐变进行 了研究。如P Rossi等采用声发射振铃数与频率相 结合,论证了混凝土的徐变与材料内的微裂缝发展 有很强的相关性。 声发射技术在实际工程中,特别是在对一些大 型桥梁和混凝土结构稳定性的监控中,也得到了广 泛应用,这在美国和一些发达国家中应用得较多,国 内也开始有了这方面的应用,但与国际上还有一段 距离。 6 结束语 本文结合作者在声发射研究中的一些工作,介 (下转第396页) 093 陈 兵等:声发射技术在混凝土研究中的应用 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 厚度下多次测量的平均值,对不同厚度下的标准误 差 2i取平均值,作为仪器的测量误差 2, 由此求得 2= 8. 1Hz。 理论误差和测量误差共同决定了该系统 的总误差 为 =21+22= 9. 45Hz 由式(8)可知该装置的分辨力优于5m。后来我们 又分别在搪瓷制品和大铁板上喷漆两种情况下进行 验证性测量,刮去油漆或搪瓷后用千分尺直接测量 和用该装置间接测量进行比较,所得结果较好,两者 误差在5m以内。 3 几何特性测量实验 根据式 (2), 当铁磁材料的几何参数变化,特别 是出现伤痕、 凹陷等不平整现象,R2也会出现较大 跳变,由此可引起振荡频率的突变,所以该装置也可 探测涂层下铁磁材料的几何特性。因此在上述实验 基础上,我们又进行了材料表面平整度的测量和覆 盖层下伤痕检测等实验,结果也是相当令人满意的。 对覆盖层下的铁磁材料平整度、 损伤及凹痕等有十 分灵敏准确的反应。这一结果对受损伤后修复的表 面,特别是汽车事故后的调查和检测会有很好的应 用,为公安部门事故处理和刑侦工作都能提供客观 科学的证据。在高压容器的探伤方面同样也能发挥 很好的作用。 4 结论 上述装置对铁磁材料表面附着层厚度的测量简 单、 快捷,数据处理也较方便。从误差分析结果可看 出,测量分辨力 5m,测量范围可达300m。实验 还表明,在涂层表面缓慢移动探头,一旦出现铁磁材 料几何参数的变化,振荡频率会出现几十,甚至上百 赫兹的变化,给我们提供了明确的信息。 该装置不仅反应灵敏,对附着层无损害,而且整 套装置小巧轻便,配上一台小型信号处理系统,便可 随时随地进行测试。 参考文献 1 陈朝阳.带涂层压力容器壁厚的精确测定.无损检测, 1998, 20(8): 228 2 郑建国.新型数字式超声波自动测厚仪的研究.电子测量 技术, 1997(2): 41 3 周志伟.带涂层在役压力容器的无损检测.无损检测, 1996, 18(2): 45 4 李 新.浅谈超声波测厚.无损检测, 1995, 17(9): 258 5 黄礼镇主编.电磁场原理.上海:人民教育出版社, 1980. 收稿日期: 1998211216 (上接第390页) 绍了声发射技术及其在混凝土实验研究中的应用。 作为一种有效的非破坏性的实验手段,声发射技术 在国内外得到广泛的重视。人们期待着在声发射技 术理论基础方面取得重大突破,能够在声发射参数 与混凝土力学参数间建立定量关系。随着声发射测 试系统的不断完善和改进,声发射技术将会给混凝 土研究提供一个新的途径。 参考文献 1 袁振明,马羽宽,何泽云.声发射技术及其应用.北京:机 械工业出版社, 1984. 2 Tonolini F,Sala A ,V illa G.General reviewof developments in acoustic em ission methods .Int J Pres V es & Piping, 1987, 28(2): 179- 201 3 Ohtsu M.The history and development of acoustic em ission in concrete engineering. 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