高强混凝土的声发射特性试验研究.pdf

第 3 6卷第 5期 2 0 1 4年 5月 人氏 YELL0W nl Vo 1 36 No 5 Ma y， 201 4 【 水利水 电工程 】 高强混凝土的声发射特性试验研究 樊鑫淼， 宋俞成 ( 西安建筑科技 大学 土 木工程学院， 陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ) 摘要： 通过高强混凝土试块在受压状态下的声发射特性试验测试了混凝土的抗压强度和撞击数、 事件数等声学特性参 数。试验结果表明： 高强混凝土受压强度与声学特性参数之间具有一定的相关性， 可用于评判结构或构件的稳定性和安 全性； 声发射技术作为一种无损检测方法， 具有操作简单、 实时动态检测、 对原有建筑物损伤小等优点。 关键词：高强混凝土；声发射；损伤；试验研究 中图分类号 ：T U 5 2 8 0 7 文献标志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 - 1 3 7 9 2 0 1 4 0 5 0 3 3 Ex p e r i me n t a l Re s e a r c h o f Ac o u s t i c Emi s s i o n C h a r a c t e r i s t i c s f o r Hi g h - S t r e n g t h Co n c r e t e F AN Xi n mi a o ，S ONG Yu c h e n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g in e e r i n g ，X i a ll U n i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e a n d T e c h n o l o g y ， Xi a n 7 1 0 0 5 5 ，C h i n a ) Abs t r a c t ：Co mp r e s s i v e s t r e n g t h o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e， i mp a c t s a n d e v e n t s o f a c o u s t i c e mi s s i o n we r e me a s u r e d b y t h e a c o u s t i c e mi s s i o n e x p e ri- me n t o f c o mp res s i v e t e s t s f o r h i g h - s t r e n gth c o n c r e t e T h e r e s u l t s s h o w t h a t a c e r t a i n c o r r e l a t i o n i s o b s e r v e d b e t we e n t h e c o mp r e s s i o n s t ren g t h o f h i g h - s e n g t h c o n c r e t e a n d a c o u s t i c c h a r a c t e ri s t i c s p a r a m e t e r s o f a c o u s t i c e mi s s i o n s i g n a l s ， a n d a c o u s t i c e m i s s i o n t e s t c a n b e u s e d t o j u d g e t h e s t a - b i l i t y a n d s e c u rit y o f t h e s t r u c t u re o r c o mp o n e n t Ke y wo r d s ：h i g h s t r e n gth c o n c r e t e；a c o u s t i c e mi s s i o n；b r e a k a g e；e x p e rime n t a l s t u d y 高强混凝土具有高强度、 高耐久性、 高流动性及高抗渗性 等优点， 在工程建设尤其是高层建筑中得到了广泛应用。高强 混凝土在受压时表现出显著的脆性和较少的塑性。目前仅有 少量成熟的方法可用于评估高强混凝土的损伤破坏， 对既有建 筑物结构一般采用现场取样的方法进行力学分析， 耗费大量的 人力和物力 ， 同时对原有结构造成了一定的损坏， 且不能对结 构的实际受力状态作出实时动态的评判， 因此无法准确对高强 混凝土的破坏全过程进行有效监测。 材料或结构在受外力或内力作用时产生变形或断裂 ， 以弹 性波形式释放出应变能的现象称为声发射( a c o u s t i c e mi s s i o n ) 或应力波 。所谓声发射技术是通过探测材料的声发射特性 来评价材料性能的一种材料检测技术， 它是一种时效性很强的 无损检测方法。2 0世纪 6 O年代人们开始将声发射技术应用于 混凝土材料的研究中， 7 0年代引入我国， 9 O年代至今其研究和 应用 呈快 速 发 展 的趋 势 。笔者 以 2 0 0 9年 引 进 的 P A C公 司 ( P h y s i c a l A c o u s t i c s C o r p o r a t i o n ， 美国物理声学公司) 的声发射检 测系统为基础， 对高强混凝土材料破坏的声学特性等进行了初 步分析和探索 。 1 试验概况 1 1 试件参数及装置 设计了两组高强混凝土试块， 第一组为 1 0 0 m lT l 1 0 0 m l n 1 0 0 i n n l 的 C 6 0立方体试块， 试块的编号为 61 、 6 2 、 63 ； 第 二组为 1 0 0 r n n a 1 0 0ta r a 3 0 0m m的C 7 0棱柱体试块， 试块的编 号为71 、 7 2 、 7 3 。试块 2 4 h成形后拆模， 放入标准环境下 养护2 8 d 。采用 S T Y E一 2 0 0型压力试验机和美国 P A C公司生 产的 S A MO S型发射仪检测系统对高强混凝土试块受压加载过 程进行声发射检测分析， 工作原理如图 1 所示。声发射系统可 同时采用8个通道采集数据， 通常采用 R 6 一al p h a 探头、 2 4 6型 前置放大器。采用配套的 A E Wi n软件系统， 能够在 WI N D O WS 环境下进行声发射源定位、 信号采集以及对采集的数据进行统 计分析等 。 图 1 声发射 系统工作原理 1 2 声发射参数设置 试验开始前首先对声发射检测系统的参数进行设置， 以排 除外界环境的噪声干扰。声发射检测参数主要包括前置放大 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 9 1 3 作者简介 ： 樊鑫淼( 1 9 8 7 一 ) ， 男， 湖南梆 州人 ， 硕 士研 究生， 研 究方 向为混 凝土 材料 性能。 E ma i l ：f a n x i n mi a o 2 00 78 7 68 1 6 3， c o m 1 0 5 人 民 黄 河2 0 1 4年第 5期 器的设置、 门槛值 、 时间参数( 峰值鉴别时间 P D T、 撞击鉴别时 间 H D T 、 撞击 闭锁 时间 H L T) 、 波速 以及定位设置” j 。根据 P A C手册参考值 ， 前置放大器的设置为 3 5 d B 。采用预加载的 方法确定试验的门槛值为3 0 d B 。通过断芯试验测试了高强混 凝土材料的检测时间参数和波速， 其中 P D T为 1 5 0 s ， HD T为 3 5 0 s ， HL T为 5 0 0 I x s ， 波速 为4 5 0 0 m s 。R 6传感器布置采用 三维定位的方式， 具体如图2所示。 图 2 R 6传感器布置 示意 1 3 试验加载过程 首先开启压力试验机和声发射检测系统 ， 不进行加载， 在 A E Wi n系统软件中开始采集声发射信号。然后开始均匀加载 ， 根据混凝土力学性能试验方法的规定 ， 加载速度控制在每秒 ( 0 3 0 5 )N ra m 。在加载过程中， 记录试验机上的压力值 ， 以及 A E w i n软件系统中对应的事件数和撞击数等数据。在试 件破坏后， 再采集一段时间的数据 ， 直至撞击数和事件数基本 稳定， 立即停止采集。 通过试验可以获取撞击一时间曲线 、 事件一时间曲线、 事 件三维散点图和柱状 图、 撞击波形图以及相对应的压力值等， 试验完成后数据会 自动保存。根据对应的试件， 重放文件， 可 再现试验时 A E Wi n系统 软件 所记 录 的所 有试 验数 据 ， 对试 验 结果进行分析， 得出相关结论。 2 试验结果及分析 2 1 受压强度与撞击数的关系 一 个弹性波即为一个声发射撞击 。撞击是声发射事件引 起的， 一个事件释放的弹性波如果被多个探头检测到， 那么该 事件的撞击数也就有多个 ， 声发射系统就是通过探头检测到的 撞击之间的时间差来确定声发射源位置。因此， 声发射撞击数 常被定性地用于描述混凝土的损伤破坏全过程。C 6 0组和 C 7 0 组高强混凝土试块抗压强度和被检测到的撞击数 的试验数据 分别见表 1 和表 2 。 表 1 C 6 0组抗压 强度与撞 击数 由表 1和表 2可以看出， 高强混凝土试块受压加载初期声 发射现象很少 ， 甚至试块内初始裂缝开始出现闭合； 随着荷载 的增加， 61和71 试块分别在抗压强度为 1 5 6 MP a 和 1 7 5 1 0 6 MP a 左右出现了微小裂缝， 此时声发射撞击数开始大幅增大； 继续加载， 裂缝之问的相互作用急剧增强， 微小裂缝迅速扩张， 并贯通于整体试件表面， 此时声发射现象异常活跃 ， 撞击数快 速增加 ； 在高强混凝土抗压强度达到应力峰值时， 声发射现象 处 于最 强烈状态 。此外 ， 试块 6 2 、 6 3以及 7 2 、 73的试 验现象与试块61 、 71的基本相同， 表明声发射撞击数可较 好地反映高强混凝土的损伤变形过程， 由此可判定将声发射检 测技术应用于高强混凝土结构或构件中具有一定的工程实践 价值 。 表 2 C 7 0组抗压强度与撞击数 注 ： 表 中抗压 强度为 混凝土轴心抗压 强度标准值 。 2 2 受压破坏过程分析 采用三维定位的试验方法对受压高强混凝土试件破坏过 程进行声发射检测， 可以发现各个试块破坏全过程的声发射事 件 、 撞击一时问关系曲线也十分相似。试块 62的声发射特 性参数关系曲线见图 3 。由图3可知， 在加载初始阶段， 高强混 凝土试块逐渐被压密， 一般会因材料内部颗粒问的不断摩擦碰 撞和滑移而产生很少的声发射现象 ， 此时相互撞击具有较大的 随机性； 随着压力的继续增大， 在一段时间内有较多的撞击数 产生 ； 在压力值增加到临界值时， 撞击数突然急剧增加 ， 说明试 块内部开始出现裂纹， 迅速扩展至试块表面， 并形成较大的裂 缝； 在试块破坏过程后， 声发射活动开始趋于平缓， 撞击数累计 曲线缓慢增长。由此可见 ， 声发射时间一撞击累计 曲线也实时 描述了高强混凝土受压破坏的全过程。 3 ， 蝶 垂1 赫 ： 噼 怕 时间 图 3 试块 62的声发射特性参数的关 系曲线 2 3受压破坏结果分析 如图3所示 ， 可将高强混凝试块的破坏过程分为初始、 稳 定和不稳定三个发展阶段， 在整个声发射检测阶段都可以采用 丰富的声发射特性参数评判材料在受压状态下的变化特点。 在初始阶段， 压力机刚与试块接触， 试块应力和应变均比较小， 高强混凝土材料处于初步压密状态， 内部通常会产生微小的结 构变化， 由此也产生了较少的声发射信号现象 ； 在稳定阶段 ， 随 着试块所受压力的不断增大， 相应地会产生一些声发射信号； 在不稳定阶段， 当荷载超过极限荷载时 ， 高强混凝土内部的裂 人 民 黄 河2 0 1 4年第 5期 缝已由骨料与砂浆界面迅速发展至试块外表面， 如图 4所示， 此时声发射事件数急剧上升。在声发射检测的稳定 阶段过渡 到不稳定阶段的过程中， 高强混凝土材料声学特性参数发生了 显著的变化， 此现象可以作为结构或构件破坏前的征兆， 以此 评判其稳定性和安全性。 1 0 0 8 0 6 O 4 0 2 o O 3 结论 图 4 撞 击事件 三维散点 ( mm) ( 1 ) 声发射事件数与材料内部的破坏程度、 声发射撞击数 与高强混凝土受压强度之间有较好的相关性， 以此可对高强混 凝土材料受压应力的变化过程进行实时监测。 ( 2 ) 在高强混凝土试块的声发射检测过程中， 存在初始、 稳 定 、 不稳定三个不同的阶段， 声发射现象主要发生在材料极限 强度破坏阶段， 试块开始变形和微小破坏较少出现。各个阶段 均能反映出材料内部结构和裂缝变化的情况， 可用于评判高强 混凝土结构或构件的稳定性和安全性。 ( 3 ) 声发射现象与高强混凝土材料的损伤破坏存在相对应 的关系， 不同的声发射累计数对应着材料不同的破坏阶段。新 的损伤破坏通常会伴有新的声发射现象产生 ， 可作为声发射信 号的宏观测量依据。 声发射技术作为种无损检测方法， 可应用于高强混凝土 结构或构件的损伤破坏检测中， 它具有操作简单、 实时动态检 测 、 对原有建筑物损伤小等优点。 参考文献： 刘红光 ， 骆英 ， 赵国旗 ， 等基 于 H H T的混凝 土损 伤 A E信号分 析新方 法 J 防灾减灾工程学报， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 2 ) ： 1 8 7 1 9 1 纪洪广， 裴广文， 单晓云 混凝土材料声发射技术研究综述c J 应用声学， 2 0 0 2， 2 1 ( 4) ： 15 纪洪广， 张天森， 蔡美峰， 等 混凝土材料损伤的声发射动态检测试验研究 J 岩石力学与工程学报， 2 0 0 0 ， 1 9 ( 2 ) ： 1 6 5 1 6 8 欧阳利军， 陆洲导， 赵艳林， 等 混凝土结构声发射检测参数设置研究 J 重庆建筑大学学报， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 5 ) ： 3 7 4 1 吴胜兴， 王岩， 李佳， 等 混凝土静态轴拉声发射试验相关参数研究 J 振 动与冲击 ， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 5 ) ： 1 9 6 2 0 4 朱宏平， 徐文胜， 陈晓强， 等 利用声发射信号与速率过程理论对混凝土损 伤进行定量评估 J 工程力学， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 1 ) ： 1 8 6 1 9 1 王余刚， 骆英， 柳祖亭 全波形声发射技术用于混凝土材料损伤监测研究 J 岩石力学与工程学报， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 5 ) ： 8 0 3 8 0 7 【 责任编辑张华岩】 _ -+-_ -_一 - - +-。一 - -+- 一- _+-+-， - - +一- - - 一_ + ( 上接第 1 0 4页) ( 4 ) 当挡板距离河床底部为 0 3倍水深时， 测线 3 、 4的纵 向相对紊动强度在测点高度与水深比值为 0 4处有极大值。 参考文献 ： 1 2 3 4 5 梁利博， 杨小亭， 张新燕 圆柱桥墩局部冲刷的试验研究 J 中国农村水利 水电， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 1 0 41 0 9 徐国平 桥墩局部冲刷机理的探讨 D 西安： 西安公路交通大学， 1 9 8 9 B r e u s e r s H N C ，R a u d k iv i A J S c o u ti n g MN e t h e d a n d s ： B a lk e m a A A， 1 9 9 1 Go k h a n Ki r k i l ， G e o r g e Co n s t a n t i n e s c u ， R o b e r t E t t e ma T h e Ho r s e s h o e V o rt e x S y s t e m A r o u n d a C ir c u l a r B r i d g e P i e r o n E q u i l ib ri u m S c o u r e d B e d R C a n a - d a ： Wo r l d Wa te r a n d E n v i r o n me n t a l R e s o u r c e s C o n g r e s s ， 2 0 0 5 韩敏 单圆柱桥墩绕流紊动特性试验研究 D 西安： 西北农林科技大学， 2 Ol 0 +-一 - -+|-+ 6 胡旭跃， 欧阳飞， 沈小雄 桥区通航问题及对策研究综述 J 水道港 口， 2 0 0 5， 2 6 ( 3) ： 1 6 71 7 1 7 祖小勇 圆端形桥墩周围水流紊动特性及紊流宽度试验研究 D 长沙： 长 沙理 工大学 ， 2 0 0 9 f 8 1 J e n n i f e r G D u a n T w o D i me n s i o n a l Mo d e l S i mu l a t i o n o f F l o w F i e ld A r o u n d B ri d g e P ie r s R A 1 a s k a ：Wo r l d Wa t e r a n d E n v i r o n m e n t a l R e s o u r c e s C o n g r e s s ， 2 0 0 5 9 张万锋， 文恒， 牟献友， 等 环翼式桥( 闸) 墩防冲刷实验研究 J 内蒙古农 业大学学报： 自然科学版， 2 0 1 1 ， 3 2 ( 3 ) ： 2 2 6 2 2 9 1 O 成兰艳， 牟献友， 文恒， 等 环翼式桥墩局部冲刷防护试验 J 水利水电科 技进 展 ， 2 0 1 2 ( 3 ) ： 1 4 1 8 1 1 成兰艳， 郝拉柱， 牟献友， 等 环翼式桥墩环翼式挡板最佳延伸长度试验 J 水利水电科技进展， 2 0 1 3 ， 3 2 ( 3 ) ： 3 2 3 6 【 责任编辑张华岩】 1 0 7