声发射技术在混凝土材料中的应用.pdf

2 0 1 2 年 第 5 期 (总 第 2 7 1 期 ) Nu mb er 5 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 1 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHNOL OGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 5 0 4 1 声发射技术在混凝土材料中的应用 高丽燕，于广明 ( 青岛理工大学 土木学院 ，山东 青岛 2 6 6 0 3 3 ) 摘要： 总结了国内外学者有关声发射( A E ) 技术在混凝土材料中的产生机理及应用方面的一些研究成果。 综述了混凝土材料声发射技 术的应用范 围、 发展状况 、 研究进展 ， 对声发射技术进行 了评价与展望。 关键词： 声发射；混凝土； 凯塞效应；综述 中圈分类号 ： T U5 2 8 0 7 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2) 0 5 0 1 2 8 0 3 App l i c a t i on of a c ous t i c e m i s s i on t e c hni qu e i n c onc r e t e ma t e r ial GAO Li - ya n， YU Ou a n g - m in g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Q i n g d a o T e c h n o l o g i c a l Un i v e r s i t y ， Qi n g d a o 2 6 6 0 3 3 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： S o me r e s e a r c h r e s u l t s o n t h e me c h a n i s m and a p p l i c a t i o n o f a c o u s t i c e mi s s i o n( A E) i n c o n c r e we r e s u mma r i z e s T h e a p p l i c a t i o n s c o p e o fthe AE t e c h ni q u e i n c o nc r e t e， the d e v e l o p m e n t a n d p r e s e nt s t a t u s o f s t u d y o n the AE t e c h n i q u e o fc o n c r e t e a r e r e v i e we d At l a s t ， t h e AE t e c h ni q u e i s e v a l ua t e d an d p r os p e c t e d Ke y wor ds ： a c o us tic e mi s s i o n； c o n c r e t e； k a i s e r e ffe c t ； r e v i e w 0 引言 声发射( A c o u s t i c E mi s s i o n ， 简称 A E) 是材料或结构在外力 或内力作用下 ， 在产生变形或损伤的同时， 以弹性波的形式释 放出部分应变能的一种 自然现象。 大多数材料的声发射信号强 度很弱， 人耳不能直接听见， 要借助灵敏的电子仪器才能检测 出来 ， 用仪器探测、 记录、 分析声发射信号和利用声发射信号推 断声发射源的技术称为声发射技术。 由于声发射信号来 自材料内部变形、 损伤本身， 可以说每 一 个声发射信号都反映了材料内部缺陷性质和状态变化 ， 声发 射技术就是通过分析材料的声发射特性来评价材料性能、 反映 材料内部微观结构的动态变化的。 它作为材料特性研究的重要 手段之一， 越来越广泛的应用于航空航天、 水利水电、 石油化 工、 医疗卫生 、 土木工程等领域， 同时也吸引众多学者致力于该 技术的研究 ， 并取得显著的成果。 本项目就国内外学者在混凝 土材料中的声发射技术应用方面所作的研究及主要成果做一 介绍， 就声发射技术在混凝土中的应用范围、 发展状况、 研究进 展进行综述。 1 混凝土声发射技术的研 究历史 声发射的现象很早就被人们所关注， 早在 1 9 4 1 1 9 4 2年， 奥 伯特( Ob e r t ) I 霍奇森( H o d g s o n ) 就对材料声发射现象进行了研 究， 并提出了声发射检测技术的基本思想1 】 。 1 9 5 0年， 德国的凯 塞( K a i s e r ) 在对金属材料的拉伸试验研究中， 发现了声发射的 不可逆性效应 ， 揭示了材料具有“ 记忆” 应力的能力圆 。 1 9 5 9 年， 鲁什( R u s h ) 在对混凝土受力后的声发射研究中， 首次证实了凯 塞效应仅存在于极限应力的 7 0 8 5 以下的范围内【3 J 。 1 9 6 5年， 罗宾逊 ( R o b i n s o n ) t4 研究了砂浆体及不同骨料掺量、 不同骨料 粒径的混凝土的声发射特征， 并发现了混凝土的声发射信号的 两个主频率， 即2 、 1 3 、 1 4 k Hz ， 同时指出声发射检测的两个优点 ： 实时和动态性、 对结构的非破坏性。 1 9 7 0年， 格林( G r e e n ) s 对不 同骨料的试块进行了较为全面的混凝土声发射试验研究工作 ， 他对 4组 1 2 个不同骨料的试块， 进行了混凝土的抗压强度 、 弹 性模量、 泊松比和劈裂抗压强度等指标的声发射实时监测。 同时， 还对一个( 预应力) 混凝土制成的压力容器模型进行 了受力监 测 ， 指出声发射可以作为混凝土破坏全过程监测的方法。 另外， 利用声发射的不可逆性可以确定结构先前所受应力的大小 ， 该 研究还用声发射定位技术确定缺陷所在的位置。 1 9 8 8 年， E t 本的 E n o k i 和K i s c h i 用张量来表征混凝土微裂纹的位置、 大小和方向， 并用反分析技术研究声发射源的特征阎 。 在中国， 对声发射技术的研究是从2 0 世纪 7 0年代开始的。 声发射技术在中国发展的主要特点是 自开始就以实际应用为 目的， 目前已在材料工程、 压力容器评价、 结构完整性估计等领 域取得可喜成就。 2 混凝土声发射技术的研究现状 2 1 混凝土声发射机理的研究 对混凝土受载后的声发射机理的研究一直是人们关注的 热点问题之一。 人们通过大量的试验研究发现， 同其他材料的声 发射机理一样， 混凝土受载后声发射的产生 ， 主要是由于晶体 的位错运动、 晶体间的滑移、 弹性和塑性变形、 裂纹的产生和扩 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 1 0 - 2 1 基金项目：建设部科技发展计划项目资助( 0 6 K 6 1 6 ) ； 教育部博士点基金资助项 目 ( 2 0 0 8 0 4 2 9 0 0 0 2 ) 1 28 展以及摩擦作用等6 1 。 但是 由于声发射信号受到多种因素的共 同影响及其本身的复杂多变性， 众多学者试图从不同的角度、 利 用不同的方法对混凝土的声发射机理进行理论研究。 1 9 9 5年， 纪洪广啊 根据断裂力学中裂纹的开裂条件和扩展机理 ， 对变形 及裂纹开裂过程中声发射现象产生的机理进行了分析与探索。 但不过只是很初步的解释， 实际情况则要复杂得多。 随着以分形 理论 、 突变论、 协同论和耗散理论为代表的费线性科学的提出， 为重新认识声发射现象开辟了崭新的思维方式。 谢和平阎 利用 分形几何学研究了混凝土裂纹分叉的分形特征， 并得到由分形 维数得到的裂纹临界扩展力准则。 文献 9 一 l 1 通过试验分析指 出声发射序列的分析特征， 进而确定混凝土试块在临界断裂时 的分形特征识别模式。 李国强运用混沌理论描述了混凝土裂 纹演化的过程。 于广明f l 3 】利用协调学的基本原理， 对混凝土破坏 过程中声发射现象进行了研究， 并通过混凝土破裂过程中内部 损伤演化和声发射特征的对应关系， 从更深层次上揭示混凝土 的破 坏机理 。 2 2 声发射参数与力学参数关 系的研究 声发射技术的理论研究一直落后于实践应用。 声发射技术 作为工程结构安全检测的重要手段， 如果缺少有力的理论依据 ， 势必会影响其在实际检测、 预警中的应用 。 因此必须从定量的 角度来分析声发射参数与材料力学参数的关系， 从而对结构的 失稳破坏给出准确的判据。 目前， 大多数学者都是基于损伤力学 的原理来建立声发射与力学参数的关系。 近年来， 国内外学者在 这方面做了一些有意义的研究工作。 日本的Oh t s u t1 4 - 1 5 和美国的 D a i t 等先后提出了关于声发射事件数和应力的经验公式及计 算模型。 我国学者董毓利旧对混凝土单轴受压全过程破坏的声 发射特性进行了分析， 利用内变量理论建立了混凝土受压损伤 本构模型。 纪洪广 通过对混凝土材料声发射机理的分析， 建立 了声发射变量与应力 、 应变参量三者之间的耦合方程， 得到了 基于声发射参数的一维混凝土的损伤本够关系。 张明等基于 累积声发射数与损伤变量一致的观点， 建立了准脆性材料声发 射的损伤模型。 王明、 朱宏平、 李庶林也都在混凝土声发射参数 与材料力学参数的研究中做出了努力。 2 3混凝 土的 凯瑟效 应 凯塞效应在混凝土中的产生机理与应用一直是人们关注 的问题。 尽管在某些方面还存在不同的观点， 但是有一点是肯 定的， 大量的试验表明， 在一定 的应力水平范围内混凝土中存 在凯塞效应。 纪洪广【 l8 ， 2 o 通过试验， 发现混凝土材料的凯塞效应 不仅有应力界限， 而且声发射的不可逆程度同时还与损伤程度 有关 ， 并且指出声发射对应变的记忆 比对应力的记忆更准确。 T a k e s h i Wa t a n a b d 2 1 通过研究证明了凯塞效应不但存在， 而且强 度越高， 凯塞效应越明显。 周振东 通过混凝土的循环加载试 验 ， 指 出混凝土材料的凯塞效应在记忆应力时表现出明显的 F e l i c i t y效应， 且应力水平越高， F e l i c i ty效应越明显。 2 4 混凝土材料损伤定位检测技 术的研究 声发射可以成为一种混凝土材料损伤定位监测技术 ， 其机 理是当材料内部结构发生变形 、 断裂等力学行为时， 释放出的 弹性波会对周围介质形成机械扰动， 这种扰动能被安装在介质 表面的传感器转化为电信号的形式接收。 在工程中， 利用声发射 定位检测技术可以确定混凝土结构“ 薄弱面” 的位置及在荷载 作用下的状态 ， 为结构的耐久性诊断、 安全检测与预警以及结 构的维护与加固提供依据。 因为材料的声发射信号往往是由多 个信号叠加形成的， 因此如何有效地采集、 处理和分析声发射 信号， 对声发射定位检测技术的实际工程应用有着重要的意义。 刘红光 探讨了基于幅度和瞬时频率函数的损伤识别方法， 为 混凝土中声发射信号处理及损伤识别提供了一种新途径。 李光 海 提出了在决策层上的多传感器数据融合的识别方法， 利用 定位传感器组中各个传感器得到的数据， 同时考虑在同一个定 位组中各个传感器所得数据的置信度不同， 来对声发射源性质 进行识别， 大大地提高了定位的精度。 这些研究都有助与声发射 定位检测技术应用与推广。 3结 语 由于混凝土材料是多相复合材料 ， 声发射信号在其传播过 程中由于砂浆和骨料界面的反射、 折射作用 ， 改变了波的传播 方向， 而且波速也会发生变化 ， 从而使检测到的信号不能很好 地反映发生源的特性， 所以声发射信号在混凝土中传播的微观 机理的研究是一个亟待解决的问题。 对混凝土声发射技术的研 究虽然经历了 4 0多年的历史 ， 但它仍是一门年轻的学科。 由于 该技术具有动态、 实时、 方便、 可行的优点 ， 使其在实际工程中 的应用较为广泛， 但是理论研究滞后的现实对该技术的发展形 成束缚。 随着现代电子技术 、 计算机技术、 数字信号处理技术的 不断发展， 相信声发射技术终将会在混凝土材料的研究和工程 的检测方面起到重要的作用。 参考文献 ： 1 1纪洪广 混凝土材料声发射性能研究与应用 M 】 - E 京： 煤炭工业出版 社 ， 2 0 0 4 2 】 藤山邦久 声发射技术的应用 M 1 冯夏庭， 译 E 京 ： 冶金工业出版社， 1 9 9 6 3 】RU S H H P h y s i c a l p r o b l e ms i n t e s t i n g o f c o n c r e t e J Z e m e n t - k al k - g i p s ( wi e s b a d e n ) ， 1 9 5 9 ， 1 2 ( 1 ) 【 4 1 RO B I NS O N G S Me t h o d s o f d e t e c t i n g t h e f o r ma t i o n a n d p r o p a g a t i o n o f mi c r o c r a c k s i n c o n c r e t e 咖 I n t e ma t i o n a l C o n f e r e n c e o n t h e S t r u c t u r e o f Co n c r e t e， S e s s i o n C， 1 9 6 5 5 】GR E E N A T S t r e s s w a v e e mi s s i o n a n d f r a c t u r e of p r o s t r e s s e d c o n c r e t e r e a c t o r v e s s e l m a t e r i a l J S e c o n d I n t e r A me ri c a n C o nfe r e n c e o n Ma t e - r i al T e c h n o l o g y ， A m e ri c a n S o c i e t y o f M e c h a n i c al E n g i n e e r s ， 1 9 7 0 ( 1 ) 【 6 纪洪广 混凝土材料声发射技术研究综述【 J _ 应用声学， 2 0 0 2 ， 2 1 ( 4 ) ： 1 5 【 7 谢和平 岩石混凝土损伤力学【 M 】 徐州： 中国矿业大学出版社， 1 9 9 0 8 8 纪洪广 混凝土材料声发射技术研究综述 J 】 应用声学， 2 0 0 2 ， 2 1 ( 4 ) ： 1 - 5 9 】 黄新民 混凝土损伤的声发射特征分形分析J 动力学与控制学报， 2 0 0 8 ， 6 ( 3 ) ： 2 7 5 2 7 7 【 l O 3 洪广 混凝土材料声发射过程分形特征及其在断裂分析中的应 用I J J 岩石力学与工程学报， 2 0 0 1 ， 2 0 ( 6 ) ： 8 0 1 8 04 【 1 1 董毓利 混凝土受压全过程声发射 b 值与分形维数的研究 J 1 试验力 学， 1 9 9 6 ， 1 1 ( 3 ) ： 2 7 2 2 7 6 【 l 2 】 李国强 水泥混凝土微裂纹演化的混沌分析 J J 重庆交通学院学报， 1 9 9 6， 1 5 ( 1 )： 2 2 2 6 1 3 】 于厂明 混凝土声发射规律的协同学研究及可视化模拟f J 青岛理工 大学学报 ， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 4 ) ： 1 - 5 1 4 O H T S U M A c o u s t i c e mi s s i o n c h a r a c t e ri s t i c s i n c o n c r e t e a n d d i a g n o s t i c a p p l i c a t i o n J A c o u s t i c E mi s s i o n ， 1 9 8 7 ( 6 ) ： 9 9 1 0 8 1 5 O H T S U M R a t e p r o c e s s anal y s i s of a c o u s t i c e m i s s i o n a c t i v i t y i n c o r e 】 2 9 t e s t o f c o n c r e t e J C o n c r e t e L i b r a r y ， J S C E ， 1 9 9 2 ( 2 0 ) ： 1 4 3 - 1 5 3 1 6 D AI S T D a m a g e a n d f a i l u r e a n a l y s i s o f b ri t t l e m a t e r i a l s b y a c o u s t i c e m i s s i o n J J o u mal of Ma t e r i a l s i n C i v i l E n g i n e e r i n g A S C E， 1 9 9 7 ( 9 ) ： 2 O O 一 2 0 5 1 7 1 董毓利 混凝土受压全过程声发射特性及其损伤本构模型 J 力学与 实践， 1 9 9 5 ， 1 7 ( 4 ) ： 2 5 2 8 1 8 1 洪广 混凝土材料声发射与应力一 应变参量耦合关系及应用 J 岩 石力学与工程学报， 2 0 0 3 ， 2 2 ( 2 ) ： 2 2 7 2 3 1 【 1 9 】 张明堆 脆性材料声发射的损伤模型及统计分析 J 】 岩石力学与工程 学报， 2 0 0 6 ， 2 5 ( 1 2 ) ： 2 4 9 3 2 5 0 1 【 2 0 己 洪广 混凝土材料凯塞效应与 F e l i c i t y 效应关系的试验研究应用叨 应用声学， 1 9 9 7 ， 1 6 ( 6 ) ： 3 0 3 3 【 2 1 T a k e s h i Wa t a n a b e C o mp r e s s i v e f a i l u r e i n c o n c r e t e o f r e c y c l e d a g g r e g a t e 上接第 1 2 7页 组装时， 各类构件需齐全， 不得使用缺棱掉角等有残缺构件 ； 要 求斗棋的榫卯节点结合严密 、 牢固， 无翘曲、 缝隙和松动； 外观 层次清楚 ， 棱角分明， 翘、 昂、 耍头要出入平齐， 高低一致， 保证 各攒、 各层构件平齐， 斗棋配置均匀一致。 然后将组装在一起的 斗棋成攒吊装到对应的位置， 一端支于混凝土柱或梁上并锚固， 另一端与出檐屋面板下枋中的预埋钢板定位后焊死 ， 另根据斗 棋的复杂程度增设不同侧位点进行锚固。 安装要求定位精准， 严密无缝隙， 确保工程质量。 3结语 建筑艺术的进展， 大部分也就是人们选择 、 驾驭、 征服天然 材料的试验经过I ” ， 建筑技术也是随着建筑新材料的出现不断 改进的。 轻质石膏复合混凝土在斗棋上的应用， 将大幅降低斗棋 的制作成本， 减小 自重 ， 缩短生产周期， 对用新材料制作斗棋具 有很好的参考价值 ， 从而实现斗棋结构在现代文明中的创新， 有助于建设具有民族特色的现代仿古建筑。 同时也为传统建筑 的设计、 施工以及古建筑的加固修复、 重建提供了新的方法 ， 为 古建筑历史文化的传承与延续提供研究思路。 0 、 墨翻圃 s b y a c o u s t i c e mi s s i o n J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 0 7 ， 2 1 ( 3 ) ： 4 7 O47 【 2 2 周振东 混凝土声发射 F e l i c i t y 效应试验验证与理论分析l J J 中州煤 炭 ， 2 0 0 8 ( 3 ) ： 2 1 2 3 2 3 R IJ 红光 基于 O A E T和 H H T的混凝土 A E源损伤识别方法【 J 试验 力学， 2 0 0 7 ， 2 2 ( 1 ) ： 3 8 4 2 2 4 李光海 声发射源多传感器数据融合识别技术研究 J 无损检测， 2 0 0 3 ， 2 5 ( 4 ) ： 1 7 1 1 7 5 作者简介 ： 联系地址 联 系电话 高丽燕( 1 9 7 3 一 ) ， 女， 主要从事混凝土结构工程、 岩土工程 研究。 青岛市抚顺路 1 1 号 青岛理工大学( 2 6 6 0 3 3 ) 1 3 4 6 5 3 2 8 2 2 8 参考文献 ： 1 梁思成 清式营造则例( 新版) 【 M 】 北京： 中国建筑工业出版社 ， 1 9 8 1 2 梁思成营造法式注释( 卷上) ( 第一版) 【 M E 京： 中国建筑工业出版 社 ， 1 9 8 3 3 】 范恩荣 ， 徐鹏毅 石膏与石膏混凝土制品的开发方向 J 吉林建材， 1 9 9 7， 7 1 ( 3 ) ： 2 2 2 7 4 张丹 斗棋艺术与结构机能演变历史的研究 c 】 哈尔滨： 东北林业大 学， 2 0 0 5 5 5马宁平 中国古建筑之斗棋构造艺术【 J 安徽科技， 2 0 0 3 ( 1 2 ) ： 5 9 6 0 【 6 】 张怀记 试论斗棋在中国古代建筑中的应用f J 建筑艺术， 3 5 3 8 7 屈志中 提高石膏混凝土建筑性能的若干技术途径 J _ 建筑技术 ， 2 0 0 6 3 7 ( 1 ) ： 1 7 2 0 作者简介 联 系地址 联 系电话 刘晓红( 1 9 6 9 一 ) ， 女， 硕士研究生， 一级注册结构工程师， 研 究方向： 混凝土结构设计计算理论。 河南省洛阳币洛龙区王城大道 9 0 号 洛阳理工学院土木 工程系( 4 7 1 0 2 3 ) 1 3 5 2 5 4 4 0 8 2 8 r s 关于打击盗版、 非法翻印 混凝土质量控制手册 一书的严正声明 近 日， 我们发现有个别不法人员对化学工业出版社正式出版的 混凝土质量控制手册 一书进行盗版和非法翻印， 并盗用有关 行业协会的名义向企业和个人推销 ，牟取不正当利益。经查 ，此类盗版盗印图书的印刷质量低劣，伪造书号 ( 标称书号 9 7 8 7 5 0 2 0 3 7 1 5 4 ) ， 售价虚高( 标称定价 2 9 8 元) ， 严重损害了广大读者和出版社的合法权益 ， 也给编者和出版单位的社会声誉造成 严重不良影响。为此， 编者和出版社特作以下严正声明： 1 混凝土质量控制手册 正版图书由中国建筑科学研究院建筑材料研究所组织编写， 授权化学工业出版社出版发行 ， 由全国 各地正规书店经销， 未委托任何其他企业、 个人或行业组织进行销售； 2 混凝土质量控制手册 正版图书由化学工业出版社于 2 0 1 2年 3月出版发行， 书号为 9 7 8 7 1 2 2 。 1 2 4 7 5 3 ， 采用软面精装， 定 价 8 6 元 。 3 广大读者如需购买， 可选择以下正规渠道 ： ( 1 ) 全国各地新华书店或专业书店； ( 2 ) 当当、 卓越、 京东商城等正规网上书店； ( 3 ) 批量购买或邮购， 可联系化学工业出版社化工书店( 咨询电话： 0 1 0 6 4 5 1 8 8 8 8 o 4 对于非法盗版盗印及贩卖盗版图书的行为， 编者和出版社将予以追查， 保留追究其法律责任的权利。 混凝土质量控制手册 编者 化学工业出版社 2 0 1 2年 4月 】 3 0