混凝土爆炸损伤的超声波速分析.pdf

2 0 1 1年 第 4 期 (总 第2 5 8 期 ) Nu mb e r 4i n 2 0 1 1 ( T o t a l N o 2 5 8 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE 0RETI CAL RESE ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 4 0 0 7 混凝土爆炸损伤 的超声波速分析 张钰娟 ，陈星明 ，张志贵 ( 西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳 6 2 1 0 1 0 ) 摘要 ： 在高强度混凝土爆 炸前 后 ， 利用超声波检测技术 ， 进行声 波测试 并重构波速分布 ， 可得 出混凝土损伤变化规律 。 试 验结果表明 ， 超声波速变化能有设的表征混凝 土损伤 ， 且波速降低率越大表示试件损伤度越高 ； 混凝 土试件 经爆炸 载荷作 用下发生损伤 ， 损 伤区域主要 集中在也孔周围 、 下方及试件 底部 ， 其 中炮孔下方损伤度最大 。 关键词 ： 混凝土 ；爆 炸；损伤 ；超声波 ；波速 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 I 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 - 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 2 7 0 3 Ana l ys i s of ul t r a s on i c ve l o cit y t o ex pl os i on dam a ge o f c onc r e t e Z HANG Y u -j u a n ， C H E N) (L i n g rui n g ， Z H ANGZ h i - g u i ( S c h o o l o f E n v i r o n me n t a n dR e s o u r c e s ， S o u t h we s t U n i v e r s i ty o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ， Mi a n y a n g 6 2 1 0 1 0 ， C h i n a ) Ab s t r ac t ： Us e i n g t h e u l t r a s o n i c t e s t i n g t e c h n ology t O d o a c o u s t i c t e s t a n d r e c o ns t r u c t i o n of v e l o c it y d i s t r i b u t i o n b e f o r e a n d a fte r t h e h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e e x p l o s i o n， t h a t c a n b e d r a wn t h e v a ria t i o n o f c o n c r e t e d a ma g e Th e r e s u l t s s h o ws t h a t t h e c h a n g e s o f v e l o c i ty c a n p e r f e c t l y r e fle c t c o n c r e t e S d a ma g e， a n d t h e h i g h e r r a t e o f v e l o c i ty r e d u c e s h o ws t h a t t h e s p e c i me n t h e h i g h e r d a ma g e o f s pe c i me n s ； c o n c r e t e s p e c i me n s e x p l o s i o n d a m a g e a r e ma i n l y a r o u nd t h e h o l e a n d t h e h o l e S b o t t o m ， a n d t h e b ot t o m S da ma g e i s l a r g e r Ke y w or ds： c o n c r e t e ； e x pl o s i o n； d a m a g e ； ult r a s o n i c； ve l o c i t y 0 引言 1 超 声波测试 原理及 方法 混凝土作为一种特殊的复合材料， 以其 良好 的易成形性 、 抗水耐火性、 耐久性等特点， 以及原料充沛、 价格便宜等优点 ， 获得 了广 泛应用 ， 是 土木 、 水利 、 防护工 程 中的一类 主要建 筑 材料 ， 它的质量直接关 系到结构物 的安全 。 最早将 损伤力学 概 念用 于混凝 土材料 研究 的 是 Do u g i l l - 1 ， 比较早 的研 究成 果 如 L o l a n d l 1损伤模 型 、 Ma z a r s J 损伤模 型 ， 这两种模 型是 以试验 所 得 的应 力一 应 变曲线为基础 ， 采用 了应 变等价原理建 立 了单 轴 损伤模型， 是典型的弹性各向同性损伤模型， 损伤变量都是标 量 。 此后 ， 为了体现 混凝 土损伤 的各 向异性 ， 将 混凝 土看 成是 各 向同性 的材料 ， 但是损伤是 各向异性 的 ， 这种模型 以等价原 理为基础 。 超 声波在混凝 土方而的研究 和应用 已有近 6 0年 的历史 ， 加拿大的 L e s l i e 和 C h e e s ma n 、 英 国的 J o n e s 等率先将超声 波用 于混凝土的检测【4 1 ， 目前混凝 土超声波 检测是混 凝土无损检测 技 术中的一个重要方 面。 已有研究表 明 ， 混凝土 内部损伤有 多 种不同的研究方法 ， 但不同损伤程度的混凝土具有不同的声 学 特性 ， 这就 为利用 超声 波进行 混凝 土损伤 特性研 究提 供 了 依据 1 。 研究应川超声 波检测技 术对爆炸前后 的混凝 土试件 进行 测试， 采集相关走时数据， 经专业软件重建波速分步， 得 J 了混 凝 土在爆炸荷载作用下 的损伤程度 与波 速变化的关 系 ， 为埘混 凝土的爆炸损伤机理研究提供一定的依据。 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 1 1 _ J o 1 基金项 目：先进建筑材料 四川 I 省重点实验室培 育基金( 0 8 Z X XP 0 4 ) 1 1 超 声波传播特点 根据超声波的性质， 超声波在混凝土中的传播特点至少有 以下几个方 面 9 1 ： 超声波的衰减较大。 由于混凝土中存在着广泛的界面， 因此 ， 其散射损失是十分明显的。 因此， 为了使超声波在混凝土 中的传播距离增大， 往往采用比金属材料探伤中所采用的频率 低得多的超声频率。 指向性差。 在混凝土中超声波束的指向 性较差的原因主要有两个方面： 其一是由于所采用的频率较低 ， 即波长较长 ， 从而扩散角一般均较大 ； 其二 ， 由于众 多的界面导 致m现许多反射波和折射波 ， 由于数量众多， 而且彼此相互干 涉和叠加， 因而造成较大的漫射声能。 波线往往因界面反射和 折射而曲折。 因此 ， 当超声波在混凝土中遇到较大缺陷时并非直线 传播 ， 而是绕行缺陷。 实际传播方式为曲线传播。 混凝土中 ， 在声场所及的空问内的任何一点 ， 都存在着一次声波( 即人射 声波) 及二次声波( 即反射声波 、 折射声波和波型转换后的横 波) 。 探头所接收到的信号是一次声波和二次声波的叠加。 由于 它们的叠加 ， 使接收信号变大， 而且使波形畸变。 1 2超 声波检 测 方 法 超 声波检测基本上可分为反射法 和穿透法 两类 ， 其 中常用 的穿透法如图 1 所示， 在被测混凝土构件相对两侧各放一个探 头 ， 其 中一个探头 向构件 内发射超 声波 ， 另一个探 头接收超 声 27 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 唾 母 ( a ) 无 影响 ( b ) 影 响很小 ( c ) 影响很 大 图 1 超声波穿透法 波。 当构件完好时， 可收到较强信号， 当构件中有缺陷时， 部分声 能被反射 ， 只能接收到较弱信号或完全收不到信号 如图 2所示， 观测系统为一发多收声系， 即在一侧单点发 射， 另一侧作扇形排列接收 ， 然后逐点同步沿剖面线移动进行 扫描观测。 工作布置遵循以下原则： 发射或接收必须分别在同 一 高程上 ， 以便形 成扫描剖 面 ； 发射各 点和接收点 必须 精确测 量 坐 标 1： 二 望 生 苎 垄 塾 ：皇 = 皇 垫 堡 些 ：皇 I 图 2 超声 波测试观测系统图 1 3 超 声波检测依 据 口前 ， 混凝土超声探伤主要依据 以下 四条基本原 则判圳缺 陷 】 。 ( 1 ) 根据 超声 波在混凝 土中遇到缺 陷时发生绕射 、 折射 等 现象， 按声时及声程的变化判别缺陷的存在 计算缺陷的大小。 ( 2 ) 根据超声波在缺陷界面上产生散射， 到达接收换能器 时能量衰减显著， 判断缺陷的存在及大小 ( 3 ) 根据超声波 频率成分 在遇到缺 陷时衰减 的程度不 同 ， 接收频率明显降低 ， 或接收波频谱与发射波频谱产生的差异判 断 内部缺陷。 ( 4 ) 根据超声波在缺陷处产生散射、 衍射， 使波形转换和叠 加 ， 造成接收波 的波形畸变判别缺陷 的有无。 以上原理既可以单独适用， 也可综合运用 ， 本文中运用( 1 ) 原则 ， 按声时及声程 的变化判别缺陷的存在 1 4损 伤 因子 D 损伤因子 D是表征材料损伤程度的量， D的取值范同为 0 1 ， 当 D= 0时没有损伤， 当D= I 时代表材料完全断裂， 损伤因 子越大代 表损伤程度越大 ， 可 以用很 多变量来表示_ 12 ： D： 1 一 ( 1 ) E 式中： E 无损材料的弹性模量 ； E 有损材料的弹性模量 ； D损伤因子 。 弹性波在介质中传播存在 E- p u 关系 ， 可得到以弹性波速 作为变量来表征损伤 因子 ： D：1 一 ( 2) 2 式 中 材料损伤前后的弹性波波速 ： 28 2混凝 土爆 炸试 验 2 1 试件 制作 混凝土试什尺寸为直径 0 4 m高 0 3 m圆柱体， 标准试件是边 长为O 1 I T I 立方体试件。 原材料配合比如表 i 所示， 标准试件在实 验室经标准养护2 8 d 后， 测试平均单轴无侧压强度为 7 6 6 MP a 。 2 2 爆 炸试验 炮孑 L 布置在圆柱形混凝土试件 的轴心， 孔径为 0 0 1 8 m， 炮孑 L 深度分别为 0 、 0 0 5 、 O 1 、 0 1 5 、 0 2 0 11 1 ， 起爆器材为 8 电雷管 1 个 ， 采用不耦合装药结构。 2 3混凝 土破坏 情 况 装药 深度为 0 0 5 1T I 的混凝 土试 件爆 炸后表面破坏情况 如 图 3所示， 药包爆炸时， 在炮孔壁周围激起峰值压力很高的冲 击 波 ， 使试件表面混凝 土在冲击波作 用下产生破坏 、 形成爆 破 漏斗， 冲击波在漏4 4 x 3 # 1, 衰减成应力波， 使混凝土产生径向裂缝。 图 3 混凝土试件爆炸破坏情况 2 4 声波测 试 声 波测 试采 用 中 国科学 院武 汉 岩土 力学 研 究所 研制 的 R S M S Y5 型智能声波检测仪。 声波仪产生的超声波脉冲信号由 发射输出经发射探头、 混凝土试件 、 接收探头， 到达声波测试仪 输入接口， 经放大 、 滤波 、 采样后 ， 读取相关走时数据l 】3 J 。 选取通过 混凝 土试 件心 的纵剖 面 ， 按 一发多收声 系布点 ， 具 体如图 4所 示， 混凝土试件选取断面两侧各布萱 7个点 ， 左侧 R 1 R 7为发 射点， 右侧 S l s 7为接收点， 同一侧测点间距为 0 0 5 r n ， 为了便 于分析 ， 将 测试纵 剖面划分为如 图 4所示 O 0 5 m inx 0 0 5 mlT l 的 4 8 个单元格。 测试时先将发射换能器安放 在 R1 点 ， 再将接收换 能器分别置于 s l 、 s 2 、 、 s 7 逐点测试， 然后， 再将发射换能 4 1 4 l 6 24 30 32 3 4 3 6 3 9 42 43 45 47 图 4 混凝土试件测试断面 5 y 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 器安放于 R 2点， 重复前面步骤， 至每一发射点测试完全， 在 测试途中采集相关波形 7 支走时数 ： 为保证有较强的可比性 ， 爆 炸试验前后的声波测试断听为刚 断面 3 波速 变化分析 将声波测 试所得 走时数 批导 入 R S M C T 2 0 0 8 T程 C T分 析软件 ， 可得 出各单元 波速度 。 具体波速分布如图 5昕尔 ， 圆 点各点代表爆前波速 ， 正方形各点代表爆后波速。 由 5 ( a ) 图可知 ， 爆前波速呈 U型 ， 是 大 f 为混凝 土试件 留有 0 0 5 m炮孔 ， 声波传至炮孔处发生绕射 ， 走时增大 ， 波速较低 ， 爆 炸后两侧波速降低 ， 中间单元 4 、 5波速升高， 对照混凝 土试件破 坏情况， 此处爆后形成爆破漏斗， 声波传播至此理应发生绕射， 波速降低 ， 但 图中呈现波速 【 升趋势 ， 此矛盾现象待讨论 。 由 5 ( b ) 图可知 ， 爆后 波速 略微 降低 ， 表 明位 于爆 孑 L 下方 0 0 5 0 1 0 m处的单元 9 1 6有所损伤。 由 5 ( c ) 同可知， 爆后单元 2 0波速 大幅降低 ， 其他 区域无 f i月 变化 ， 表 明位于炮孔底部 0 1 0 0 1 5 m处 的混凝 土损伤 较大 ， 而其他 区域无损伤 。 由 5 ( d ) 图研知， 爆后单元2 9波速明显降低外， 其他 域无 明显变化 ， 表 明位于炮孔底 0 1 5 0 2 0m处 的混凝 土损伤 较大 ， 但较 单元 2 0损伤程度小 ， 其他 区域无损伤 。 由5 ( e ) 图叮知， 爆前波速不均 ， 这是由于混凝土配制 、 振捣 不均引起的， 爆后除单元 3 6波速略微升高外， 其他区域波速普 遍降低 ， 说 明单 元 3 6处混凝 土f i 于爆 炸产生压密作 j ， 导致波 速升高。 由 5 ( f ) 罔可知 ， 爆后 除试件底部中问单 元 4 4 4 6波速升高 外， 其他区域波速降低， 表明混凝= 试件底部两侧受损， 而中间 部分由于 密作用， 导致波速升高。 f a 1 单元 j 8 爆 炸 前后波速 分布 ( b J 单元9 1 6 爆 炸前后 波速 分布 4 损伤定量分析 f c 1单 元3 3 4 0 爆 炸前后 波速分 布 ( f ) 单 元4 1 N 4 8 爆炸前 后波 速分 布 图 5 测试剖面各单元波速分布图 1 4节中式( 2 ) I i t 算得 测 试截面各单元 的损伤 因子 ， 具体 如表 2所示 ， 损伤 于 D取值 范 为 O 1 ， 混 凝土某些 部 分因挤压而产生 密作 用 ， 在表中以“ ” 表示 。 压密状， 该纵截面有损伤的单元共 3 3 个， 损伤凶子平均值为0 1 5 ， 其中D 0 1 5单元有 1 1 个， 分布在该纵截丽顶单元 1 、 2 、 7 、 8 、 1 5 ， 底部两侧单元4 l 、 4 2、 4 8 ， 以及炮孔下方 0 1 - 0 1 5 m处单元 2 0 、 2 1 、 2 9 ， D 0 1 5 单元有 2 2 个 ，其中以分布在炮孑 L 周嗣的单元损伤 较大 ； 由不同 y值单元 的 D平均值可知， 药包爆炸后 ， 对混凝土试 由表 2可得 ， 混凝土试件某纵截面 两侧及底部 中 部分呈 件造成的损伤主要位于炮孔周韦 】 和下方 ， 以及混凝土试件底部。 表 2 各单元损伤因子 5结 论 在混凝土 试件爆炸 试验前后 ， 利 用声 波仪 对模 型进行声波 测 试 ， 并利用 R S M C T 2 0 0 8 程 C T分析 软件 进行重建波速分 布 ， 波速 的变化能有效的表 混凝 七的损伤程度一 经试验 分析结果可知 ： 药包在混凝土试件内部爆炸后， 对试件底部产生挤压作用， 使此部分混凝 土乐密， 从而波速 上升 。 药包爆炸后， 主要对炮孔周同、 下方以及试件底部造成损 下转第 3 2页 29 如 如 6 5 4 3 2 g 堪 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 理论值 修正值 DI 9实测值 理论值 修正值 0 6 0 0 2 06 0 0 2 05 9 7 2 05 9 7 2 05 9 7 2 0 4 5 4 8 0 42 7 5 0 3 5 0 8 0 48 2 8 041 8 5 0 2 2 3 3 0 2 3 01 0 2 2 4 4 0 2 06 6 0 21 1 l 0 1 0 8 6 0 1 0 0 6 0 0 9 0 7 0 0 9 8 8 0 0 9 5 8 007 2 7 0 0 7 3 4 0 0 7 8 1 0 0 6 9 8 0 0 6 9 1 OO 6 5 8 00 6 94 0 0 71 l 0 0 6 4 8 0 0 6 4 8 00 6 4 8 00 6 4 8 0 0 6 4 8 0 0 6 4 8 0 0 6 4 8 汪 ： 论值由式 ( 2 ) 计算得出； 修正值 由式( 5 ) 计算得出。 将 误 差 函 数e r f ( u ) 2 J 。 e X p ( 一 A ) d A 代 入 式 ( 7 ) 并 化 V1 T 简得 ： e 学 1 上式两边同乘 一 ，并设A ： 一， d A ： d u 、 、 2 、 、 , z = 代入式( 8 ) 得 ： 一 f 1 _C ( x , t ) - 一Co 2 l C 一 C o 2 卜 C C o =c 【 一 J 去 唧 ljd“ D = K B ， J 0 = 2 ( c ) ( 1 0 ) 式 中： 钻孑 L 取粉测点距混凝土表面的距离 ， c m； ( C ) 标准正态分布函数。 3结语 ， f = c l 0 + ( c 一 c 0 ) I 1 - e r f 一 二 二= 兰 二= 二=1 l 【 2 V KB Do ( I m) - lt o 川 试验表明修正后的F i c k第二定律更符合实际情况。 ( 2 ) 对修正后的F i c k第二定律计算氯离子扩散系数进行了 简化处理 。 ( 3 ) 在腐蚀时间相同的情况下， 氯离子含量与腐蚀时间成 正 比关系 ， 并与深度成反 比关 系。 试验表明添加 2 0 粉煤灰试件 在盐雾环境下抗氯离子能力比较强， 效果比较好。 参考文献 ： f l 】 混凝土结构喇久性设计与施工指南【 J J l 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 3 【 2 J2 R e p o r t o f t h e N a t i o n a l Ma t e ri a l s A d v i s o r y B o a r d C o n c r e t e D u r a b i l i t y - A Mu hi b i l l i o n Do l l a r Op p o r t u n i t y ， P u b l i c a t i o n N o N MAB - 4 3 7 I R 1 N a t i o n a l Ac a d e my o f S c i e n c e s ， W a s h i n g t o n D C ， P P 9 4， 1 9 8 7 3 】 许薇， 甘庆辉， 汤强 1 9 5 1 2 0 0 6 年汕头雾变化的气候特征及影响因 素分析 J 1 气息与环境学报， 2 0 0 8 ， 2 4 ( 3 ) f 4 】MAA G E M S e r v i c e l i f e mo d e l f o r c o n c r e t e s t r u e t u r e s s e x lc) o s e d t 0 ma r i n e e n v i r o n m e n t I n i t i a t i o n p e r i o d l j 1A C I Ma t e ri a l J o u r n a l ， 1 9 9 6 ， 9 3 ( 6 ) ： 6 0 2 6 0 8 5 王前， 张鑫， 傅日荣 计算混凝土中氯离子扩散系数的使用方法f J 山 东建筑大学学报 ， 2 0 0 6 ， 4 ( 2 1 ) 慧 黧 萼 喜 竺 蚤 长 沙 理 工 大 学 金 盆 岭 校 区 西 解 析 解 存 在 一 定 的 偏 差。 本 试 验考 虑 环 境 影 响 系 数 及 粉 煤 灰 影 三 。4 至 4 1 响系数， 提出了修正后的 F i c k 第二定律： 联系电话： 1 3 8 7 3 1 7 2 4 3 2 上接第 2 9页 伤， 其中以炮孔底部的损伤作用最为明显。 混凝土试件表面爆后形成爆破漏斗， 但声波测试呈现爆后 波速上升现象， 此现象有待进一步分析和解释。 参考文献 ： 1 DO U G I L L J W， e t a 1 J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g Me c h a n i c s I J j A S C E， 1 9 7 6： 1 0 2 3 3 3 2 L O L A N D K E C o n t i n u o u s d a m a g e m o d e l f o r l o a d r e s p o n s e e s t i m a t i o n o f c o n c r e t e J ) C e me n t a n d e o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 8 0 ( 1 0 ) ： 3 9 2 4 9 2 3 MA Z A R Z J A p p l i c a t i o n d e l a m e e a n i q u e d e l e n d o mma g e m e n t a l l c o in p o rt e me n t n o n l i n e a i r e e t l a r u p t u r e d u b e t o n d e s t r u c t u r e C ) T h e e d e - Do c t o r a t( r Et a t Un i v P a r i s 1 9 8 4 4 】4 吴新璇 混凝土无损检测技术手册【 M 】 E 京： 人民交通出版社， 2 0 0 3 5 陈土纯 超声波测试法在混凝土非局部损伤本构模型中的应用l J 1 武 汉大学学报： 工学版， 2 0 0 1 ， 3 4 ( 3 ) ： 9 2 9 4 6 李为杜， 马修麟， 童寿兴 混凝土受力状态非破损测强参数研究l J l l施 工技术 ， 1 9 9 3 ( 4 ) ： 9 1 1 3 2 7 】逯静 洲 ， 林皋 ， 肖诗云 ， 等 j 昆凝土材料经 历三向受压荷载历 史后 的 抗拉强度劣化的研究l J I 水利学报 ， 2 0 0 1 ( 1 ) ： 6 8 7 5 8 赵 明阶 古 构混 凝土损伤 的超声成像模 型研究 l J J 重厌 交通学院 学 报 ， 2 0 0 1 ， 2 0 ( 增T O ) ： 8 6 8 9 9 】黄靓 混凝土超声 c T的数值模拟 与试验研究 D 长沙 ： 中 国地质大 学 ， 2 0 0 5 1 O 】 顾青 多功能混凝土超声波检测仪软件 系统研究与实现 D 西安 ： 长 安大学 ， 2 0 0 8 f 1 1 肖敏芳 基于混凝土无损探伤的超声 c T图像分析和处理【 D 武汉： 武汉理工大学 ， 2 0 0 6 【 1 2 R 红岩 ， 胡刚 有关爆破损伤变 量定义 中存在的问题及探讨l J j 爆破 ， 2 0 0 3 ， 2 0 ( 3 ) ： 1 - 4 1 3 史瑾瑾， 郭学彬 ， 肖正学， 等岩石冲击损伤特性与超声波速的试验 研究 J 】矿业研究与开发 ， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 6 ) ： 2 7 2 9 作者简介： 张钰( 1 9 8 5 一 ) ， 女， 硕士研究生。 联 系地址 ： 四川省绵阳市西南科技大学东 8 B 一 4 2 6 ( 6 2 1 0 1 0 ) 联 系电话 ： 1 3 5 6 8 4 2 9 2 9 6 2 、 一 令 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m