再生混凝土材料声学特性参数分析.pdf

第 4 6卷 第 1期 2 0 1 5 年 1月 人 民 长 江 Ya ng t z e Ri v e r Vo 1 4 6 NO 1 J a n ，2 0 1 5 文章编号 ： 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 5 ) 0 1 0 0 8 6 0 4 再生混凝土材料声学特性参数分析 聂 瑞 ( 陕西国防工业职业技术学院 ， 陕西 西安 7 1 0 3 0 0 ) 摘要 ： 为在混凝土无损检测 中采集到 高信噪 比的声发射信 号 ， 对再生 混凝 土材料 的声学特性参 数进行 了试验 研 究。通过模拟加 载确定 了声发射 检测环 境的 门槛值 ， 采 用断芯试验 测试 了再生 混凝土材料 的检 测 时间参 数 ， 包括峰值鉴 别时间( P D T ) 、 撞击鉴别 时间( H D T) 和撞 击闭锁 时间( H L T ) ； 同时确定 了信号在再生混凝土材 料 中的传播 波速 ， 为再 生混凝 土材料 声发射检 测参数 的设 置提 供 了一定的试验依据 。该声发射检测参数设置 具有操 作简单 易行、 实时动 态、 对原有建筑物损伤 小等特点 ， 在混凝土结构声发射检测 中具有较好的适 用性 。 关键词 ： 声发射 ；声学参数 ；断芯试 验 ； 再 生混凝 土 中图法分类号 ： T V 4 3 1 文献标 志码 ： A D 0I ： 1 0 1 6 2 3 2 j c n k i 1 0 0 1 4 1 7 9 2 0 1 5 0 1 0 2 2 所谓 声发 射 ( A c o u s t i c E mi s s i o n ， 简 称 A E) 是 指材 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 。通 常 ， 声 发 射 技 术 就 是 利用 电子 计算 机技 术 以及信 号处 理等 方法将 声 发射 现 象转 化成 为易识 别 的 电子 信号 ， 以 此分 析 被 检 测 材 料 结构 内部 的损 伤状 态 ， 判 断 声 发 射 源 的位 置 以及 解 释材料结构 内部 的缺 陷变化 等等。 自2 O世纪 5 0 、 6 0 年代以来 ， 人们就开始对混凝土材料在变形过程 中的 声 发射 现象 开展 研究 ， 目的是 通 过 声 发 射检 测 技 术 来识别并评价混凝土材料的变形损伤。在混凝土结构 探伤领域 ， 目前只有少量成熟 的无损检测方法可用于 结 构 内部破 坏评 估 。声 发射检 测技 术研 究将 有助 于判 别混凝土构件的损伤缺陷， 可为工程结构提供一种有 效 的无损 伤检 测手 段 。 目前 ， 混 凝土声 发 射 技 术 试 验研 究 并 未 形 成 统 一 的标 准 ， 研 究 人员 对声 学 特 性 参 数 的选 取 具 有 一 定 的 差 异 性 ， 导致 试 验 结 果 缺 少 一 定 的 可 比性 和 适 用 性 。 同时不同的检测试件也具有一定 的差异性 ， 若仅靠个 人经 验来 设置 声学 特 性 参 数 ， 势 必 不 能满 足 试 验 和 工 程实践的要求 。因此 ， 只有准确地设 置声发射试验 的 相关参数 ， 才能保证检测 时采集到有效可靠 的试验数 据 。其 中 ， 需 要设 置 的 主要 参 数 有 ： 前 置 放 大 器 增 益 、 检测 门槛 值 、 时 间参数 、 波速 等 。本 文 将对再 生 混凝 土 的相关声 学 特性参 数进 行研 究分 析 。 1 试验 概况 1 1 试 件参数 试 验 设 计 了 两 组 立 方 体 混 凝 土 试 块 ， 尺 寸 均 为 1 0 0 mm1 0 0 m m 1 0 0 m m， 第 1组 为 C 3 0普 通 混 凝 土试 块 ， 编号 11 、 1 2 、 13 ； 第 2组 为 C 3 0再生 混 凝土试块 ， 采用废弃 昆 凝 土取代 5 0 粗骨料制作 ， 设 计配合比、 骨料粒径等参数均与第 l 组相 同， 编号 2 1 、 2 2 、 23 。两 组 试 块 成 形后 2 4 h拆 模 ， 按标 准条 件 养护 2 8 d后进 行试 验加 载 。 1 2试验加载装置 和测试 系统 试 验仪 器采 用 S T Y E一2 0 0型压 力 试 验 机 和 美 国 物 理声 学公 司 生 产 的 S A MO S型 发 射 仪 检 测 系统 ， 通 过 预加 载 和 断 芯 试 验 确 定 声 发 射 试 验 的声 学 特 性 参 数 。该声发射系统最多可支持 8个数据采集通道 ， 主 要使用 R 6一a l p h a探头、 2 4 6型等前置放大器 。仪器 与配套 的 A E Wi n软件联合使用 ， 可以开展 Wi n d o w s 环 境下声发射源定位、 声发射信号采集 、 获取事件波形信 息 以及对采集的数据进行统计分析等多项工作 。同时 收 稿 日期 ： 2 0 1 40 60 5 作者简 介 ： 聂 瑞 ， 男， 讲 师 ， 主要从事建筑 工程 的教 学及相 关研 究工作 。Em a i l ： 8 7 2 9 6 4 7 0 5 q q c o n l 第 1期 聂 瑞： 再 生混凝 土材料声学特性参数分析 8 7 A E Wi n软件 还提供 了功能强大的行显示功能， 可以直 接 读取 声 发射 脉 冲信 号 的波 形 参 数 ， 为混 凝 土 材 料 声 发射检测参数的确定提供了有力的技术支持。 2前置放大器 增益设置 前 置 放大 器 的作用 是将 声 音信 号 放大 至功 率放 大 器所能接受 的范围。声发射仪前置放大器增益值选择 不当 ， 直接影响实验结果的准确性 。凯塞效 应( K a i s e r E f f e c t ) 是指物体在加载 、 卸载后 的再次加载时， 荷载在 未超 过 前 次加 载 的最 大 荷 载 时 ， 声 发 射 很 少 发 生 的现 象 。若 前 置增 益 设 置 过 大 ， 则 声 发 射 信 号 过 大 ， 使 得 K a i s e r 效应 出现时声发射信号可能溢出 ， 导致试验 难 以真 正 判断 K a i s e r 效应 现 象 ； 若 前置 增 益设 置过 小 ， 可 能导 致 K a i s e r 效 应 不 出现 或 后 延 ， 从 而 造 成 很 大 的 试验 误 差 。 因此 ， 为采 集高 信 噪 比的声 发射 信号 ， 根 据 P A C用户 使 用手 册 的 建议 和试 验 比较 分 析 ， 本 试 验 中选择 前 置增 益值 为 4 0 d B。 3 声发 射门槛值设 置 门槛值 是 控制 声 发射 检测 通道 灵 敏度 的主 要参 数 之一。门槛值设置越低 ， 检测灵敏度越高 ， 所测得的信 号 越多 ， 同时 噪声 干 扰 也 越 大 ； 门槛 值 设 置 越 高 ， 检 测 灵 敏度 越 低 ， 采 集 到 的声发 射 信息 量就 越少 ， 且 有 可能 隔 离一 些 低 幅度 的信 号 ， 给检 测结 果带 来较 大 的误 差 。 因此 ， 为避免外界环境的噪声干扰 ， 需要设置一个阈值 电压信号 ， 即门槛值 ， 以保证试验结果的准确性 。 首先在立方体试块上布置 4个 R 6一a l p h a 传感器 如 图 1所 示 ， 然 后 启 动 声 发 射 检 测 系 统 。在 实 验 检 测 开 始 时 ， 门槛值 取 为 1 5 d B， 通 过 撞 击 一时 间关 联 图可 以发 现 ， 此 时声发 射 仪检 测 到噪声 信 号 ， 有 较 多 的撞击 事件发生 。经过多次逐步提高门槛值到 2 0 ， 2 5 d B和 3 0 d B ， 发现 检测 的 外 界 环境 空 气 噪 声 约 为 3 0 d B 。将 试 块 21预加 载 至开 裂荷 载 计 算 值 的 5 左 右 ， 如 图 2所 示 ， 此时 只 有少 量 的撞 击信 号 产 生 。一 般 情 况 下 ， 门槛值 比背 景 噪 声 高 51 0 d B， 因此 试 验 中确 定 3 5 d B作 为 门槛值 。 图 1 R 6传 感器 布置示意 ( 单位 ： m m) 5 4 3 0 图 2撞 击 一时 间和 幅 值 关 联 示 意 4 声发射时 问参数设 置 4 1 时 间参数定义 所谓声发射时间参数是指撞击信号测试过程中的 控制参数 ， 包括峰值鉴别时间( P D T ) 、 撞击鉴别时问 ( H D T ) 和 撞 击 闭 锁 时 间 ( H L T ) 。P D T是 指 为 确 定 撞 击信号 的上升时间而设置的最 大峰值等待时间间隔， 它的作用是准确判断真正的声发射波形峰值点。H D T 是指为判断撞击信号终点而设置的撞击信号等待时问 间隔 ， 在声发射检测中， 为了精确地识别和描述声发射 信号 ， 通常将 H D T设 置成 P D T的两倍 以上 。H L T是 指为避 免 采集 反射 波或 迟到 波而 设 置 的关闭测 量 电路 时 间间 隔 ， 其 主要 作用 是 消 除 外 界 环 境 噪声 及 回波 的 干扰 。 4 2 时 间参数 的设 置 根据文献研究 ， 给 出了不 同材料 的时间参数 参考值 ， 表明声发射信号在不 同材料 中的传播 表现特 征不 同， 如在岩石 、 混凝土等复合材料 中， 声 发射信号 的衰 减较 金属 材料 快 。 因此 ， 试 验 中在 对再 生混 凝 土 材料 检测 时 ， 时 间参数 取值 宜较 小 ， 并 应 根据试 验 确定 被检 测材 料 的时 问参 数 。混凝 土构 件破 坏过 程 中产生 的声 发 射 信 号是 典 型 的 脉 冲信 号 ， 根 据 美 国 A S T M 规 范 ， 试验 可通 过折 断 自动铅 笔 芯 的方 法模 拟 混凝 土 内部 的声 发射 事件 ， 从 而测 算 出适 用 于 被 检 测材 料 的 声发 射 时间参 数 。试 验如 图 3所 示 ， 将 两 个 探 头 A、 B 固定 在两 组立 方体 试 块上 ， 使 用直 径 为 0 5 mm 的 H B 型石墨铅笔芯， 断芯时笔芯伸长 3 m m， 铅芯在与试块 表 面约 3 0 。 处 折断 。 根据 P A C用 户使用手册 中给 出的时问参数推荐 值 ， 暂取 P D T为 2 0 0 s ， H D T为 8 0 0 U s ， HL T为 1 0 0 0 s 。打开 声发 射 系 统 ， 在 探 头 A 附 近 折 断 笔 芯 ， 每个 试块 重 复 1 0次 ， 采 集 数据 如表 1 和 表 2所示 。 对 比表 1和 表 2可 以发现 ， 对 于普通 混凝 土 材料 ， 上 升时 间参 数 比较 稳 定 ， 平 均值 为 1 2 5 s 。再 生混 凝 土 材料 的上 升 时间则 波 动幅 度较 大 ， 且 上升 时间较 长 ， 平均值为 1 4 2 5 s 。为提高时间参数的准确性 ， 避免 8 8 人 民 长 江 2 0 1 5焦 将 高 速低 幅度 波误作 为 主波 ， 将 表 2中 的平 均值 人 为 放大 ， 最终 取 值 1 5 0 I x s 。根 据 P A C使 用 手 册 的 参 考 值 ， 撞击鉴别时 间可取上升 时间 的 2倍 以上， 取值 为 3 5 0 I x s ； 撞击闭锁时 间可 比撞击 时间稍长些 ， 取值 为 5 00 I x s 。 图 3断 芯 试 验 示 意 ( 尺 寸 单 位 ： mm) 表 1 普通混凝土撞击信号确定的上升时 间参数 s 试验编号11 1 2 1 3 试验 编号11 1 2 13 1 l 2 1 l 2 9 1 2 8 7 1l 9 1 3 5 1 2 5 2 1 4 2 1 3 4 1 2 0 8 1 2 6 l 2 7 l 2 8 3 1 2 6 1 1 9 1 1 3 9 1 3 3 l 3 1 1 3 8 4 1 1 6 1 2 4 1 l 6 l O l 2 6 1 1 8 1 2 2 5 l 2 3 l 3 l 1 2 0 平均值 1 2 5 9 1 2 7 1 2 2 6 l 2 7 l 2 2 1 l O 表 2 再 生混凝土撞击信号确定 的上升时间参数 s 试验编号21 22 23 试验编号21 2 2 23 l l 4 7 l 5 O 1 3 4 7 l 5 7 l 6 0 l 2 9 2 1 5 8 1 4 3 1 4 0 8 1 5 3 1 4 0 1 2 7 3 1 4 4 1 3 7 1 3 8 9 1 4 5 1 3 9 1 3 5 4 1 4 6 l 3 8 l 2 8 1 0 1 4 2 1 4 6 1 3 5 5 l 5 8 l 3 9 l 4 3 平均值 1 4 9 9 1 4 4 1 1 3 3 6 6 1 4 9 l 4 9 l 2 7 5 声发射波速 的确定 5 1 波 速 测 试 在声 发射 源 定位 计 算 中 ， 传 播 波 速 13 和 声 发 射 到 达两 个 传感 器 的时 差 是 两 个最 基 本 的参 数 。 由于 声发 射 在不 同材 料 中传 播 速 度 不 一样 ， 对 再 生 混 凝 土 材料 或 结构 缺 陷进行 定 位 检 测 时 ， 需 要 预先 测 定 声 发 射 信号 在材 料或 结构 中的传播 速度 。通 常采 用模 拟断 芯试验来确定信号波速。如图 3所示布置传感器 ， 在 立方体试块探头 A传感 器处断芯 1 0次 ， 每次断芯都 形成 一 个事 件 ， A、 B两 端 的传感 器 就 会 各 自收 到 1个 撞击事件。根据传感器的距离 d和信号到达传感器的 时间差 A t=t 一t ， 可以计算声发射信号在试块 内传 播 的波 速 ， 试验 测定 的波 速结 果如 表 3和表 4所示 。 表 3普 通 混 凝 土 组 波 速 试验编号11 1 2 1 3 试验编号11 12 13 l 5 0 0 0 5 0 6 3 4 8 0 0 7 5 1 2 6 5 l 63 5 1 2 O 2 5 0 0 0 5 0 7 6 4 9 7 8 8 5 0 7 0 4 9 0 0 4 9 5 0 3 5 0 5 0 5 0 0 0 5 0 0 0 9 51 0 0 4 8 7 3 5 0 0 0 4 5 0 0 0 4 9 6 3 5 0 0 0 1 0 51 6 O 5 1 2 8 5 0 3 0 5 5 0 2 5 4 8 9 6 4 8 3 0 平均值5 0 5 5 9 5 0 0 6 2 4 9 6 3 6 5 0 2 8 5 0 0 0 4 9 2 6 表 4再 生混 凝 土 组 波 速 m s 试验 编号21 22 23 试验编号21 2 2 23 1 5 0 0 0 5 0 0 0 4 40 5 7 5 5 8 O 4 9 5 6 4 3 8 6 2 5 2 3 0 5 0 0 0 4 5 6 7 8 5 2 5 6 4 9 2 6 4 2 3 7 3 5 4 2 6 4 8 7 8 4 3 4 8 9 5 2 6 0 5 0 0 0 4 3 4 8 4 5 8 5 0 4 8 2 6 4 6 1 9 1 0 6 0 5 0 4 9 2 6 4 7 6 2 5 5 1 4 0 4 9 2 6 4 8 6 0 平均值5 4 1 8 4 4 9 5 9 7 4 4 6 5 6 6 0 2 4 51 2 5 4 4 1 5 对 比表 3和表 4发现 ， 普通混凝土试块组 的波速 比较稳 定 ， 平 均值 为 5 0 0 8 5 m s 。再 生混 凝 土材料 组 波 速 的波 动 幅 度较 大 ， 平 均 值 为 4 9 4 7 7 m s 。 因此 ， 对 再 生混凝 土材 料进 行 声 发 射 检测 时 ， 可暂 取 波 速 为 5 00 0 ms 。 5 2 波速修正 如 图 4所示 ， 在试 验 中不 可 能 在探 头 A处 折 断笔 芯 ， 假 设 断芯 位 置 位 于 图 示 c处 ， 声 发 射 信 号 将 同 时 向探 头 A和 B传 播 ， 那 么撞 击 事 件 的 实 际 时差 是 图 4中信 号传播 O B距离 的 时间 ， 而不是 传播 A B距 离 的 时 间。据简 单 的三角 形原 理 ， 取 A C =OC， 则 A B上 必然 存在 一点 D使 l DBo q I = O B 。因此 ， 试 验 中 在 C位 置模 拟 的断芯 试 验 ， 可 等效 为 声 发射 源 定 位 在 D处 的声发 射 检 测 。 由此 可见 ， 通 过 断 芯 试 验 测 算 的 声 速大 于再 生混凝 土 材 料 的 实 际波 速 ， 应 当采 用 适 当 的系数进行修正。可取断芯位置 C与探头 A间距 A C 为 1 0 m m， 探 头 间距 A B为 1 0 0 m m， 声 速修 正 系 数 为 = ( , a s +A C 一 A C ) l A B=0 9。因此， 最终波速 取 值 为 4 5 0 0 m s 。 探头A D 一 ：0 塑 图 4断芯试验简化 示意 6 再生混凝土破坏过程的声学特性 在 再 生混 凝 土试 块 的受 压 破坏 过 程 中 ， 发 现 检 测 第 1期 聂 瑞 ： 再 生混凝土材料声 学特性 参数分析 8 9 结 果 中各个 试 件 的声 发 射 事 件 、 撞 击 一时 间关 系 曲线 十分相似 ， 图 5是试块 23的声发射关联 曲线 。 图 5声发射事件 、 撞击 ( 数 ) 、 时间关联图 在加载初期 ， 混凝土试块 内部颗粒之问摩擦 滑移 和碰撞产生声 发射事件 ， 事件相 互之 间离 散性较大 。 随着 加 载持 续 ， 试 件 曲线 处 于相 对稳 定 的状 态 ， 在 一 段 时段 内只有 少数 事 件 发 生 。 当加 载 到 至 临界 值 时 ， 事 件 数 急剧 增 长 ， 说 明试 块 内部开 始 出现裂 缝 ， 随 即扩 展 至试 块表 面 开 裂 破 坏 。 由 于 K a i s e r 效 应 ， 试 块 破 坏 之 后很少产生新的声发射 现象 ， 最终声发射事件和撞 击 累计 曲线也趋于缓慢增长 了。试 验结 果表明 ， 声发射 事件累计曲线能够较好地反映再生混凝土受压破坏 的 全 过程 。 7结 论 (1 ) 前 置增 大器增 益设 为4 0 d B时 ， 可获得 良好 的信噪比； 通过合理设置声发射仪的检测参数 ， 可以准 确地采集到再生混凝土材料中的典型声发射信号。 ( 2 )采 用 断芯试 验 可测 定声 发射 时 间参数 和声 音 信号在再生混凝土材料 中的传播波速 ， 保证声发射检 测 采集 数据 的精 确度 ， 提高声 发 射检 测 的合理 性 。 ( 3 )对再 生 混 凝 土 试 块 受 压 破 坏 的监 测 结 果 表 明， 声发射特性 曲线可较好地吻合试块破坏的全过程 ， 为 再生 混凝 土 材料声 学 特性 的进 一步 研究 提供 了基 础 性 试验 依据 。 参 考 文献 ： 1 刘红光 ， 骆英 ， 赵 国旗 ， 等 基 于 HH T的混凝 土损伤 AE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 71 9 1 2 纪洪广 ， 装广文 ， 单晓云 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 3 P C I 一8 B a s e d A E s y s t e m u s e r s ma n u a l ， R E V 0 M P h y s i c a l A c o u s t i c s Co r p o r a t i o n， 2 0 0 2 4 国防科技 工业无损检 测人 员资格鉴 定与认证 培训教材 编审委 员 会 声发射检测 M 北京 ： 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 5 5 陈兵 姚武 ， 吴如科 声发射技术在混凝土研究 中的应用 J 无损 检测 ， 2 0 0 0 ， 2 2 ( 9) ： 3 8 7 3 9 0 6 黄承德 ， 刘茂军 混凝土材料声发射技术研究 J 广西大学学报 ， 2 0 0 8， 3 3 ( 3 ) ： 2 2 0 2 2 4 7 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 51 6 8 8 A S T M E 9 7 69 9， S t a n d a r d G u i d e f o r D e t e r mi n i n g t h e R p r 0 d u c i b i l i t y o f Ac o u s t i c E m i s s i o n S e n s o r Re s p o n s e S ( 编 辑 ： 郑 毅 ) Ana l ys i s o f a c o u s t i c c ha r a c t e r i s t i c s p a r a me t e r s f o r r e c y c l e d c o nc r e t e D m 。 一 一 一 一 一 一 一 一一一一一一 一 M 一一一一一一 一一一一一一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一