高温后地质聚合物混凝土声谱特性的小波包分析.pdf

第 1 7卷 第 2期 2 O 1 4年 4月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI LDI NG MATE RI ALS Vo 1 1 7， No 2 AD r ， 2 O1 4 文章 编 号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 2 8 4 0 7 吉 日 同皿 后地质聚合物混凝土声 谱特性 的小波包分析 任 韦波 ， 许金 余 ， 张泽扬 ， 刘远飞 ( 1 空军工 程大学 机 场建 筑工程 系 ， 陕西 西安 7 1 0 0 3 8 ； 2 湖 南大 学 土木工 程学 院 ， 湖 南 长沙 4 1 0 0 8 2 ) 摘 要 ： 制 备 了矿 渣粉煤 灰基 地质聚 合物 混凝 土 ( S F GC ) ， 通 过 抗压 强度 试验及 超 声波检 测 ， 研 究 了 不 同温度 、 不 同冷却 方 式下 S F G C强度 及 波速 的 变化 规 律 ， 并 运 用 小波 包变换 方 法 对所 得 声波 测 试信 号进行 分析 结果表 明 ： 利 用 小波 包分析技 术 可 以准确 、 清 晰地 反 映 出不 同工 况 下 S F GC 声谱 特 征 的变化规 律 ； 随着 温度 的升 高 以及 试 件 损 伤 的 演化 发展 ， 其 强度 、 波速 不 断 减 小 ， 各 子 频 带 内 的功 率谱及 能量 显著 改变 ， 频谱 及 能量谱 中心 向低 频端 移 动 ； 喷 水冷 却后 S F G C 的 力学 、 声 学特性 较 自然冷却 情 况变化 更为 明显 ； 基 于小 波 包 变换 的 声谱 特征 参 数 对 高温损 伤 的敏 感性 较 好 ， 可 用 以判 别 S F GC的工 况类型及 损伤 程度 关 键词 ： 地 质聚 合物 混凝土 ；高温 ；超 声波检测 ；小波 包分析 中图分 类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 O 0 7 9 6 2 9 2 0 1 4 0 2 0 1 9 W a v e l e t Pa c k e t An a l y s i s o n Ac o u s t i c S p e c t r a l Ch a r a c t e r i s t i c s o f Ge o p o l y m e r i c Co nc r e t e a f t e r El e v a t e d Te mpe r a t u r e REN We i b o ， XUJ i n y u ， ZHANG Ze y a n g。 ， LI U Y u a n fe i (1 De pa r t me nt o f Ai r f i e l d a n d Bui l d i ng En gi ne er i ng，Ai r Fo r c e En gi ne e r i ng Uni v e r s i t y，Xi a n 71 0 038，Chi na ； 2 Co l l e ge o f Ci v i l En gi n ee r i n g，Hu na n Uni ve r s i t y，Cha n gs ha 41 0 08 2，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：S l a g f l y a s h b a s e d g e o p o l y me r i c c o n c r e t e ( S FOC)wa s p r e p a r e d Co mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d l o n g i t ud i n a l wa ve v e l o c i t y of S FGC u nd e r v a r i o us t e mpe r a t u r e s a n d d i f f e r e nt c o ol i ng me t ho ds we r e i nv e s t i g a t e d t h r o u gh c omp r e s s i v e s t r e ng t h a nd u l t r a s on i c t e s t The a c ou s t i c s i gn a l s we r e a n a l y z e d b y us i n g wa ve l e t pa c k e t t r a n s f or ma t i o n( W PT) The r e s ul t s i nd i c a t e t ha t a c o us t i c s p e c t r a l c ha r a c t e r i s t i c s o bt a i ne d by wa v e i e t pa c ke t a n a l ys i s i s m o r e a c c ur a t e a n d s e ns i t i v e u nd e r d i f f e r e nt wo r k i ng c o n di t i o ns W i t h t he r a i s e o f t e m pe r a t ur e a nd pr o gr e s s o f d a ma g e，c o mp r e s s i v e s t r e n gt h a n d l o ng i t u di na l wa ve v e l o c i t y de c r e a s e c o ns t a n t l y， po we r s pe c t r u m a nd s i g n a l e ne r g y i n e a c h s u b b a n d c ha ng e s i g ni f i c a nt l y，a n d t he f r e q ue nc y s p e c t r um a n d e ne r g y s p e c t r um c e n t e r s h i f t t o t h e l o we r f r e q ue nc y s i de The me c ha ni c a l a nd a c ou s t i c c ha r a c t e r i s t i c s o f SFGC c oo l e d by s pr a y i n g wa t e r c ha n ge gr e a t l y c o mpa r e d wi t h t ha t c o o l e d n a t u r a l l y The W PT b a s e d s p e c t r o g r a m p ar a m e t e r s a r e s e n s i t i v e t o t h e t h e r ma l d a m a ge S O t h a t t h e y c a n be us e d t o d i s t i ngu i s h t he wo r ki ng c o nd i t i o n a nd da m a ge d e g r e e o f S FGC Ke y wo r d s ：g e o p o l y me r i c c o n c r e t e ( GC) ；e l e v a t e d t e mp e r a t u r e ；u l t r a s o n i c t e s t i n g；wa v e l e t p a c k e t a n a l y s i s 地质聚合物混凝土 ( GC ) 是一种新 型无机聚合 物胶凝体复合材料 ， 在强度、 耐久性 、 环保性等方面 均优 于普通 硅酸 盐水 泥混凝 土 近年来 ， 随着 GC 应用 领域 的不 断拓 展 ， 其 高 温性 能 受 到 人们 的 日益 关 注 ， 国内外学 者 已就 高 温 下及 高 温 后 GC的 物 质 组成 、 质 量 损失 、 抗 压 强 度等 物 理 、 力学 特性 展 开 了 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 1 0 2 9 ；修订 日期 ： 2 0 1 2 1 2 2 8 基金项 目： 国家 自然科学基金 资助项 目( 5 1 0 7 8 3 5 0 ， 5 1 2 0 8 5 0 7 ) 第一作者 ： 任韦波( 1 9 8 8 一 ) ， 男 ， 甘肃兰州人 ， 空军工程大学博士生 主要从 事防护工程研究 E ma i l ： r e n we i b o f h g c 1 6 3 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 任 韦波 ， 等 ： 高温后 地质聚合物混凝土声谱特性 的小波包分析 2 8 5 相 关研 究 3 实 际上温 度对 G C 的声 学特 性 也 有 影 响l_ g ， 工程中由于使用环境要求或火灾 、 爆炸等突发 原 因 ， 常 需对 高温 后 GC进 行超 声 波 检测 ， 以通 过各 类声学参数的变化来评估其结构的损伤程度 ， 确保 使用安全 ， 所 以针对 GC高温声学特性 的研究很有 必要 但是混凝 土材 质的非均匀性 以及超声测试信 号 的非平 稳 性使 得 常 规 的 时频 域 分 析 方 法 ( 如 波 速 分析 、 傅 里 叶变换 等 ) 无 法 凸显 出信 号 中偏 移 、 趋 势 、 突 变等 与 G C 内部 组 织 结 构 变 化 密 切 相 关 的成 分 ， 致使其在分析结果 的准确性 、 声波信息的利用率 、 对 高温 损伤 的敏 感 程 度 等 方 面存 在 不 足 ， 很 有 可 能 掩 盖高温后 Gc的真实声学特性 小波包变换作为一 种先进 的信 号时频 分析方 法 ， 具有 良好的信号局部表征能力 1 o - l t 它将信号分 解为不同频带上 的小波分量， 从而使 由微小缺 陷引 起 的信 号 异常 通过 各子 频带 的细则情 况得 以充 分 反 氢氧 化钠 为激 发 剂 ， 制 备 了矿 渣 粉 煤 灰 基地 质 聚合 物混凝 土( S F G C ) ， 通 过抗 压强 度试 验和超 声波 检测 ， 引入小波包 变换 理论 ， 对 不 同加 热温 度 、 不 同冷却 方 式下 S F G C的强度、 波速以及声波测试信号进行 了分 析研究 ， 以期更 加 准确 、 清 晰 地 揭示 出高 温 后 S F G C 声谱特征的变化规律及其与损伤演化之间的关系 1 试 验 1 1原材 料与试 件 基 体材 料 ： 韩 城 龙 门钢铁 有 限公 司 生 产 的水 淬 高 炉矿 渣 ( 比表面 积 4 9 1 6 1T I 。 k g ， 2 8 d活 性 指 数 9 5 ) ； 韩城第二发电厂生产的一级粉煤灰 ； 泾阳县 石 灰岩 碎石 ( 粒径 范 围 5 2 O mm) ； 灞 河 中砂 ( 细度 模 数 2 8 ) ； 氢 氧化钠 片状 固体 ( 分 析 纯 ， 质 量 分 数 9 9 0 ) ； 碳 酸钠 粉 状 固体 ( 分 析 纯 ， 质 量 分 数 9 9 8 ) ； 自来 水 矿渣 与粉 煤 灰 的化 学 组成 见 表 1 映 本 文 以水 淬高 炉矿 渣和 粉煤 灰为 原料 ， 碳 酸钠 和 表 2 列 出 了强度 等级 为 C 3 O的 S F G C配合 比 表 1 矿渣 、 粉煤灰的化学组成 T a b l e 1 C h e mi c a l c o mp o s i t i o n ( b y ma s s )o f s l a g a n d f l y a s h 表 2 S F GC配合比 T a b l e 2 Mi x p r o p o r t i o n s o f S F G C k g m。 将地 质 聚合 物 混 凝 土 原料 混 合 ， 搅拌 均 匀 后 装 入圆柱体试模成型， 室温暴露 2 4 h后拆模 ， 立 即进 行标 准养 护 ( 一( 2 0 -2_2 )o C， 相 对 湿度 RH 9 5 Y 00 ) ， 2 8 d后取 出 ， 进行 切 割 、 水 磨加 工 ( 控 制 其端 面平 行 度及 表 面平 面度 ) ， 得 到几 何 尺 寸为 9 5 5 0 mm 的 试验 用 圆柱形 试件 1 2试 验设 备 与方 法 高温 加热 设 备 采 用 R X3 - 2 0 1 2型 箱 式 电阻 炉 ， 设 计 最高 温度 为 1 2 0 0 ； 采用 HYY 型 电液伺 服材 料试 验 系 统 进 行 抗 压 强 度 试 验 ， 加 载 速 率 控 制 在 0 5 MP a s ； 超声 波 检 测 仪采 用 R S M- S Y5 N 智 能 型 声波仪 ， 换能器激振主频 5 0 k Hz 试验 共 设 4个 加 热温 度 等级 ( 2 0 0 ， 4 0 0 ， 6 0 0 ， 8 0 0) ， 冷却方式分 自然冷却 ( 静置 1 d ) 和喷水冷 却( 喷淋 2 0 rai n ) 试验开始时， 先对各试件进行超声 波检测( 采样频率 5 0 0 0 k Hz ) ， 测试时将探头分别置 于试 件两 端 的 中心 轴 上 进 行 对测 ， 探 头 与试 件 表 面 采用黄油耦 合 ； 之后 ， 将试 件放入 电 阻加热箱 ， 按 1 0 mi n的速 率 加 热 至 指 定 温 度 ， 并 在 箱 内恒 温 2 h ， 以确保其 内部受热均匀 ； 加热完毕后 ， 立 即将试 件 取 出并按 规定 的冷却 方 式进行 冷却 ， 1 d后再 次进 行 超声 波检 测和 抗压 强度试 验 2小波( 包 ) 变换基本原理 1 2 1 小 波 变换 设 ( ) 为平方可积实数空问 L 。 ( R) 上 的任意 函数 ， 若其傅里叶变换 ( 叫 ) 满足允许条件 ： I I l I ， ( ) I 。 d O ,r R 式中： a为伸缩因子 ， r为平移因子 ， 它们都是连续变 化 的量 若 将 一能量 有 限 的信 号 -厂 ( ) 在 这 些 小 波 基 函 数下进 行 投 影 分 解 ， 即 可 得 到 f( t )的 连 续 小 波 变换 ： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 8 6 建筑材料学报 第 1 7 卷 w r ( ， r ) = = 圭 I 厂 ( ) f d t ( 3 ) n J “ 式 中 ： ( ) 为 x I r ( t ) 的共轭 函数 ， W ， ( n ， r ) 为 小波 变 换 系数 实际应用中， 为便于计算机处理， 常对伸缩因子 a和平 移 因子 r按 a 一2 ， r k 2 进行 离 散 化处 理 ， 得 到 厂 ( ) 的二进 离散 小波 变换 ： 一r +。 。 W ( ， 七 )一 2 - 蚩 厂 ( ) ( 2 t 一尼 ) d t ( 4 ) J一。 。 由式 ( 4 ) 可知 ， 小 波基 函数 随 a和 r的变化 对 应 着 不 同的时 段 和频 段 ， 当 尺度 较 小 时 ( 对 应 m 值 较 小) ， 相应的时间分辨率减小 ， 频率分辨率增大 ， 得到 信 号 的近似 ( 低频 ) 部分 ， 反 之 ， 时 间分 辨 率 增 大 ， 频 率分辨率减小 ， 得到信号的细节 ( 高频) 部分 因此 ， 通过对信号作小波变换 ， 就可在时域或频域上聚焦 到信号 的任 意细 节 ， 实 现 信 号在 不 同 频段 下 的多 尺 度 分析 2 2小波 包变换 小波变 换对 信 号频 带 是 按 指数 等 间隔 划 分 的 ， 且 每层 分解 都 只针 对 上层 分 解 后 的低 频 部 分 ， 这 就 导致 小波分解 的结 果 在 高频 段 频 率分 辨率 较 低 ， 在 低频 段时 间分辨 率较低 小 波包变 换 的基 本 思想 是 ： 对小 波变 换 没 有 分 解 的高 频 部 分 也 同样 分 解 为 高 频、 低频两部分 ， 以此类推 实现信号的多层次划分 对一 个给定 信 号进 行 层 小波 包 分解 ， 即相 当 于让 信号通过一系列 中心频率不同但带宽相同的低频滤 波器和高频滤波器， 使信号无冗余、 无疏漏 、 正交地 分解 到 2 个 独 立 子 频带 内 因此 ， 小 波包 变 换 较 小 波变 换 更 为精 细 、 灵 活 ， 时频 分 辨 能力 更 强 ， 利用 小 波包 变换 ， 可 以对 原始 信 号 的不 同频 率 成 分及 其 特 点进 行更 加全 面 、 细致 的分 析 3 试验结果与分析 3 1 强度及 波速变 化规律 高 温后 S F GC的抗 压强度 及纵 波波 速是 表征其 高 温损 伤特性 、 判 断其 内部 结构 变化 的重要 指标 图 1 ， 2 分 别给 出 了不 同冷 却方 式 下 S F GC的相 对抗 压 强度 f c ( 为残余抗压强度， _厂 为常温时抗压 强度 ) 及 纵 波 波速 随 温 度 的变 化 曲线 从 图 1 ， 2 可 以看 出 ： 随着 加热 温度 的上升 ， 试件 的相对 抗 压强 度及纵波波速总体上呈下降趋势 ， 且喷水冷却试件的 降低幅度普遍大于 自然冷却试件的降低幅度 对于 自 然冷 却试件 ， 其相 对抗 压 强度 在 2 0 0 6 0 0 时变 化 较缓慢 ， 在 6 0 0之后 急剧下 降， 至 8 0 0 时仅为 0 3 3 ； 而纵波 波 速在 2 0 0时 急 剧下 降 至 2 6 5 6 m s ( 降幅达 3 7 ) ， 此 后 降 幅 减 小 ， 至 8 0 0 时纵 波 波 速降至 1 0 0 0 m s以下 喷水冷却试件 同 自然冷却 试件相比， 其相对抗压强度及纵波波速 的变化规律 相似 ， 但在 6 0 0时其相对抗压强度及纵波波速均 出现反弹， 分别超过 了相同温度下 自然冷却试件的 相对抗 压强 度及纵 波波 速 Te m p e r a t u r e 。 C 图 1 相对抗压强度 随温度 的变化 曲线 Fi g 1 Re l a t i ve c o mpr e s s i ve s t r e ng t h v a r y i ng 、 wi t h t e m pe r a t ur e Te mp e r a tur e 。 C 图 2 纵波波速随温度 的变化曲线 Fi g 2 Lo ng i t u di na l wa v e v e l o c i t y v a r yi ng wi t h t e mpe r a t u r e 3 2声波 测试 信号 的小波 包分 析 依据小 波 ( 包) 变 换基 本 原 理 ， 综 合 考虑 小 波 基 函数 的正则性 、 紧支性 、 消失矩 以及信号 重构 能力 ， 选 取 S y ml e t s 小波 系 的 s y m8小 波基 作 为基 函数 ， 对各 声波测试信 号进行深度为 8层 的小 波包分解 ， 共得 到 2 一2 5 6 个 子频带 ， 每个 子频 带 宽度 为 9 7 6 5 6 k Hz 另外 ， 根据文献 1 3 可知， 小波包分解后各频带次序 存在错位现象 ， 因此对各频带按频率递增的顺序重 新 进 行排序 ， 重新 排序 后 前 8个 子频 带 对应 的频 率 范 围见表 3 3 2 1 频 谱特 征变 化分析 经历 不 同 温 度 及 不 同 冷 却 方 式 的 作 用 后 ， S F GC的整体性 、 密实性遭到破坏 ， 内部会产生大量 孔隙、 微裂缝等缺陷， 当声波穿过试件遇到这些缺陷 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 任韦波 ， 等 ： 高温后地 质聚合物混凝 土声谱特性的小波包分析 2 8 7 时 ， 由于 声 阻抗 减 小 以及 界 面 处 的反射 、 散射 、 吸 收 作用 ， 导致声 波 信 号 中各 频 率 成 分 出 现 改 变口 ， 高 频分 量较 低频 分 量对 各种 缺 陷更加 敏感 通 常 ， 试件 损伤 程 度越 小 ， 频 谱 中的 高 频成 分 就 越 丰 富 ； 反 之 ， 试件 损伤 程度 越 大 ， 频 谱 中则 主要 为低频 成 分 ， 高频 分量 因快 速衰 减 而缺失 因此 ， 通 过 考察声 波 测试 信 号在 各子 频带 内 的频 谱 变 化 特 征 ， 可 以 间 接地 反 映 出不 同工 况下 S F GC的损伤情 况 Yu l e wa l k e r AR法是 一种 谱分 辨率 高 、 方差 性 能好 的参 数化 谱 估 计 方法 利 用 该法 对 重 构 后 的各 频带信号分量进行功率谱估计 ， 不难发现 ： 从频带 7 开始 ， 其后 各 频 带 的功 率谱 密度 ( p o we r s p e c t r a l d e n s i t y ， P S D ) 均 远小 于前 6个 频 带 ， 其 所处 频 率 范 围也 高于换 能 器 的 激振 频 率 ， 因此 可 以推 断 这 部 分 小 波分 量 实为 声 波信 号 的 高频 噪 声 ， 这 可 能 是 由于 测 试环 境 的干扰 所致 ； 此 外 ， 每种 工况 下 的声波 测试 信号 均 存 在 一 个 优 势 频 带 ( d o mi n a n t f r e q u e n c y b a n d ， DF B ) ， 即 P S D值最 大 时 对 应 的 频 带 ， 该 频 带 反 映 了信 号 频 率 成 分 的 主 要 集 中 范 围 ， 其 位 置 、 谱 l 2 0 6 山 0 2 0 4 0 6 0 8 0 l 0 0 Fr e q ue n c y k Hz ( a ) No r ma l t e mp e r a t u r e 1 2 口0 6 O 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 O F r e q ue n c y k Hz ( d ) 4 0 0。 C ， n a t u r a l c o o l i n g 0 2 O 4 0 6 O 8 O l O 0 F r e q n e nc y k Hz ( g ) 6 0 0。 C ， s p r a y c o o l i n g 4 口 2 山 峰 、 谱 线形 态 等特 征 同试 件 内部 损 伤 具 有较 好 的相 关性 图 3 绘 制 出 了各 工 况 下 声 波 测 试 信 号 DF B的 功率 谱 总体 上 ， D F B 随温 度 的升 高 和 试 件 损 伤 程 度 的增 大而 不 断 向低 频端 移 动 结 合表 3 ， 图 3可 以 看 出 ： 常温 时 ， 信 号 的 DF B位 于频 带 5 ， 且谱 线 峰 值 集 中 ， 形 态 规 则 ； 2 0 0 时 ， 虽 然 D F B所 在 频 带 未 变 ， 但 其 P S D 值 出现 下 降 ， 谱 线 亦 成 多 峰 、 不 规 则 状 ， 当采 用喷 水 冷 却 后 ， 这 种 变 化 更 为 突 出 ； 4 0 0 时 ， 自然 冷 却 后 D F B仍 在 频 带 5 ， 但 P S D 峰值 仅 为 常 温 时 的 1 0 ， 喷 水 冷 却 后 DF B 则 降 至 频 带 4 ； 6 0 0时 ， 自然冷 却后 D F B 因接 收波 内的 高频 分 量 大幅减少而突降至频带 2 ， 但 喷水冷却后 D F B却 只 降 至频带 4 ； 8 0 0时 ， 试 件 内部破 损严 重 ， 高 频 响应 急剧 衰 减 ， 致 使 D F B分 别 降 至频 带 2 ( 自然冷 却) 和 频带 1 ( 喷水冷却 ) 由此 可见 ， 经 小波包 分 解 ， 对 信号 频谱在 多个独立 、 变 化表 征 明显 的频 带 内进 行 分析 ， 可 以有效 排 除干 扰 成分 的影 响 ， 更 好 地 描述 高 温 后 S F G C声 波测试信号 的频谱 变化规律 0 2 0 4 0 6 0 8 0 l O 0 F r e q u e nc y k Hz ( b ) 2 0 0口 C ， n a t u r a l c o o l i n g l 4 凸7 山 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 O 0 F r e q u e nc y k Hz ( e ) 4 0 0 D c ， s p r a y c o o l i n g 5 0 0 2 5 O 2 0 40 6 0 8 O 1 O 0 Fr e q u e n c y k Hz ( h ) 8 0 0 D C ， n a t u r a l c o o l in g 4 0 2 O 2 0 4 0 6 O 8 0 1 O 0 F r e q u e nc y k Hz ( c ) 2 0 0。 C ， s p r a y c o o l i n g 6 0 口3 0 0 ( 0 6 0 0 。 C ， n a t u r a l c o o l i n g 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 F r e q u e n c y k Hz ( i ) 8 0 0。 C ， s p r a y c o o l i n g 图 3 不 同工况下声波测试信号优势频带 的功率谱 Fi g 3 Po we r s pe c t r a of t he do m i na n t f r e q ue n c y b a nds und e r di f f e r e nt c on di t i ons 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 8 8 建筑材料学报 第 1 7卷 3 2 2 能谱 特征 变化分 析 将 声波 测试信 号 进 行 小 波包 分 解 以后 ， 每 个 子 频 带 内 的信 号分 量 都 具 有一 定 的 能量 ， 这些 频 带 能 量组 成 的序 列称 为信 号 的小波 包 能 量谱 口 ， 其 中包 含着 丰富 的试件 内部信 息 由 图 3可知 ， 高温造 成 的 试件 损伤会 引起 信 号 的 响应 频 谱 出 现 畸变 ， 进 而 导 致各 频带能 量发 生改 变 ， 因此 ， 试件 在不 同工 况下 的 损伤状态对应着不 同的能量谱分布 ， 根据各频带 内 响应 能量 的 变化 及 分 布 特 征 ， 可 以 实 现 高 温后 S F GC的损伤描 述 与识 别 由 P a r s e v a l 能量 积分 定 理 可 知 ， 同一 信 号 的时 域 能量与频 域 能量是 相等 的 ， 因此 ， 设 信号经 8层 小 波 包分解后 第 k个频 带对应 的 能量为 ， 则 ： N E 一 ： l z 1 ( 5 ) 式 中 ： -z 为重构信 号离散 点 的幅值 ( 是 = = = 1 ， 2 ， ， 2 。 ) ； r 为离散采样点数 则各 频带所 占能量百分 比为 ： P 一iL , k 1 0 0 ( 6 ) E 式中： E为信号总能量 ， 即所有频带能量之和 经计 l 0 O O l 0 O O C a ) No r ma l t e mp e r a t u r e 1 2 3 4 5 6 7 8 F r e q ue n c y b a n d ( d ) 4 0 0。 C ， n a t u r a l c o o l i n g 1 0 0 喜 0 1 0 0 喜 0 算发现 ， 各声 波信 号 前 8个 频 带 的累积 能量 均 已达 总能量 的 9 9 以上 ， 故选其作为小波包能量谱分析 的特征 频带 图 4绘制出了各工况下声波测试信号 的小波包 能量谱 ， 可 以看 出 ： 常温 时 ， 试 件相对 完好 ， 声 波信 号 能量 主要集 中在 频带 5 ， 6 ， 占总能量 的 8 5 以上 ； 随 着温度的升高以及试件的劣化发展， 高频能量损失 不断增 大 ， 能量谱 中心 不断 向低频 端偏移 ； 相 比于 自 然冷 却情况 ， 喷水 冷却试 件各 频带 能量更 为分 散 ， 低 频能 量所 占比重 也 明 显 增 大 对 于 自然 冷却 试 件 ， 2 0 0时 ， 频带 5能量 占 8 1 ； 4 0 0 时 ， 部 分能 量转 至频带 4 ； 8 0 0时 ， 能量 主要 分布 在频 带 1 ( 3 8 ) 和 频 带 2 ( 5 7 ) 对 于喷水 冷却 试 件 ， 2 0 0 o C时 ， 频 带 5 能量 仅 占 6 4 ； 4 0 0 时 ， 能 量 已分散 至频 带 2 ， 3 ， 4 ， 5 ； 当温度 达到 8 0 0时 ， 高 频 能量 基本 衰 减 为 0 ， 能量 主 要 集 中 在 频 带 1 ( 8 4 ) 值 得 注 意 的 是 ， 6 0 0 时 ， 喷水 冷却试 件 能量谱 出现 “ 反 向” 变化 ， 这 种反 常现 象 同样 存 在 于 前述 相 对 抗 压强 度 、 纵 波 波 速 以及 功率 谱 分析 的结果 中 ， 说 明 6 0 0 时 经 喷淋 S F GC的微 观结 构得 到改 善 ， 整体 性能 得到增 强 ( b ) 2 0 0。 C ， n a tu r a l c o o l i n g 1 O 0 誉 0 1 O 0 誉 0 ( C ) 2 0 0。 C， s p r a y c o o l i n g ( e ) 4 0 0。 C， s p r a y c o o l i n g ( f ) 6 0 0。 C ， n a t u r a l c o o l in g 霉 一誉 一喜 一 F r e q ue n c y b a n d ( g ) 6 0 0口 C， s p r a y c o o l i n g F r e q u e n c y ba n d ( h ) 8 0 0 o C ， n a t u r a l c o o l i n g Fr e q u e n c y ba n d ( i ) 8 0 0。 C ， s p r a y c o o l i n g 图 4 不 同工况下声波测试信号 的小波包能量谱 Fi g 4 W a v e l e t p a c k e t e n e r g y s p e c t r a o f a c o u s t i c s i g n a l s u n d e r d i f f e r e n t c o n d i t i o n s 为进一 步量 化描述 各工 况下 S F GC小 波包 能量 谱 的 差 异 ， 便 于 损 伤 特 征 的 判 断 识 别 ， 定 义 欧 氏 距离 ： D 一 1 Il ( 7 ) 式 中： T = = = P ， P ， ， P 。 为声波测试信号 的小波包 能量 谱 向量 ； 下 标 C 表示 常温 ； 下 标 S 表示 其 余 各工 况 表 4列 出了各工 况下 能量谱 向量 的欧 氏距 离 ， 可 以看 出 ， 采用 D作为 表征量 ， 能 够较 好地 衡 量 不 同 工况 下小 波包 能 量谱 的变 化 程度 ， 为损 伤 特 征 的判 别提供依据 在实际工程应用中， 若某一检测信号的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 任 韦波 ， 等 ： 高温 后地质聚合物混凝土声谱特性的小波包分析 2 8 9 D 值与已有某种损伤类型的 D 值最接近， 则可对 检测对象的受火温度 、 损伤程度做 出较为准确 、 快捷 的判 断 4 机理探讨 高 温后 S F GC强度 、 波 速 以及 声 谱 特 性 的改 变 正是 其 内部组 织 结构 、 物质 成分 发 生变化 的表 现 对 于 自然冷却试件 ， 2 0 0时 ， 试件 内部 自由水分受热 蒸 发 形成 较大 的蒸 汽 压 ， 这 部 分 压 力无 法排 出导 致 试 件 胀裂 并 产 生 大 量 缺 陷 ， 致 使 其 强 度 、 波 速 下 降， 声波信号 中的高频 能量有 所减少 ； 4 0 0时， 微 裂 缝 不断 扩展 延 伸 ， 骨 料 与 基 体 的胶 结 面 由 于材 料 热工性能的不 同逐渐变形 开裂 ， 使得高频分量加速 衰 减 ， 信号 频 谱 不 断 向低 频 端 “ 漂 移 ” ； 6 0 0 以 后 ， 骨料膨胀分解 ， 胶结力丧失 ， 各类聚合产物及三维 网 状 结 构也 开 始 断 键 、 解 聚 ， 形 成相 应 的氧 化 物 ， 导 致 试 件 力学 、 声 学 性 能 急 剧退 化 ， 声 能损 失 严 重 ， 信 号 频谱降至 O 2 O k Hz 对于喷水冷却试件 ， 由于喷淋 时 遇水骤 冷 ， 在 试 件 内外 造成 了较 大 的温 度 梯 度 和 热应 力 ， 加 剧 了 微 裂 缝 的萌 生 及 损 伤 的 发 展 ， 使 得 S F GC较 自然冷却 时劣化更 为严重 1 川， 其 强度、 波 速以及接收波的频谱 、 能量谱变化也更为明显 此外 ， 6 0 0 o C时 ， 同 自然 冷 却 试 件 相 比 ， 喷水 冷 却试 件在 相 对抗压 强 度和 纵波 波速 上均 出现不 同程 度 的 回升 初 步 分析 认 为 ， 在 6 0 0 o C高 温作 用 下 ， 试 件 内部硅 铝 酸 盐 聚 合 物 族 束 表 面 和界 面 处 的羟 基 OH会在物理键合水、 化学键合水相继受热挥发后 ， 出现脱羟基化反应 ， 进而缩 聚形成硅氧键将相邻 的 聚合 物族束 联 结 起 来 ， 形 成 新 的 聚集 态 结 构_ 】 而 喷淋 冷却 形成 的温 湿 环 境 ， 一 方 面 提 供 了上 述反 应 所 需 的激 活能 ， 另一 方 面增 强 了水 的传质 作 用 ， 加 速 了 内部 反应 物解 聚 、 定 向迁移 和 再聚 合 的过程 ， 从 而 促 使新 的胶 凝 产物 生成 口 ， 在一 定 程 度 上 减 缓 了孔 隙和裂纹造成的负面影 响 对于该反 应的过程及机 理 还有 待进 一 步研究 5 结 论 ( 1 ) 高温后 S F GC内部萌生大量缺陷， 导致试件 的相对抗压强度、 纵波波速减小 ， 所得声波信号的频 谱特 征 发生改 变 ( 2 ) 经小波包变换后得到的声谱特征变化规律 更加明显 ， 具体表现为： 随着温度的升高及损伤程度 的增大 ， 各子频带 内的声波测试信号功率谱及小波 包能量谱显著改变 ， 高频分量逐渐衰减缺失， 优势频 带及能量谱 中心不断向低频端移动 ( 3 ) 冷 却方 式对 高温后 S F G C的力 学 、 声 学特 性 具有较大影响 相 比于自然冷却 ， 喷水冷却使试件损 伤劣化加剧 ， 强度 、 波速降幅增大， 高频分量损失 ， 功 率谱 、 能量谱偏移更为明显 但在 6 0 0时 ， 喷淋 促 使 新 的胶凝 产 物生 成 ， 从 而 缓 解 了试 件 内部 损 伤对 其 性能 造成 的负 面影 响 ( 4 ) 声波测试信号优势频带的功率谱 与能量谱 向量 间的 欧 氏 距 离 对 S F GC高 温 损 伤 的 敏 感 性 较 好 ， 可作为声谱特征变化 的表征量 ， 用以判断识别被 检测 对象 的工 况类 型及 损伤程 度 参 考文 献 ： 1 许金余 ， 李为 民， 范飞林 ， 等 地质聚合物混凝土 的冲击力学性 能研 究 J 振 动与 冲击 ， 2 0 0 9 ， 2 8 ( 1 ) ： 4 6 4 9 。 XU J i n yu， LI We i mi n， FAN Fe i l i n， e t a