陶瓷纤维混凝土高温损伤的小波包能量谱分析.pdf

2 0 1 3 年 第 6期 f总 第 2 8 4 期 ) Nu mb e r 6 i n 2 O 1 3 ( T o t a l No ．2 8 4 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ~ ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ． 2 0 1 3 ． 0 6 ． 0 0 1 陶瓷纤维混凝土高温损伤的小波包能量谱分析 任韦波 ’ ，许金余 ’ 。朱宗金 ，刘远飞 ’ ，苗华东 。 ( 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 ． 空军第一空防工程处 ，北京 1 0 0 0 8 9 ； 3 ．中国航空港建设第九工程总队，四川 成都 6 1 1 4 3 0 ) 摘要： 制备了陶瓷纤维混凝 土( c e r a mi c fi b e r r e in f o r c e d c o n c r e t e ， C F R C) ， 通过超声波检测及小波包变换 ， 在频域 内对不 同温 度 、 不同冷却方式下 C F R C的声波测试信号进行了分解分析。 结果表明： 声波测试信号的小波包能量谱同试件 内部的损伤演化具 有较好 的相关性 ， 随着温度 的升高以及损伤程度的增大 ， 高频分量所 占能量密度不断减小 ， 能量谱 中心逐渐向低频端移动 ； 同 自 然冷却情况相 比， 喷水冷却对能量谱分布造成的影响更为显著 ； 基于小波包能量谱定义 的损伤特征向量对 C F R C高温损伤的敏 感性较好 ， 可用以判别 C F R C的工况类型及损伤程度。 关键词 ： 陶瓷纤维混凝土；高温；超声波；小波包能量谱 中图分类号： T U 5 2 8 ． 5 7 2 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 6 — 0 0 0 1 — 0 4 Th e r ma l d a ma g e a n a l y s i s o f c e r a mi c f i b e r r e i n f o r c e d c on c r e t e b a s e d o n wa v e l e t p a c k e t e n e r g y s pe c t r u m R E NWe i b o 1 XUJ i n y u ， Z I -1 UZ o n g j i n ， L Y u a n f e i ， MI A OHu a d o n g ( 1 ． D e p a r t me n t o f A i r fi e l da n dB u i l d i n g E n g i n e e ri n g ， A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v er s i t y ， X i ’a l l 7 1 0 0 3 8 ， C h i n a ； 2 ． T h e F i r s t Ai r F o r c e E n gi n e e ri n g Un i t o f Ai r F o r c e ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 9 ， C h i n a ； 3 ． T h e N i n t h E n g i n e e ri n g H e a dG r o u p o f C h i n a A i r p o r t ， C h e n g d u 6 1 1 4 3 0 ， C h i n a ) A b s t r a ct： The c e r am i c f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( C F R C) w a s p r e p a r e d ． The a c o u ~ i c s i g n a l s o f c e r am i c fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e u n d e r di ffe r e n t t e mp e r a t u r e s an d c o ol i n g me t ho d s we r e d e c o mp o s e d a nd an a l y z e d in fre q ue nc y d o ma i n t h r o ug h ul t r a s o n i c t e s t i n g an d wa v e l e t pa c k e t tr ans f o r ma t i o n ． T h e r e s u l t s i n d i c a t e d tha t the r e w a s a c o r r e l a t i o n b e t we e n the 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 u m( WP E S )o f a c o u s t i c s i gna l s a n d t h e d a ma ge e v ol u t i o n ofc e r am i c f e r r e i nf o r c e d c o n c r e t e．W i t h t he ris i n g o ft e mpe r a t u r e and d a ma g e． t he s i gn a l e n e r g y p e r c e n t a g e of h i g h e r - f r e q ue n c yc o mpo ne nt sd e c r e a s e d， the wa v e l e t pa c ke t e n e r g ys p e c t r u m c e n t e rmo v e dt ot h el o we r - fre q ue n c ys i d e ．Co mpa r e dwi th n a t u r a l c o o l i n g ， the i n fl u e n c e s c a u s e d b y s p r a y i n g c o o l i n g we re mo r e o b v i o u s ．Th e f e a t u r e v e c t o r b a s e d o n wa v e l e t p a c k e t e n e r gy e c t r u m wa s s e n s i t i v e t o the the r ma l d a ma g e o f c e r a mi c fi b e r r e i n f o r c e dc o n c r e t e ， i t c o u l d b e u s e dt o d i s t ing u i s h t h e wo r k i n gc o n d i t i o nan d d am a g e d e g r e e ． Ke yw o r d s ： c e r am i c fi b e r r e inf o r c e dc o n c r e t e ； e l e v a t e dt e mp era t u r e ； u l t r a s o n i cp u l s e ； wa v e l e t p a c k e t e n e r gy s p e c t r u m 0 引 言 纤维 混凝土 ( fi b e r r e i n f o r e e d c o n c r e t e ， F R C) 的高 温性 能是针对纤维混凝土研究的一个重要方面。 目 前 ， 国内外学 者 已就聚丙烯纤维 、 钢纤维 、 混杂纤维等多种 F R C的高温 性能开展了广泛研究【 ， 包括高温及温后 F R C物质成分 的改变 、 力学强度的损失以及纤维的增强抗爆裂机理等 。 其 中， 为了便于对实际工程中暴露在高温环境下的F R C结构 进行损伤测试评估 ， 有学者利用超声波检测技术 ， 通过声 波波速的变化， 对高温作用后 F R C的损伤特性进行了相关 研究 ， 并取得 了一定 的成果 ， 然而 ， 由于混凝土材料的非 均匀性以及声波测试信号的非稳定性， 仅依靠时域内声参数 的改变， 不足以对混凝土内部的损伤演化状况作出准确判 断， 因此， 为充分利用声波测试信号包含的丰富信息， 揭示、 放大一些时域内无法得到的信号特征， 可在频域范围内对声 波信号作进一步细致的分析， 以弥补单纯波速分析的不足。 本研究以耐火性好、 抗拉强度高 的陶瓷纤维作为增强材 料， 制备了基体强度为 C 5 0 ， 纤维体积掺量为 3 ％的陶瓷纤维 混凝土( c e r a m i c fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ， C F R C ) ， 通过超声波 检测 ， 利用小波包变换方法阎 ， 对不同温度 、 不 同冷却方式下 C F R C的声波测试信号进行了分解分析， 得到了高温后 C F R C 内部损伤与信号小波包能量谱间的变化关系 ， 以期为 C F R C 结构的受火损伤评估、 抗高温设计提供了一定的参考依据。 1 试 验 1 ． I 材料 与试件 基体材料： 秦岭 P O 4 2 ． 5 R级水泥； 西安霖源微硅粉 有限公司生产的微硅粉， 平均粒径 0 ． 1 ～ 0 ． 1 5 m， 比表面积 为 l 5 ～ 2 7 m2 ／ g ， S i O 2 含量9 2 ％； 韩城第二发电厂生产的I 级粉 煤灰； 泾阳县石灰岩碎石( 5 ～ 1 0 m r n ， 1 5 ％； 1 0 - 2 0 m lT l ， 8 5 ％) ； 收稿 日期 ：2 0 1 2 — 1 2 - 0 7 基金项目：国家自然科学基金资助项 目( 5 1 0 7 8 3 5 0 ) ； 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 0 8 5 0 7 ) 1 为进一步量化各工况下 C F R C能量谱 的差异 ， 便于损 伤特征的判断识别 ， 定义损伤特征 向量 ： H T T c = [ △ 1 P l ， △ ， △ E ， △ E P 4 ， △ EP 5 ， △ E P 6 ， △ 溺 ， △ 】 ( 5 ) 式 中： T = [ E P 1 ， E P 2 ， ⋯， E P 8 ] ——小波包能量谱 向量 ； c ——常温 ； d ——其余各工况 。 表 4 列 出了各工况下 的损伤 特征向量 ， 可 以看 出 ： 利 用能够较好地表征 WP E S的变化程度 ， 为实际工程应用 中 C F R C工况类 型 、 损伤程度的判别提供参考依据 。 表 4 不同工况下 CF R C的损伤特征向量 2 ． 3 机 理 分 析 高温后 C F R C能量谱 发生变化 的根本原 因在于其 内 部物质成分 、 微观组织结构 的改变。 经 自然冷却后的试件 ， 在 2 0 0 ~ 4 0 0℃阶段失水干缩 ， 加之 自由水分蒸发形成 的蒸 汽压力造成试件胀裂， 使得试件内部产生大量的微裂缝， 阻 碍 了高频分量 的通过 ， 但是 ， 由于 陶瓷纤维 的增强 阻裂作 用 以及部分水泥颗粒 的二次水化 ， 使得裂缝造成 的负面影 响在一定程度上得 以弥补 ， 因此在该温度段 内高频分量虽 有损失， 但 WP E S在高频段( 频带 5 和频带 6 ) 内仍旧相对 集 中； 此后 ， 温度 的升高促使 C — S ． H凝胶体脱水分解【 埘 ， 骨 料与基体间的胶结面变形开裂， 高温损伤不断积累恶化 ， 尤 其在 6 0 0℃以后 ， 骨料膨胀失稳 ， 纤维与基体 间的黏结力 逐渐丧 失 ， 导致 C F R C性能急剧劣化 ， 高频分量 大幅衰减 缺失， WP E S向低频方向偏移。 而在喷水冷却后 ， 试件遇水 骤冷 ， 形成较 大的温度梯度和热应力 ， 加剧 了裂缝 的扩展 延伸及损伤 的发展 【 l 3 ] ， 使得 在同一温度下 ， 喷水 冷却后 的 WP E S 变化更为显著。 3结论 ( 1 ) 小波包变换在高温后 C F R C声波测试信号分析方 面具有独特 的优势 ， 可 以有效排除干扰成分 的影 响 ， 提高 分析结果的准确性 。 ( 2 ) 声波测试信号的小波包能量谱 同试件 内部的损伤 演化具有较好 的相关性 ， 具体表现为 ： 随着 温度 的升高以 及损伤程度 的增 大 ， 高频分量 不断衰减缺失 ， 低频分量所 占能量密度不断增大， 能量谱 中心逐渐向低频方向移动。 同 一 温度下 ， 相比于自然冷却情况， 喷水冷却对能量谱分布 造成的影响更为显著 。 ( 3 ) 基于小波包能量谱定义的损伤特征向量对 C F R C 高温损伤的敏感性较好 ， 可作为不同工况下能量谱变化的 表征量 ， 用 以判别 C F R C的工况类型及损伤程度。 参考文献 ： [ 1 】B A N G I M R ， H O R I G U C H I T ．E f f e c t o f fi b e r t y p e a n d g e o m e t r y o n 4 ma x i mu m p o r e p r e s s u r e s i n fib e r — r e i n f o r c e d h i g h s t r e ng t h c o n c r e t e a t e l e v a t e d t e mp e r a t u r e s [ J ] ． C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 1 2 ( 4 2 ) ： 4 5 9 — 4 6 6 ． [ 2 ]S U H A E N D I S L ， H O R I G U C H I T ． E f f e c t o f s h o r t fi b e r s o n r e s i d u a l pe r me a bi l i t y a nd me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f h y br i d fib e r r e i n f o r c e d h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e a f t e r h e a t e x p o s i t i o n [ J ] ． C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 6 ( 3 6 ) ： 1 6 7 2 — 1 6 7 8 ． [ 3 ]P OO N C S ， S HU I Z H， L AM L ． C o mp r e s s i v e b e h a v i o r o f fi b e r r e i n — f o r c e d h i g h - p e r f o r m a n c e c o n c r e t e s u b j e c t e d t o e l e v a t e d t e mp e r a — t u r e s [ J ] ． C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 4 ( 3 4 ) ： 2 2 1 5 — 2 2 2 2 ． 【 4 】朱江， 文周礼， 陈峭卉， 等． 聚丙烯纤维混杂橡胶粉对高强混凝 土高温性能的影响【 J 1 ． 新型建筑材料 ， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 5 1 — 5 4 ． [ 5 ]曹凌坚 ， 吕朝坤． 超声法检测高温后混凝土抗压强度的试验研 究『 J J ．混凝土 ， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 1 9 — 2 0 ． [ 6 ]吕天启． 高温后混凝土静置性能的试验研究及已有建筑物的防 火安全评估[ D ] ． 大连 ： 大连理工大学， 2 0 0 2 ． [ 7 ]陈敏． 火灾后混凝土损伤超声诊断方法及应用研究【 D ] ．长沙： 中 南大学 ， 2 0 0 8 ． 8 刘飞 ， 王海飚 ， 翁丽娅 ， 等． 基于小波理论对混凝土损伤特性的 试验研究[ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 1 4 ) ： 2 5 8 1 — 2 5 8 7 ． [ 9 ]张慧 ， 黄真萍 ， 洪儒宝． 超声波检测桩身混凝土缺陷的信号频谱 分析研究【 J 】 ．福州大学学报： 自然科学版， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 5 ) ： 7 3 1 — 7 3 6 ． [ 1 O 】 胡 昌华 ， 张军波 ， 夏军 ， 等． 基于 Ma t l a b 的系统分析与设计一小 波分析[ M] ． 西安 ： 西安电子科技大学出版社， 2 0 0 0 ． [ 1 1 】 邓扬， 丁幼亮， 李爱群． 基于小波包分析的拉索损伤声发射信号 特征提取[ J 】 ’ 振动与冲击 ， 2 0 1 0 ， 2 9 ( 6 ) ： 1 5 5 — 1 5 8 ． 【 1 2 ] 李志武， 许金余， 白二雷， 等． 高温后混凝土 S H P B试验研究l J 1_ 振动与冲击 ， 2 0 1 2 ， 3 1 ( 8 ) ： 1 4 3 — 1 4 7 ． [ 1 3 1 贾福萍， 王永春， 渠艳艳， 等． 冷却方式和静置时间对高温后混 凝土残余强度影响I J l_ 建筑材料学报， 2 0 1 1 ， 1 4 ( 3 ) ： 4 0 0 — 4 0 4 ． 作者简介 联系地址 联系电话 ： 任韦波( 1 9 8 8 一 ) ， 男， 硕士研究生， 主要从事结构工程 和防护工程的研究工作。 陕西省西安市空军工程大学航空航天工程学院研管 1 0 2队( 7 1 0 0 3 8 ) 1 5 9 3 48 021 9 3