黃世強(qiáng)，黃火林，徐福斌，林文高

（浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江杭州，310014）

混凝土試件的聲發(fā)射特性試驗(yàn)研究

黃世強(qiáng)，黃火林，徐福斌，林文高

（浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江杭州，310014）

聲發(fā)射技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)方法，可用于材料性能評(píng)價(jià)和結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)。通過(guò)研究混凝土芯樣試件在不同壓力條件下產(chǎn)生的聲發(fā)射計(jì)數(shù)和聲信號(hào)強(qiáng)度，以及重復(fù)荷載作用下的凱塞效應(yīng)，可以了解混凝土材料的聲發(fā)射特性，為研究混凝土材料的損傷規(guī)律、斷裂機(jī)理提供基礎(chǔ)資料，并為利用聲發(fā)射技術(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)大壩混凝土裂縫的形成和擴(kuò)展的可行性提供佐證。

混凝土試件；抗壓試驗(yàn)；聲發(fā)射監(jiān)測(cè)

0 引言

聲發(fā)射是指材料中由局部應(yīng)力集中源的能量迅速釋放而產(chǎn)生的瞬時(shí)彈性波，在材料變形、裂紋開(kāi)裂及擴(kuò)展的全過(guò)程中均伴有聲發(fā)射現(xiàn)象。混凝土結(jié)構(gòu)的破壞由原生裂隙到微裂紋擴(kuò)展直至宏觀(guān)斷裂，是一系列損傷積累的結(jié)果，在損傷和斷裂發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中同樣伴有聲發(fā)射現(xiàn)象。利用聲發(fā)射技術(shù)，通過(guò)檢測(cè)混凝土的聲發(fā)射信號(hào)，可以判斷混凝土內(nèi)部的損傷和斷裂的發(fā)生與擴(kuò)展情況。由于混凝土為復(fù)合材料，不同類(lèi)型混凝土的聲發(fā)射特性存在一定的差異，研究混凝土材料的聲發(fā)射特性是聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)工作。

1 聲發(fā)射試驗(yàn)方法

某工程混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C35，混凝土齡期已超過(guò)28 d。為研究該混凝土材料的聲發(fā)射特性，截取混凝土芯樣分別制作A、B和C試件，試件直徑均為125 mm，其中A、C試件高徑比為1∶1，試件周邊布置4個(gè)聲傳感器；B試件高徑比為2∶1，試件周邊布置6個(gè)聲傳感器。其中A、B試件用于抗壓聲發(fā)射試驗(yàn)，C試件主要用于凱塞效應(yīng)試驗(yàn)。

在壓力試驗(yàn)機(jī)逐級(jí)加壓直至試件破壞過(guò)程中，利用美國(guó)物理聲學(xué)公司（PAC）SH-II-SRM聲發(fā)射系統(tǒng)全過(guò)程記錄其聲發(fā)射信號(hào)。

2 聲發(fā)射試驗(yàn)成果

2.1 A試件試驗(yàn)成果

A試件在抗壓聲發(fā)射試驗(yàn)過(guò)程中，試件周邊的4個(gè)聲傳感器均接收到相似的聲發(fā)射信號(hào)。A試件抗壓破壞極限壓力為66.36 MPa，在試驗(yàn)壓力達(dá)到60%極限壓力（約40 MPa）之前，試件聲發(fā)射水平較低，聲發(fā)射計(jì)數(shù)普遍小于50次，聲信號(hào)強(qiáng)度小于200 nV-sec；當(dāng)試驗(yàn)壓力超過(guò)60%極限壓力后，聲發(fā)射水平逐漸提高，在維持極限荷載期間，聲發(fā)射計(jì)數(shù)達(dá)到400次，聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到1×103nV-sec，并在試件破壞瞬間達(dá)到峰值，聲發(fā)射計(jì)數(shù)超過(guò)1 000次，聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度超過(guò)1×104nV-sec。A試件抗壓聲發(fā)射信號(hào)見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 A試件聲計(jì)數(shù)-時(shí)間和試驗(yàn)壓力-時(shí)間曲線(xiàn)圖Fig.1 Graph of acoustic hits vs time and the graph of test pres?sure vs time of the specimen A

圖2 A試件聲信號(hào)強(qiáng)度-時(shí)間和試驗(yàn)壓力比率-時(shí)間曲線(xiàn)圖Fig.2 Graph of acoustic power vs time and the graph of test pressure ratio vs time of the specimen A

2.2 B試件試驗(yàn)成果

B試件在抗壓聲發(fā)射試驗(yàn)過(guò)程中，試件周邊的6個(gè)聲傳感器均接收到相似的聲發(fā)射信號(hào)。B試件抗壓破壞極限壓力為38.29 MPa，在試驗(yàn)壓力達(dá)到70%極限壓力（約30 MPa）之前，試件聲發(fā)射水平較低，聲發(fā)射計(jì)數(shù)普遍小于100次，聲信號(hào)強(qiáng)度小于7×102nV-sec；當(dāng)試驗(yàn)壓力超過(guò)70%極限壓力后，聲發(fā)射水平逐漸提高，在維持極限荷載期間，聲發(fā)射計(jì)數(shù)達(dá)到1 700～1 800次，聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到6× 107nV-sec；在試件破壞瞬間，聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到1.18×105nV-sec。B試件抗壓聲發(fā)射信號(hào)見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 B試件聲計(jì)數(shù)-時(shí)間和試驗(yàn)壓力-時(shí)間曲線(xiàn)圖Fig.3 Graph of acoustic hits vs time and the graph of test pres?sure vs time of the specimen B

圖4 B試件聲信號(hào)強(qiáng)度-時(shí)間和試驗(yàn)壓力比率-時(shí)間曲線(xiàn)圖Fig.4 Graph of acoustic power vs time and the graph of test pressure ratio vs time of the specimen B

2.3 C試件試驗(yàn)成果

C試件在抗壓聲發(fā)射試驗(yàn)時(shí)，首先將試驗(yàn)壓力從0 MPa逐漸增加到19 MPa，維持19 MPa壓力15 s后卸載至0 MPa，經(jīng)過(guò)75 s后再次緩慢加載，直至極限壓力50.56 MPa試件破壞。在首次加載至19 MPa過(guò)程中，聲發(fā)射水平總體上逐漸增高，聲計(jì)數(shù)達(dá)到180～250次，聲信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到2×103nV-sec；當(dāng)壓力卸載后重新加載至19 MPa之前，聲發(fā)射水平遠(yuǎn)低于之前的加載過(guò)程，聲發(fā)射計(jì)數(shù)低于20次，聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度低于1×102nV-sec；當(dāng)試驗(yàn)壓力超過(guò)19 MPa以后，聲發(fā)射水平逐漸提高；當(dāng)試驗(yàn)壓力達(dá)到60%極限壓力（約30 MPa），試件聲發(fā)射水平顯著提高；試驗(yàn)壓力在90%極限壓力時(shí)，聲發(fā)射水平達(dá)到峰值，聲發(fā)射計(jì)數(shù)達(dá)到1 500次，聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到2.0×104nV-sec。C試件抗壓聲發(fā)射信號(hào)見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 C試件聲計(jì)數(shù)-時(shí)間和試驗(yàn)壓力-時(shí)間曲線(xiàn)圖Fig.5 Graph of acoustic hits vs time and the graph of test pres?sure vs time of the specimen C

圖6 C試件聲信號(hào)強(qiáng)度-時(shí)間和試驗(yàn)壓力比率-時(shí)間曲線(xiàn)圖Fig.6 Graph of acoustic power and time and the graph of test pressure ratio and time of the specimen C

3 混凝土聲發(fā)射信號(hào)特征

A、B試件抗壓聲發(fā)射試驗(yàn)成果表明，隨著試驗(yàn)壓力的增加，A、B試件聲發(fā)射的水平逐步提高，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的陡升或陡降情況，分析原位鉆取的混凝土芯樣試件無(wú)明顯的凱塞效應(yīng)（Kaiser effect）現(xiàn)象；而C試件經(jīng)重復(fù)加載后，其聲發(fā)射呈現(xiàn)與典型的凱塞效應(yīng)曲線(xiàn)類(lèi)同的現(xiàn)象（見(jiàn)圖7），表明該混凝土材料在經(jīng)受前期壓力后，具有凱塞效應(yīng)特性。

圖7 典型的聲發(fā)射凱塞效應(yīng)曲線(xiàn)圖Fig.7 Typical graph of Kaiser effect

對(duì)比分析A、B試件的聲發(fā)射曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)同等壓力條件下，B試件的聲發(fā)射水平總體高于A(yíng)試件，分析可能與試件因高徑比不同而導(dǎo)致試件內(nèi)部應(yīng)力分布的差異有關(guān)。A、B試件的抗壓聲發(fā)射信號(hào)主要以突發(fā)型為主；單個(gè)聲發(fā)射信號(hào)呈快速上升、慢速衰減特征，聲信號(hào)持續(xù)時(shí)間一般為200～2 000 μs，見(jiàn)圖8。聲發(fā)射信號(hào)峰值頻率范圍主要在4～20 kHz，試件在較高壓力下產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)和破裂產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)峰值頻率相對(duì)較低，為4～8 kHz。

4 結(jié)語(yǔ)

圖8 混凝土試件抗壓聲發(fā)射信號(hào)典型圖Fig.8 Typical picture of the compression acoustic emission sig?nal of the concrete specimen

混凝土芯樣試件抗壓聲發(fā)射試驗(yàn)表明，混凝土材料在損傷和破裂過(guò)程中將發(fā)出高頻聲信號(hào)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大壩混凝土的聲發(fā)射信號(hào)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)大壩混凝土裂縫的形成、擴(kuò)展過(guò)程不失為一種可行的方法，但有待更深入地試驗(yàn)和研究。 ■

[1]紀(jì)洪廣,邵永波.混凝土材料聲發(fā)射過(guò)程及其自相似性的研究[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),1998,20(5):421-425.

[2]黃承德,劉茂軍.混凝土材料聲發(fā)射技術(shù)研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,33(3):220-224.

Acoustic emission technology is a dynamic non-destructive testing methods developed in re?cent years.It could be used to evaluate material properties and to detect structural damage.By study of the AE hits and AE power produced by the acoustic emission in concrete specimens in different pres?sure conditions as well as the Kaiser effect with repeated loads,acoustic emission characteristics of con?crete materials can be learnt and it may provide basic information for study of damage laws and fracture principle of concrete materials.Further,it is feasible to monitor concrete cracks in the dam dynamic by using acoustic emission.

concrete specimens;compression testing;acoustic emission monitoring

TV698.1

B

1671-1092（2014）06-0069-03

2013-07-19

黃世強(qiáng)（1964-），男，浙江瑞安人，教授級(jí)高級(jí)工程師，副總經(jīng)理，主要從事物探檢測(cè)工作。

Title:Experimental study on acoustic emission characteristics of concrete specimens//by HUANG Shiqiang,HUANG Huo-lin,XU Fu-bin and LIN Wen-gao//Zhejiang Huadong Engineering Safety Technol?ogy Co.,Ltd.