蘇懷智 佟劍杰 胡 江 李 皓

（河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1） 水利水電學(xué)院2） 南京 210098）

0 引 言

建筑物自身存在的缺陷對(duì)其正常運(yùn)行和使用壽命影響極大，尤其對(duì)于水工混凝土結(jié)構(gòu)物，由于其工作環(huán)境惡劣，長(zhǎng)期經(jīng)受高壓、高速水流的滲透、侵蝕、沖刷、磨損等的作用，以及地震、曝曬和冰凍等的破壞，再加設(shè)計(jì)和施工原因，造成大量的水工混凝土結(jié)構(gòu)物存在著程度不同的缺陷和損傷，給工程的安全運(yùn)行帶來(lái)了極大的隱患［1-2］.嚴(yán)重的缺陷和損傷會(huì)惡化結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，破壞其整體性和抗?jié)B性，加速混凝土碳化，降低混凝土抵抗各種侵蝕性介質(zhì)的耐腐蝕能力，影響混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，危及建筑物的安全運(yùn)行，縮短建筑物的使用壽命；輕微的缺陷和損傷也會(huì)影響建筑物的耐久性和美觀，有時(shí)也會(huì)發(fā)展惡化.

要合理評(píng)價(jià)水工混凝土結(jié)構(gòu)的健康狀況，并為改建、加固設(shè)計(jì)提供基本的強(qiáng)度參數(shù)和其他設(shè)計(jì)依據(jù)，必須正確認(rèn)識(shí)和估計(jì)混凝土的結(jié)構(gòu)性質(zhì)及力學(xué)性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)中既有損傷的定位與測(cè)量，探明損傷的部位、大小和性質(zhì)［3］.由于混凝土聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)能反映結(jié)構(gòu)物中混凝土的強(qiáng)度、均勻性、連續(xù)性等各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)，對(duì)保證新建工程質(zhì)量，以及對(duì)已建工程的安全性評(píng)價(jià)等方面具有重要作用，越來(lái)越受到人們的重視［4-7］.如位于日本本州島的一混凝土拱壩，在其冷凝和灌漿期間，進(jìn)行了聲發(fā)射檢測(cè)，通過(guò)分析檢測(cè)得到的聲發(fā)射累積事件數(shù)和能量變化，評(píng)估了該混凝土拱壩的安全狀況［8］.

已有研究表明，當(dāng)采用不同的加載方式和加載速率時(shí)，材料的聲發(fā)射特征和產(chǎn)生機(jī)理都有差異［9-15］.本文通過(guò)預(yù)置裂縫水工混凝土梁三點(diǎn)彎曲受載聲發(fā)射試驗(yàn)，分析水工混凝土材料在損傷過(guò)程中的聲發(fā)射模式、水工混凝土彎拉力學(xué)特性和宏觀效應(yīng)與聲發(fā)射特性間的相關(guān)關(guān)系，研究水工混凝土結(jié)構(gòu)損傷的聲發(fā)射間接監(jiān)測(cè)問(wèn)題.

1 預(yù)置裂縫水工混凝土梁三點(diǎn)彎曲受載過(guò)程聲發(fā)射試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

以預(yù)置裂縫水工混凝土梁試件為研究對(duì)象，研究其在三點(diǎn)彎曲受載過(guò)程中，裂縫開(kāi)度、跨中撓曲變形以及幾個(gè)特定位置應(yīng)變變化與聲發(fā)射特征參數(shù)之間的關(guān)系，探索用聲發(fā)射技術(shù)定量評(píng)估水工混凝土梁損傷的方法.

1.2 試件制作

水工混凝土三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)所用的水工混凝土配合比是采用某壩推薦采用的混凝土配合比，見(jiàn)表1.其中水泥選擇52.5＃中熱水泥，石子按m（大石）∶m（中石）∶m（小石）=4∶3∶3，直徑范圍分別是4～8，2～4和0.5～2cm.經(jīng)攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢韬螅^(guò)40 mm 的方孔篩，得到了去除大直徑骨料后的濕篩混凝土，然后用鋼模澆筑了2個(gè)150mm×150mm×550mm 的預(yù)置裂縫混凝土梁試件（編號(hào)為：WQ-1，WQ-2），采用高頻振搗棒振搗成型.試件成型后2d拆模，并用草席覆蓋試件表面，灑水養(yǎng)護(hù)7d后，置于普通室內(nèi)環(huán)境，養(yǎng)護(hù)28d.

表1 水工混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

為對(duì)水工混凝土試件的損傷過(guò)程進(jìn)行研究，在室內(nèi)設(shè)計(jì)了一套如圖1 所示的聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)，具體有：中國(guó)長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)廠制造的5000kN三軸壓力機(jī)、美國(guó)PAC 公司生產(chǎn)的μSAMOSTM聲發(fā)射采集儀、江蘇東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的DH-3817型動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試采集系統(tǒng)、美國(guó)Epsilon科技公司生產(chǎn)的3541-012M-040-ST 型夾式引申儀、百分表、100kN 力傳感器.

圖1 聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)

1.4 試驗(yàn)方案

1.4.1 加載方式 由于本次試驗(yàn)選用的加載機(jī)是長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)生產(chǎn)的5000kN 的三軸加載機(jī)，如果直接將力加載到水工混凝土梁試件上，在很短的時(shí)間內(nèi)試件即會(huì)斷裂，無(wú)法采集到足夠多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（如應(yīng)變、聲發(fā)射數(shù)據(jù)、撓度等）.為了將加載速率控制在較低的水平（30～50N／s），在試件左右兩側(cè)各布置一個(gè)很大的彈簧，以起到承擔(dān)一部分力的作用，其布置圖見(jiàn)圖2.

圖2 加載布置圖

1.4.2 傳感器布置 鑒于在水工混凝土梁試件左右兩側(cè)布置了彈簧，并且在試件側(cè)面還布置了應(yīng)變片，聲發(fā)射傳感器布置方案見(jiàn)圖3.

圖3 預(yù)置裂縫梁試件傳感器、應(yīng)變片，以及預(yù)置裂縫位置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

混凝土材料的變形和破壞由不同的機(jī)制（如微裂紋的形成、裂紋的擴(kuò)展、宏觀裂紋的形成等）引起，不同破壞機(jī)制含有不同的聲發(fā)射信號(hào)，幅度、能量、持續(xù)時(shí)間、事件數(shù)等表征聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度和活性的特征參數(shù)隨著混凝土材料的不同和破壞機(jī)制的不同呈現(xiàn)不同的特點(diǎn).下面對(duì)聲發(fā)射儀自動(dòng)采集并實(shí)時(shí)記錄的各相關(guān)圖進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比分析在不同階段產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)的活性特征，以評(píng)定水工混凝土三點(diǎn)彎曲受載實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的即時(shí)損傷情況.

2.1 聲發(fā)射活性與荷載～撓度曲線(xiàn)之間的關(guān)系

圖4分別給出了水工混凝土梁試件WQ-1，WQ-2的荷載-撓度曲線(xiàn)與聲發(fā)射活性參數(shù)關(guān)系的實(shí)際結(jié)果.由圖4可見(jiàn)，聲發(fā)射事件的出現(xiàn)與荷載-撓度曲線(xiàn)之間具有較強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系.在荷載-撓度曲線(xiàn)上升初期，基本沒(méi)有聲發(fā)射信號(hào)；當(dāng)加載到極限荷載的90%左右時(shí)，聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)明顯增加.在荷載-撓度曲線(xiàn)下降期，由于混凝土結(jié)構(gòu)中微裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，這一時(shí)期聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)隨著荷載的逐漸減小而呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì).

圖4 荷載-撓度與聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)之間的關(guān)系

2.2 聲發(fā)射活性與荷載-預(yù)置裂縫開(kāi)度之間的關(guān)系

圖5 給出了混凝土梁試件WQ-1，WQ-2 的荷載-開(kāi)度與聲發(fā)射活性參數(shù)關(guān)系試驗(yàn)曲線(xiàn)，由圖5可見(jiàn)，裂縫開(kāi)度與聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)之間具有極強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，約90%極限荷載是一個(gè)分界點(diǎn)，在加載到90%極限荷載的過(guò)程中，預(yù)置裂縫幾乎沒(méi)有張開(kāi)，基本沒(méi)有聲發(fā)射信號(hào)；這個(gè)階段以后，聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)明顯的增加，預(yù)置裂縫開(kāi)始較快速擴(kuò)展.

利用上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選用四次多項(xiàng)式擬合裂縫開(kāi)度δ與聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)N的關(guān)系，混凝土梁試件WQ-1，WQ-2對(duì)應(yīng)的關(guān)系分別為

擬合曲線(xiàn)如圖5.這2個(gè)試件的預(yù)置裂縫開(kāi)度與聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)的擬合效果都比較好，但平行性較差，由于本次試驗(yàn)只有2個(gè)試件參與分析，不能確定一個(gè)通用公式來(lái)說(shuō)明任意一個(gè)相同條件的試件，其預(yù)置裂縫開(kāi)度與聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)的關(guān)系，但是通過(guò)這2個(gè)試件的試探性研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)置裂縫開(kāi)度與聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)的確存在有一定的關(guān)系.對(duì)于一個(gè)特定范圍內(nèi)的裂縫，通過(guò)在線(xiàn)實(shí)時(shí)采集和分析混凝土材料的聲發(fā)射信號(hào)，是有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫張口位移發(fā)展變化規(guī)律的動(dòng)態(tài)表征，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土材料的損傷演化過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)的.

圖5 荷載-預(yù)置裂縫開(kāi)度與聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)之間的關(guān)系

2.3 跨中微裂縫開(kāi)裂情況分析

在低加載速率下，水工混凝土的損傷主要發(fā)生在梁的中間位置.為了分析研究該區(qū)域微裂縫變化情況與聲發(fā)射活性參數(shù)之間的關(guān)系，在每個(gè)試件上布置了9片長(zhǎng)度不同的應(yīng)變片（見(jiàn)圖3）.其中，左右兩側(cè)均為20 mm 長(zhǎng)的小應(yīng)變片，中間從上至下分別為60，40和20mm 長(zhǎng)的應(yīng)變片（編號(hào)分別為S1，S2，S3）.

試驗(yàn)表明，左、右兩側(cè)應(yīng)變片的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值非常小，圖6給出了試件WQ-1和試件WQ-2上中間各應(yīng)變片處變形值與荷載的關(guān)系，圖7給出了試件WQ-1和試件WQ-2斷裂圖.由圖7可見(jiàn)，當(dāng)加載到極限荷載時(shí)，下邊的應(yīng)變片發(fā)生的變形最大，中間次之，最上邊的應(yīng)變片的變形最小；在卸載階段，試件WQ-1 中間的應(yīng)變片數(shù)據(jù)有些異常，這是由于裂縫從其邊緣繞過(guò)去的緣故.

試件WQ-1 和試件WQ-2 上各應(yīng)變片處變形值與聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)之間的試驗(yàn)關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖8.由圖8可見(jiàn)，多數(shù)位置處變形值與聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)之間存在一定的關(guān)系；試件WQ-1中間應(yīng)變片處變形值與聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)之間關(guān)系明顯不同于其他位置，原因是該位置處裂縫繞過(guò)了應(yīng)變片.圖中所表現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律基本符合實(shí)際，在產(chǎn)生相同變形的情況下，上邊的應(yīng)變片對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)最多，中間的應(yīng)變片次之，下邊的應(yīng)變片最少，這和混凝土裂縫的擴(kuò)展情況相符合，裂縫一般都是在梁跨中位置的下部出現(xiàn)，然后逐漸向上擴(kuò)展，直到斷裂.

圖6 各位置處變形值與荷載之間的關(guān)系

圖7 實(shí)際斷裂截面圖

3 結(jié)束語(yǔ)

1）三點(diǎn)彎曲受載的水工混凝土梁，在加載初始階段，由于混凝土內(nèi)部粗骨料的阻裂作用，使得混凝土內(nèi)部裂縫呈間歇發(fā)展；但達(dá)到臨界狀態(tài)后，由于沒(méi)有更多的能量?jī)?chǔ)存，使得裂縫擴(kuò)展呈失穩(wěn)狀態(tài)，出現(xiàn)連續(xù)和迅速的聲發(fā)射.

圖8 各位置處變形值與聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)之間的關(guān)系

2）預(yù)置裂縫三點(diǎn)彎曲受載混凝土梁聲發(fā)射試驗(yàn)表明，預(yù)置裂縫的開(kāi)度與聲發(fā)射事件數(shù)有著強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系.對(duì)于一個(gè)特定范圍內(nèi)的裂縫，通過(guò)在線(xiàn)實(shí)時(shí)采集和分析混凝土材料的聲發(fā)射信號(hào)，利用裂縫的開(kāi)度與聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)的相關(guān)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)水工混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的間接監(jiān)測(cè).

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