小灣拱壩濕篩與三級配混凝土靜態彎拉聲發射特性

王 巖， 吳勝興， 周繼凱， 陳厚群，2

(1.河海大學 土木與交通學院，南京 210098;2.中國水利水電科學研究院，北京 100044)

小灣拱壩濕篩與三級配混凝土靜態彎拉聲發射特性

王 巖1， 吳勝興1， 周繼凱1， 陳厚群1，2

(1.河海大學 土木與交通學院，南京 210098;2.中國水利水電科學研究院，北京 100044)

結合小灣拱壩濕篩和三級配混凝土靜態彎拉試驗，采用全數字化聲發射系統采集了兩種混凝土在三點彎曲荷載作用下從加載至最終破壞的聲發射特征參數和波形。對比分析了各加載階段的聲發射活動發展規律及聲發射波形FFT功率譜峰值頻率和頻率質心的統計特征，識別了兩種混凝土以聲發射特征參數為基礎的損傷斷裂機制，采用商業聲發射軟件對微裂縫局部化區域進行了定位。結果表明，三級配混凝土與濕篩混凝土相比，具有以下聲發射特征:① 更易誘發損傷，在各個加載階段具有較小的聲發射b值;② 聲發射撞擊峰值頻率在100 kHz－125 kHz頻段及225 kHz－250 kHz頻段也有分布，同時頻率質心比濕篩混凝土低;③ 在濕篩混凝土的一個特定機制的持續時間范圍內，三級配混凝土識別為兩個機制;④ 微裂縫的局部化區域范圍大于濕篩混凝土。

濕篩混凝土;三級配混凝土;彎拉;聲發射

聲發射技術作為一種實時、動態無損檢測技術，已經開始被應用于研究混凝土、巖石等準脆性材料的損傷破壞過程。在國外，近年來聲發射技術已被應用于混凝土材料研究和結構安全監測等諸多領域，如混凝土徐變監測、混凝土構件變形和斷裂過程評估［1－3］，以及混凝土大壩、鋼筋混凝土結構、混凝土橋墩等結構的安全監測［4－6］等。在國內，相關研究起步較晚，1995 年－2002 年期間的紀洪廣［7－10］，陳兵、姚武［11－14］等學者的混凝土材料聲發射特性研究較為系統。隨著聲發射采集系統的不斷更新換代，相關研究也在不斷深入，王彬和駱英等［15－16］采用全波形聲發射技術分別分析素混凝土和預應力鋼筋混凝土梁破壞過程的聲發射全波形，得到了各個荷載階段聲發射信號的頻譜特征。歐陽利軍、趙艷林等［17，18］以及劉紅光、駱英等［19－21］也對混凝土損傷過程的聲發射特性進行了深入的探討。從這些研究成果中可以發現，聲發射技術對于研究混凝土材料的損傷特征及用于實際結構的安全監測都非常有潛力。

本研究結合小灣拱壩混凝土靜態彎拉系列試驗，采用聲發射技術對濕篩和三級配混凝土在靜態彎拉荷載作用下從加載到最終破壞整個過程的聲發射活動性、聲發射特征參數和波形頻譜特征以及聲發射源定位特征進行對比分析，同時從材料組成角度探討聲發射特性可能蘊含的損傷斷裂機理。

1 試驗方案

1.1 試件準備與制作

本研究所采用的三級配混凝土配合比見文獻［22，23］，其原材料均來源于小灣拱壩設計所用實際材料。其中骨料為按照3∶1混合的黑云花崗片麻巖和角閃斜長片麻巖的人工砂石，其級配為，大石:中石:小石=4∶3∶3，粒徑范圍分別是80 mm～40 mm，40 mm～20 mm和20mm～5 mm。采用250L自落式攪拌機拌和混凝土，用鋼模澆筑成尺寸為300 mm×300 mm×1 100 mm的三級配混凝土試件。為了得到濕篩混凝土，先用40 mm孔篩篩除上述流態新拌混凝土中的大直徑骨料，然后用鋼模澆筑成尺寸為150 mm×150 mm×550mm的濕篩混凝土試件，試驗時混凝土齡期約為1 380天。

1.2 加載設備與制度

試驗在美國MTS公司生產的322型動靜萬能試驗機上進行，其控制系統為多通道FlexTest GT數字控制器，采用荷載控制加載速率的方式進行，控制加載速率為0.25 kN/s。關于試驗過程的其它詳細情況詳見本課題研究的其它相關文獻［22，23，24］。

1.3 聲發射采集系統

采用美國聲學物理公司(PAC)生產的SAMOSTM系列聲發射儀采集和存儲聲發射信號，采集控制軟件為AEwinTM。前置放大器(型號PAC－2/4/6)帶寬為10 kHz～2.0 MHz，設置其增益為40 dB。布置6個諧振式傳感器(型號R6α，共振頻率為90 kHz)和一個寬頻式傳感器(型號 PAC－WD，帶寬為100 kHz～1.0 MHz)于混凝土試件表面，并利用耦合劑(凡士林)通過橡膠帶將其固定。諧振式傳感器用于聲發射參數和源定位分析，寬頻式傳感器用于聲發射波形頻譜分析。考慮到試件上加載裝置及其它測量器械如應變片的布置，結合文獻［25］中幾種傳感器布置方案定位精度的評定結果，選擇的布置方案如圖1所示。

圖1 傳感器布置簡圖(1－6號為諧振式傳感器，7號為寬頻式傳感器，單位:mm)Fig.1 Schematic diagram of AE sensor arrangement(Broadband sensors No.1 －6，resonant sensor of No.7)

聲發射監測過程中的背景噪音通常具有低頻、低幅的特點，而從限制頻率范圍和幅值范圍的方式對聲發射信號進行濾噪是有效抑制噪聲的方法。通過綜合比較采集卡和傳感器的頻率范圍，設置系統帶通濾波器范圍為100 kHz～400 kHz，實踐證明，可有效抑制背景噪音的影響。閾值越低，會有更多可疑的微弱信號被采集，也會導致聲發射撞擊的持續時間過長，不利于分析波形。基于這一考慮，通過預試驗及現場加載設備噪音水平評定，設定諧振式和寬頻式傳感器通道的閥值分別為38 dB和35 dB。

2 聲發射分析技術

2.1 聲發射特征參數

傳感器所接收的聲發射信號一般需要予以參數化以便作更深入的探討，這一過程由計算機在采集過程中自動完成。下面簡要介紹各種參數的定義:一個通道探測并記錄的一個聲發射信號稱為Hit［26］(撞擊)，其中，持續時間是信號第一次越過閥值至最終降至閥值以下所經歷的時間間隔;幅度為信號波形的最大幅度值，質點振動位移的平方正比于該質點所具有的能量，因此，幅度能反映出聲發射撞擊所釋放出的能量［27］，有理論研究表明［28，29］幅度是表征聲發射源特征最有效的參數，主要用于混凝土中聲發射源機制的分類和評價;振鈴指在持續時間之內所測量超過系統閥值的脈沖震蕩次數。

2.2 聲發射b值

在地震學研究中，大幅度的事件發生的頻率沒有較小幅度的事件頻繁［30］，這一事實可以用幅度－頻度關系表示，即古登堡 －里希特(Gutenberg-Richter)關系:

式中:M為震級，N為某一時期，某一震級范圍內(M±ΔM/2)的地震頻度，a為表示某一地區某一時期內地震活動程度的常數。式(1)對聲發射數據處理同樣適用，由于幅度的單位是dB，因此，需將聲發射信號幅度除以20以便得到Richter定義的幅度，公式修正為:

其中:N是頻度增量，在某一時間內聲發射事件(撞擊)的個數［30］，a是經驗系數，b值定義為聲發射頻率－幅度分布曲線的對數線性斜率，它反映了聲發射信號的強弱，以及不同強度信號的組合情況。聲發射b值能反映材料內部微裂縫發展情況，其物理意義是:當裂縫以較大步進擴展時，幅度大的信號成分比例較大，則b值較小，裂縫以較小的步進擴展時，b值較大［31］。

2.3 聲發射波形頻譜分析

為了識別出材料在損傷破壞過程中所釋放出的聲發射信號中可能蘊含的特定物理機制，通常要對聲發射波形進行分析，但人們很難從中直接得到定量的結論［32］，而需要借助信號分析技術來實現。試驗中所采集的典型聲發射波形及其FFT功率譜如圖4所示。峰值頻率是指功率譜值最大點所對應的頻率值，頻率質心指功率譜圖在x軸(頻率軸)上的質量中心。本文主要通過分析這兩個指標來比較兩種混凝土在破壞過程中所表現出的聲發射頻譜特征。

2.4 聲發射源定位

本研究采用AEwinTM軟件［33］所提供的三維聲發射源定位程序進行計算，所采用的搜索算法為單純形法，在定位計算執行之前，需要輸入相應試件的聲發射波速，本研究采用斷鉛人工激發源測得的濕篩與三級配混凝土試件的Vp值分別為4 200 m/s和4 150 m/s。

3 結果與分析

3.1 聲發射活動性分析

聲發射撞擊累計曲線可以展示材料損傷累積的發展過程，濕篩和三級配混凝土試件的加載曲線和聲發射撞擊累計數曲線如圖5所示，為了方便討論，根據曲線形狀將整個過程分成三個階段:A階段(0－85%極限荷載)，B階段(85% －95%極限荷載)，C階段(95%－100%極限荷載)。從表1可以看出，在A和B階段，三級配混凝土試件的聲發射撞擊數所占總數的比例始終多于濕篩混凝土，表明其聲發射活動比濕篩混凝土活躍，而在臨近最終破壞的C階段，濕篩混凝土試件的比例明顯高于三級配試件，并且累計曲線的斜率更大，聲發射活動呈現劇烈增加的趨勢，表明濕篩混凝土試件內與微裂縫不穩定發展有關的聲發射活動主要集中于高應力水平。

圖5 聲發射撞擊波形頻率質心統計直方圖Fig.5 AE centroid frequency histogram

從聲發射撞擊開始連續出現的時機來看，三級配混凝土試件損傷出現的比濕篩混凝土試件早，這可能是由于三級配混凝土中存在較大粒徑(大于40 mm)的粗骨料，大骨料底部可能存在的水隙，使得諸如泌水等原因引起的原生界面微裂縫較濕篩混凝土多;此外，粗骨料的尺寸增加之后，其本身存在原生裂隙等缺陷的概率也隨之增大，進而導致粗骨料的強度降低，因此，在較低的應力條件下就誘發能夠被系統采集的聲發射活動。有研究結果表明［34］，在強度為15 MPa～40 MPa時，全級配混凝土(骨料最大粒徑為80 mm)抗壓、劈拉和軸拉強度均小于濕篩混凝土試件，從表2中可以發現，三級配混凝土的彎拉強度與上述強度規律一樣，也小于濕篩混凝土。Sadowska等人［35］的研究結果表明，損傷(聲發射信號)出現的越早，混凝土的強度越低，這在以上的分析中得到了證實，三級配與濕篩試件相比，損傷出現更早且強度較低。

從表2中還可以看出，對于兩種混凝土試件的彎拉破壞過程而言，聲發射b值隨著加載階段的延續而呈現降低的趨勢，此外，無論是在各加載階段還是整個加載過程中，三級配混凝土的聲發射b值均低于濕篩混凝土，表明在所產生的聲發射撞擊中，高幅度的聲發射撞擊占總撞擊數的比例高于濕篩混凝土，說明其斷裂規模較大，而濕篩混凝土試件在斷裂過程所產生聲發射信號的幅度則以低幅度為主，斷裂的規模較小。

表1 力學特性與聲發射特性Tab.1 Mechanical and AE characteristics

3.2 聲發射波形頻譜分析

對整個加載過程中，濕篩混凝土和三級配混凝土聲發射撞擊波形的峰值頻率分布情況進行統計如圖6所示，可以看出，三級配混凝土除了具有濕篩混凝土所具有的峰值頻率分布特征之外，在100 kHz～125 kHz頻段以及225 kHz～250 kHz頻段也有相當數量的聲發射撞擊分布。

圖6 機制識別程序流程圖Fig.6 Flowchart of mechanisms to identify program

在整個加載過程中，濕篩混凝土和三級配混凝土聲發射撞擊波形的頻率質心分布情況如圖7所示，從中可以看出，濕篩混凝土的聲發射撞擊頻率質心均分布在200 kHz－400 kHz范圍之內，而三級配混凝土則分布在100 kHz－400 kHz的更寬的范圍之內。有研究表明［36－37］，混凝土中粗骨料和水泥漿的界面破壞以低頻(低于100 kHz)的聲發射信號占主導，因此，三級配混凝土頻率質心在較低的頻段也有出現的這一現象可能也與在三級配混凝土中比濕篩混凝土含有更豐富的界面破壞成分有關。Sagaidak等人［2］也指出，聲發射撞擊的頻率特征依賴于裂縫的尺寸和方向，裂縫的不斷增長會導致聲發射頻譜的主頻降低，從這一點上來看，三級配混凝土具有更低范圍的頻率質心分布這一特征說明，三級配混凝土在整個破壞過程中的裂縫尺寸和規模都大于濕篩混凝土。

3.3 基于聲發射參數的破壞機制識別

材料的破壞過程通常包含著各種不同的機制，伴隨破壞過程產生的聲發射信號則包含著與機制有關的信息［38］，從蘊含材料內部缺陷發展過程信息的聲發射信號中分離出相互重疊的斷裂機制是一項復雜而具有挑戰性的工作。

3.3.1 基本原理

Wu等人［38］提出了一種分離與不同斷裂機制相關的聲發射信號的方法，該方法也被 Chotard等人［39］應用于水泥硬化過程的聲發射特性研究中，主要依據以下2個原則:(1)對于相同的聲發射活動，其釋放能量越高，則對應聲發射幅度越高、持續時間越長;(2)同一破壞機制產生聲發射信號具有相同的參數特性(如幅度分布、單位撞擊數對應的振鈴數和持續時間等)。本文采用該分析方法分離并識別出聲發射特性，編寫了計算機程序對聲發射數據進行處理，識別程序的流程如圖8所示，通過該方法可將相互重疊的多種聲發射特性在以上兩個原則的基礎上分離出來，而分離之后的聲發射特性主要是由持續時間范圍的不同來相互區別的，這里的聲發射特性可以稱之為"機制"，實施的具體過程如文獻［40］所述。本文在識別過程中，當的數值不大于二者均值的15%時，認為HC和CPA近似相等，各持續時間范圍的機制識別掃描過程由計算機程序完成，持續時間范圍選擇的基本原則是確保相鄰持續時間范圍的連續性。

3.3.2 識別結果與分析經過程序分析與處理后，濕篩混凝土和三級配混凝土在1 800μs以下的持續時間范圍之內分別得到了11種和12種破壞機制(同一機制在兩種混凝土中的持續時間范圍可能略有不同，但這并不影響對結果的分析)，識別率分別達到了97.4%和91.9%，只有個別持續時間范圍的聲發射撞擊沒有被識別成特定的機制，由此可見，這些機制可以近似代表兩種混凝土整個破壞過程的主要特征，被識別成的破壞機制情況如表2和表3所示，比較后可以發現，除了機制4之外，兩種混凝土其它機制的參數分布特征基本相同，表明兩種混凝土中的破壞機制基本相同。Wu等人［38］將在混凝土中分離出的斷裂機制與其細觀層次的破壞機制進行了對應，本文著重分析兩種混凝土破壞機制的主要差異。

兩種混凝土的主要不同之處在于，濕篩混凝土試件中機制4的持續時間范圍覆蓋了三級配混凝土試件中的機制4a和4b，更進一步地，由于濕篩混凝土機制4的單位撞擊振鈴數和撞擊－振鈴數直方圖峰值與三級配混凝土試件的機制4a更接近，也就是說，這兩種機制的幅度分布特征相似，推斷其可能來源于相似的機制，由于兩種混凝土中均含有小于40 mm的粗骨料以及水泥砂漿，因此，可以推斷，機制4和機制4a可能都來源于小尺寸粗骨料與水泥漿界面破壞，而機制4b則可能歸屬于大尺寸骨料與水泥漿界面破壞。這些結論具有較強的推測意味，因為三級配混凝土中大尺寸骨料本身的缺陷也可能使得其斷裂機制更加復雜，但是，與濕篩混凝土相比，三級配混凝土中大尺寸骨料的引入是導致其聲發射機制更加復雜這一結論是非常明確的。Wu等人［38］在研究砂漿、普通混凝土梁試件破壞過程的聲發射特性并對其破壞機制進行探討的過程中，也發現砂漿試件中的某一持續時間范圍的機制出現了覆蓋普通混凝土中兩個機制的現象。

表2 濕篩混凝土的聲發射參數特征Tab.2 AE parameters characteristics of wet sieving concrete

表3 三級配混凝土的聲發射參數特征Tab.3 AE parameters characteristics of three-graded concrete

3.4 聲發射源定位分析

在試驗過程中，隨著荷載的逐漸施加，混凝土試件內部的微裂縫不斷誘發和擴展，達到混凝土的極限承載力時，試件突然斷裂成兩段，在此過程中，混凝土微裂縫的產生和發展過程可以通過聲發射源定位技術得以展現。兩種混凝土在不同的受力階段的聲發射源定位結果如圖7所示，兩種混凝土試件破壞過程中所被定位出的聲發射事件均是從約85%極限荷載階段開始出現，從圖7中可以看出，在整個加載過程中，三級配混凝土的損傷出現的空間分布區域要比濕篩混凝土更廣，濕篩混凝土微裂縫的開展主要是集中在最大拉應力區，而三級配混凝土的微裂縫除了在最大拉應力區有所分布之外，在其它區域也有一定數量的分布，而且表現出多個區域微裂縫共同活躍的現象，表明兩種混凝土內由于應力集中而形成的微裂縫發展方式存在差異，Joseph等人［40］指出，骨料粒徑較大的混凝土在損傷斷裂過程會形成更大的微裂縫局部化區域，因此，三級配混凝土中大尺寸骨料的引入是出現這種現象的主要原因。

4 結論

本文對比了濕篩混凝土和三級配混凝土在靜態彎拉荷載作用下破壞過程的聲發射特性，并從材料組成等方面對可能存在的內在機制進行了分析，得到了以下結論:

(1)三級配混凝土中較大直徑粗骨料本身的原生微裂縫及其內部由于泌水等原因引起的原生界面微裂縫，在較低的應力條件下就可以誘發損傷，故開始連續出現聲發射活動的應力水平和極限彎拉強度都較低。

(2)三級配混凝土在各加載階段具有較低聲發射b值，以及具有峰值頻率分布特征和頻率質心趨向低頻的這些特點，都說明其在破壞過程中的微裂縫尺寸和斷裂規模均高于濕篩混凝土。

(3)濕篩混凝土機制4的持續時間范圍覆蓋了三級配混凝土試件中的機制4a和4b，三級配混凝土中大尺寸骨料的引入可能是導致其聲發射機制較濕篩混凝土復雜的主要原因。

(4)采用聲發射技術可以展現混凝土微裂縫發展的空間分布規律。在整個損傷斷裂過程中，三級配混凝土所呈現的微裂縫局部化區域的范圍大于濕篩混凝土。采用聲發射技術能夠展現出兩種大壩混凝土在整個損傷斷裂過程中所表現出的損傷發展過程及其機制的差異，有助于深化人們對大壩混凝土破壞過程的認識，本課題將在本文研究的基礎上，對濕篩和全級配混凝土開展在動態加載條件下聲發射特性的研究工作。

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Acoustic emission characteristics of wet sieving concrete and three-graded one in xiaowan arch dam under static flexural-tensile

WANG Yan1，WU Sheng-xing1，ZHOU Ji-kai1，CHEN Hou-qun1，2

(1.College of Civil Engineering and Transportation，Hohai University，Nanjing 210098，China;2.Institute of Water Resources＆ Hydropower Research of China，Beijing 100044，China)

Combining with flexural-tensile tests of wet sieving and three-graded concrete in Xiaowan arch dam，feature parameters and waveforms of acoustic emission(AE)signals under action of third-point flexural-tensile were acquired using a full-digital acoustic emission system.The law of acoustic emission activities in each loading stages was analyzed，the statistical features of the peak frequencies and the frequency centroids calculated from the FFT power spectra of the acoustic emission waves were compared，the damage and fracture mechanisms were identified based on the acoustic emission parameters，and the localized failure zones of microcracks were also located using the commercial software AEwin.It was found in a three-graded concrete comparing with a wet sieving concrete that acoustic emission in the former is easier to induce damage，and lower b value of acoustic emission is observed in each loading stages;the peak frequencies of the acoustic emission in the former appear in frequency bands of 100 kHz～125 kHz and 225 kHz～250 kHz，and the frequency centroids are lower than those of the latter;two specific mechanisms are identified in the former but within the same time duration one is identified in the latter;the localized zone of microcrack in the former is larger than that in the latter.

wet sieving concrete;three-graded concrete;flexural-tensile;acoustic emission

TB3

A

國家自然科學基金重點項目(90510017)，水利部公益性項目(200701004);國家自然科學基金項目資助(51009058);中央高校基本科研業務費專項資金(2009B03014)

2010－01－07 修改稿收到日期:2010－03－12

王 巖 男，博士，1980年生