聲發射技術在纖維混凝土中的應用現狀與展望★

魏寶龍 王 瑤 馬海濤

1 概述

混凝土材料在許多工程中廣泛使用。但混凝土的自身缺陷也限制了它的應用范圍和效果。混凝土工程中使用的纖維包括:碳纖維、聚丙烯纖維、鋼纖維等。碳纖維水泥基復合材料能使普通材料的抗拉、壓和抗折性能都得到改善，且增加了材料的耐磨性，降低了材料的干縮。聚丙烯纖維在一定程度上提高了水泥的抗沖擊強度，且價格低、耐老化、具有優良的分散性。鋼纖維可以顯著提高混凝土的性能。纖維混凝土結構具有良好的性能，但因材料的各向異性，且使用過程中可能受到的各種復雜載荷作用，使材料結構產生不同類型的損傷，對結構的安全使用和壽命造成威脅。而傳統的材料無損檢測方法難以適應于檢測損傷復雜的纖維混凝土材料。近年來，聲發射[1］檢測技術作為一種新的無損檢測技術得到了迅速發展。

本文主要從聲發射在各種纖維混凝土應用中的優勢、可行性等方面論述各種纖維混凝土中聲發射技術應用的現狀以及展望。

2 聲發射技術在纖維混凝土中的研究現狀

2.1 聲發射技術在碳纖維混凝土中的研究

Adam R.Ridge 和 Paul H.Ziehl[2］比較循環荷載測試方法和聲發射方法對碳纖維混凝土的破壞的無損評價，發現聲發射方法評價更加簡易和靈敏。裔裕峰等人[3］進行了碳纖維水泥基材料在不同制作工藝下的聲發射特性的研究。結果表明，利用聲發射可以定性評價碳纖維的分散性;不同摻量分散劑和硅粉，在單軸壓縮下表現出不同的聲發射特性。陸見廣[4］同時用聲發射方法和傳統電阻測量法測定了SCFC梁在三點彎曲試驗過程中的電阻變化和聲發射信號特征。分析表明聲發射方法在結構的損傷檢測中的有效性。張琴[5］采用聲發射裝置監測了有初始缺陷的碳纖維混凝土梁內部裂縫的發生發展，對比自身的電阻變化規律，印證了碳纖維混凝土梁監測裂縫發展的可靠性。國內外的研究分別對聲發射在碳纖維混凝土疲勞、破壞研究中的應用進行了探索，通過與傳統方法的對比得出聲發射應用的可行性結論，而裔裕峰、謝慧才又通過聲發射技術進一步對不同制作工藝下的碳纖維水泥基材性質進行研究。

2.2 聲發射技術在聚丙烯纖維混凝土中的研究

鐘文慧[6］采用Dolant聚丙烯腈纖維，分別對素混凝土、摻加兩種不同長度纖維混凝土進行了三點彎曲循環加載試驗，同時對其進行聲發射監測。建立了材料聲發射參數與撓度的關系方程，得到了混凝土損傷與聲發射累積能量之間的轉化關系，并根據聲發射累積能量定量化地監測和描述混凝土材料的細觀損傷，從細觀層次上分析了纖維在混凝土中的作用。Dimitrios G.Aggelis等人[7］的研究顯示了聲發射技術在研究混凝土破壞過程的可靠性。宣衛紅等人[8］系統地進行了室內纖維拔出試驗和聲發射試驗，以探究聚丙烯纖維混凝土/砂漿材料的粘結破壞機理。聲發射試驗結果為提出的聚丙烯纖維拔出破壞模型提供了較好的佐證。

在鐘文慧利用聲發射研究了纖維在混凝土細觀層次上的作用后，Dimitrios G.Aggelis等進行了聲發射技術應用于聚丙烯纖維混凝土研究的可靠性研究，而宣衛紅等利用聲發射為聚丙烯纖維拔出破壞模型提供佐證。

2.3 聲發射技術在鋼纖維混凝土中的研究

D.Soulioti等人[9］對不同鋼纖維摻量混凝土板的聲發射行為進行研究。發現聲發射的活動性與纖維含量成正比。分析顯示，聲發射參數的變化可用于表征纖維混凝土的破壞過程;同時可通過聲發射來判斷混凝土的損傷程度，并為采取何種加固設計提供依據。林峰等人[10］對鋼纖維混凝土試樣和素混凝土試樣損傷變量與聲發射數的關系進行對比分析，說明一次聲發射在鋼纖維混凝土試樣中換算的當量要高于素混凝土試樣。Dimitrios G.Aggelis[11］研究了不同鋼纖維含量的混凝土的聲發射，確定不同混凝土破壞模式的簡單分類方法，以適用于施工現場作業。王明[12］通過對混凝土和鋼纖維混凝土進行單軸壓縮試驗和聲發射試驗研究，應用Dai公式分析了聲發射事件數與應力之間的關系，驗證了其適用性和有效性;并利用聲發射概率密度函數的概念，分析了不同荷載水平的損傷過程。D.Soulioti等人進行了不同鋼纖維摻量混凝土板的四點彎曲實驗，而林峰等人對前人的結論進行了驗證，Dimitrios G.Aggelis對聲發射如何應用于施工現場進行研究，王明應用Dai公式分析聲發射事件數與應力之間的關系。

2.4 聲發射技術在多種纖維混凝土中的對比研究

Amir Mirmiran和Salam Philip[13］進行了鋼纖維和FRP纖維混凝土梁的聲發射對比。研究發現FRP纖維混凝土梁由于其較低的剛度和較大的脆性，其聲發射活動性和峰值振幅更高，且在卸載過程仍發射信號;而鋼纖維混凝土的行為更接近于Kaiser效應。陳兵等人[14］觀測了不同種類混凝土三點彎曲梁的聲發射(AE)特性，發現摻加纖維對聲發射特性有明顯影響。J.M.L.Reis等人[15］對聲發射驗證纖維混凝土破壞的機理做了探究，并進一步說明了纖維對混凝土的增強作用。李琳、張亞芳[16］通過RFPA2D對層布式混雜纖維混凝土進行試件變形與破壞過程的數值模擬，并對最大拉應力和聲發射過程進行分析。得出層布式混雜纖維使混凝土的抗彎強度和韌性得到明顯提高的結論。嚴軍等人[17］在瀝青混凝土中添加纖維，通過在傳統帶切口小梁彎曲試驗基礎上增加聲發射測試設備，對纖維瀝青混凝土的斷裂行為進行了分析。通過試驗建立了聲發射特征和參數與力學參數的關系，更準確地反映了材料的斷裂特征。

Luigi Biolzi等人[18］對高溫后纖維混凝土的剩余屬性進行了評估，實驗采用了鋼纖維混凝土與聚丙烯纖維混凝土兩種樣本，使用聲發射技術對熱處理后的混凝土損傷區進行觀測，結果顯示混凝土損傷在熱處理后有增加趨勢。多種纖維混凝土的對比研究與混雜纖維混凝土的研究中，聲發射的應用相當廣泛，其作用機理也不斷被人認清。嚴軍等建立了聲發射與纖維瀝青混凝土的力學參數的關系，Luigi Biolzi等對高溫處理混凝土的剩余屬性進行了評估。

3 聲發射在纖維混凝土研究中的應用總結

本文通過對聲發射技術在纖維混凝土研究中應用的相關文獻的收集、整理和歸納總結，從聲發射在各種纖維混凝土應用中的優勢、可行性等方面論述了該領域的相關研究進展和展望，得到如下結論:

1)總結上述研究發現。國內外研究中，對鋼纖維混凝土的研究較成熟，國外使用四點彎曲的實驗較多并且研究方向較新，做了一些突發情況的纖維混凝土聲發射研究。

2)幾點展望。針對碳纖維水泥基復合材料壓敏性、溫敏性、電磁屏蔽等一系列優良的性能，其纖維混凝土的聲發射研究應得到注意;纖維混凝土在惡劣條件下，如極端溫度、凍融、爆炸情況下的聲發射研究前景廣闊;玻璃纖維混凝土的聲發射研究是個空白，可對其進行進一步研究。

[1]沈功田，戴 光，劉時風.中國聲發射檢測技術進展[J］.無損檢測，2003，25(6):302-307.

[2]Adam R.Ridge，Paul H.Ziehl.Evaluation of Strengthened Reinforced Concrete Beams:Cyclic Load Test and Acoustic Emission Methods[J］.ACI Materials Journal(Technical Paper)，2006(12):832，840.

[3]裔裕峰，謝慧才.碳纖維水泥基材料的聲發射特性實驗研究[J］.建筑材料學報，2007，10(3):355-358.

[4]陸見廣.碳纖維智能混凝土梁的力電效應研究[D］.南京:南京理工大學，2007.

[5]張 琴.缺陷碳纖維混凝土梁的裂縫自感知性能的研究[J］.蘭州工業高等專科學校學報，2010，17(4):36.

[6]鐘文慧.基于AE技術的混凝土細觀損傷的研究[D］.上海:同濟大學材料科學與工程學院，2004.

[7]Dimitrios G.Aggelis，Tomoki Shiotani，Shouhei Momoki，et al.Acoustic Emission and Ultrasound for Damage Characterization of Concrete Elements[J］.ACI Materials Journal(Technical Paper)，2009(12):509-514.

[8]宣衛紅，王 艷，陳曉洪.聚丙烯纖維拔出試驗聲發射監測[J］.科學技術與工程，2010，10(32):7962-7963.

[9]D.Soulioti，N.M.Barkoula，A.Paipetis，et al.Acoustic emission behavior of steel fibre reinforced concrete under bending[J］.Construction and Building Materials，2009(23):3532-3536.

[10]林 峰，李庶林，薛云亮.混凝土材料聲發射參數與力學參數及其損傷程度的關系[J］.廈門大學學報(自然科學版)，2010，49(4):528-530.

[11]Dimitrios G.Aggelis.Classification of cracking mode in concrete by acoustic emission parameters[J］.Mechanics Research Communications，2011(38):153-157.

[12]王 明.混凝土力學參數與聲發射參數之關系研究[J］.福建建筑，2010(4):102.

[13]Amir Mirmiran，Salam Philip.Comparison of acoustic emission activity in steel-reinforced and FRP-reinforced concrete beams[J］.Construction and Building Materials，2000(14):299-310.

[14]陳 兵，張 東，姚 武.用聲發射技術研究水泥基復合材料脆性[J］.無損檢測，2001，23(10):421.

[15]J.M.L.Reis，R.de Oliveira，A.J.M.Ferreira，et al.A NDT assessment of fracture mechanics properties of fiber reinforced polymer concrete[J］.Polymer Testing，2003(22):395-401.

[16]李 琳，張亞芳.層布式混雜纖維混凝土力學性能的研究[J］.武漢理工大學學報，2011，33(5):130-133.

[17]嚴 軍，曹亞東，曹祖光，等.基于聲發射的纖維瀝青混凝土斷裂行為分析[A］.上海市公路學會第七屆年會[C］.上海:上海建設機場道路工程有限公司，2005:94-98.

[18]Luigi Biolzi，Sara Cattaneo，Gianpaolo Rosati.Evaluating residual properties of thermally damaged concrete[J］.Cement ＆Concrete Composites，2008(30):907-916.