混凝土聲彈應力測試技術的新進展

劉新健，許錫賓，2，林軍志

(1.重慶交通大學 河海學院，重慶400074;2.重慶建筑工程職業學院，重慶400039)

混凝土作為目前土木建筑工程中主要的建筑材料之一，以其來源廣泛、成本低廉、施工方便和耐久性好等諸多特點，已經得到越來越廣泛的應用。國內外諸多由于混凝土在實際使用階段性能劣化而引起的工程事故表明:作為反映混凝土結構受力狀態的最重要指標之一的混凝土實際應力水平，已經被各類工程技術人員所關注。因此混凝土結構的健康診斷對于混凝土結構的正常運行起著非常重要的作用，而對其工作應力的準確測試又是混凝土結構健康診斷的重要環節。

就土木工程結構的耐久性而言，無損檢測是一種獲得現場數據和提高對實際結構潛在工作壽命評估水平的高性能方法［1］。在各種各樣的無損檢測技術中，超聲波可以很容易地和混凝土被檢測部分的力學狀態聯系起來。混凝土是一種不均勻材料，即使在受到破壞之前，由于微裂縫和孔隙的存在，它也會表現出一種復雜的彈性性質［2－3］。在低應力狀態下，混凝土呈現一定的線彈性，而在應力較大時，則呈現出明顯的非線性。聲彈性理論表明，超聲波波速與應力狀態有關的現象，不論在彈性范圍，還是在非線性應力－應變范圍均存在［4］。對混凝土試件中聲彈常數的評估，使得證明混凝土中聲彈現象的存在成為可能，理所當然的是用超聲測量方法去評估混凝土中的應力也是可行的。然而由于超聲波在混凝土中存在多次散射現象，從某種意義上講，超聲波速的測量將面臨一定的挑戰，又因為聲彈技術的發展是在基于實驗室的條件下進行的，還不能適用于現場數據的測試，這些問題的存在都嚴重制約了聲彈技術的發展。

為了促進聲彈技術的進一步發展，有必要對近些年來聲彈技術的研究現狀及其若干新進展有一個新的認識。因此，筆者收集整理了國內外近些年來在這一領域的研究資料，對其新進展做了較為詳細的闡述，并對混凝土聲彈技術今后的發展提出了自己的看法。

1 聲彈技術原理及其發展

1.1 聲彈理論概述

20世紀40年代末50年代初，加拿大的Leslie和Cheesman、英國的Jones等學者率先將超聲波用于混凝土檢測［4］，為混凝土無損檢測技術開辟了一個全新的領域。然而當時由于儀器靈敏度低，分辨率差，再加上混凝土超聲檢測的影響因素尚未弄清楚，因此難以普遍用于工程實測。目前超聲法檢測已應用于混凝土工程的各個方面，主要有混凝土測強、混凝土裂縫深度檢測、不密實區空洞檢測、混凝土結合面質量檢測、表面損傷層檢測、灌注樁混凝土缺陷檢測和鋼管混凝土缺陷檢測等［5］。

自從Murnaghan［6］提出了非線性行為準則之后，聲彈性理論便開始慢慢地揭開了它那神秘的面紗。正如當吉他上弦的拉力產生變化時，就會改變吉他的音調一樣，當一種材料被施加荷載并且產生變形之后，它的聲學特性也隨之發生變化。基于此，Hughes和 Kelly［7］正式提出了聲彈性理論的概念。后來，Kobayashi和Vanderby這兩位學者提出:由于彈性變形引起的聲學特性的變化是可以用波的傳播速度或反射波的振幅來衡量的。并且他們通過研究得出了一種變形到幾乎不能再壓縮的材料的力學性質和反射波振幅之間的聲彈性關系［8－9］。

聲彈技術是一項新的正在探索的固體力學實驗方法，是解決非透明構件原型三維應力分析難題的重要途徑。聲彈性應力測量技術的基本原理主要是利用材料的超聲波縱橫波速與應力的相關性而建立起的一種全新的測試技術［10］。這種方法的顯著好處是不需要象光彈性那樣的透明模型，可直接應用于原型構件，既可用于加載應力測量又可用于殘余應力的無損檢測，因此具有重要的應用前景［11］。

1.2 國內外的最新進展

目前國內外學者在這方面做了大量的理論研究工作，筆者在林軍志，等［12］所做工作基礎之上收集了國內外最新的發展情況并例舉如下:Y.Wali［13］應用聲彈性理論來分析預應力薄膜的應力情況，得出了用來計算預應力薄膜的聲彈效應的通用剛度矩陣法;D.Algernon，等［14］運用掃描激光示振器使超聲波在混凝土表面的傳播過程可視化，進一步為更精確的分析聲彈技術中的聲彈參數提供了依據;E.G.Bazulin［15］將最大熵法運用到分散圖像的多頻重組問題上，為超聲波圖像處理提供了一種更加合理的方法;A.Abdullah和 E.Fallahi Sichani［16］研究了超聲波在混凝土中傳播時衰減系數的影響因素;Neetu Garg［17］采用群組速度替代傳統的相位速度的方法研究了縱波在具有預加應力的各向異性的彈性介質中的傳播方向問題，并提出了計算具體傳播方向的算法;Masumi Hasegawa［18］將聲彈技術運用到木結構的無損應力分析當中，他們的研究成果表明:木結構在荷載作用下的應力與采用應變計方法測出的結果具有很好的吻合性;由于受光彈性理論本身運用條件的限制，Sarah Duenwald［19］用聲彈性理論代之，研究用超聲回波測量鋼束的應力應變，得出了回波強度與應力呈線性關系而與應變近似呈線性關系的結論;Ivan Lillamand，等［20］研究了混凝土材料在軸向壓力作用下的聲彈效應，得出了對于應力水平最為敏感的是沿著加載方向偏振的縱波和橫波的結論。國內中科院、中國科大、長江科學院以及東北大學等單位也在巖石混凝土損傷的波動特性研究方面作了大量的基礎性研究工作，如朱勁松，等［21］研究了混凝土在雙軸壓疲勞荷載作用下超聲波波速的變化規律;林軍志，等［22］做了混凝土聲學參數與應力相關性的試驗研究;陳立新，等23］分析了混凝土聲－應力相關性影響因素;汪宇兵，等［24］研究了基于超聲波技術的混凝土梁在加載過程中聲學參數變化與混凝土損傷演化規律之間的關系。朱志文，等［25］研究了鋼纖維摻量對超聲聲速的影響及鋼纖維增強橡膠高強混凝土在單軸受壓狀態下超聲聲速的變化規律。林軍志，等［26］研究了外加劑對混凝土聲速和加權譜面積等聲學參數與應力相關性的影響，從而為混凝土聲彈應力測試技術的發展起到了一定的推動作用。同時，國內外學者也得出了不同條件和假設下的聲彈性公式，現將總結如下。

1.2.1 超聲波沿著垂直平面應力作用面傳播

超聲波在材料內部傳播時，利用應力引起的聲雙折射效應對應力進行測量。由有限變形彈性理論可知，對于垂直平面應力作用面傳播的超聲偏振橫波和垂直平面作用面的超聲縱波，傳播速度和主應力之間存在以下關系［27］:

式中:VT0為應力為0時各向同性固體中超聲橫波速度;VT1，VT2為超聲波在各向同性固體中超聲橫波速度;VL為超聲波在各向同性固體中超聲縱波速度;VL0為應力為0時各向同性固體中超聲縱波速度;σ1，σ2為平面主應力;ST=4(μ +l)/8μ2為橫波聲彈性常數，是與拉梅常數μ以及三階彈性常數l有關的物理量;SL為超聲縱波聲彈性常數，是與拉梅常數μ，λ，三階彈性常數l，m有關的物理量，SL=［μl－ λ(mλ +2μ)］/［μ(3λ +2μ)(λ +2μ)］，ST和SL均可由實驗求得。

1.2.2 聲彈性方程

早在1953年的時候，Hughes和Kelly就提出了對于在軸向1壓力作用下的各向同性介質(2和3是垂直于1的其他兩個方向)，彈性波的速度通過式(3)計算［7，28］:

式中:cij為波的傳播速度(i表示波的傳播方向;j表示波的偏振方向);σ11是1方向的法向應力;(λ，μ)是1階系數稱為拉梅系數;(l，m，n)是2階系數稱為默納漢系數;K=λ+2/3μ是壓縮模量。

式(3)主要是描述固定方向上超聲波速和該方向上應力之間的關系，只要測出該方向上的波速就可以確定出應力的大小。

后來Pao Yihhsing在1984年又推導出了適用于測定金屬殘余應力的聲彈性方程。設ξ，X和x分別為物體未變形狀態(I狀態)、予變形狀態(Ⅱ狀態，即殘余應力狀態)和超聲波檢測狀態(Ⅲ狀態)的位置矢量，根據聲彈性理論有限變形的幾何關系、超彈性的本構關系以及超聲波傳播是小擾動等假設可得聲彈性方程［29］:

公式(4)主要用于測定金屬構件的殘余應力，但是由于變形前的狀態無法得知，故宜將以I狀態為坐標的公式(3)轉換為以Ⅱ狀態為坐標的公式，具體方程參看文獻［30］。

2 混凝土聲－應力特性研究現狀

2.1 混凝土在0荷載狀態下的聲波傳播特性

混凝土是由膠結料和集料混合，通過一定的工藝成型后硬化而成的復合材料。由于混凝土的非均勻性和各向異性，并具有多孔性和黏彈塑性，超聲波在其中傳播時，其在每一個隨機分布的石子表面都要發生復雜的反射、透射及衍射等現象，因此要精確描述混凝土內部超聲波射線的傳播路徑是非常困難的。只能從宏觀的角度出發，將混凝土內部具有一定尺度的缺陷體認為是異常體，觀測超聲波通過這些異常體時的異常表現來確定混凝土內部的質量狀況［31］。

超聲波在混凝土構件中傳播時，其速度與混凝土的密實程度有著非常密切的關系，對于配合比、齡期、原材料等相同的混凝土構件而言，一般超聲波的速度越大則混凝土越密實;反之，則混凝土越不密實。此外，若混凝土構件在制作或者使用過程中，由于外界環境的影響，其內部出現裂縫或者空洞時，那么超聲波只能繞過這些空洞傳播，使得其傳播距離增大，進而使測得的速度變小。

一般，當超聲波透過無缺陷混凝土時，其波形表現的特征為:波形為正常波形，波幅沒有明顯的衰減，聲速較快;首波陡峭，振幅大;第1周期波的后半周即達到較高振幅，接收波的包絡線呈半圓形，整個周期的波形無畸變。若混凝土出現蜂窩、輕微夾泥沙團等情況時，其波形表現的特征為:首波起跳點偏后，與正常混凝土相比聲速較低，波形較緩，振幅較小;波形出現畸變，波幅明顯衰減;第1周波的后半周甚至第2個周波的增幅仍不夠，接收波的包絡線呈放射狀。若混凝土出現夾層、斷樁、沉渣等情況時，其波形表現的特征為:波形畸變，聲時很大，首波起跳點偏后，波形平緩，振幅較小;第1、第2個周波，甚至以后各周波的增幅仍不夠［32］。

2.2 混凝土在非0荷載狀態下的聲學特性研究

混凝土的組成成分決定其力學性質，進而對超聲波在其中的傳播產生影響。混凝土是黏彈塑性復合體，各組分的比例變化、制造工藝、養護條件不同，以及混凝土硬化時的隨機性等，對凝聚體的性質產生了錯綜復雜的影響。同時，由于大量的黏結微裂縫存留在較大骨料和砂漿接觸面上，在外荷載的作用下，微裂縫將產生閉合或擴展，從而引起超聲波參數發生變化［23］。

林軍志，等［22］在不同的荷載條件下，對不同材料組分的混凝土試件進行超聲波測試，研究了混凝土應力與首波振幅、最大振幅、聲速等聲學參數的相關性，并采用小波變換和傅立葉變換這兩種信號處理方法對測試信號進行處理，分析了譜面積、主頻幅值、主頻以及加權波譜參數等與應力的相關關系。他們的試驗研究表明:①主頻與應力不敏感;②聲速和應力有一定的敏感性，具有較好的穩定性;③聲幅與應力之間存在著相關性，但穩定性不好，較離散;④與聲幅相比，譜面積顯得更穩定些，且與應力的敏感性顯得更強些;⑤經過小波變換處理后得到的加權譜面積與應力的敏感性和穩定性都顯得較好。他們的研究成果為混凝土結構運行狀態的監測和評價提供了新的思路和方法。

陳立新，等［23］通過大量的試驗研究和精確的數據分析，得到了對混凝土聲－應力關系最為敏感的骨料粒徑、骨料種類、水灰比和砂率。其研究成果可歸納如下:①超聲波聲學參數與應力的變化關系隨著混凝土混合料的粗骨料粒徑的增大而變得越發明顯。具體表現為:超聲波聲速與應力的敏感性隨著粒徑的增大而增強。當混凝土粗骨料粒徑為40 mm時，加權譜面積與應力顯示出較好的相關性，隨應力的變化明顯;當混凝土粗骨料粒徑為10 mm和25 mm時，其加權譜面積同應力的變化關系變得相對較離散;②過高或者過低的水灰比對混凝土聲學參數與應力相關性都會產生較大的影響，且不利于分析相關性，但是這種影響需要進一步的研究;③砂率較小時，聲學參數的變化顯得較離散;砂率較大時，其聲學參數與應力的相關性較好。取0.31為混凝土聲學參數與應力較為敏感時的含砂率。

3 結語

縱觀混凝土聲彈應力測試技術的研究歷程，大量研究成果都是建立在試驗基礎上的定性分析，而用于定量理論分析的理論模型遠未成熟。同時混凝土作為一種復合脆性材料，雖然試驗結果已經表明其聲應力相關性與巖石的聲應力相關性具有相同的趨勢，但由于其多相復合體的特性，不同的骨料成分、不同配比和不同強度的混凝土，其聲學特性和損傷特性也有差異，特別是其內部孔隙、裂隙等初始損傷在外荷載的作用下演化要受到相應的影響。因此必須對混凝土的聲應力相關性進行深入系統的理論和試驗研究，方能形成混凝土受力狀態的聲彈測試技術的理論基礎。鑒于此，筆者建議在以后的研究工作中，可以著重加強以下幾方面的工作:

1)超聲波根據質點振動方向和傳播方向的關系可以分為縱波和橫波兩大類，已有的研究成果以采集超聲縱波信號來研究聲波參數與應力的關系為主。建議在以后的研究中可以側重于同時考慮縱波和橫波信號來進行敏感性和相關性的分析和研究，并在提高試驗儀器精度和改進加載方式上作進一步的提高和優化。

2)對采集到的聲波信號，如果采用不同的聲波信息處理技術或許會得到不盡相同的處理結果，為了能夠最大限度的從聲波信號中提取對應力敏感的聲學參數，建議采用更加先進的聲波信號處理方法，如小波包理論，希爾伯特－黃變換等。

3)可以采用雙管齊下的方法開展研究工作。一方面通過試驗研究，尋找與應力敏感的超聲波聲學參數;另一方面可以從材料著手，尋找與應力敏感的聲彈材料并加入混凝土中，然后運用聲彈測試技術，或許可以得到比前者更加理想的測試效果。

混凝土聲彈技術對于不同的混凝土結構具有通用性，能夠對混凝土結構的任何部位進行測試，測試成本低廉，測試速度快，并且測試結果受外界因素影響小，能夠比較真實的反應混凝土結構的實際應力狀況，為混凝土結構的健康診斷與評價提供了更為準確科學的依據。因此該項技術的研究對于推動混凝土工作應力測試技術的發展具有重要的科學意義和工程實用價值。隨著復合材料應用的日趨廣泛和復雜結構現場量測的大量涌現，聲彈性測試理論和技術的研究以及在工程實際中將具有廣闊的應用前景［10，30］。

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