水工混凝土損傷的聲發射特性演化試驗分析＊

蘇懷智 佟劍杰 胡 江 李 皓

（河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室1） 水利水電學院2） 南京 210098）

0 引 言

建筑物自身存在的缺陷對其正常運行和使用壽命影響極大，尤其對于水工混凝土結構物，由于其工作環境惡劣，長期經受高壓、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，再加設計和施工原因，造成大量的水工混凝土結構物存在著程度不同的缺陷和損傷，給工程的安全運行帶來了極大的隱患［1-2］.嚴重的缺陷和損傷會惡化結構的應力狀態，破壞其整體性和抗滲性，加速混凝土碳化，降低混凝土抵抗各種侵蝕性介質的耐腐蝕能力，影響混凝土結構的強度和穩定性，危及建筑物的安全運行，縮短建筑物的使用壽命；輕微的缺陷和損傷也會影響建筑物的耐久性和美觀，有時也會發展惡化.

要合理評價水工混凝土結構的健康狀況，并為改建、加固設計提供基本的強度參數和其他設計依據，必須正確認識和估計混凝土的結構性質及力學性能，同時實現對結構中既有損傷的定位與測量，探明損傷的部位、大小和性質［3］.由于混凝土聲發射檢測技術能反映結構物中混凝土的強度、均勻性、連續性等各項質量指標，對保證新建工程質量，以及對已建工程的安全性評價等方面具有重要作用，越來越受到人們的重視［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，進行了聲發射檢測，通過分析檢測得到的聲發射累積事件數和能量變化，評估了該混凝土拱壩的安全狀況［8］.

已有研究表明，當采用不同的加載方式和加載速率時，材料的聲發射特征和產生機理都有差異［9-15］.本文通過預置裂縫水工混凝土梁三點彎曲受載聲發射試驗，分析水工混凝土材料在損傷過程中的聲發射模式、水工混凝土彎拉力學特性和宏觀效應與聲發射特性間的相關關系，研究水工混凝土結構損傷的聲發射間接監測問題.

1 預置裂縫水工混凝土梁三點彎曲受載過程聲發射試驗過程

1.1 試驗目的

以預置裂縫水工混凝土梁試件為研究對象，研究其在三點彎曲受載過程中，裂縫開度、跨中撓曲變形以及幾個特定位置應變變化與聲發射特征參數之間的關系，探索用聲發射技術定量評估水工混凝土梁損傷的方法.

1.2 試件制作

水工混凝土三點彎曲試驗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.經攪拌機充分攪拌后，過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150mm×150mm×550mm 的預置裂縫混凝土梁試件（編號為：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，灑水養護7d后，置于普通室內環境，養護28d.

表1 水工混凝土配合比

1.3 試驗設備

為對水工混凝土試件的損傷過程進行研究，在室內設計了一套如圖1 所示的聲發射試驗系統，具體有：中國長春試驗機廠制造的5000kN三軸壓力機、美國PAC 公司生產的μSAMOSTM聲發射采集儀、江蘇東華測試技術股份有限公司生產的DH-3817型動態應變測試采集系統、美國Epsilon科技公司生產的3541-012M-040-ST 型夾式引申儀、百分表、100kN 力傳感器.

圖1 聲發射試驗系統

1.4 試驗方案

1.4.1 加載方式 由于本次試驗選用的加載機是長春試驗機生產的5000kN 的三軸加載機，如果直接將力加載到水工混凝土梁試件上，在很短的時間內試件即會斷裂，無法采集到足夠多的試驗數據（如應變、聲發射數據、撓度等）.為了將加載速率控制在較低的水平（30～50N／s），在試件左右兩側各布置一個很大的彈簧，以起到承擔一部分力的作用，其布置圖見圖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布置了彈簧，并且在試件側面還布置了應變片，聲發射傳感器布置方案見圖3.

圖3 預置裂縫梁試件傳感器、應變片，以及預置裂縫位置圖

2 試驗結果分析

混凝土材料的變形和破壞由不同的機制（如微裂紋的形成、裂紋的擴展、宏觀裂紋的形成等）引起，不同破壞機制含有不同的聲發射信號，幅度、能量、持續時間、事件數等表征聲發射信號強度和活性的特征參數隨著混凝土材料的不同和破壞機制的不同呈現不同的特點.下面對聲發射儀自動采集并實時記錄的各相關圖進行分析，通過對比分析在不同階段產生的聲發射信號的活性特征，以評定水工混凝土三點彎曲受載實驗過程中的即時損傷情況.

2.1 聲發射活性與荷載～撓度曲線之間的關系

圖4分別給出了水工混凝土梁試件WQ-1，WQ-2的荷載-撓度曲線與聲發射活性參數關系的實際結果.由圖4可見，聲發射事件的出現與荷載-撓度曲線之間具有較強的對應關系.在荷載-撓度曲線上升初期，基本沒有聲發射信號；當加載到極限荷載的90%左右時，聲發射累計事件數明顯增加.在荷載-撓度曲線下降期，由于混凝土結構中微裂縫的進一步擴展，這一時期聲發射累計事件數隨著荷載的逐漸減小而呈現緩慢增長的趨勢.

圖4 荷載-撓度與聲發射累計事件數之間的關系

2.2 聲發射活性與荷載-預置裂縫開度之間的關系

圖5 給出了混凝土梁試件WQ-1，WQ-2 的荷載-開度與聲發射活性參數關系試驗曲線，由圖5可見，裂縫開度與聲發射累計事件數之間具有極強的相關關系，約90%極限荷載是一個分界點，在加載到90%極限荷載的過程中，預置裂縫幾乎沒有張開，基本沒有聲發射信號；這個階段以后，聲發射累計事件數明顯的增加，預置裂縫開始較快速擴展.

利用上述試驗數據，選用四次多項式擬合裂縫開度δ與聲發射累計事件數N的關系，混凝土梁試件WQ-1，WQ-2對應的關系分別為

擬合曲線如圖5.這2個試件的預置裂縫開度與聲發射累計事件數的擬合效果都比較好，但平行性較差，由于本次試驗只有2個試件參與分析，不能確定一個通用公式來說明任意一個相同條件的試件，其預置裂縫開度與聲發射累計事件數的關系，但是通過這2個試件的試探性研究發現，預置裂縫開度與聲發射累計事件數的確存在有一定的關系.對于一個特定范圍內的裂縫，通過在線實時采集和分析混凝土材料的聲發射信號，是有可能實現對裂縫張口位移發展變化規律的動態表征，實現對混凝土材料的損傷演化過程進行監測的.

圖5 荷載-預置裂縫開度與聲發射累計事件數之間的關系

2.3 跨中微裂縫開裂情況分析

在低加載速率下，水工混凝土的損傷主要發生在梁的中間位置.為了分析研究該區域微裂縫變化情況與聲發射活性參數之間的關系，在每個試件上布置了9片長度不同的應變片（見圖3）.其中，左右兩側均為20 mm 長的小應變片，中間從上至下分別為60，40和20mm 長的應變片（編號分別為S1，S2，S3）.

試驗表明，左、右兩側應變片的實測數據值非常小，圖6給出了試件WQ-1和試件WQ-2上中間各應變片處變形值與荷載的關系，圖7給出了試件WQ-1和試件WQ-2斷裂圖.由圖7可見，當加載到極限荷載時，下邊的應變片發生的變形最大，中間次之，最上邊的應變片的變形最小；在卸載階段，試件WQ-1 中間的應變片數據有些異常，這是由于裂縫從其邊緣繞過去的緣故.

試件WQ-1 和試件WQ-2 上各應變片處變形值與聲發射累計事件數之間的試驗關系曲線見圖8.由圖8可見，多數位置處變形值與聲發射累計事件數之間存在一定的關系；試件WQ-1中間應變片處變形值與聲發射累計事件數之間關系明顯不同于其他位置，原因是該位置處裂縫繞過了應變片.圖中所表現出來的規律基本符合實際，在產生相同變形的情況下，上邊的應變片對應的聲發射累計事件數最多，中間的應變片次之，下邊的應變片最少，這和混凝土裂縫的擴展情況相符合，裂縫一般都是在梁跨中位置的下部出現，然后逐漸向上擴展，直到斷裂.

圖6 各位置處變形值與荷載之間的關系

圖7 實際斷裂截面圖

3 結束語

1）三點彎曲受載的水工混凝土梁，在加載初始階段，由于混凝土內部粗骨料的阻裂作用，使得混凝土內部裂縫呈間歇發展；但達到臨界狀態后，由于沒有更多的能量儲存，使得裂縫擴展呈失穩狀態，出現連續和迅速的聲發射.

圖8 各位置處變形值與聲發射累計事件數之間的關系

2）預置裂縫三點彎曲受載混凝土梁聲發射試驗表明，預置裂縫的開度與聲發射事件數有著強的相關關系.對于一個特定范圍內的裂縫，通過在線實時采集和分析混凝土材料的聲發射信號，利用裂縫的開度與聲發射累計事件數的相關關系，可實現水工混凝土結構裂縫的間接監測.

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