混凝土聲發射信號頻率特征與強度參數的相關性試驗研究

郭慶華，郤保平，李志偉，鄭曉琛，田俊斌，朱合華

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混凝土聲發射信號頻率特征與強度參數的相關性試驗研究

郭慶華1, 2，郤保平1，李志偉1，鄭曉琛1，田俊斌1，朱合華2

(1. 太原理工大學地下工程系，山西太原，030024；2. 同濟大學地下建筑與工程系，上海，200092)

對不同強度指標的混凝土試塊進行抗壓試驗，應用聲發射及其定位技術對抗壓試驗全過程進行同步監測，分析混凝土受載破壞過程中聲發射頻率特征參數與混凝土強度指標的關系，研究混凝土受載破壞過程中內部裂紋的三維空間演化規律。研究結果表明：混凝土強度指標影響混凝土聲發射信號頻率特征參數。結合荷載?位移曲線對聲發射振鈴計數率和能率進行分析，發現C10和C20混凝土(低強度混凝土)聲發射信號主要集中于彈性階段初期和中期；C30和C40混凝土(中等強度混凝土)聲發射信號處于受壓全過程，聲發射活躍期處于極限荷載處。通過對混凝土聲發射事件進行空間三維定位，從微觀上探明受載混凝土裂紋的萌生、發展和貫通的演化規律，對受載混凝土內部結構的變化有了直觀的認識。

混凝土；聲發射；強度指標；裂紋；空間演化

混凝土在受載破壞過程中，其材料晶體間的錯位和滑移、原生裂紋的擴展和連通、新生裂紋的萌生和演化等原因最終導致混凝土的宏觀破壞。裂紋在發展演化過程中集聚的能量會以彈性波的形式釋放，人們稱這種現象為混凝土的聲發射現象(AE)。聲發射信號以彈性波的形式從信號源到達混凝土表面，通過對此彈性波的檢測分析，從而了解到混凝土在受載過程中裂紋的發展和演化規律，為現場檢測和預測預報提供理論依據[1]。20世紀30 年代，美國的Obert和Duvall發現受壓作用的巖石內部有聲發射活動存在，并于1940年在阿迷克銅礦檢測到爆發性聲發射，預測巖爆的來臨[2?4]。而對混凝土材料的聲發射特征研究要追溯到20世紀50—60年代：Rusch[5]對混凝土受力后聲發射特征進行了研究，并指出其凱賽效應產生的應力范圍；1965年Robinson[6]對砂漿體及不同骨料摻量、不同骨料粒徑的混凝土的聲發射特征進行了研究，指出混凝土聲發射信號的2個主頻及產生的應力水平。自此以后，聲發射技術運用到了混凝土的研究中，并取得了大量的成就：紀洪廣等[7]在試驗的基礎上，定量的描述了混凝土材料在受載破壞過程中聲發射活性的特征函數，導出了聲發射參數同損傷參量之間的關系及用聲發射參數表述的損傷演化方程及本構方程；尹賢剛[8]通過實驗的方法對巖石及混凝土2種材料受力變形破壞的聲發射特征進行了對比研究；歐陽利軍 等[9]通過斷鉛試驗對混凝土結構聲發射檢測參數進行了系統的研究設置。本文作者通過試驗，對C10和C20混凝土(低強度混凝土)和C30和C40混凝土(中等強度混凝土)在單軸受壓過程中聲發射信號頻率特征進行研究與分析，即混凝土的強度指標對聲發射信號頻率特征的影響[10]。結合混凝土荷載?位移關系曲線，通過對聲發射信號頻率特征參數的分析，得到荷載?時間?振鈴計數率及荷載?時間?能率的關系曲線，從而反映受載混凝土聲發射信號的頻度和強度，為聲發射活動性進行評價。為進一步闡明混凝土試件在隨荷載?位移變化過程中內部結構的變化規律，本文作者利用聲發射定位技術研究混凝土試件在整個加載過程中內部裂紋的萌生、擴展、貫通的三維空間演化過程，為混凝土破壞過程內部裂紋的發展演化提供直觀的 認知。

1 試驗方案及內容

1.1 混凝土試件制作

為研究混凝土強度與聲發射信號頻率特征之間的關系，試驗采用了4種不同強度等級的混凝土(C10，C20，C30和C40)，混凝土試件的長×寬×高為100 mm×100 mm×100 mm。C10混凝土采用標號為32.5的普通硅酸鹽水泥，C20，C30和C40均采用42.5的普通硅酸鹽水泥；粗骨料為石灰石碎石，粒徑為5.0~31.5 mm；細骨料為中砂。表1給出了各強度等級混凝土的配合比[11]。試塊采用鋼模水平澆注，人工振搗，48 h后拆模，灑水養護，28 d后進行抗壓及聲發射試驗。

表1 混凝土材料配合比

1.2 試驗設備

試驗在太原理工大學采礦工藝研究所進行。加載設備采用微機控制電液伺服萬能試驗機型號為WAW?600，最大試驗力為600 kN。立方體抗壓試驗加載過程采用位移控制，速率為0.002 mm/s，直至試塊破壞。系統會自動記錄加載過程中荷載?位移曲線及數據。

聲發射測試系統采用了美國物理聲學公司(PAC)生產的PCI?2聲發射測試系統，該系統是PAC公司最新研制適用于大學等高端聲發射研究用的高性能/低價位4通道聲發射系統，能夠對聲發射特征參數/波形進行實時處理。本試驗中設定的聲發射測試系統的前置放大為40 dB，門檻值為40 dB，探頭諧振頻率為20~100 kHz，采樣率為1MSPS。聲發射探頭與混凝土表面接觸處采用凡士林耦合，并用膠帶固定，以保證信號良好的接收效果[9]。為保證抗壓試驗與聲發射實驗有共同的時間參數，以便進行數據的處理分析，加載系統與聲發射測試系統必須保證同步進行。試驗裝置示意圖見圖1。

圖1 試驗裝置示意圖

1.3 試驗內容

本文主要從2方面對混凝土在抗壓過程中的聲發射現象進行研究：不同強度指標的混凝土立方試塊在抗壓過程中聲發射信號頻率特征的差別，即各試塊荷載?時間?振鈴計數率及荷載?時間?能率的關系的差異；以及利用聲發射定位技術對所產生聲發射事件進行三維空間的定位研究。

2 受載混凝土聲發射信號頻率特征

對混凝土試塊加載破壞的全過程中，電液萬能伺服試驗機系統自動采集加載過程中的荷載?位移曲線，PCI?2聲發射儀全程進行聲發射信號的采集和顯示。試驗發現，混凝土試件在加載全過程中都經歷了壓密階段、彈性階段、塑性階段和峰后破壞階段。但是不同強度指標的混凝土(C10，C20，C30和C40)聲發射特性有存在很大的差異。通過分析聲發射信號特征參數和不同強度指標的混凝土試塊荷載-位移曲線之間的相關關系，即可獲得聲發射振鈴計數率和能率隨強度參數的變化規律。聲發射振鈴計數率是指聲發射信號單位時間越過門檻值的振蕩次數，可粗略反映聲發射信號的強度和頻度，用于聲發射活動性的評價；能率反映了聲發射信號相對能量和信號的強度。

圖2~5所示分別表示以時間為共同參數C10，C20，C30和C40混凝土試塊在受壓過程中聲發射信號頻率特征與所承受荷載之間的關系曲線。從圖2~5可以看到混凝土在受壓破壞過程中表現出一些相同的特征，即：1) 不同強度等級的混凝土試塊都經歷了壓密階段、彈性階段、塑性變形階段和峰后破壞階段；2) 整個受壓過程中都有聲發射信號的產生，聲發射振鈴計數率和能率同步增加或減少；3) 在受壓過程中，聲發射振鈴計數率和能率都有不同程度的突變，并且主要集中在彈性階段和塑性變形階段，分析其原因主要是由于本試驗采用了位移控制加載，導致試塊在受壓過程中受到試驗機的沖擊作用，試塊內部突然產生較大的裂紋；或是由于隨著荷載的增加，原生裂紋或新生裂紋逐步擴展演化，試件內所集聚的能量突然釋放[12]。

(a) 荷載?時間?振鈴計數率關系曲線；(b) 荷載?時間?能率關系曲線

(a) 荷載?時間?振鈴計數率關系曲線；(b) 荷載?時間?能率關系曲線

(a) 荷載?時間?振鈴計數率關系曲線；(b) 荷載?時間?能率關系曲線

(a) 荷載?時間?振鈴計數率關系曲線；(b) 荷載?時間?能率關系曲線

雖然混凝土試塊在受壓過程中表現出一些相同的特征，但從圖2~5中荷載曲線及聲發射信號特征曲線可以明顯的發現，混凝土強度指標對混凝土受壓破壞及聲發射信號頻率參數的影響存在很大差異。

由圖2及圖3可見：C10和C20混凝土在受載過程中，塑性階段歷時較短，當到達峰值后，試塊的承載力就開始下降。受壓過程中，低強度混凝土聲發射信號主要集中在初始加載階段和彈性階段的初期和中期，即峰值荷載的10%~75%。由圖2和圖3可見：當C10和C20混凝土進入彈性階段后期及塑性階段，聲發射信號并沒有增加，反而一直處于較低的水平。峰值破壞以后，C10混凝土基本上已沒有聲發射振鈴計數率和能率，即聲發射信號已經很弱。C20混凝土在峰值荷載的時候，振鈴計數率有了1個小幅度的增加，峰后的聲發射信號同樣很弱。

分析其原因，主要是因為低強度的混凝土內部結構相對粗疏，水泥石的內聚力以及水泥石與粗骨料的黏結力都相對較小，從而導致混凝土內部存在較多的原生裂紋和相對不穩定的界面。在受壓初期，試塊內部原生裂紋和缺陷被壓密，即產生了聲發射信號[10]。當試件被壓密后，由于強度相對較低，隨著荷載的增加，試塊內部水泥砂漿顆粒就會產生相對的錯位和滑移，進一步產生裂紋裂縫，并且在此階段大量發展，從而導致此時聲發射信號較為頻繁，強度較大。在試驗過程中，觀察到當達到彈性階段的后期，試塊已經開始產生宏觀的裂縫，而聲發射信號卻很低，充分說明低強度混凝土在彈性階段初期和中期，試塊內部已經產生了大量裂紋并開始擴展貫通。

由圖4和圖5可見：隨著強度的增加，混凝土在破壞過程中，塑性變形階段歷時較長，出現很明顯的“耗時”現象[12]。C30和C40混凝土的聲發射在初始壓密階段與C10和C20混凝土差異不大，但C30和C40混凝土出現了聲發射信號穩定發展階段，而且聲發射活躍期有了明顯的后移。聲發射信號主要集中在彈性階段和塑性破壞階段，甚至峰后的聲發射信號也較強。

分析原因，主要是中等強度的混凝土試塊被壓密進入彈性階段后，由于強度相對較高，內部結構相對較致密，隨著荷載的增加，水泥砂漿顆粒錯位滑移，試塊內部并沒有立刻產生大量的裂紋，而是在荷載作用下，裂紋裂隙較為平穩的發展，所以此階段聲發射信號也相對較為平穩。進入塑性變形階段，混凝土試塊即將到達其抗壓強度，內部裂紋大量發展并連通，并形成裂紋帶，產生宏觀的裂縫，產生較為強烈的聲發射信號，形成聲發射活躍期[13]。在峰后，由于混凝土強度較高，試塊核心部分并未完全破壞，因此在荷載作用下依然會有大量的聲發射信號產生。

3 受載混凝土聲發射空間定位研究

如上所述，混凝土在受載破壞過程中裂紋的發展演化最終導致混凝土試塊的宏觀破壞。但是在試驗過程中，最終只能觀察到試件的宏觀破壞，而對試件內部的結構發展并沒有直觀的認識。為了進一步了解混凝土在各階段裂紋的發展演化規律，從直觀上了解和認識混凝土內部結構的變化，對混凝土受載破壞過程中裂紋演化的聲發射事件定位的研究就尤為重要。鑒于篇幅所限，本文選取了較為典型的C20混凝土試驗結果進行分析，主要分析聲發射事件計數率及聲發射信號源的三維空間。

圖6所示為C20混凝土受載破壞全過程聲發射事件計數率與試塊所承受荷載之間的關系曲線。由圖6可見：在加載初期峰值荷載的20%左右，聲發射事件處于一個較低水平。該階段混凝土被壓密，但聲發射事件較少。進入彈性階段的前期和中期，即峰值荷載的20%~75%聲發射事件率顯著增加，聲發射事件主要集中在這一階段，并且在峰值的60%左右達到最大(35次/10 s)，此階段混凝土試塊在荷載作用下裂紋發展較活躍。而后聲發射事件率逐漸降低，進入塑性階段，聲發射事件率已處于很低的一個水平了(3~5次/10 s)。這一結論與上述C20混凝土聲發射振鈴計數率和能率相吻合。

圖6 荷載?時間?聲發射事件率關系

下面從三維空間圖進一步直觀的了解裂紋裂隙的發展演化過程[14?15]。圖7所示為混凝土試塊在應力增量為Δ=0.2cu(cu為混凝土抗壓強度)各階段的聲發射事件源的空間分布圖，在圖7可以看到每個荷載水平階段內聲發射事件的數量和集中程度，從而直觀地了解在各荷載水平階段內混凝土試塊內部裂紋的發展程度。由圖7可見：混凝土在0.2cu各階段內，產生的聲發射事件數較少，聲發射信號活躍階段主要處于(0.2~0.8)cu內，并且可以看出聲發射事件在試塊的左右兩側(即破裂面)有集聚的趨勢。在0.8cu之后，即進入塑形階段，混凝土聲發射開始減少。

(a) 0.1fcu；(b) (0.1~0.2)fcu；(c) (0.2~0.4)fcu；(d) (0.4~0.6)fcu；(e) (0.6~0.8)fcu；(f) (0.8~1.0)fcu

圖8所示為當應力增量Δ=0.2cu時，混凝土內部聲發射事件源的累計分布三維空間圖，形象的展現了受壓過程中試塊內部裂紋裂隙的產生、擴展、貫通的演化進程[15]。

(a) 0.1fcu；(b) 0.2fcu；(c) 0.4fcu；(d) 0.6fcu；(e) 0.8fcu；(f) 1.0fcu

由圖8可知：混凝土試塊在0.4cu時，聲發射事件就開始有明顯的集聚現象，左右兩側的聲發射事件數相對較多，上部較下部多，并且隨著荷載的繼續增加，集聚現象越明顯。充分說明在0.4cu時，混凝土內部裂紋就已經開始發展演化，荷載的增加即會加強裂紋裂隙的擴展貫通，最終導致宏觀破壞。圖8所示的聲發射事件累計分布圖與抗壓試驗中混凝土試塊倒錐形破壞形態相符。

4 結論

1) 隨著強度的增加，混凝土塑性破壞階段越明顯，耗時越長。

2) 受載混凝土聲發射現象受混凝土強度指標影響。C10和C20混凝土(低強度混凝土)聲發射活躍期主要集中在彈性階段，C30和C40混凝土(中等強度混凝土)聲發射現象在彈性階段較平穩，活躍期處于塑性破壞階段，即隨強度的增加，聲發射活躍期后移。

3) 混凝土受壓過程中聲發射信號頻率特征參數-振鈴計數率和能率會出現少數突增現象，表明在荷載作用下混凝土內既有萌生擴展產生的裂紋，也有沖擊斷裂產生的裂紋。

4) 受載混凝土聲發射事件三維空間定位體現了混凝土受載過程中的損傷特征，從微觀上重現了混凝土內部結構的變化。

[1] 江進輝, 郭琴玲, 周創兵, 等. 大理巖受壓聲發射研究[J]. 中國農村水利水電, 2005(11): 72?74. JIANG Jinhui, GUO Qinling, ZHOU Chuangbin, et al. Research on AE characteristics of marble with different water content[J]. China Rural Water and Hydropower, 2005(11): 72?74.

[2] Blake W. Microseismic applications for mining: A practical guide[R]. Washington: United States Bureau of Mines, 1982: 52?83.

[3] Lockner D A. The role of acoustic in the study of rock failure[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts, 1993, 30(7): 883?899.

[4] Katsuyama T. 聲發射(AE)技術的應用[M]. 馮夏庭, 譯. 北京: 冶金工業出版社, 1996: 3?4. Katsuyama T. Application of acoustic emission technique[M]. FENG Xiating, trans. Beijing: China Metallurgical Industry Press, 1996: 3?4.

[5] Rusch H. Physical problems in testing of concrete[J]. Zement-Kalk-Gips (Wiesbaden), 1959, 12(1): 1?9.

[6] Robinson G S. Methods of detecting the formation and propagation of microcracks on concrete[C]//The International Conference on the Structure of Concrete. London, 1965: 131?134.

[7] 紀洪廣, 張天森, 蔡美峰, 等. 混凝土材料損傷的聲發射動態監測試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2000, 19(2): 165?168. JI Hongguang, ZHANG Tiansen, CAI Meifeng, et al. Experimental study on concrete damage by dynamic measurement of acoustic emission[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2000, 19(2): 165?168.

[8] 尹賢剛. 受載巖石與混凝土聲發射特性對比試驗研究[J]. 四川大學學報(工程科學版), 2010, 42(2): 82?87. YIN Xiangang. Contrast study on the acoustic emission characteristics of compressive rock and concrete through experiment[J]. Journal of Sichuan University (Engineering Science Edition), 2010, 42(2): 82?87.

[9] 歐陽利軍, 陸洲導, 趙艷林, 等. 混凝土結構聲發射檢測參數設置研究[J]. 重慶建筑大學學報, 2008, 30(5): 37?41. OUYANG Lijun, LU Zhoudao, ZHAO Yanlin, et al. The setting of acoustic emission detecting parameters in concrete structure[J]. Journal of Chongqing Jianzhu University, 2008, 30(5): 37?41.

[10] 紀洪廣, 侯昭飛, 張磊, 等. 混凝土材料聲發射信號的頻率特征及其與強度參量的相關性試驗研究[J]. 應用聲學, 2011, 30(2): 112?117. JI Hongguang, HOU Zhaofei, ZHANG Lei, et al. Experimental studies on the frequency characteristics of acoustic emission in concrete material and its dependences on strength parameters[J]. Applied Acoustics, 2011, 30(2): 112?117.

[11] 吳芳. 新編土木工程材料教程[M]. 北京: 中國建材工業出版社, 2007: 117?125. WU Fang. The new civil engineering materials course[M]. Beijing: China Building Materials Press, 2007: 117?125.

[12] 王學濱. 不同強度巖石的破壞過程及聲發射數值模擬[J]. 北京科技大學學報, 2008, 30(8): 837?843. WANG Xuebin. Numerical simulation of failure processes and acoustic emission of rock specimens with different strengths[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2008, 30(8): 837?843.

[13] 趙興東, 唐春安, 李元輝, 等. 花崗巖破裂全過程的聲發射特性研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2006, 25(增2): 3673?3678. ZHAO Xindong, TANG Chun’an, LI Yuanhui, et al. Study on AE activity characteristics under uniaxial compression loading[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(Supp.2): 3673?3678.

[14] 裴建良, 劉建鋒, 張茹, 等. 單軸壓縮條件下花崗巖聲發射事件空間分布的分維特征研究[J]. 四川大學學報(工程科學版), 2010, 42(6): 51?55. PEI Jianliang, LIU Jianfeng, ZHANG Ru, et al. Fractal study on spatial distribution of acoustic emission events of granite specimens under uniaxial compression[J]. Journal of Sichuan University (Engineering Science Edition), 2010, 42(6): 51?55.

[15] 許江, 李樹春, 唐曉軍, 等. 單軸壓縮下巖石聲發射定位試驗的影響因素分析[J]. 巖石力學與工程學報, 2008, 27(4): 765?772. XU Jiang, LI Shujiang, TANG Xiaojun, at el. Influential factors of acoustic emission location experiment of rock under uniaxial compression[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(4): 765?772.

(編輯 楊幼平)

Experimental research on relationship between frequency characteristics of acoustic emission and strength parameter in concrete

GUO Qinghua1, 2, XI Baoping1, LI Zhiwei1, ZHENG Xiachen1, TIAN Junbin1, ZHU Hehua2

(1. Department of Underground Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai200092, China)

The concrete samples with different strength parameters were tested under uniaxial load. During the whole testing process was monitored synchronously through the acoustic emission (AE) system. The relationship between frequency characteristics parameters of acoustic emission signals and the strength parameters of concrete samples was analyzed. The three-dimensional space evolution of inner crack of concretes was researched in the failure process. The experimental results show that the AE frequency characteristic parameters are affected by the strength parameters of concrete. The AE ring count rate and energy rate are analyzed on the basis of the load-displacement curve and the results show that the AE signals of C10 and C20 concrete (low strength concrete) mainly concentrate on the initial and mid-term stage of elastic domains while the AE signals of C30 and C40 concrete (medium strength concrete) are in the whole failure process and the active stage is at the ultimate load. The test on the 3D-distribution of AE signals, the evolution from generation and growth to connectivity of cracks is proved from the microcosmic point. The experimental study provides an intuitive understanding of the inner structural changes of concrete in the failure process.

concrete; acoustic emission (AE); strength parameter; crack; space evolution

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.04.040

TU528.31

A

1672?7207(2015)04?1482?07

2014?04?14；

2014?06?13

國家自然科學基金資助項目（51478345）；山西省青年科學基金資助項目(2011021023-2)；山西省高校科研開發項目(20111004) (Project (51478345) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2011021023-2) supported by the Shanxi Province science Foundation for Youth; Project (20111004) supported by the Research and development Program of Higher Education of Shanxi)

郤保平，博士，副教授，碩士生導師，從事巖石力學及地下工程防災方面研究；E-mail：xibaoping@163.com