基于聲發(fā)射理論的混凝土結(jié)構(gòu)靜力損傷試驗研究*

吳麗琴，楊業(yè)宇

（廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530003）

1 聲發(fā)射概述

1.1 聲發(fā)射技術(shù)概述

聲發(fā)射信號是一種自然物理現(xiàn)象，是材料局部快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，其原理是材料受外力作用后內(nèi)部結(jié)構(gòu)快速變化而引起的應(yīng)力集中，促使機械能轉(zhuǎn)化為聲能而產(chǎn)生彈性波，其頻率多為1～1000kHz。人體能直接接收聽到的聲發(fā)射較少，多數(shù)材料的聲發(fā)射信號強度小，需要借助靈敏度高的電子儀器進行檢測和顯示（見圖1），這種用儀器探測、記錄、分析和顯示的技術(shù)就是聲發(fā)射技術(shù)。

圖1 聲發(fā)射檢測原理圖

1.2 聲發(fā)射技術(shù)發(fā)展歷史

聲發(fā)射技術(shù)是新型的無損檢測技術(shù)，最初由德國科學(xué)家在20世紀50年代發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用，隨后聲發(fā)射技術(shù)引起了國外諸多學(xué)者的關(guān)注。20世紀末，聲發(fā)射技術(shù)被深入研究，取得了眾多理論成果，進而在實際工程中的應(yīng)用也逐漸成熟，獲得快速發(fā)展。21世紀以來，數(shù)字化聲發(fā)射系統(tǒng)問世，使聲發(fā)射檢測技術(shù)更加智能化、簡便化、實用化，結(jié)構(gòu)定損更加精準，同時也實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)傳輸，完善了諸多功能，提高了機械智能化程度，極大地提高了聲發(fā)射的可操作性。我國在20世紀70年代開始引入聲發(fā)射技術(shù)，其后隨著國內(nèi)學(xué)者的不斷努力和完善，我國成功研制出水平先進的聲發(fā)射檢測設(shè)備，將聲發(fā)射檢測技術(shù)的應(yīng)用和研究推向高潮。目前，聲發(fā)射技術(shù)在航天工程、機械工程、橋梁結(jié)構(gòu)工程、巖土工程等領(lǐng)域獲得了有效的應(yīng)用。

2 聲發(fā)射檢測技術(shù)的優(yōu)缺點

聲發(fā)射技術(shù)是一種被動且實時探測的無損檢測技術(shù)，能被動接受材料因外部作用而釋放的彈性波信號，對材料結(jié)構(gòu)自身無損傷，也更接近結(jié)構(gòu)的真實狀態(tài)，能精準定位到結(jié)構(gòu)損傷位置。聲發(fā)射技術(shù)具有實時動態(tài)特性，可以精準定位被檢測結(jié)構(gòu)的損傷部位，且檢測儀器使用方便快捷，不受被檢測結(jié)構(gòu)的外形、結(jié)構(gòu)的尺寸、天氣、溫度等因素干擾，檢測數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)遠程傳輸。聲發(fā)射技術(shù)比其他無損檢測技術(shù)更加便捷和精準，因此在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

聲發(fā)射技術(shù)雖然取得了巨大的成功，其檢測技術(shù)也有了飛躍式的發(fā)展和進步，但仍存在一些不足之處。因此，需要進一步加強聲發(fā)射產(chǎn)生機理的研究，為聲發(fā)射檢測技術(shù)在工程中的應(yīng)用提供可靠的理論依據(jù)；需要繼續(xù)深入研究尋找消除噪聲的新方法，或研制出更加適合在噪聲環(huán)境下工作的檢測儀器；需要加強聲發(fā)射設(shè)備和操作系統(tǒng)的研發(fā)工作，促使聲發(fā)射檢測智能化、精準化；需要加快聲發(fā)射檢測標準體系的建設(shè)，不斷完善我國的聲發(fā)射檢測技術(shù)；需要增加聲發(fā)射檢測技術(shù)在不同的破壞機制下的研究工作等。

3 基于聲發(fā)射理論的混凝土結(jié)構(gòu)靜力損傷試驗

混凝土結(jié)構(gòu)受外部荷載、環(huán)境因素等影響，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化、出現(xiàn)微小裂紋，進而導(dǎo)致出現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、承載力和剛度等降低的現(xiàn)象，總體上稱為混凝土結(jié)構(gòu)損傷，混凝土結(jié)構(gòu)損傷屬于不可逆的狀態(tài)。在多數(shù)情況下，混凝土結(jié)構(gòu)是由自身內(nèi)部缺陷引發(fā)新?lián)p傷，然后累積到一定程度產(chǎn)生裂縫，最終造成混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。因此，材料自身缺陷是研究靜力損傷的主要方面，研究損傷積累引發(fā)的力學(xué)性能改變和破壞過程及規(guī)律等有助于進一步分析混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷程度，為進一步確定治理方案等奠定基礎(chǔ)。

3.1 混凝土試件準備及加載

文章為了研究混凝土結(jié)構(gòu)靜力損傷，在直剪試驗的基礎(chǔ)上設(shè)計了“Z”形混凝土試件進行試驗，選用強度等級為C50的混凝土按照規(guī)范要求制作混凝土試件，采用的混凝土配合比為碎石∶水泥∶粉煤灰∶礦粉∶砂∶水∶添加劑=2.8∶1∶0.12∶0.3∶1.8∶0.4∶0.04，對混凝土試件按規(guī)范要求養(yǎng)護28d，進行抗壓強度測試，具體測試結(jié)果見表1。

表1 不同混凝土試件養(yǎng)護28d的抗壓強度測試結(jié)果 單位：MPa

為了研究混凝土試件在不同受力狀態(tài)下?lián)p傷的情況，分別對C1、C2、C3采用不同的加固方式（見圖2、圖3），然后對“Z”形混凝土試件采取不同的加載方式施加荷載，分別對試件進行水平荷載為0kN和30kN的加載方式（見圖4），然后施加豎向荷載，觀察試件的基本受力狀態(tài)，設(shè)置聲發(fā)射相關(guān)參數(shù)，盡量消除外界噪聲影響，并做好試驗前的傳感器檢驗工作，以減少試驗誤差。

圖2 試件C1加固示意圖

圖3 試件C2、C3加固示意圖

圖4 試件加載示意圖

3.2 混凝土試件損傷定位結(jié)果及失穩(wěn)破壞狀態(tài)

通過分析試件破壞時的承載力可知，C2混凝土試件的承載能力為72.2kN，高于C1混凝土試件破壞時的53.5kN，C1比C2更容易在剪切位置發(fā)生破壞；C3混凝土試件的承載能力為121.5kN，高于C2混凝土試件，應(yīng)該是施加了水平力的緣故，而且C3混凝土試件從裂紋出現(xiàn)到貫穿破壞期間裂縫發(fā)展速率較慢，與C1、C2混凝土試件破壞有差異。在試驗中，利用聲發(fā)射技術(shù)對混凝土結(jié)構(gòu)損傷進行定位，結(jié)果較為準確。

3.3 聲發(fā)射累計能量變化

整體聲發(fā)射活動趨勢比較有規(guī)律，能夠反映出混凝土結(jié)構(gòu)的損傷變化過程。混凝土結(jié)構(gòu)因自身損傷缺陷，在外力作用下開始加劇直至最終失穩(wěn)破壞，其聲發(fā)射活動規(guī)律與結(jié)構(gòu)損傷變化規(guī)律有密切的聯(lián)系，因此分析混凝土結(jié)構(gòu)在聲發(fā)射檢測過程中檢測到的累計能量變化規(guī)律，可以有效地反映出結(jié)構(gòu)整體損傷的變化過程。試驗結(jié)果顯示，在荷載施加初期，聲發(fā)射累計能量增長比較緩慢，其結(jié)構(gòu)損傷比較穩(wěn)定；當荷載增加至30%極限荷載后，聲發(fā)射累計能量增長速度開始加快；當荷載增加至75%極限荷載后，累計能量迅速增加，混凝土試件結(jié)構(gòu)開始發(fā)生破壞，在C1、C2、C3三個試件中，累計能量與軸向荷載施加有相似的變化規(guī)律。

3.4 聲發(fā)射速率變化

當混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷持續(xù)發(fā)展至較嚴重的變形時，儀器采集的聲發(fā)射信號數(shù)量將大幅度增加，發(fā)射速率也會持續(xù)變大。試驗顯示，在荷載施加初期，聲發(fā)射速率呈緩慢增長態(tài)勢；結(jié)構(gòu)損傷相對進入穩(wěn)定狀態(tài)后，聲發(fā)射速率會保持平穩(wěn)狀態(tài)；試件臨界破壞時，聲發(fā)射速率快速增加。聲發(fā)射速率變化規(guī)律與聲發(fā)射累計能量變化規(guī)律基本一致，因此可以綜合聲發(fā)射累計能量和聲發(fā)射速率結(jié)果判斷混凝土結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)。

3.5 混凝土結(jié)構(gòu)損傷變化規(guī)律

根據(jù)試驗結(jié)果對混凝土試件的聲發(fā)射累計能量和聲發(fā)射速率隨荷載加載狀態(tài)的變化規(guī)律進行分析，認為整個混凝土試件破壞分為三個階段。

一是初期加載階段，是荷載從0%增加到30%極限荷載的階段。在此階段，聲發(fā)射累計能量和聲發(fā)射速率均平穩(wěn)增長，因為該階段混凝土自身損傷引發(fā)的彈性波信號，損傷變形還處于微觀層次，不會產(chǎn)生大量的能力釋放。二是混凝土結(jié)構(gòu)損傷持續(xù)發(fā)展階段，是極限荷載為30%～75%的階段。在此階段，混凝土損傷隨著荷載增加而持續(xù)增大，其內(nèi)部逐漸產(chǎn)生新的裂縫，并不斷地擴展和延伸，因此聲發(fā)射累計能量和聲發(fā)射速率在較高的水平下趨于穩(wěn)定狀態(tài)。三是混凝土結(jié)構(gòu)破壞階段，是極限荷載為75%～100%的階段。該階段隨著荷載的持續(xù)增加，試件內(nèi)部裂縫迅速發(fā)展直至破壞，聲發(fā)射累計能量和聲發(fā)射速率在這個階段迅速增加，其曲線有明顯的變化拐點。

4 結(jié)束語

鋼筋混凝土在現(xiàn)代建筑工程中的應(yīng)用十分廣泛，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷對建筑工程的安全存在一定的隱患。聲發(fā)射檢測技術(shù)是一種實時的無損檢測技術(shù)，可以及時有效地檢測混凝土內(nèi)部損傷位置和程度，能及時有效地指導(dǎo)對混凝土缺陷的處理，具有準確、方便、快捷等特點，當前國內(nèi)已將其廣泛地應(yīng)用于材料試驗、建筑工程、航天和航空工業(yè)、金屬加工等諸多領(lǐng)域的無損檢測工作中。