聲發射技術在混凝土中的研究進展

黃有棟

（廣西大學 土木建筑工程學院， 廣西 南寧 530004）

0 引言

聲發射技術誕生于上世紀 30年代，人們將聲發射技術應用于礦山巖石爆破方面的相關預測。之后，聲發射技術被逐漸運用到地質勘探與航空航天領域的研究。到上世紀50年代，Kaiser發現了材料變形所產生的的聲發射信號具有不可逆效應，即“凱塞效應”。再到 Rusch對混凝土材料受力后的聲發射信號進行分析，發現了凱塞效應只有在混凝土極限應力 70%～85%以下時才會產生。到如今，聲發射技術作為一種有著獨特優勢的無損檢測技術，已經廣泛應用于土木工程，并且取得了令人矚目的發展。通過對聲發射檢測系統收集到的聲發射信號，對聲發射信號中的特征參數與波形進行分析，就能很好的了解到混凝土材料內部損傷情況。本文簡要介紹了聲發射的概念與其工作的基本原理，總結了當前聲發射技術在混凝土領域的研究進展。

1 聲發射技術簡介

1.1 聲發射技術概念

當材料某一區域受到外荷載或者內力作用時，材料產生變形位移，此時材料會迅速向外放出能量，產生瞬時態的彈性波的現象就是聲發射。聲發射是一種生活中比較常見的現象，通常材料變形都會伴隨著聲發射的產生，通過聲發射檢測系統對聲發射信號的采集分析，就能很好的了解到材料內部的損傷情況，從而能對結果進行損傷破壞預警。

1.2 聲發射技術基本原理

當聲發射現象產生的瞬時彈性波傳到材料的表面時，就會被聲發射檢測系統的高靈敏傳感器所捕捉，布置在材料表面的傳感器會根據振動的強弱將振動信號轉化強度不一的電信號，電信號經過聲發射檢測系統的放大器的放大與增益處理后就能進入到聲發射檢測系統的采集系統，通過采集系統對這些聲發射信號的計算分析和處理，就能將結果反映到顯示系統上，從而根據結果我們就能判斷材料內部損傷變化情況。聲發射技術的基本原理如圖1。

圖1 聲發射技術基本原理Fig. 1 Basic principles of acoustic emission technology

2 混凝土聲發射b值研究現狀

聲發射b值的概念為累積的聲發射事件頻數的對數與振幅之間線性關系的負梯度。當b值較大時表明聲發射事件數中小振幅事件數所占比例較大，大振幅事件數所占比例較小，結構損傷劣化較輕，而當b值變小說明小振幅事件數所占比例降低，大振幅事件數所占比例變高時，說明結構的宏觀裂縫即將出現。因此工程上常用b值來對混凝土結構的損傷破壞進行預警。國內外學者對此也做了許多研究。

Colombo[1]最早將b值引入到混凝土結構的分析中，他將b值定義為振幅值與聲發射事件數頻度對數的直接線性關系的斜率。且詳細說明了b值分析在混凝土梁中的可行性，結果發現計算所得b值與混凝土梁的斷裂破壞過程具有較好的對應關系。Colombo點燃了學者對b值研究的熱情。

Vidya Sagar[2]研究了加載速率對RC結構裂縫發展過程中聲發射b值變化的影響。以4 kN/s、5 kN/s和6 kN/s的荷載控制速率對3.2 m長的鋼筋混凝土梁進行了試驗，并利用地震學中的b值分析方法研究了鋼筋混凝土結構的斷裂過程。此外，b值與鋼中的應變有關，可用于評估損傷狀態。結果表明，加載速率越高，裂紋發展越快，b值波動越大，下降越快。也可以觀察到混凝土在更高的加載速率(或更高的應變速率)下表現出相對更脆。在低加載率(或低應變率)下，發生少量但較大的聲發射事件，相對于發生較多的低振幅聲發射事件，平均b值較低。

Alberto Carpinteri[3]將b值應用到脆性混凝土在受到外荷載作用時的聲發射信號分析中，他對混凝土結構的塑性變形階段到脆性斷裂這一階段的b值進行了重點分析，結果發現這一過程總b值的變化范圍為1.0～1.5，且b值是從1.5降到了1.0。

雖然我國對于混凝土b值的研究起步較晚，但也在一定程度上對混凝土的聲發射b值研究做出了比較重大的貢獻。Li[4]提出了一種基于數字信號處理技術的新方法。然后對普通混凝土和高強混凝土在單軸拉伸下進行聲發射分析，通過解釋聲發射事件的活動和位置來研究損傷的開始和發展。結果表明，用該方法確定聲發射信號p波到達時間是很成功的。研究發現，微裂紋早在峰值應力出現之前就開始了。普通混凝土和高強混凝土的局部化現象都很明顯。

3 混凝土凱塞效應研究現狀

凱塞效應一直是學者們關注的焦點，它最早是由德國科學家Kaiser[5]在對金屬進行試驗時發現的，凱塞效應的概念是材料在往復荷載的作用下，唯有當再次作用的荷載大于前一次所加荷載時，材料才會產生聲發射現象，表明記憶性是材料的一種性質。Rusch[6]與Mccabeetal[7]在對混凝土與巖石進行試驗時，發現混凝土與巖石中同樣存在凱塞效應。

Takeshi-Watanabe[8]為了明確骨料再生混凝土的斷裂過程特征，采用聲發射技術檢測混凝土在壓縮作用下的微裂紋。研究了一種提高再生骨料混凝土強度的方法。結果發現混凝土的凱塞效應與混凝土強度等級存在一定關系，隨著混凝土強度等級的提高，凱塞效應會愈加明顯。

Dr Carol K Shield[9]通過三根普通鋼筋和兩根預應力混凝土梁在三點彎曲下循環加載直至破壞。利用聲發射(AE)監測裂紋的起裂和彎曲裂紋擴展，并與目測結果進行比較。結果發現，在加載階段兩種類型的梁均有較明顯的凱塞現象產生，但在卸載階段預應力混凝土梁的聲發射信號仍然非常明顯，而普通鋼筋混凝土梁的聲發射信號已經很弱。

紀洪廣[10]通過試驗證明了凱塞效應與弗勒斯特效應確實存在。凱塞效應在混凝土往復加載試驗中不僅具有應力上限（極限應力的70%～80%），還有應力下限（極限應力30%～40%）。應力上限是由混凝土破壞機制所導致，應力下限則是由混凝土本身的材料結構特點所決定的。

李冬生[11]發現在聲發射技術評價自愈合混凝土損傷變化時，應用凱塞效應與弗勒斯特效應能夠簡便且直觀地評價自愈合混凝土愈合效果的好壞。弗勒斯特效應越顯著，愈合效果越好；而隨著凱塞效應愈加顯著，愈合效果會降低。

對混凝土材料凱瑟效應的研究具有非常重要的意義，因為可以通過對混凝土結構凱塞效應的分析，得到混凝土材料以前所受過的最大荷載，這就能對混凝土材料當前的損傷狀況作出評價，為工程建設提供理論指導。

4 混凝土斷裂的聲發射特性研究現狀

聲發射技術是一種具有其獨特優勢的無損檢測技術，在混凝土斷裂力學領域已的到廣泛運用。1970年，Green發現，利用聲發射技術可以很好的對混凝土梁的斷裂破壞全過程進行實時監測。B.K.Raghu Prasad[12]通過三點彎曲斷裂試驗，研究了混凝土試件尺寸與聲發射能與斷裂能的關系，結果發現隨著混凝土試件尺寸的增加，聲發射能與斷裂能均提高。門進杰[13]基于聲發射技術進行了四點彎曲剪切試驗，結果發現混凝土梁的起裂與屈服時刻與聲發射特征參數的突變時刻基本一致，表明可以利用聲發射特征參數的演化規律來描述試件的斷裂破壞全過程，且還發現聲發射的損傷事件定位與實際破壞時裂紋數量和位置基本一致。Yu[14]通過偏縫設計，基于聲發射技術進行了混凝土梁四點剪切試驗，探究了混凝土梁試件I-II復合型斷裂破壞的過程，分析了混凝土在隨機骨料狀況下，試件裂縫的發展路徑與演化過程。

可以看到聲發射技術作為一種正處于快速發展中的無損檢測技術，在混凝土斷裂力學領域也取得了令人矚目的成果。聲發射技術可實時得到混凝土材料內部的損傷信息，及動態破壞過程，通過對聲發射信號的對比分析，可從不同角度探究混凝土裂縫的擴展趨勢與損傷的演化規律。

5 結論與展望

可以看到，聲發射技術作為一種先進的無損檢測技術，在混凝土領域的研究中已經取得了較為豐富的成果。但可以看到聲發射技術在混凝土損傷中的理論研究任然較少，研究的進程目前仍落后于是的應用。同時，聲發射技術在混凝土耐久性中的應用以及在鋼筋混凝土中的理論研究仍是不足。為此，筆者認為這幾個點可以作為聲發射技術未來研究的熱點，對他們做進一步的研究。