基于聲發射的混凝土全時域損傷試驗研究

楊 康，李冬雪，何兆益，周翰林，李家琪

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074； 2. 重慶交通大學 交通運輸學院，重慶 400074)

0 引 言

混凝土材料在各類建設工程中被廣泛應用，其結構受載開裂產生裂紋，裂紋的擴展延伸，將使結構承載力降低，引發其他病害，從而影響結構正常的使用和安全[1]。因此對混凝土裂縫的產生機制進行深入研究，并對在役混凝土進行有效地監測，評價其損傷程度，進而采取措施預防結構失穩破壞十分必要。

材料中局部快速釋放能量產生瞬態彈性波的現象稱為聲發射(acoustic emission,簡稱AE)，已廣泛應用于結構的動態無損健康監測中[2-5]。聲發射技術已廣泛運用于巖石、金屬等領域。劉傳孝等[6]對不同風化程度的片麻巖進行單軸壓縮試驗，探討了片麻巖風化程度及其聲發射特征的關系；M. CAI等[7]利用聲發射監測的參數信息，從彈性模型獲得巖體中的應力，對巖體強度進行反算。

在混凝土中，裂縫的產生伴隨著彈性波的產生，從而產生聲發射信號。因此通過對聲發射信號進行檢測、記錄和分析，可以實現混凝土內部損傷程度的評估以及損傷的定位識別，有助于進一步認知混凝土內部破壞機理，對在役混凝土安全性研究意義重大。

目前，利用聲發射技術對混凝土的研究主要集中于利用參數變化對混凝土各損傷階段的特征進行分析。胡鈺泉等[8]對混凝土進行動態軸向拉伸斷裂試驗，利用聲發射參數對破壞過程進行階段劃分，結果表明，混凝土軸向拉伸斷裂不具有明顯的裂縫發展階段；劉京紅等[9-10]結合聲發射技術與CT測試研究混凝土受載損傷過程，結果表明，綜合CT圖像與聲發射定位可以對混凝土裂縫萌生和演化損傷的全過程進行分析；郭慶華[11]對混凝土石塊進行壓縮試驗，利用振鈴計數和能量對混凝土損傷階段進行劃分。

由于聲發射技術本身敏感度高，信號較為繁雜，對損傷階段進行精準劃分時對參數的選擇要求較高且常依賴于研究者的經驗判斷，影響了對損傷階段評價的準確性和實用性。

聲發射b值是分析巖石破壞的重要依據之一，常用于巖石內部結構的損傷評價與失穩破壞的預防[12-17]，相比參數法，其結果更直觀、簡便。然而b值運用于水泥混凝土損傷的研究相對較少。賴于樹等[18]利用原始b值公式，對水泥混凝土破壞末期時的b值進行分析，但并未對全時域損傷的b值變化特征進行闡述；XIE Chao等[19]通過b值對多孔混凝土全時域受載損傷進行階段劃分，但并未對水泥混凝土進行研究。

頻率作為聲發射重要信號之一，被廣泛應用于巖石等脆性材料的破壞特征研究[20-23]。目前對混凝土損傷的頻率特征研究較少，且多為定性研究，缺乏成熟的定量研究[24-25]。

基于此，筆者設計完成了混凝土單軸壓縮試驗，試驗全程采集聲發射信號及參數；利用能量參數結合荷載-位移曲線對混凝土全時域受損過程進行評價，并對其損傷階段進行劃分；通過b值進一步評價試件受載全過程的內部損傷；引入頻率因子H，對頻率變化規律進行分析。

1 受載混凝土聲發射試驗

1.1 試驗設備及參數設置

試驗采用萬能壓力機，其最大輸出壓力為3 000 kN，可實現控制恒定位移進行加載；采用SAEU3H聲發射采集系統，可進行最多16通道聲發射信號采集與傳輸。試驗聲發射參數設定為：前置放大40 dB，參數及波形閾值為45 dB。試驗保持0.2 mm/min的加載速率，耗時約11 min，加載系統全程記錄荷載-位移曲線。

1.2 試驗試件

采用強度等級為C30的100 mm×100 mm×100 mm立方體試件和P.O42.5普通硅酸鹽水泥，粗骨料為粒徑5～20 mm的石灰巖碎石，配合比見表1。試件經機械拌合、振動臺振搗后，放置標準養護室養護7 d，成型試件如圖1。

表1 混凝土試件配合比Table 1 Mix proportion of concrete specimen

圖1 試驗試件Fig. 1 Test specimens

1.3 傳感器布設

試驗全程采用4通道進行聲發射信號采集，傳感器布設方式如圖2。

圖2 傳感器布設Fig. 2 Layout of sensors

2 試驗分析

2.1 試驗結果

因1# ～3# 試件實驗結果具有一致性，故筆者取1# 試件進行分析。圖3為1#試件試驗全程全波形。

圖3 全波形Fig. 3 Full waveform

圖4為試件在不同時間點的破壞情況。由圖4可知，在加載前320 s，試件表面無明顯變化；加載320 s左右，混凝土表面開始出現少量細微裂紋；加載320～400 s時，試件表面裂紋大量發展并貫通，試件表面呈現不同程度的碎片剝落，右側表面明顯向外變形隆起；加載400～500 s時，表面裂縫繼續擴展延伸，裂縫寬度增大，承載力逐漸減小至喪失，試驗結束。

圖4 試件損壞現象Fig. 4 Specimen damage

2.2 基于參數的損傷分析

試驗中1#～4# 通道采集到的參數變化趨勢具有一致性，筆者取4# 通道參數進行分析。

聲發射參數的變化規律，可以很好地表征混凝土內部裂紋的發展過程[26]，其中振鈴計數與能量分別反映聲發射信號的數量及強度。圖5、圖6為混凝土受載破壞過程中聲發射累計振鈴計數和累計能量與荷載關系曲線。由圖5、圖6可看出，混凝土受載全時域可以分為4個階段：Ⅰ：初始壓密；Ⅱ：微裂紋萌生；Ⅲ：裂紋擴展貫通；Ⅳ：峰后破壞。其中各階段損傷時段約為：Ⅰ：0～100 s；Ⅱ：100～300 s；Ⅲ：300～500 s；Ⅳ：500～620 s。

圖5 荷載-累計振鈴計數-時程關系曲線Fig. 5 Load-cumulative ringing count-time history curve

圖6 荷載-累計能量-時程曲線Fig. 6 Load-cumulative energy-time history curve

在初始壓密階段，荷載較小，累積振鈴計數增長較緩慢，同時累計能量曲線呈平緩上升趨勢，表明試件內部產生聲發射活動數目較少，并且能量值均較低；隨著荷載增大，進入微裂紋萌生階段，此階段累積振鈴計數與累積能量均無明顯波動，表明此時試件內部產生的聲發射活動數目極少且能量極低；荷載達到峰值附近時，混凝土損傷進入裂紋擴展貫通階段，此時累積振鈴計數和累積能量曲線急劇上升，并且累積能量值存在幾處突變點，表明此時試件內部聲發射活動較為活躍，并且高能量值的聲發射事件較多；試件破壞后聲發射信號顯著減少，累積振鈴計數和累積能量曲線斜率放緩。

在荷載施加初期，混凝土試件骨架受力后，內部原有孔隙及微裂紋發生壓密變形，應力在微裂紋尖端處少量釋放，產生部分能量較低的聲發射事件。

隨著荷載不斷增加，混凝土變形進入階段Ⅱ，此時的應力在微裂紋尖端處不斷累積。而由于混凝土強度較高，混凝土內部砂石顆粒并未立刻發生相對錯位與滑移，微裂紋未立刻延伸發展。因此，此階段聲發射事件較少，并且均為低能量事件。

荷載持續增大至峰值附近時，荷載即將達到混凝土的抗壓強度，此時累積在微裂紋尖端的應力得到釋放，砂石晶體發生大量錯位滑移，微裂紋大量發育擴展并連通，形成宏觀裂縫。荷載達到峰值后開始下降，表明試件逐漸失去承載能力。此階段應力大量釋放，聲發射處于活躍期，產生大量高能量信號。

在峰后階段，由于混凝土強度較高，其核心部件仍有部分殘余承載能力，在荷載作用下仍有部分低能量聲發射信號產生。

2.3 基于b值的損傷分析

b值可以很好地表示材料內部的損傷情況。巖石的相關研究表明，b值的變化趨勢及特征可以反映巖石內部微裂紋尺度的變化情況[27]，其計算方法是利用GR公式對大量的信號參數進行簡化運算，得到b值的變化趨勢。在聲發射領域，GR公式經過運用與改進，其形式如式(1)[28]：

(1)

式中：N為在試驗取定時間范圍內，幅度值M超過預設門檻幅度值m的聲發射事件累計個數，本次試驗m設定為45 dB；AdB為試驗過程中幅度峰值。

試件完全損壞時b設定為1，此時測得N=6 588；幅度峰值AdB=73.82 dB，帶入式(1)得a=7.52，b值公式簡化為式(2)：

(2)

由式(2)求得試驗過程中b值的變化，如圖7。

圖7 b值曲線Fig. 7 b-value curve

由圖7可以發現，混凝土試件在損傷階段Ⅰ時孔隙被壓密，存在少量應力釋放，b值由1.29降至1.2，在A點斜率突然變小，此時試件的損傷由階段Ⅰ向階段Ⅱ過渡。

進入階段 Ⅱ 后，試件內部微裂紋發育較少，主要為應力的大量累積，曲線較為平緩，b值緩慢減小，在B點斜率突然增大，此時試件的損傷由階段 Ⅱ 向階段 Ⅲ 過渡。在階段 Ⅲ 混凝土應力大量釋放，微裂紋大量發育并擴展貫通，b值急劇減小直至在C點接近1，C點之后曲線下降較為平緩，b值無限接近1。

結果表明，b值的變化趨勢可以用來評價混凝土內部的損傷程度。b值的急劇變化更直觀地表明，混凝土損傷處于新階段，標志混凝土損傷進入新階段的突變點(A、B、C)更為精確，精確的損傷階段的劃分為：Ⅰ：0～93 s、Ⅱ：93～296 s、Ⅲ：296～485 s、Ⅳ：485～620 s。。

通過比較參數與b值的評價方法，不難發現，參數的變化較繁雜，混凝土損傷處于新階段時，難以得到準確時間點。若只依靠參數對混凝土損傷階段進行劃分，準確性難以得到保證。而b值的變化趨勢更為簡捷直觀，標志混凝土損傷處于新階段的突變點更為精確。但若單純依靠b值進行損傷分析過于片面，難以對其整體損傷過程進行定量、全面的闡述，而參數數目較多，且均為定量參數，分析水泥混凝土全時域損傷時，相比b值更為全面。

因此混凝土損傷識別分析中，將二者結合進行整體分析，可大大提高損傷識別的準確性及實用性。

3 損傷頻譜分析

試件內部損傷可以通過聲發射基本信號(能量，幅度等)進行推演，通過分析頻譜圖可以進一步對內部損傷進行分析[29]。

圖8為試件損傷各階段經快速傅氏變換FFT頻譜圖。由圖8可知，試件破壞聲發射波頻率主要在200 kHz附近波動，因此筆者取低于200 kHz的頻率信號為低頻信號，高于200 kHz的頻率信號為高頻信號。全過程中，低頻信號主頻率較為穩定，帶寬始終保持在100～180 kHz，峰值在155 kHz附近；高頻信號主頻率呈先增大后減小趨勢，帶寬在200～400 kHz之間波動。

圖8 不同階段聲發射頻率Fig. 8 Acoustic emission frequency diagrams at different stages

為進一步分析損傷過程中高、低頻占比變化與試件損傷的相關性，筆者引入頻率因子。頻率因子定義為超過某一閾值的高頻與低頻信號的帶寬長度之比。其具體計算方式為：將各階段頻率強度最大值定義為頻率峰值，在頻率峰值1/7處做一水平線，水平線對應的頻率強度為閾值；將頻率強度高于此閾值的頻率在此線上進行投影，并將投影長度累加，分別得到各階段高頻與低頻信號的帶寬長度累加值∑L(f>200 kHz)與∑L(f<200 kHz)，則頻率系數H為：

(3)

H越大，表明高頻信號占比越高，反之則越少。每隔50 s取一頻譜圖進行各階段頻率系數計算，共選取12個，各頻譜圖頻率因子計算結果見圖9。

圖9 H值曲線Fig. 9 H-value curve

從圖9可以看出，H值在初始壓密階段較小，未超過1；在微裂紋萌生階段，H值達到1～3.5之間，隨后在階段Ⅲ驟降至最低值；試件破壞后，H值小幅上升，但總體均小于1，處于較低水平，與圖5中聲發射能量信號呈相反態勢，即小尺度破裂對應低能量信號與高頻率信號，反之大尺度破裂對應高能量信號與低頻率信號，這與巖石類準脆性材料相關研究結論一致[30]。

值得注意的是，在階段Ⅱ，H值處于較高水平，試件表面未出現表觀裂紋，能量值亦處于較低水平，但此階段微裂紋的萌生是裂縫擴展的重要前提。此階段高頻信號的驟增，表明試件內部微裂紋尖端應力的大量累積。應力大量累計必然導致后期裂縫大量延伸發展。因此高頻率信號的驟增可視為應力大量累積的重要依據，可以作為預警監控的重要指標。

4 結 論

通過對水泥混凝土時間的單軸壓縮試驗，利用聲發射特征參數與b值對其損傷階段進行劃分，并比較二者優缺點，利用頻率圖分析了損傷過程中高、低頻率信號占比的變化。得到以下結論：

1)聲發射信號可以反映混凝土內部應力的動態演化與細微損傷。聲發射信號在應力累積過程中較弱，呈低且散的特征；在應力集中釋放過程較強，呈高且密的特征。

2)聲發射b值可以作為普通水泥混凝土內部損傷的分析手段。b值的急劇變化表示混凝土損傷處于新階段。水泥混凝土在破壞失穩階段，曲線急劇下降并無限接近于1。

3)對頻率的定量分析表明，水泥混凝土內部小尺度破裂對應高頻率AE信號，大尺度破裂對應低頻率AE信號。高頻率信號的驟增意味著水泥混凝土內部應力大量累積，可以作為預警監控的重要指標。