軸壓與偏壓狀態下混凝土損傷全過程聲發射特征參數分析

曾志偉，梁 劍，曾宇鑫，余 波,2,3

(1.廣西大學土木建筑工程學院，南寧 530004；2.工程防災與結構安全教育部重點實驗室，南寧 530004； 3.廣西防災減災與工程安全重點實驗室，南寧 530004)

0 引 言

混凝土在損傷過程中能量的釋放會產生應力波，即發生聲發射現象。由于混凝土的損傷演化過程與聲發射特征參數的變化規律存在對應關系[1-2]，所以根據混凝土損傷演化過程中聲發射特征參數的變化規律可以評估混凝土的開裂情況和損傷程度[3-5]。然而，聲發射特征參數的種類繁多，包括計數類參數[6]、能量類參數[7]、經歷時間類參數[8]、幅值類參數[9]、時域頻率類參數[10]等。因此，遴選合理的聲發射特征參數來描述混凝土的損傷演化過程成為了國內外學者關注的熱點問題。其中，賴于樹等[11]利用聲發射事件計數對混凝土軸壓損傷全過程進行了階段劃分,Wu等[12]發現聲發射撞擊計數可以用于監測混凝土軸壓損傷全過程的應力和應變演變,周興宇等[13]通過聲發射振鈴計數表征了高溫后混凝土試件的軸壓損傷全過程,Yun等[14]對比分析了頻率、幅值和持續時間在描述混凝土開裂階段時的適用性,Lee等[15]對比分析了幅值、振鈴計數和能量在描述混凝土損傷演化過程中的敏感性。由此可見，目前國內外學者對于聲發射特征參數的選擇不統一。同時，現有的研究成果集中在軸壓狀態下混凝土聲發射特征參數的演化規律分析，但在實際工程中混凝土結構處于偏壓狀態也較為常見。因此，研究軸壓與偏壓狀態下混凝土聲發射特征參數的演化規律對于指導工程實踐具有重要意義。

鑒于此，本文開展了軸壓和偏壓狀態下混凝土損傷全過程的聲發射試驗，研究分析了不同受力狀態下混凝土損傷全過程聲發射特征參數的演化規律，合理遴選了描述混凝土損傷演化過程的聲發射特征參數，揭示了混凝土的應力-應變曲線特征點與聲發射特征參數特征點之間的對應關系。

1 混凝土受壓損傷全過程聲發射試驗

為研究混凝土受壓損傷全過程聲發射特征參數的演化規律，本試驗共制作了3個強度等級為C35的標準立方體(150 mm×150 mm×150 mm)混凝土試件(分別記為C1、C2和C3)。其中，C1用于開展軸心受壓的基準試驗，C2用于開展軸心受壓的驗證試驗，C3用于開展偏心受壓試驗。混凝土的配合比(質量比)為m(水泥) ∶m(砂) ∶m(石) ∶m(水) ∶m(減水劑)=1 ∶1.575 ∶2.362 ∶0.450 ∶0.008。水泥為華潤水泥(南寧)有限公司生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其物理性質和化學組成分別見表1和表2；細骨料為細度模數3.0的欽州河砂，粗骨料為5～25 mm連續級配的石灰石碎石，其物理性質見表3；水為自來水；減水劑為固含量13%的聚羧酸高效減水劑。

表1 水泥的物理性質Table 1 Physical performance of cement

表2 水泥的主要化學組成Table 2 Main chemical composition of cement

表3 細骨料、粗骨料的物理性質Table 3 Physical performance of fine and coarse aggregate

聲發射試驗系統如圖1所示，軸壓試件置于壓力機上下加載板中央，偏壓試件外邊緣與壓力機上下加載板外邊緣對齊。加載設備采用中國科學院武漢巖石力學研究所生產的RMT-201巖石與混凝土力學性能試驗系統，可提供最大1 500 kN的豎向荷載。試驗過程采用速率為0.005 mm/s的位移控制模式進行加載，并在試件對稱側面的中心位置粘貼長度為80 mm的應變片，通過江蘇東華測試技術股份有限公司生產的DH3816N型靜態應力應變測試分析系統采集應變數據。試驗過程中的聲發射信號由美國物理聲學公司生產的Express 8聲發射系統進行采集，采樣頻率設置為1 MHz。將6個R3-α型聲發射傳感器布置在粘貼有應變片的兩對稱面，接觸面使用高真空脂作為耦合劑，用膠帶和皮筋固定傳感器。根據現場試驗環境，設置門檻值為45 dB，前置放大增益為40 dB。

圖1 聲發射試驗系統Fig.1 AE test system

2 破壞形態與聲發射特征參數分析

2.1 應力-應變曲線與破壞形態分析

圖2 混凝土試件的應力應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of concrete specimens

各混凝土試件的應力-應變曲線如圖2所示。由圖可知，三個試件的峰值應力分別為44.31 MPa、45.78 MPa和37.45 MPa，峰值應變分別為1.69×10-3、1.86×10-3和2.41×10-3。其中C1和C2為軸心受壓構件，二者的應力-應變曲線基本吻合，而C3為偏心受壓構件，由于其受力狀態與C1和C2有所不同，其應力-應變曲線存在顯著差異，表現為峰值應力相對較低，而峰值應變相對較大。

三個混凝土試件的破壞形態如圖3所示。其中，C1與C2均呈叉形破壞，試件表面的混凝土基本完全剝落，而C3呈剪切破壞，在偏心受壓區出現沿受力方向開展的剪切裂縫。C3的偏心受壓區在受力過程中始終保持較大的壓應力狀態，導致其偏心受壓區的混凝土率先開裂，在試件核心混凝土發生破壞前，偏心受壓區的表層混凝土已經嚴重剝落，并形成了軸向的貫通裂縫，致使其峰值應力相對較低，同時發生較大變形，最終使其峰值應變相對較大。

圖3 混凝土試件的破壞形態Fig.3 Failure modes of concrete specimens

2.2 聲發射特征參數演化規律分析

根據定義屬性，可以將聲發射特征參數分為5大類[16]，分別為計數類參數(包括振鈴計數和峰值計數)、能量類參數(包括能量、信號強度和絕對能量)、經歷時間類參數(包括持續時間和上升時間)、幅值類參數(包括幅值、平均信號電平ASL和均方根電壓RMS)、時域頻率類參數(包括平均頻率、初始頻率和反算頻率)。上述5大類聲發射特征參數的演化規律如圖4～圖8所示。

圖4 聲發射計數類參數與應力隨應變的變化Fig.4 Change of AE count parameters and stress with strain

聲發射計數類參數與應力隨應變的變化如圖4所示。由圖4可知，根據計數類參數的突變點可以將混凝土受壓損傷全過程分為初始壓密(Ⅰ階段)、裂縫開展(Ⅱ階段)、貫通破壞(Ⅲ階段)3個階段。由圖4(a)與(b)可知，C1的振鈴計數與峰值計數在Ⅰ階段和Ⅲ階段的變化規律基本一致，都在低量級范圍內波動；而二者在Ⅱ階段的分布規律有明顯區別，振鈴計數始終在2.4×104附近波動，而峰值計數在103量級至最大值內劇烈振蕩。分析發現，與峰值計數比較，振鈴計數的突變點更易于進行三階段劃分，且第Ⅱ階段的變化規律更易于監測，后續將采用振鈴計數進行C2和C3的分析。由圖4(c)可知，C2和C1的振鈴計數具有同樣的演化規律，說明其在軸壓試件的演化規律具有一致性。另外，由圖4(d)可知，C3振鈴計數的整體演化規律與C1和C2基本一致，不同的是在Ⅱ階段后期出現劇烈振蕩，這是C3偏心受壓區的表面混凝土剝落，在破壞前已經形成貫通裂縫所致。由此可見，振鈴計數適用于分析軸壓與偏壓試件損傷全過程混凝土的階段性變化規律。

聲發射能量類參數與應力隨應變的變化如圖5所示。由圖5(a)、(b)和(c)可知，C1的能量與信號強度的變化規律基本一致，各階段劃分點位置與振鈴計數的階段劃分點位置相同，區別在于Ⅱ階段能量和信號強度呈先上升后下降趨勢，同時在Ⅱ階段中存在能量與信號強度的最大突變點，與試驗過程中混凝土試件宏觀裂縫發生時刻相對應；C1絕對能量的階段性特征不明顯，但在Ⅱ階段中期出現的最大突變點，與能量和信號強度相對應。因此，能量類參數在第Ⅱ階段的突變點可以作為試件開裂的判斷依據，后續重點采用能量與信號強度進行分析。由圖5(d)可知，C2的能量值在Ⅱ階段后期達到儀器量程極限，導致其不能反映試件受壓損傷過程中的損傷演化規律。根據圖5(e)可以發現，信號強度的演化規律明顯，故優選信號強度作為能量類聲發射特征參數的推薦參數進行后續分析。對比圖5(b)、(e)和(f)可知，C3第Ⅱ階段的信號強度突變點要比C1與C2出現的更早，與試驗現象中C3混凝土出現宏觀裂縫更早相對應。由此可見，信號強度適用于分析混凝土試件軸壓與偏壓狀態下損傷全過程的演化規律。

聲發射經歷時間類參數與應力隨應變的變化如圖6所示。由圖6(a)與(b)可知，C1的持續時間可以將損傷階段進行三階段劃分，且階段劃分點與振鈴計數和信號強度保持一致；而用振鈴計數與信號強度的階段劃分點對C1的上升時間進行三階段劃分的效果較差，階段分界點不易于辨別，且在第Ⅱ階段的分布沒有明顯規律，所以采用持續時間進行后續分析。由圖6(c)與(d)可知，C2與C3持續時間的分布規律與C1基本一致，不同的是C3的持續時間在Ⅱ階段后期出現劇烈振蕩，與其振鈴計數在Ⅱ階段的規律一致，均是偏心受壓區出現貫通裂縫所致。由圖6可知，C1、C2與C3的持續時間在第Ⅱ階段的分布穩定且集中在1×106μs，可以作為Ⅱ階段的判別依據。因此，持續時間適用于分析試件軸壓與偏壓狀態下混凝土損傷全過程的演化規律。

圖5 聲發射能量類參數與應力隨應變的變化Fig.5 Change of AE energy parameters and stress with strain

圖6 聲發射經歷時間類參數與應力隨應變的變化Fig.6 Change of AE elapsed-time parameters and stress with strain

聲發射幅值類參數與應力隨應變的變化如圖7所示。由圖7(a)、(b)和(c)可知，C1的幅值具有明顯的三階段特征，在Ⅰ階段和Ⅲ階段幅值分布范圍較廣，而在Ⅱ階段只存在高水平幅值；而根據C1的平均信號電平ASL和均方根電壓RMS很難直觀地判別損傷階段，故采用幅值進行后續分析。由圖7(d)可知，C2與C1的幅值分布基本一致。由圖7(e)可知，C3與C1和C2在Ⅱ階段的幅值分布有所區別，C3的幅值在第Ⅱ階段沒有上升趨勢，一直維持在70 dB以上，而C1和C2在此階段的幅值均呈現出上升趨勢，主要原因在于C3在Ⅱ階段初期偏心受壓區便有宏觀裂縫出現，此階段C3的幅值迅速攀升。由此可見，幅值適用于分析混凝土試件軸壓與偏壓狀態下損傷全過程的演化規律。

聲發射時域頻率類參數與應力隨應變的變化如圖8所示。由圖8(a)、(b)和(c)可知，C1的平均頻率、反算頻率和初始頻率均具有三階段特征，但考慮到平均頻率是整個持續時間上的計算頻率，所以優選平均頻率進行后續分析。對比圖8(d)和(e)發現，在第Ⅱ階段C1、C2和C3平均頻率的優勢頻率分別為26 kHz、20 kHz和22 kHz，雖然不同試件平均頻率的優勢頻率存在一定差距，但其變化幅度不大，且具有明顯的階段性特征，可將其作為Ⅱ階段的判別依據。因此，平均頻率適用于分析軸壓與偏壓試件混凝土受壓損傷全過程的演化規律。

圖7 聲發射幅值類參數與應力隨應變的變化Fig.7 Change of AE amplitude parameters and stress with strain

圖8 聲發射時域頻率類參數與應力隨應變的變化Fig.8 Change of AE time-domain frequency parameters and stress with strain

通過分析混凝土試件受壓損傷全過程中聲發射特征參數的演化規律，發現振鈴計數、信號強度、持續時間、幅值和平均頻率均能較好地表征混凝土受壓損傷全過程的演化規律，且各參數對混凝土的開裂非常敏感。其中，振鈴計數與持續時間對貫通裂縫的出現十分敏感，貫通裂縫的出現會使振鈴計數與持續時間產生陡降的現象，而信號強度與幅值對宏觀裂縫的出現十分敏感，宏觀裂縫的出現會使信號強度與幅值產生陡升的現象。

3 應力-應變曲線特征點與聲發射特征參數特征點的關系

根據上述分析可以發現，聲發射特征參數不同階段的分界點與應力-應變曲線的特征點具有一定的關聯性。其中，第一個分界點位于試件壓密階段與彈性階段之間，表征了混凝土試件原始缺陷被壓密以及新裂紋的萌芽；第二個分界點位于試件破壞階段前后，表征了混凝土試件貫通裂縫的形成節點，與混凝土試件的破壞進程有關。其中，C1與C2的貫通裂縫形成于峰值點之后，而C3的貫通裂紋形成于峰值點之前，主要原因在于C1與C2為軸心受壓構件，產生叉形破壞，試件在達到峰值應力前一直沒有產生貫通裂縫，而C3為偏心受壓構件，產生剪切破壞，試件在達到峰值應力前已經在偏心受壓區產生軸向的貫通裂縫。另外，信號強度的最大突變點位于試件裂縫穩定發展階段與不穩定發展階段之間，表征了試件第一條宏觀裂縫的形成節點，與試件的破壞進程有關，C3第一條宏觀裂縫形成的時間節點早于C1與C2，所以C1和C2在第Ⅱ階段后期出現信號強度的最大突變點，而C3在第Ⅱ階段前期便出現信號強度的最大突變點。通過上述分析發現，聲發射特征參數的特征點可以很好地闡釋試件受壓損傷過程中裂縫的開展情況，且對損傷過程中裂縫的出現異常敏感。

表4為聲發射特征參數特征點處的應力-應變曲線特征值。根據表4可知，在軸心受壓和偏心受壓混凝土試件的破壞過程中，聲發射特征參數特征點中的第一個分界點對應于彈性階段的起點，第二個分界點對應于峰值應力點，信號強度的最大突變點對應于試件開裂點。其中，第一個分界點和第二個分界點與應力-應變曲線特征點的對應關系較為穩定，應力水平分別介于12%～17%與95%～98%，應變水平分別介于23%～29%與89%～108%；而信號強度的最大突變點與試件實際的開裂情況直接相關，雖然軸壓試件與偏壓試件信號強度最大突變點處的應力水平與應變水平沒有確定的對應關系，但也反映了聲發射信號對試件裂縫開展的靈敏性。

表4 聲發射特征參數特征點處的應力-應變曲線特征值Table 4 Characteristic value of stress-strain curve at characteristic point of AECPs

4 結 論

(1)試驗分析表明，利用振鈴計數、持續時間、幅值、信號強度和平均頻率可以較好地表征軸壓與偏壓狀態下混凝土損傷全過程的演化規律。

(2)混凝土裂縫的開展會直接影響振鈴計數、持續時間、幅值與信號強度的演化規律。其中，貫通裂縫的出現會使振鈴計數與持續時間產生陡降的現象，而宏觀裂縫的出現會使信號強度與幅值產生陡升的現象。

(3)混凝土試件受壓破壞過程中聲發射特征參數特征點與應力-應變曲線特征點之間具有高度的相關性。其中，混凝土試件在破壞過程中聲發射特征參數特征點中的第一個分界點對應于應力-應變曲線彈性階段的起點，第二個分界點對應于應力-應變曲線的峰值應力點，信號強度的最大突變點對應于應力-應變曲線的開裂點。另外，偏心受壓混凝土試件開裂時應力水平與應變水平相對較低，而軸心受壓混凝土試件開裂時應力水平與應變水平相對較高，導致偏心受壓狀態下混凝土信號強度的最大突變點早于軸心受壓混凝土試件。