混凝土強度等級對聲發射波傳播特征的影響

虞愛平,陳哲涵,吳曉蔓,毛飛騰,陳宣東

(1.桂林理工大學 土木與建筑工程學院,廣西 桂林 541000;2.廣西巖土力學與工程重點實驗室,廣西 桂林 541000)

0 引言

聲發射(acoustic emission, AE)技術是一種高效的、可持續的無損檢測方法,通過監測材料在斷裂過程中產生的瞬時彈性波來實時監測材料的實際狀態[1-5]。在聲發射監測過程中,通常認為聲發射波在均質材料(如金屬等)中沿直線勻速傳播,所以可直接將聲發射源與聲發射傳感器間的直線距離看做波的傳播路徑,以此推測聲發射源的性質。但混凝土是一種三相復合材料,包括骨料、水泥砂漿和界面過渡區(interfacial transition zone, ITZ)[6-7]。聲發射波遇到不連續邊界(孔隙、裂縫等)或骨料界面時會產生折射、衍射、色散等現象,從而導致波形產生嚴重畸變[8-9],此時按照接收到的信號直接判斷聲發射源的狀態會非常容易得出錯誤的結論。因此,明確混凝土原材料的組成比例對聲發射波傳播特性的影響是利用聲發射技術對混凝土材料進行有效監測的基礎,對實際混凝土工程損傷監測具有重要意義。

近年來,學者們針對混凝土材料組成和微觀結構對聲發射特性的影響進行了一系列的探索和嘗試。文獻[10-12]均發現骨料粒徑是聲發射檢測結果的主要決定因素之一,且會對監測結果造成難以避免的誤差。文獻[13]發現聲發射波速受砂率影響很大。砂率會對聲發射定位造成明顯影響。以上研究表明,混凝土組分對聲發射波傳播行為的影響是聲發射監測不可忽視的問題。聲發射技術在混凝土領域的進一步發展取決于如何考慮混凝土中聲發射波的傳播行為[14]。

混凝土強度等級是其最重要的特性之一[15]。混凝土中的水泥砂漿和骨料具有大致相同的聲阻抗系數(107kg/m2·s),而充斥于孔隙中的空氣的聲阻抗系數(1.3 kg/m2·s)遠小于前兩種固體成分的聲阻抗系數。聲發射波不能直接通過孔隙中的空氣傳播,且在孔隙界面會發生反射等現象,使其傳播行為復雜化。而這些孔隙的數量、體積等與混凝土的強度等級有密切的關系。隨著混凝土強度等級的提高,孔隙率通常會下降[16-17]。綜上,混凝土強度等級對聲發射波的傳播衰減特征應該存在明顯的影響,但目前尚未見到對其進行系統研究的報道。因此,本文制備C30、C40和C50等3種強度等級的混凝土試件,并對其進行斷鉛試驗,通過聲發射能量參數、波速參數和傅里葉變換研究聲發射波在不同強度的混凝土中的傳播衰減特征。

1 試驗設計

1.1 材料和配合比

本研究的原料為海螺牌PO42.5普通硅酸鹽水泥、細骨料、粗骨料和水。普通硅酸鹽水泥(PO42.5水泥)符合中國國家標準《通用硅酸鹽水泥:GB 175—2020》。細骨料為中砂,表觀密度為2.63 kg/m3,累積密度為1 530 kg/m3,細度模量為2.83。粗骨料為碎石,表觀密度為2.63 kg/m3,累積密度為1 440 kg/m3,采用5～10 mm、10～15 mm和15～20 mm連續級配。中砂和碎石均產自桂林祥久沙場,且用水清洗后烘干。本文制備了C50、C40和C30共3組不同強度等級的素混凝土梁,尺寸為150 mm×150 mm×1 200 mm,每組2根,各組試件的配合比如表1所示。混凝土試件的砂率控制在0.35。所有試件同一批次澆筑,在澆筑24 h后脫模,并隨即進行標準養護,養護溫度為20 ℃,養護濕度為95%。

表1 混凝土試件配合比 kg/m3

1.2 試驗儀器

本試驗選擇的聲發射監測系統為美國物理聲學公司生產的16通道第三代全數字化系統Sensor Highway 3型聲發射裝置,傳感器選用同公司生產的PK15I窄帶諧振傳感器,諧振頻率為151 kHz,靈敏度值大于70 dB。試驗中聲發射系統放大器增益為26 dB,采樣率為1 MHz,采樣長度為1 000格。詳細試驗參數設置見表2。

1.3 試驗過程

目前,利用鉛筆芯折斷(pencil-lead break,PLB)產生的突發型信號來模擬聲發射源是聲發射測試的主要手段。這種方法由于成本低廉、操作簡單、可重復性高而被廣泛應用于各種材料的聲發射檢測中[18-21]。本試驗利用這種方法產生的模擬聲發射信號來研究混凝土強度等級對聲發射波傳播特征的影響。斷鉛裝置采用采用鉛芯為0.5 mm、硬度HB的自動鉛筆,斷鉛時鉛芯長度約為2.5 mm,與試件表面夾角保持在30°左右。試驗系統和聲發射傳感器布置如圖1所示。實驗步驟如下:

(Ⅰ)用細砂紙將梁表面的浮灰磨平并將其清除。

圖1 試驗系統圖

(Ⅱ)按圖1所示用硅膠耦合劑布置傳感器,檢查傳感器與試件表面的耦合情況。

(Ⅲ)在1#傳感器左側進行10次斷鉛試驗,每次間隔10 s。取所有試驗所得結果的平均值作為最終結果。近似地,將1#傳感器接收到的信號作為原始信號。為方便描述,下文中以2#～11#傳感器的編號表示對應傳感器接收到的信號。

2 結果與討論

2.1 聲發射能量衰減分析

聲發射能量是時間信號檢波包絡線下的面積,如圖2所示。聲發射能量同時考慮了幅值、振鈴計數、頻率和持續時間等因素,是一個綜合反映信號強度的物理量。各組試件的聲發射信號能量衰減規律如圖3所示。各組原始的原始能量具有較大離散性,這是因為斷鉛試驗產生信號的頻率信息非常復雜,對能量產生了很大的影響。當聲發射信號傳播100 mm后,離散性減小,傳播200 mm時10次測試結果已趨于一致。能量的衰減主要產生在300 mm以內,300 mm之后能量變化很小,尤其在短距離范圍內(100 mm)衰減顯著,即能量對小距離變化較為敏感,因此通過能量衰減函數來反演小尺寸構件的原始信號對聲發射監測具有重要意義。各組試件的擬合結果見式(1)～式(3),曲線相關系數R2均在0.95以上,滿足工程精度要求,說明能量隨距離衰減擬合曲線具有良好的負指數相關性。當聲發射信號在C30、C40和C50混凝土中傳播時,其衰減系數分別為0.013 94、0.010 67、0.005 68。隨著混凝土強度等級的提高,聲發射能量衰減呈減小趨勢,主要是因為試件的孔隙率減小,內部結構更加密實,彈性波在傳播時產生的折射、散射以及摩擦減少。在聲發射源定位后,可以利用式(1)～式(3)反演聲發射源信號的特征,還原聲發射源的真實狀態。

圖2 突發型信號特征參數

(a) C30

對C30混凝土:

y=321.155 04e-0.013 94x,R2=0.957 52;

(1)

對C40混凝土:

y=316.792 62e-0.010 67x,R2=0.966 86;

(2)

對C50混凝土:

y=275.263 35e-0.005 68x,R2=0.966 79,

(3)

其中:x為傳播距離, mm。

2.2 波速分析

蓋革(Geiger)算法是最傳統的聲發射定位方法,這種方法假定材料中的聲發射波速恒定,且沿直線傳播。但在非均質材料中,這樣的假設會導致誤差的產生。文獻[22-23]認為混凝土的非均質性對波速有明顯影響。考慮這種影響有助于改進聲發射定位精度。考慮波速的變化規律是改進聲發射定位精度的主要思路之一。因此,本節選用波速作為分析對象。

在傳統假設下,以兩個傳感器間的直線距離作為聲發射波的傳播路徑,故波速為:

(4)

其中:vi,j為第i和第j個聲發射傳感器間的波速, m/s;ti、tj分別為第i和第j個聲發射傳感器接收到同一個聲發射信號的時間, s;l為第i和第j個聲發射傳感器之間的直線距離, m。

事實上,波速主要是由聲波的模式、傳播介質的密度和彈性模型決定的。對于任意一種波,其在同一介質中的波速是基本固定的,與傳播距離幾乎沒有關系。而聲發射波在混凝土的各組分間會發生色散、散射等現象,所以實際上聲發射波在混凝土中并不沿直線傳播,從而導致了波速的變化。由式(4)求得的波速應稱為“考慮了波的傳播行為的相對波速”,下文中簡稱為波速。以傳播距離為100 mm時測得的波速為基準,定義波速衰減率為:

(5)

其中:P為波速衰減率,%。

各組試件聲發射波速隨傳播距離的變化情況如圖4所示,聲發射波速與傳播距離呈正相關,傳播距離越大,衰減越明顯。強度等級越高的混凝土試件,其基準波速以及波速隨距離的衰減程度越大。對于C30、C40和C50混凝土,基準波速分別為3 966 m/s、4 193 m/s和4 411 m/s。不同強度等級混凝土中的聲發射波速均表現出隨傳播距離的增大而減小的趨勢,但變化率在500 mm左右發生了改變。在500 mm以內,波速的衰減情況顯著,500 mm后波速仍然衰減,但曲線更為平緩。因為斷鉛產生的信號是多模態波形,由拓展波、彎曲波和延遲反射波組成。其中,拓展波傳播速度最快,彎曲波傳播速度較慢,但拓展波的幅值衰減遠大于彎曲波。這就導致近處的傳感器接收到的信號以拓展波為主,而在500 mm附近,拓展波的幅值普遍衰減到門檻值以下,被門檻值過濾掉,所以遠處的傳感器接收到的信號以彎曲波為主。這是一個需要關注的現象。

(a) 波速沿傳播距離變化情況

在使用聲發射技術對材料進行監測時,各傳感器接收到的信號應盡量是同一種模式的波,否則會造成較大的誤差。從本試驗的結果可以看出,500 mm之前的波更具有實際意義。因此,在對混凝土聲發射監測時,傳感器的間距不宜大于500 mm。這對聲發射源定位工作有一定的指導意義。以水灰比表征強度等級,采用對數函數對不同強度等級混凝土500 mm以內的波速進行擬合,得到聲發射波速關于水灰比及距離的修正模型如式(6)～式(8)所示。式(6)～式(8)建立的聲發射波速關于水灰比和距離的修正模型量化了不同強度等級混凝土中聲發射波速隨距離的衰減情況。在對不同強度等級的混凝土進行聲發射定位時,利用式(6)～式(8)可以修正不同源位置聲發射信號的波速,增進定位精度。

Vx=alnx+b,x≤500 mm,

(6)

a=-1 755.49(w/c)+1 713.38;

(7)

b=1 483(w/c)+1 712,

(8)

其中:Vx為不同傳播距離時的聲發射波速, m/s;模型回歸參數a和b均關于混凝土水灰比的函數;w/c為水灰比。

2.3 波形分析

上文通過聲發射參數對不同強度等級的混凝土中聲發射信號的衰減情況進行了分析。然而,聲發射波速、振鈴計數、撞擊計數、幅值和能量等聲發射參數僅包含了聲發射信號的一部分特征,無法顯示聲發射信號的所有信息。相對而言,聲發射信號的波形中攜帶了大量特征信息,針對聲發射信號的原始波形信息進行頻譜特征研究分析,可以更全面、更準確地研究聲發射源信號的特征規律。本文對各組試驗的11個信號進行快速傅里葉變換,得到其對應的頻譜圖。

C30試件信號頻譜圖如圖5a所示。總體上看,隨著傳播距離的增加,信號頻率分布有由高頻域向低頻域偏移的趨勢。原始信號在0～500 kHz內均有分布,且在200 kHz以內和200 kHz以上均有優勢頻率存在。原始信號在157 kHz頻率處幅值達到極值13.4 mV,因此該原始斷鉛信號主頻為157 kHz,主頻幅值為13.4 mV。當信號傳播100 mm時,200～500 kHz的頻率信號產生了顯著衰減,400～500 kHz的頻率信號幾乎已經不存在,優勢頻率在200 kHz以內。傳播300 mm時,300～400 kHz的頻率信號完全衰減,傳播500 mm時,200～300 kHz的頻率信號也不存在,當傳播1 000 mm時,衰減消失的頻率進一步提前,達到了140 kHz,低頻信號占比增加。這說明低頻信號在傳播過程中較為穩定,高頻信號更容易產生衰減。聲發射信號在傳播過程中所產生的衰減主要是由于聲發射波在傳播過程中以微顆粒振動的形式進行擴散,由于顆粒間摩擦阻尼的存在,使得原始信號不斷衰減,而高頻率信號波長較短,不容易穿越障礙物,從而產生的衍射、散射以及反射效果更強,因此高頻信號的衰減速度更為明顯。C40試件信號頻譜變化(見圖5b)與C30試件極為相似,主頻分布較為重合不再單獨分析。

(a) C30試件信號頻譜圖

C50試件信號頻譜圖如圖5b所示。與C30組相似,其原始信號頻率分布在0～500 kHz,在157 kHz頻率處幅值達到極值20.63 mV,因此該原始信號主頻為157 kHz,主頻幅值為20.63 mV。當信號傳播100 mm時,200～500 kHz的頻率信號衰減顯著,幅值大幅度降低,400～500 kHz的信號幾乎不存在。傳播300 mm時,300～400 kHz的頻率信號消失。傳播700 mm時,200～300 kHz的頻率信號完全衰減。傳播800 mm時,450 kHz頻率處的信號有少許增加,這可能是由于聲發射波在混凝土試件內部傳播的過程中經過復雜的繞射、衍射以及反射后,各種不同模式的波相互干擾或疊加,使得傳播到這個區域的信號波小幅度增強。傳播900 mm之后,信號幾乎不再衰減,傳播1 000 mm時,衰減消失的頻率進一步提前,達到了167 kHz,低頻信號占比增加。C30試件,信號衰減得較慢一些,這主要是由于低強度的混凝土中孔隙含量較高,彈性波傳播過程中產生碰撞的幾率增大,更容易產生反射,另一方面,孔隙中的氣體、液體與混凝土其它組分的波阻抗相差較大,也會造成聲波的強反射。

3 結論

(1)當聲發射信號在C30、C40、C50混凝土中傳播時,聲發射能量-距離衰減曲線均滿足負指數相關,衰減系數分別為0.013 94、0.010 67、和0.005 68,說明隨著混凝土強度等級升高,聲發射信號能量隨距離的衰減整體呈減小趨勢。主要是因為強度高的試件孔隙率更小,試件內部更加密實,聲發射波在傳播時產生的散射以及摩擦減少。

(2)混凝土強度等級為C30、C40、C50時,基準波速分別為3 966 m/s、4 193 m/s和4 411 m/s,波速衰減率分別為-8.34%～39.13%、-7.39%～45.48%和-11.27%～46.52%,說明聲發射波速與傳播距離呈正相關,與混凝土強度等級呈正相關,但波速變化在500 mm以內更顯著,在500 mm后更平緩,主要是因為在500 mm附近,衰減較快的拓展波的幅值普遍衰減到門檻值以下,被門檻值過濾掉,所以遠處的傳感器接收到的信號以衰減較慢的彎曲波為主。本文以水灰比表征混凝土強度等級,對500 mm以內波速與混凝土強度的關系進行了擬合,建議在對混凝土聲發射監測時,傳感器的間距應在500 mm之內以保證監測精度。

(3)混凝土中的聲發射波在傳播過程中有由高頻向低頻偏移的趨勢,主要是因為聲發射波在傳播過程中以微顆粒振動的形式進行擴散,由于顆粒間摩擦阻尼的存在,高頻率信號波長較短,不容易穿越障礙物,從而產生的衍射、散射以及反射效果更明顯。對比不同強度等級試件的信號頻譜圖可以看出,低強度的試件信號衰減較快,這是因為低強度的混凝土孔隙含量較多,彈性波傳播過程中產生碰撞的幾率增大,更容易產生反射。另一方面,孔隙中的氣體、液體與混凝土其它組分的波阻抗值相差較大,也會造成聲波的強反射。