范向前，胡少偉，陸 俊

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029）

基于聲發(fā)射信號表征混凝土斷裂過程的異?，F(xiàn)象

范向前，胡少偉，陸 俊

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029）

混凝土作為一種人工石材，由于澆筑過程的影響，其斷裂破壞過程不可避免地存在一定隨機(jī)性。利用聲發(fā)射實(shí)時動態(tài)無損監(jiān)測技術(shù)，分析了帶預(yù)制裂縫混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件裂縫擴(kuò)展發(fā)生偏移和鋼筋混凝土三點(diǎn)彎曲梁破壞荷載循環(huán)增減等特殊試驗(yàn)現(xiàn)象存在的客觀性。試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，預(yù)制裂縫尖端粗骨料的存在，致使裂縫并非沿著預(yù)制裂縫直接向前擴(kuò)展，而是出現(xiàn)繞道擴(kuò)展的現(xiàn)象；配筋率過大時，鋼筋混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件的破壞荷載值將維持在鋼筋極限屈服強(qiáng)度附近循環(huán)變化。可見，鋼筋混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件的失穩(wěn)荷載取決于配筋率的高低。研究成果表明聲發(fā)射技術(shù)可為開展混凝土損傷斷裂試驗(yàn)提供一種新的研究手段。

混凝土；斷裂過程；聲發(fā)射；裂縫；循環(huán)荷載

混凝土作為一種非均質(zhì)多相準(zhǔn)脆性材料，其內(nèi)部不可避免存在空隙、微裂縫等缺陷。大量試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐表明，混凝土結(jié)構(gòu)開裂幾乎是不可避免的，為了摸清混凝土斷裂破壞規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的斷裂試驗(yàn)［1-7］。范向前［8］采用預(yù)制裂縫三點(diǎn)彎曲梁試件對混凝土斷裂過程進(jìn)行了系列研究，發(fā)現(xiàn)由于混凝土材料的非均質(zhì)多相性，部分試件的損傷斷裂破壞過程出現(xiàn)了特殊試驗(yàn)現(xiàn)象，而無法采用常規(guī)方法進(jìn)行解釋。

聲發(fā)射技術(shù)作為一種結(jié)構(gòu)材料性能研究的有力手段，在混凝土領(lǐng)域的應(yīng)用已具有悠久的歷史［9-13］。本文在開展帶預(yù)制裂縫混凝土三點(diǎn)彎曲梁損傷斷裂試驗(yàn)中，創(chuàng)新性地將聲發(fā)射技術(shù)貫穿于整個試驗(yàn)過程，為實(shí)時動態(tài)監(jiān)測斷裂試驗(yàn)過程中混凝土試件的損傷斷裂演化規(guī)律提供了新的研究手段，并對帶預(yù)制裂縫混凝土三點(diǎn)彎曲梁斷裂試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的特殊試驗(yàn)現(xiàn)象給出了合理解釋。

1 混凝土斷裂聲發(fā)射試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

本文所用試驗(yàn)資料參見文獻(xiàn)［8］，主要包括混凝土三點(diǎn)彎曲梁和鋼筋混凝土三點(diǎn)彎曲梁兩類試件，尺寸為1 000 mm×120 mm×200 mm(長×寬×高）。初始設(shè)計(jì)強(qiáng)度分別為25，35和60 MPa。鋼筋混凝土三點(diǎn)彎曲梁主要基于普通混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件，并在其底部配置一排2根光圓鋼筋，鋼筋直徑分別為6，8和10 mm 3種。所用混凝土主要組成材料包括水、P·O42.5級水泥、細(xì)度模數(shù)為2.6的天然河砂、粒徑5～20 mm連續(xù)粒級顆粒級配的碎石、UC-Ⅱ型外加劑，拌制混凝土和砂漿用I級粉煤灰，S95高爐礦渣粉。具體配合比見表1。

所有試件均采用滿足剛度要求的木模板進(jìn)行成型。采用厚度為3 mm，且一側(cè)帶有30°尖角的鋼板預(yù)埋在三點(diǎn)彎曲梁試件底部中間部位形成初始預(yù)制裂縫，初始預(yù)制裂縫長度分40，60，80和100 mm等4種。試件澆筑完成后，根據(jù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級，初始預(yù)制裂縫長度等參數(shù)，并結(jié)合實(shí)際情況，對混凝土硬化狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時觀察，5～8 h內(nèi)取出預(yù)埋鋼板，形成中部帶預(yù)制裂縫的標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲梁試件，并于澆筑完成24 h后拆除模板，擺放整齊，加以覆蓋并保濕養(yǎng)護(hù)，室外養(yǎng)護(hù)時間為60 d。試件詳細(xì)設(shè)計(jì)情況見表2。

表1 配合比Tab.1 Mix proportion

表2 標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲梁試件設(shè)計(jì)參數(shù)值Tab.2 Design parameter values of standard three-point bending beam specimens

1.2 試驗(yàn)概況

聲發(fā)射儀器工作范圍包括聲電轉(zhuǎn)換、信號放大、信號處理、數(shù)據(jù)的記錄、顯示、解釋與評定等，其基本工作原理如圖1所示。材料或結(jié)構(gòu)在受到外部或內(nèi)部作用時會發(fā)生變形或斷裂，釋放出應(yīng)變能，以彈性波的形式在材料中傳播，引起被檢測試件表面的振動，當(dāng)這些振動傳播到耦合在試件上的傳感器時，傳感器表面晶體因此產(chǎn)生變形，同時其表面會出現(xiàn)電荷，在電場的作用下，芯片會產(chǎn)生彈性變形，發(fā)生壓電效應(yīng)。該壓電效應(yīng)將試件表面的振動轉(zhuǎn)換成電壓信號，再通過儀器放大處理后以參數(shù)或者波形的形式表現(xiàn)出來，便于信號處理。

本次混凝土損傷斷裂試驗(yàn)所用聲發(fā)射儀為美國聲學(xué)物理公司研制的SAMOSTM八通道聲發(fā)射測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)。試驗(yàn)中，為了使傳感器接收更加優(yōu)質(zhì)的聲發(fā)射信號，并避免外界干擾，在聲發(fā)射傳感器布置前，用砂紙?jiān)趥鞲衅鞑贾玫牡胤酱蚰ス饣⑼可戏彩苛肿鳛轳詈蟿?，保證聲發(fā)射傳感器和混凝土試件表面垂直并接觸良好。

圖1 聲發(fā)射技術(shù)基本原理Fig.1 The fundamentals of acoustic emission technology

按照圖2所示(F為荷載值，L=1 000 mm為試件長度，S=800 mm為兩支座間的跨度，t=120 mm為試件厚度，h=200 mm為試件高度，a0為預(yù)制裂縫長度），在試件兩側(cè)共計(jì)布置8個聲發(fā)射傳感器(括號內(nèi)數(shù)字代表聲發(fā)射傳感器布置在試件對面），每個聲發(fā)射傳感器距離試件上下表面20 mm，距離左右表面150 mm，形成三維空間定位，并用膠帶將聲發(fā)射傳感器固定在試件表面以防脫落。

為了保證試驗(yàn)開始后聲發(fā)射傳感器可以正常工作，并驗(yàn)證聲發(fā)射系統(tǒng)的門檻值和波速值，所有儀器連接完畢并準(zhǔn)備開始試驗(yàn)之前，首先對8個聲發(fā)射傳感器通過“斷鉛”進(jìn)行標(biāo)定。

圖2 聲發(fā)射傳感器布置Fig.2 Arrangement of AE sensors

試驗(yàn)過程不可避免出現(xiàn)儀器噪聲或外部噪音，從而影響試驗(yàn)結(jié)果精度?？梢酝ㄟ^兩種辦法去除環(huán)境噪聲對聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果的影響，一種是設(shè)置門檻值，另一種是設(shè)置濾波頻率。本文的三點(diǎn)彎曲梁聲發(fā)射試驗(yàn)，由于受力狀態(tài)單一，破壞特征明顯，故設(shè)置高靈敏度的門檻值來排除內(nèi)部缺陷的干擾，通過試驗(yàn)機(jī)的空采和混凝土試件損傷聲發(fā)射頻率段測試，本次聲發(fā)射試驗(yàn)門檻值設(shè)置為40 dB，濾波頻率為20～100 kHz。在試件的初始損傷階段，聲發(fā)射信號相對較弱，通過設(shè)置增益來提高信號強(qiáng)度。

試驗(yàn)過程除了測試三點(diǎn)彎曲梁試件三維空間內(nèi)聲發(fā)射信號外，還測試出沿加載方向應(yīng)變片的應(yīng)變值以及試件荷載值。其中，試件荷載值和混凝土的應(yīng)變值通過DH-3817型動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)進(jìn)行采集，采用連續(xù)采集模式，每3 s記錄并采集1次荷載數(shù)據(jù)，聲發(fā)射試驗(yàn)過程如圖3所示(各字母含義同圖2）。

圖3 聲發(fā)射試驗(yàn)裝置Fig.3 Scheme of AE experimental set-up

所有試驗(yàn)均在5 000 kN壓力機(jī)上進(jìn)行，初始加載速率控制在10 N/s，平穩(wěn)加載至極限荷載的50%后，按加荷速率1 N/s加載直至試件開裂破壞。

2 聲發(fā)射信號表征裂縫偏移擴(kuò)展

根據(jù)雙K斷裂模型［14］，帶預(yù)制裂縫混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件，其斷裂破壞過程包括：初始開裂，穩(wěn)定擴(kuò)展和失穩(wěn)破壞3個階段。在初始開裂和失穩(wěn)破壞時刻，由于能量的迅速釋放，聲發(fā)射參數(shù)均會出現(xiàn)峰值信號［15］。然而，試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，部分混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件聲發(fā)射信號并非完全符合上述規(guī)律，如圖4(a）和圖5(a）所示，混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率-時間曲線和能量-時間曲線均只有一個峰值信號，且該峰值信號對應(yīng)的數(shù)值相對異常。

為了研究出現(xiàn)此類現(xiàn)象的真實(shí)原因，作者在進(jìn)行后期處理中，將聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率-時間曲線和能量-時間曲線中唯一的一個聲發(fā)射峰值信號剔除，僅保留剩余信號，如圖4(b）和圖5(b）所示，分別繪出了略去唯一一個聲發(fā)射峰值信號后的振鈴計(jì)數(shù)率-時間曲線和能量-時間曲線。此時，相應(yīng)地出現(xiàn)了兩個聲發(fā)射峰值信號，且通過對比分析圖4和圖5可以得到混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件的起裂時刻和失穩(wěn)破壞時刻，即原始聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率-時間曲線和能量-時間曲線中唯一的一個聲發(fā)射峰值信號掩蓋了混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件起裂荷載和失穩(wěn)荷載所對應(yīng)的聲發(fā)射峰值信號。

對比分析混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件斷裂過程聲發(fā)射曲線和損傷斷裂試驗(yàn)現(xiàn)象，當(dāng)混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件成型時，粒徑較大的粗骨料恰好被澆筑在預(yù)制裂縫尖端。

圖4 裂縫尖端存在粗骨料時振鈴計(jì)數(shù)率與時間關(guān)系Fig.4 Relative curves between ringing counts rate and time having coarse aggregate on the crack tip

圖5 裂縫尖端存在粗骨料時能量與時間關(guān)系Fig.5 Relative curves between energy and time having coarse aggregate on the crack tip

斷裂試驗(yàn)過程中，隨著荷載的增加，由于混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件預(yù)制裂縫尖端粗骨料的阻擋，裂縫被迫繞過粗骨料，然后繼續(xù)向前擴(kuò)展。盡管裂縫圍繞粗骨料向前擴(kuò)展過程中會產(chǎn)生聲發(fā)射信號，但是相對于裂縫繞過粗骨料到失穩(wěn)破壞瞬間產(chǎn)生的聲發(fā)射信號強(qiáng)度要弱很多，因此，其聲發(fā)射參數(shù)曲線圖中不能顯示出這些峰值信號，僅僅出現(xiàn)了裂縫繞過粗骨料后失穩(wěn)破壞那一瞬間所產(chǎn)生的聲發(fā)射異常峰值信號。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，針對出現(xiàn)上述情況的所有混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件，調(diào)出試驗(yàn)過程中拍攝的斷裂破壞照片，選擇圖4和圖5對應(yīng)的試驗(yàn)照片，如圖6所示。由圖6可清晰發(fā)現(xiàn)，由于初始預(yù)制裂縫尖端粗骨料的存在，裂縫擴(kuò)展過程并非沿著預(yù)制裂縫向前發(fā)展，而是出現(xiàn)繞道擴(kuò)展的情況，即混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件主裂縫在擴(kuò)展初期就發(fā)生了偏移，這一現(xiàn)象進(jìn)一步驗(yàn)證了圖4(a）和圖5(a）中聲發(fā)射參數(shù)僅出現(xiàn)一個峰值信號且數(shù)值較大的異常試驗(yàn)現(xiàn)象。

圖6 裂縫擴(kuò)展發(fā)生偏移Fig.6 Cracking migration

3 聲發(fā)射信號表征荷載的循環(huán)增減

類似于混凝土三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)斷裂過程中聲發(fā)射信號存在的異常現(xiàn)象，鋼筋混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件斷裂破壞過程聲發(fā)射信號曲線中，同樣有異常情況的出現(xiàn)，如圖7所示。帶預(yù)制裂縫鋼筋混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件發(fā)生失穩(wěn)斷裂破壞前后，其聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率和能量信號循環(huán)出現(xiàn)較大的數(shù)值，為了探明出現(xiàn)該異?，F(xiàn)象的真正原因，本文對此進(jìn)行了深入研究。

圖7 配筋率過大時振鈴計(jì)數(shù)率及能量與時間關(guān)系Fig.7 Relative curves among ringing counts rate and energy and time during over reinforcement rate

為了分析出現(xiàn)圖7所示異常試驗(yàn)現(xiàn)象的真正原因，結(jié)合試驗(yàn)實(shí)際情況，圖8(a）給出了鋼筋混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件的荷載-時間關(guān)系曲線。由于鋼筋混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件斷裂過程中，聲發(fā)射多次出現(xiàn)峰值信號主要發(fā)生在試件失穩(wěn)斷裂破壞荷載左右，為此，針對圖8(a）中荷載-時間關(guān)系曲線，對鋼筋混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件發(fā)生失穩(wěn)破壞前后的曲線段進(jìn)行局部放大并單獨(dú)列出，如圖8(b）所示。

由圖8(b）鋼筋混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件荷載-時間曲線可知，荷載過了最大值之后，鋼筋混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件的荷載值在某一范圍內(nèi)循環(huán)增加和驟降，荷載值的這一變化規(guī)律恰好對應(yīng)圖7中聲發(fā)射信號連續(xù)多次出現(xiàn)峰值的區(qū)域。不難理解，當(dāng)鋼筋混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件荷載值發(fā)生驟降時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的平衡狀態(tài)被打破，釋放能量，從而產(chǎn)生大量的聲發(fā)射信號。

圖8 配筋率過大時荷載與時間關(guān)系Fig.8 Relative curves between load and time during over reinforcement rate

基于對鋼筋混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件斷裂試驗(yàn)現(xiàn)象的分析，鋼筋混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件的失穩(wěn)荷載主要由試件內(nèi)部的配筋率所決定，且經(jīng)過最大荷載之后，承載力主要由鋼筋所決定［16］?？紤]到鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線的特點(diǎn)，加載后期，鋼筋混凝土的荷載值和鋼筋極限屈服應(yīng)力之間不斷在平衡與不平衡之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，當(dāng)荷載值大于鋼筋極限應(yīng)力值時，荷載將會迅速降低一定數(shù)值，保證荷載值和鋼筋極限應(yīng)力維持在新的平衡上，然后逐步增加，之后再次出現(xiàn)荷載值大于鋼筋極限屈服應(yīng)力值的情況，一直循環(huán)下去。因此，圖7中的聲發(fā)射參數(shù)出現(xiàn)連續(xù)多次的峰值信號；相應(yīng)地，圖8中，鋼筋混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件的荷載值過了最大值之后，始終維持在鋼筋極限屈服強(qiáng)度附近。

4 結(jié) 語

本文基于混凝土斷裂試驗(yàn)過程中存在的異?，F(xiàn)象，借助聲發(fā)射實(shí)時動態(tài)無損檢測技術(shù)，分析并解釋了帶預(yù)制裂縫混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件斷裂破壞過程中僅出現(xiàn)的一個峰值信號，以及鋼筋混凝土三點(diǎn)彎曲梁聲發(fā)射信號在失穩(wěn)荷載附件循環(huán)增減的異?，F(xiàn)象。該研究成果不僅解釋了混凝土三點(diǎn)彎曲梁斷裂試驗(yàn)過程中存在的異?，F(xiàn)象，同時，還將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于混凝土損傷斷裂試驗(yàn)中，為進(jìn)一步研究混凝土損傷斷裂提供了一種新的方法。

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Experimental analysis of abnormal phenomena in concrete fracture process based on acoustic emission signals characterization

FAN Xiang-qian，HU Shao-wei，LU Jun
(State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China）

As a kind of artificial stone，the fracture failure process of concrete must have some randomness owing to impacts caused by concrete placement.Based on the acoustic emission dynamic nondestructive detecting technology，the objectivity of special test phenomenan has been analyzed for both the crack propagation with deviation of notched concrete three-point bending beam and the failure load reciprocating increase and decrease of the reinforced concrete three-point bending beam.It is found from the experimental results that the cracks propagate around the coarse aggregate rather than along the prefabricated crack because the coarse aggregate is just poured in the prefabricated crack tip.When the ratio of reinforcement is too high，the failure load of the reinforced concrete will vary near the yield strength of the bar cyclicly.It is thus clear that the instable load of the reinforced concrete three-point bending beam specimen would depend on the level of the ratio of concrete reinforcement bar.The research results indicate that the acoustic emission technology can be taken as a new research method for damage and fracture of concrete.

concrete；fracture process；acoustic emission；crack；cyclic loading

TV313 文獻(xiàn)標(biāo)心碼：A

1009-640X(2014）03-0026-06

2013-10-29

國家杰出青年科學(xué)基金(51325904）；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201201038）；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014M551624）；江蘇省博士后科研資助計(jì)劃項(xiàng)目(1302055B）；南京水利科學(xué)研究院博士后科研基金

范向前(1982-），男，河南鄭州人，博士后，主要從事水工結(jié)構(gòu)工程與材料研究。E-mail：xqfan@nhri.cn

胡少偉(E-mail：hushaowei@nhri.cn）