張 堯 馬 強(qiáng) 肖武軍

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應(yīng)用非線性高階諧波衰減和尾波干涉監(jiān)測高溫作用后水泥制品的損傷演化

張 堯1）馬 強(qiáng)2）肖武軍1）

1）中國地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045 2）中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080

非線性高階諧波和尾波波速變化均能夠反映水泥材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化。利用高階諧波和尾波干涉實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)，對(duì)引入高溫作用后的3類不同粒徑共6塊水泥試樣進(jìn)行單軸加載的損傷演化實(shí)驗(yàn)，并與無高溫作用的完整試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，從初始狀態(tài)到25%抗壓強(qiáng)度的過程中，高溫作用后的試樣的諧波幅值和尾波波速變化出現(xiàn)明顯增強(qiáng)的現(xiàn)象（諧波幅值最大增幅約20%），而無高溫作用的完整試樣的諧波幅值和尾波波速變化較為平穩(wěn)（諧波幅值最大增幅約5%）；在達(dá)到65%抗壓強(qiáng)度的過程中，高溫作用后的試樣的諧波幅值和尾波波速變化急劇增大（諧波幅值最大增幅約100%），且粒徑較大的試樣的增幅高于粒徑較小的試樣，而無高溫作用的完整試樣的諧波幅值和尾波波速變化的增幅較?。ㄖC波幅值最大增幅約10%）；當(dāng)抗壓強(qiáng)度超過75%以后，高溫作用后的試樣的諧波幅值和尾波波速變化急劇衰減（諧波幅值最大衰減幅度約140%），而無高溫作用的完整試樣的諧波幅值和尾波波速的最大衰減幅值在40%以內(nèi)。基于以上觀測結(jié)果對(duì)高溫作用后水泥制品損傷演化的物理機(jī)制以及這兩類監(jiān)測方法的適用性進(jìn)行了討論。

非線性高階諧波 尾波干涉 超聲 水泥 高溫

引言

水泥類材料是由多種礦物顆粒、空隙和膠結(jié)物組成的混雜體，是一類特殊的復(fù)雜材料。在高溫作用下，水泥類材料內(nèi)部會(huì)發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)變化，導(dǎo)致其內(nèi)部微裂隙和孔隙度增大，在宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)性能的劣化。因此在微觀尺度研究遭高溫作用后的水泥類材料的演化特征不僅有助于了解其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)間相互作用的機(jī)制，更可以通過高精度的觀測技術(shù)和方法更早地得知該類型材料性質(zhì)突變的時(shí)刻并進(jìn)行預(yù)警，從而避免水泥類制品建筑毀壞導(dǎo)致的災(zāi)害性事故對(duì)公眾的危害。

目前，研究介質(zhì)內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變化主要有X射線成像（X-ray tomography）、白光散射斑CCD測量（Digital Speckle Correlation Method from CCD camera）、聲發(fā)射等方法（Bruneau等，2009）。但是這些方法在易操作性、對(duì)介質(zhì)內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變化的量化描述能力以及對(duì)應(yīng)的物理機(jī)制解釋上都有一定的局限性。超聲檢測是非常理想的非入侵式損傷檢測手段，不但有助于理解介質(zhì)裂隙發(fā)育、損傷激勵(lì)等科學(xué)問題，而且廣泛應(yīng)用于無損檢測等工程技術(shù)領(lǐng)域。然而傳統(tǒng)的超聲檢測往往更關(guān)注直達(dá)波波速等物理特征，對(duì)介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)的檢測并不敏感。近年來的研究表明，非線性超聲高階諧波和基于散射波的尾波干涉技術(shù)是兩類對(duì)介質(zhì)內(nèi)部微裂隙的變化非常敏感的超聲檢測方法。下面就兩種方法及其研究進(jìn)展進(jìn)行簡單綜述。

非線性超聲高階諧波技術(shù)是一種頻率域的高精度損傷檢測技術(shù)。其原理是當(dāng)單周期正弦波在穿越彈性介質(zhì)時(shí)與介質(zhì)內(nèi)部的非線性散射體（諸如微裂隙）相互作用會(huì)產(chǎn)生新的諧波分量（Brunet等，2008；Tournat等，2010），超聲諧波技術(shù)是觀測研究水泥類材料損傷演化過程中微結(jié)構(gòu)特征變化的重要手段，而高階諧波最早用于檢測金屬材料性能的退化。Frouin等（1999）成功地使用了非線性超聲法跟蹤到了鋁合金試樣在整個(gè)疲勞周期的疲勞損傷檢測，Kim（2006）介紹了使用非線性系數(shù)的絕對(duì)測量方法以及在金屬疲勞檢測中的應(yīng)用。Shah等（2012，2013）、朱金林等（2009）、陳小佳等（2007）的工作都表明通過基波和二階諧波來測量材料的非線性系數(shù)是判斷混凝土介質(zhì)早期損傷狀態(tài)有效方法。其中Shah等（2012）利用非線性高階諧波的衰減監(jiān)測了水泥試樣的損傷過程，認(rèn)為基頻的衰減比直達(dá)波速對(duì)損傷的敏感性要大。此外Jhang（2009）和周正干等（2011）對(duì)非線性無損檢測的在國際和國內(nèi)的應(yīng)用給出了詳細(xì)的綜述。

基于散射波的尾波干涉技術(shù)是一種時(shí)間域的高精度監(jiān)測技術(shù)，其原理是利用超聲多次散射波形成的尾波在介質(zhì)內(nèi)部傳播路徑的增長量對(duì)介質(zhì)內(nèi)部微結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化敏感的特點(diǎn)，通過相關(guān)干涉技術(shù)獲得與介質(zhì)內(nèi)部細(xì)微變化相關(guān)的波速變化特征，以實(shí)現(xiàn)介質(zhì)內(nèi)部應(yīng)力微變化的高精度測量（Snieder等，2002）。尾波干涉技術(shù)首先應(yīng)用于光學(xué)領(lǐng)域，隨后在地震學(xué)領(lǐng)域用來監(jiān)測地下介質(zhì)的應(yīng)力變化以及地震前后監(jiān)測區(qū)的應(yīng)力異常。目前多次散射波的尾波干涉技術(shù)在基礎(chǔ)科研和工程應(yīng)用等領(lǐng)域產(chǎn)生了豐富的研究成果，如Larose等（2009）等利用尾波干涉技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境觀測到10-5精度的波速變化，并用于監(jiān)測混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；Payan等（2009）等利用尾波干涉技術(shù)獲得了混凝土材料的高階彈性系數(shù)；Jia等（2009）和Tournat等（2010）利用尾波干涉技術(shù)研究了顆粒狀介質(zhì)隨超聲激發(fā)能量變化的非線性行為，并利用赫茲接觸理論解釋了介質(zhì)內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的應(yīng)力演化特征。在國內(nèi)，宋麗莉等（2012b）觀測到巖石類材料在單軸加載過程中尾波波速變化與損傷狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并研究了重復(fù)加載過程中的記憶效應(yīng)與波速變化之間的關(guān)系。

大量的實(shí)驗(yàn)均表明，非線性超聲高階諧波和基于散射波的尾波干涉技術(shù)均對(duì)水泥制品類材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)應(yīng)力的細(xì)微變化非常敏感。當(dāng)水泥制品受到熱損傷后，其內(nèi)部微裂隙和孔隙度增大，且裂隙的發(fā)育沒有明顯的方向性。因此本文利用高溫加熱作用引入大量隨機(jī)均勻分布的熱裂紋，通過非線性諧波衰減和尾波干涉波速變化測量這兩種高精度超聲觀測方法開展利用單軸加載的損傷實(shí)驗(yàn)觀測高溫作用后水泥制品損傷過程中的微裂隙演化特征，并與完好的水泥樣品進(jìn)行對(duì)比，以在微觀尺度掌握介質(zhì)高階彈性參數(shù)的物理量在損傷不同階段的演化規(guī)律。本文的研究結(jié)果可為發(fā)展新型損傷檢測方法、早期預(yù)警等應(yīng)用提供基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣制備

本次實(shí)驗(yàn)材料為3類水泥試樣6塊，試樣中添加不同顆粒直徑的陶粒砂作為骨料以模擬不同水泥材料的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)特征。如表1所示，水泥試樣為長方體，制作過程中為了盡量消除水泥中生成的氣泡，采用了水泥消泡劑（實(shí)際試樣中仍然存在少量氣泡），試樣制備完成以后均經(jīng)過28天的養(yǎng)護(hù)。水泥試樣端面經(jīng)過打平后其平行度在±0.02mm以內(nèi)，減少在單軸加載過程中端部的摩擦效應(yīng)。3種不同顆粒直徑的試樣作為第一組完整樣品，另外3塊試樣在實(shí)驗(yàn)之前放入烘箱，控制升溫速度為1℃/5分鐘，加熱時(shí)間20小時(shí)，加熱至260℃，經(jīng)過加熱后試樣發(fā)生脫水反應(yīng)并在其內(nèi)部生成大量均勻分布的微裂隙。波速測量取10次平均值。

表1 水泥試樣的物理參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)原理及方法

1.2.1 非線性超聲高階諧波

根據(jù)非線性應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系可得到二階的一維非線彈性波動(dòng)方程如下：

如果把單一頻率的諧波作為方程的線性解，如：

式（4）和（5）說明單一頻率的入射波經(jīng)過具有裂隙等微結(jié)構(gòu)特征的介質(zhì)中轉(zhuǎn)播一定距離后，會(huì)形成二階、三階等高階諧波，這些高階諧波的幅值大小與激發(fā)的超聲脈沖串強(qiáng)度和傳播距離成正比。考慮混凝土材質(zhì)轉(zhuǎn)播的漫射、散射等情況的衰減系數(shù)以及測試系統(tǒng)耦合標(biāo)定等所諸多難點(diǎn)問題，在實(shí)際工作中非線性超聲高階諧波的觀測主要依靠高功率單頻脈沖驅(qū)動(dòng)發(fā)射端超聲換能器激發(fā)單頻脈沖串（Tone burst），通過試樣另一端的超聲換能器接收并記錄，再利用頻率域分析獲得基頻、二次頻等頻率域特征。如圖1所示，為保證超聲波沿單一方向傳播并盡量減少衰減及邊界效應(yīng)，發(fā)射的正弦波的周期長度（cycle）應(yīng)與與水泥試樣的長度相當(dāng)。同時(shí)采用脈沖反轉(zhuǎn)技術(shù)和信號(hào)疊加技術(shù)，增強(qiáng)頻率域高階諧波分辨精度（圖2）。謝凡等（2013）給出了獲取水泥試樣高階諧波特征的詳細(xì)流程。

圖1 穿過1#水泥試樣的單頻脈沖時(shí)域信號(hào)

Fig. 1 Time domain signal through cement specimen 1#

基于對(duì)非線性諧波的基頻和二次諧波幅值的準(zhǔn)確測量，本次實(shí)驗(yàn)中通過測量基頻和二次諧波幅值的衰減特征，即測試試樣的基頻和二次諧波幅值，來研究試樣在不同加載強(qiáng)度下?lián)p傷演化的特征。

1.2.2 尾波干涉法

尾波是指直達(dá)波之后的波列，其來源于非均質(zhì)體的多次散射。通過比較不同時(shí)刻的多次散射波，可獲得介質(zhì)內(nèi)部高精度的應(yīng)力變化情況。如圖3所示，4號(hào)試樣在單軸加載過程中達(dá)到10%抗壓強(qiáng)度下的直達(dá)波部分（10—20ms處）并無明顯變化，但是在尾波部分，如60—70ms處則發(fā)現(xiàn)了明顯的相位偏移。通過尾波干涉法可獲得高精度的波速變化（精度約10－4）。該方法有3種基于互相關(guān)法的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，分別是Doublet技術(shù)（Clarke等，2011）、Moving Window Cross-Spectral技術(shù)（Schurr等，2011）以及Stretch技術(shù)（Hadziioannou等，2009）。文獻(xiàn)（Mehta，1986）比較了這幾類方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并推薦在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中使用Stretch技術(shù)。本研究主要使用Stretch技術(shù)計(jì)算尾波的波速變化。

圖2 1#試樣原始信號(hào)和使用脈沖反轉(zhuǎn)技術(shù)得到的二次諧波頻譜圖

尾波波速變化定義為：

則參考性信號(hào)與測試信號(hào)的關(guān)系為：

在［1，2］計(jì)算參考信號(hào)與測試信號(hào)的相關(guān)系數(shù)：

圖3 4#試樣在不同抗壓強(qiáng)度下的尾波波形

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器和系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。非線性諧波實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用RITEC的RAM5000高功率單頻超聲信號(hào)激發(fā)，單頻信號(hào)的發(fā)射主頻為1MHz，周期約為9μs。發(fā)射端以50Hz的頻率連續(xù)發(fā)射100V的激勵(lì)信號(hào)，發(fā)射耗時(shí)2s。經(jīng)過50Ω的阻抗和1MHz的濾波器組后輸入水泥試樣一端的發(fā)射換能器，發(fā)射換能器采用主頻為1MHz的Panametrics C539SM共振型傳感器，水泥試樣另外一端的接收傳感器采用主頻為2MHz的Panametrics A540S共振型傳感器。接收到的信號(hào)經(jīng)20 dB前置放大器放大后由NI PXI 5105數(shù)據(jù)采集卡以20MS/s采樣率進(jìn)行數(shù)字化記錄，并與RAM5000的輸出信號(hào)進(jìn)行時(shí)間同步，同步精度為10-9s。接收的諧波信號(hào)進(jìn)行100次疊加以改善信噪比。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)射換能器和接收換能器使用耦合劑粘附于測試樣品兩側(cè)，并用水楊酸苯酯和松緊帶進(jìn)行固定。

尾波干涉系統(tǒng)使用Olympus 5058PR型高電壓脈沖發(fā)生器發(fā)射10V的激勵(lì)脈沖，脈沖寬度約為2μs，重復(fù)率為100Hz。發(fā)射和接收傳感器均使用美國物理聲學(xué)公司（PAC）生產(chǎn)的WS系列寬頻帶傳感器（0.1—1MHz），接收端接收到的信號(hào)經(jīng)20 dB前置放大器放大后同樣由NI PXI 5105數(shù)據(jù)采集卡以20MS/s采樣率進(jìn)行數(shù)字化記錄并與5058PR的輸出信號(hào)進(jìn)行時(shí)間同步，同步精度為10－9s。接收的尾波信號(hào)進(jìn)行100次疊加以改善信噪比。

單軸加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用MTS 1000t試驗(yàn)伺服壓機(jī)。在力控制模式下以2kN/分鐘的速度進(jìn)行單軸加載直至試樣完全破壞，每5kN暫停加載約5秒以便進(jìn)行非線性超聲諧波和尾波干涉的測量。為消除水泥試樣的端面效應(yīng)，在加載平臺(tái)兩端放置了與試樣面積相當(dāng)?shù)慕饘賶|塊，并利用聚四氟乙烯片降低試樣的摩擦系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 非線性超聲高階諧波的演化

由于不同粒徑、不同溫度作用下試樣的抗壓強(qiáng)度不同，為方便比較，我們按照試樣達(dá)到破壞的最大壓力（Failure Force）歸一化到抗壓強(qiáng)度百分比，同時(shí)把相同粒徑、未受高溫加熱和經(jīng)過260℃高溫加熱的試樣作為一組，分別考察其基頻幅值和二次諧波幅值的衰減在損傷過程中的演化。從圖5（a）、6（a）及7（a）可以看出，3類未受高溫加熱的不同顆粒直徑的試樣（1#、2#、3#）的基頻幅值在抗壓強(qiáng)度超過65%后均表現(xiàn)出大幅度的衰減，在抗壓強(qiáng)度接近90%時(shí)，基頻幅值衰減達(dá)到約40%，這一結(jié)果與Shah在文獻(xiàn)（Shah等，2012，2013）中的結(jié)果一致。沒經(jīng)過高溫加熱的完整水泥試樣的基頻幅值的衰減逐漸下降，并在損傷的中后期呈現(xiàn)加速的趨勢。而高溫加熱的不同顆粒直徑的試樣（4#，5#，6#）的基頻幅值則在達(dá)到損傷程度65%前出現(xiàn)了大幅度增長的趨勢，其增幅從20%（如圖5（a）所示）到最大100%（如圖7（a）所示），之后又劇烈衰減，衰減幅度最大可到了140%（如圖7（a）所示）。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置及工作流程示意圖

而二次諧波的衰減（如圖5（b）、6（b）及7（b））則佐證了基頻幅值的變化趨勢，即隨著顆粒直徑的增大，二次諧波波動(dòng)幅值都依次增大。且經(jīng)過高溫加熱的試樣，二次諧波與基頻幅值一樣出現(xiàn)先增長，而后劇烈衰減的趨勢。不同的是，二次諧波的波動(dòng)幅度更加劇烈。未受高溫加熱的試樣其二次諧波的衰減幅度達(dá)到了80%，而經(jīng)高溫加熱的試樣衰減幅值的變化甚至超過了5倍（如圖7（b））。

圖5 1#和4#試樣隨抗壓強(qiáng)度的基頻（a）與二次諧波（b）的衰減變化

圖6 2#和5#試樣隨抗壓強(qiáng)度的基頻（a）與二次諧波（b）的衰減變化

圖7 3#和6#試樣隨抗壓強(qiáng)度的基頻（a）與二次諧波（b）的衰減變化

2.2 尾波波速變化的演化

在單軸加載過程中，對(duì)水泥試樣的尾波波速變化進(jìn)行測量的同時(shí)，采用互相關(guān)法自動(dòng)獲得P波波速。

圖8（a）、9（a）、10（a）中3類未受高溫加熱的不同顆粒直徑的試樣（1#、2#、3#）的波速變化在達(dá)到抗壓強(qiáng)度65%前先增大，隨后減小，直到在接近破壞前加速減小，變化范圍為－1%—1%。這一結(jié)果與文獻(xiàn)（宋麗莉等，2012a；Hadziioannou等，2009）相一致，同時(shí)這一變化趨勢也與高階諧波的觀測結(jié)果一致。

而受高溫加熱的不同顆粒直徑的試樣（4#、5#、6#）的尾波波速變化趨勢總體上和3類未受高溫加熱的試樣相同，但前者尾波波速變化明顯偏大。而高階諧波的觀測結(jié)果與其變化趨勢較為一致，特別是圖10（a）與圖7（b）中高溫加熱后試樣的二階諧波衰減損傷演化過程與尾波波速變化一致。

圖8（b）、9（b）和10（b）中，1#、2#、3#試樣在達(dá)到破壞程度的75%前P波波速并沒有明顯的變化，直到破裂前才有明顯的下降，但受到高溫加熱后的水泥試樣（4#、5#、6#）的P波波速則具有明顯的3個(gè)階段的特點(diǎn)，分別是在損傷剛開始至約25%抗壓強(qiáng)度為第一階段，然后從25%—75%抗壓強(qiáng)度為波速增加的第二階段，最后為自75%抗壓強(qiáng)度直至破裂的波速快速下降的階段。

圖8 1#和4#試樣隨抗壓強(qiáng)度的尾波波速變化（a）與P波波速（b）

2.3 損傷演化的物理機(jī)制討論

水泥混凝土類材料在破壞前的變形經(jīng)歷3個(gè)階段：裂紋閉合階段、線彈性階段和膨脹階段。未受到高溫作用的1#、2#、3#試樣的高階諧波和尾波波速測量結(jié)果都出現(xiàn)了以上現(xiàn)象，即從初始狀態(tài)到抗壓強(qiáng)度25%的區(qū)間，無論是基頻、二次諧波的幅值還是尾波波速變化，在整體趨勢上都較為平緩，這主要是由于其內(nèi)部原始存在的微裂隙處于閉合階段。隨著加載的進(jìn)行，試樣進(jìn)入彈性變形階段，高階諧波穩(wěn)步衰減，尾波波速穩(wěn)定增加，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，如抗壓強(qiáng)度的50%—60%，出現(xiàn)高階諧波和尾波波速隨應(yīng)力增加但變化幅度不大的情況。該階段維持時(shí)間長短不一，如1#小顆粒直徑試樣的維持時(shí)間最短，但3#試樣的維持時(shí)間較長。當(dāng)繼續(xù)增大至抗壓強(qiáng)度的65%，高階諧波的衰減和尾波波速變化開始下降，說明試樣內(nèi)部開始有新的裂縫產(chǎn)生，并隨著應(yīng)力的增加而擴(kuò)展。當(dāng)損傷程度超過75%后，高階諧波衰減和尾波波速都急劇下降，這就是通常所稱的“擴(kuò)容階段”。在最終接近最大破壞應(yīng)力前，水泥試樣極度不穩(wěn)定，裂隙間應(yīng)力的相互作用加劇，某些微裂隙發(fā)生聚合從而導(dǎo)致了斷裂面的形成并直至破壞。在該階段，應(yīng)力值稍有增加，水泥試樣內(nèi)部都會(huì)發(fā)生較大變化。不管是高階諧波的衰減還是尾波波速變化均會(huì)存在較大誤差。但是這一階段對(duì)工程應(yīng)用具有參考意義。

圖9 2#和5#試樣隨抗壓強(qiáng)度的尾波波速變化（a）與P波波速（b）

圖10 3#和6#試樣隨抗壓強(qiáng)度的尾波波速變化（a）與P波波速（b）

而對(duì)于受到高溫作用的4#、5#、6#水泥試樣，與未受損傷試樣的最大不同在于裂紋的閉合及線彈性階段。在這兩個(gè)階段，高溫加熱后的試樣的高階諧波出現(xiàn)明顯的增強(qiáng)現(xiàn)象，而尾波波速變化明顯偏大，這主要由于試樣受到260℃高溫加熱后試樣內(nèi)部微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脫水反應(yīng)，原始微結(jié)構(gòu)中微裂隙和孔隙急劇增大、增多。從初始狀態(tài)開始，微裂隙和空隙的閉合所需的應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未受到高溫加熱的試樣，因此裂隙的閉合與線彈性階段的界限并不明顯，且由于受熱而均勻分布的裂隙在單軸加載模式中會(huì)產(chǎn)生軸向的裂隙優(yōu)勢發(fā)育方向，使得軸向裂隙開裂度減小，徑向裂隙開裂度增大，導(dǎo)致裂隙的縱橫比增大。這樣導(dǎo)致對(duì)裂隙更為敏感的非線性高階諧波幅度增大，而由于尾波波速是在介質(zhì)內(nèi)部路徑上的全局效應(yīng)，因此并沒有出現(xiàn)波速變化趨勢的變化?？梢哉f非線性高階諧波的變化與水泥試樣內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的變化有更為密切的關(guān)系。

3 結(jié)論

（1）非線性超聲高階諧波在水泥材料損傷監(jiān)測中具有高精度動(dòng)態(tài)監(jiān)測的能力，其特點(diǎn)是對(duì)介質(zhì)內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變化的靈敏度高，由于其頻率域測量的特點(diǎn)以及對(duì)微裂隙的應(yīng)力變化敏感的特性，可獲得一般基于時(shí)間域超聲檢測技術(shù)無法感知的損傷。但是，超聲高階諧波的觀測需要穩(wěn)定性較高的單頻脈沖發(fā)射儀器，且實(shí)驗(yàn)操作及數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜，需要有實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的支持。

（2）尾波波速變化的監(jiān)測也具有較高的動(dòng)態(tài)監(jiān)測精度，且具有對(duì)介質(zhì)內(nèi)部應(yīng)力變化靈敏度高、穩(wěn)定性好、操作簡單的優(yōu)點(diǎn)。利用尾波波速變化的量化指標(biāo)，可以對(duì)介質(zhì)損傷狀態(tài)進(jìn)行判斷，但是尾波干涉獲得的是彈性波散射路徑上的平均效應(yīng)，因此空間分辨率不足。對(duì)于具有各向異性發(fā)育的裂隙，其敏感度稍低。

（3）損傷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明從初始狀態(tài)到抗壓強(qiáng)度的25%，高溫作用后的試樣的諧波幅值和尾波波速變化出現(xiàn)明顯增強(qiáng)的現(xiàn)象（諧波幅值最大增幅約20%），而無高溫作用的完整試樣的諧波幅值和尾波波速變化較為平穩(wěn)（諧波幅值最大增幅約5%）；在達(dá)到抗壓強(qiáng)度的65%左右的過程中，高溫作用后的試樣的諧波幅值和尾波波速變化急劇增大（諧波幅值最大增幅約100%），且粒徑較大的試樣的增幅要高于粒徑較小的試樣。而無高溫作用的完整試樣的諧波幅值和尾波波速變化的增幅變化較?。ㄖC波幅值最大增幅約10%）；當(dāng)抗壓強(qiáng)度超過75%以后，高溫作用后的試樣的諧波幅值和尾波波速變化急劇衰減（諧波幅值最大衰減幅度約140%），而無高溫作用的完整試樣的諧波幅值和尾波波速變化的最大衰減幅值在40%以內(nèi)。這是因?yàn)楦邷刈饔煤笏嘀破窌?huì)發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)變化，導(dǎo)致其內(nèi)部微裂隙和孔隙度增大，空隙的閉合所需的應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未受到高溫加熱的試樣，因此其抗壓強(qiáng)度在彈性階段會(huì)呈現(xiàn)增大的情況，且在受到軸向壓力后的閉合過程更容易影響裂隙的發(fā)育方向。我們將在后續(xù)的研究中更加關(guān)注高溫作用后裂隙的發(fā)育方向性對(duì)介質(zhì)損傷演化的影響。

（4）結(jié)合尾波波速變化的全局高精度監(jiān)測和非線性高階諧波的定向高精度監(jiān)測特點(diǎn)以及聲發(fā)射觀測等其他輔助手段，在水泥類材料損傷演化過程中狀態(tài)判定、防震減災(zāi)、工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測以及無損檢測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，因此，建議在此方面做進(jìn)一步研究，為該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用推廣打好堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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Application Nonlinear High Order Harmonics and Coda Wave Interferometry on Monitoring Damage Evolution of Cement Specimens Subject to Elevated Temperature

Zhang Yao1), Ma Qiang2)and Xiao Wujun1)

1) China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China 2) Institute of Engineering Mechanics, CEA, Harbin 150080, China

Nonlinear high order harmonics and ultrasonic coda waves are both stress sensitive to very small changes of cement based materials. Damage evolution on cement based specimens with three distinct aggregate size after heating at elevated temperature are investigated by applying measurement of nonlinear high order harmonics and velocity change by coda wave interferometry under uniaxial loading. The results show that the specimens subject to elevated temperature at early damage stage, then a rapid increase in increase in the amplitude of high order harmonics (about 100%) and velocity change before 65% of failure force, as a comparison, the stable increase (about 20%) of intact specimens which did not suffer hearting are observed at this stage. Comparing to the slightly increase (about 5%) in intact specimens which did not suffer hearting, apparent increase in the amplitude of high order harmonics (about 20%) and velocity change are observed. The rapid attenuation in high order harmonics (about 140%) and decrease in velocity change are observed after 75% of failure force at final stage, while only 40% attenuation in high order harmonics are observed subject to intact specimens. Based on the above results, the mechanism of damage evolution of cement specimens after heating at elevated temperature and the advantage of the two methods is discussed.

Nonlinear high order harmonics；Coda wave interferometry; Ultrasonic; Cement specimens; Elevated temperature

張堯，馬強(qiáng)，肖武軍，2018．應(yīng)用非線性高階諧波衰減和尾波干涉監(jiān)測高溫作用后水泥制品的損傷演化．震災(zāi)防御技術(shù)，13（1）：52—64．

10.11899/zzfy20180105

2017-05-05

張堯，男，生于1986年。工程師。主要從事重大項(xiàng)目管理，抗震性能模擬分析等研究。E-mail：zhangyao@seis.ac.cn