虞愛(ài)平,陳哲涵,吳曉蔓,毛飛騰,陳宣東

(1.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院,廣西 桂林 541000;2.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541000)

0 引言

聲發(fā)射(acoustic emission, AE)技術(shù)是一種高效的、可持續(xù)的無(wú)損檢測(cè)方法,通過(guò)監(jiān)測(cè)材料在斷裂過(guò)程中產(chǎn)生的瞬時(shí)彈性波來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)材料的實(shí)際狀態(tài)[1-5]。在聲發(fā)射監(jiān)測(cè)過(guò)程中,通常認(rèn)為聲發(fā)射波在均質(zhì)材料(如金屬等)中沿直線(xiàn)勻速傳播,所以可直接將聲發(fā)射源與聲發(fā)射傳感器間的直線(xiàn)距離看做波的傳播路徑,以此推測(cè)聲發(fā)射源的性質(zhì)。但混凝土是一種三相復(fù)合材料,包括骨料、水泥砂漿和界面過(guò)渡區(qū)(interfacial transition zone, ITZ)[6-7]。聲發(fā)射波遇到不連續(xù)邊界(孔隙、裂縫等)或骨料界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生折射、衍射、色散等現(xiàn)象,從而導(dǎo)致波形產(chǎn)生嚴(yán)重畸變[8-9],此時(shí)按照接收到的信號(hào)直接判斷聲發(fā)射源的狀態(tài)會(huì)非常容易得出錯(cuò)誤的結(jié)論。因此,明確混凝土原材料的組成比例對(duì)聲發(fā)射波傳播特性的影響是利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)混凝土材料進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ),對(duì)實(shí)際混凝土工程損傷監(jiān)測(cè)具有重要意義。

近年來(lái),學(xué)者們針對(duì)混凝土材料組成和微觀結(jié)構(gòu)對(duì)聲發(fā)射特性的影響進(jìn)行了一系列的探索和嘗試。文獻(xiàn)[10-12]均發(fā)現(xiàn)骨料粒徑是聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果的主要決定因素之一,且會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果造成難以避免的誤差。文獻(xiàn)[13]發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射波速受砂率影響很大。砂率會(huì)對(duì)聲發(fā)射定位造成明顯影響。以上研究表明,混凝土組分對(duì)聲發(fā)射波傳播行為的影響是聲發(fā)射監(jiān)測(cè)不可忽視的問(wèn)題。聲發(fā)射技術(shù)在混凝土領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展取決于如何考慮混凝土中聲發(fā)射波的傳播行為[14]。

混凝土強(qiáng)度等級(jí)是其最重要的特性之一[15]?；炷林械乃嗌皾{和骨料具有大致相同的聲阻抗系數(shù)(107kg/m2·s),而充斥于孔隙中的空氣的聲阻抗系數(shù)(1.3 kg/m2·s)遠(yuǎn)小于前兩種固體成分的聲阻抗系數(shù)。聲發(fā)射波不能直接通過(guò)孔隙中的空氣傳播,且在孔隙界面會(huì)發(fā)生反射等現(xiàn)象,使其傳播行為復(fù)雜化。而這些孔隙的數(shù)量、體積等與混凝土的強(qiáng)度等級(jí)有密切的關(guān)系。隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高,孔隙率通常會(huì)下降[16-17]。綜上,混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)聲發(fā)射波的傳播衰減特征應(yīng)該存在明顯的影響,但目前尚未見(jiàn)到對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)研究的報(bào)道。因此,本文制備C30、C40和C50等3種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土試件,并對(duì)其進(jìn)行斷鉛試驗(yàn),通過(guò)聲發(fā)射能量參數(shù)、波速參數(shù)和傅里葉變換研究聲發(fā)射波在不同強(qiáng)度的混凝土中的傳播衰減特征。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(xì)骨料、粗骨料和水。普通硅酸鹽水泥(PO42.5水泥)符合中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥:GB 175—2020》。細(xì)骨料為中砂,表觀密度為2.63 kg/m3,累積密度為1 530 kg/m3,細(xì)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(xù)級(jí)配。中砂和碎石均產(chǎn)自桂林祥久沙場(chǎng),且用水清洗后烘干。本文制備了C50、C40和C30共3組不同強(qiáng)度等級(jí)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?；炷猎嚰纳奥士刂圃?.35。所有試件同一批次澆筑,在澆筑24 h后脫模,并隨即進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃,養(yǎng)護(hù)濕度為95%。

表1 混凝土試件配合比 kg/m3

1.2 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)選擇的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為美國(guó)物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的16通道第三代全數(shù)字化系統(tǒng)Sensor Highway 3型聲發(fā)射裝置,傳感器選用同公司生產(chǎn)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(yàn)中聲發(fā)射系統(tǒng)放大器增益為26 dB,采樣率為1 MHz,采樣長(zhǎng)度為1 000格。詳細(xì)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

目前,利用鉛筆芯折斷(pencil-lead break,PLB)產(chǎn)生的突發(fā)型信號(hào)來(lái)模擬聲發(fā)射源是聲發(fā)射測(cè)試的主要手段。這種方法由于成本低廉、操作簡(jiǎn)單、可重復(fù)性高而被廣泛應(yīng)用于各種材料的聲發(fā)射檢測(cè)中[18-21]。本試驗(yàn)利用這種方法產(chǎn)生的模擬聲發(fā)射信號(hào)來(lái)研究混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)聲發(fā)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(dòng)鉛筆,斷鉛時(shí)鉛芯長(zhǎng)度約為2.5 mm,與試件表面夾角保持在30°左右。試驗(yàn)系統(tǒng)和聲發(fā)射傳感器布置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(Ⅰ)用細(xì)砂紙將梁表面的浮灰磨平并將其清除。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)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(cè)進(jìn)行10次斷鉛試驗(yàn),每次間隔10 s。取所有試驗(yàn)所得結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。近似地,將1#傳感器接收到的信號(hào)作為原始信號(hào)。為方便描述,下文中以2#～11#傳感器的編號(hào)表示對(duì)應(yīng)傳感器接收到的信號(hào)。

2 結(jié)果與討論

2.1 聲發(fā)射能量衰減分析

聲發(fā)射能量是時(shí)間信號(hào)檢波包絡(luò)線(xiàn)下的面積,如圖2所示。聲發(fā)射能量同時(shí)考慮了幅值、振鈴計(jì)數(shù)、頻率和持續(xù)時(shí)間等因素,是一個(gè)綜合反映信號(hào)強(qiáng)度的物理量。各組試件的聲發(fā)射信號(hào)能量衰減規(guī)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?yàn)閿嚆U試驗(yàn)產(chǎn)生信號(hào)的頻率信息非常復(fù)雜,對(duì)能量產(chǎn)生了很大的影響。當(dāng)聲發(fā)射信號(hào)傳播100 mm后,離散性減小,傳播200 mm時(shí)10次測(cè)試結(jié)果已趨于一致。能量的衰減主要產(chǎn)生在300 mm以?xún)?nèi),300 mm之后能量變化很小,尤其在短距離范圍內(nèi)(100 mm)衰減顯著,即能量對(duì)小距離變化較為敏感,因此通過(guò)能量衰減函數(shù)來(lái)反演小尺寸構(gòu)件的原始信號(hào)對(duì)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)具有重要意義。各組試件的擬合結(jié)果見(jiàn)式(1)～式(3),曲線(xiàn)相關(guān)系數(shù)R2均在0.95以上,滿(mǎn)足工程精度要求,說(shuō)明能量隨距離衰減擬合曲線(xiàn)具有良好的負(fù)指數(shù)相關(guān)性。當(dāng)聲發(fā)射信號(hào)在C30、C40和C50混凝土中傳播時(shí),其衰減系數(shù)分別為0.013 94、0.010 67、0.005 68。隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高,聲發(fā)射能量衰減呈減小趨勢(shì),主要是因?yàn)樵嚰目紫堵蕼p小,內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí),彈性波在傳播時(shí)產(chǎn)生的折射、散射以及摩擦減少。在聲發(fā)射源定位后,可以利用式(1)～式(3)反演聲發(fā)射源信號(hào)的特征,還原聲發(fā)射源的真實(shí)狀態(tài)。

圖2 突發(fā)型信號(hào)特征參數(shù)

(a) C30

對(duì)C30混凝土:

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

(1)

對(duì)C40混凝土:

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

(2)

對(duì)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(tǒng)的聲發(fā)射定位方法,這種方法假定材料中的聲發(fā)射波速恒定,且沿直線(xiàn)傳播。但在非均質(zhì)材料中,這樣的假設(shè)會(huì)導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。文獻(xiàn)[22-23]認(rèn)為混凝土的非均質(zhì)性對(duì)波速有明顯影響?？紤]這種影響有助于改進(jìn)聲發(fā)射定位精度?？紤]波速的變化規(guī)律是改進(jìn)聲發(fā)射定位精度的主要思路之一。因此,本節(jié)選用波速作為分析對(duì)象。

在傳統(tǒng)假設(shè)下,以?xún)蓚€(gè)傳感器間的直線(xiàn)距離作為聲發(fā)射波的傳播路徑,故波速為:

(4)

其中:vi,j為第i和第j個(gè)聲發(fā)射傳感器間的波速, m/s;ti、tj分別為第i和第j個(gè)聲發(fā)射傳感器接收到同一個(gè)聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)間, s;l為第i和第j個(gè)聲發(fā)射傳感器之間的直線(xiàn)距離, m。

事實(shí)上,波速主要是由聲波的模式、傳播介質(zhì)的密度和彈性模型決定的。對(duì)于任意一種波,其在同一介質(zhì)中的波速是基本固定的,與傳播距離幾乎沒(méi)有關(guān)系。而聲發(fā)射波在混凝土的各組分間會(huì)發(fā)生色散、散射等現(xiàn)象,所以實(shí)際上聲發(fā)射波在混凝土中并不沿直線(xiàn)傳播,從而導(dǎo)致了波速的變化。由式(4)求得的波速應(yīng)稱(chēng)為“考慮了波的傳播行為的相對(duì)波速”,下文中簡(jiǎn)稱(chēng)為波速。以傳播距離為100 mm時(shí)測(cè)得的波速為基準(zhǔn),定義波速衰減率為:

(5)

其中:P為波速衰減率,%。

各組試件聲發(fā)射波速隨傳播距離的變化情況如圖4所示,聲發(fā)射波速與傳播距離呈正相關(guān),傳播距離越大,衰減越明顯。強(qiáng)度等級(jí)越高的混凝土試件,其基準(zhǔn)波速以及波速隨距離的衰減程度越大。對(duì)于C30、C40和C50混凝土,基準(zhǔn)波速分別為3 966 m/s、4 193 m/s和4 411 m/s。不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土中的聲發(fā)射波速均表現(xiàn)出隨傳播距離的增大而減小的趨勢(shì),但變化率在500 mm左右發(fā)生了改變。在500 mm以?xún)?nèi),波速的衰減情況顯著,500 mm后波速仍然衰減,但曲線(xiàn)更為平緩。因?yàn)閿嚆U產(chǎn)生的信號(hào)是多模態(tài)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(yuǎn)大于彎曲波。這就導(dǎo)致近處的傳感器接收到的信號(hào)以拓展波為主,而在500 mm附近,拓展波的幅值普遍衰減到門(mén)檻值以下,被門(mén)檻值過(guò)濾掉,所以遠(yuǎn)處的傳感器接收到的信號(hào)以彎曲波為主。這是一個(gè)需要關(guān)注的現(xiàn)象。

(a) 波速沿傳播距離變化情況

在使用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí),各傳感器接收到的信號(hào)應(yīng)盡量是同一種模式的波,否則會(huì)造成較大的誤差。從本試驗(yàn)的結(jié)果可以看出,500 mm之前的波更具有實(shí)際意義。因此,在對(duì)混凝土聲發(fā)射監(jiān)測(cè)時(shí),傳感器的間距不宜大于500 mm。這對(duì)聲發(fā)射源定位工作有一定的指導(dǎo)意義。以水灰比表征強(qiáng)度等級(jí),采用對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土500 mm以?xún)?nèi)的波速進(jìn)行擬合,得到聲發(fā)射波速關(guān)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(fā)射波速關(guān)于水灰比和距離的修正模型量化了不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土中聲發(fā)射波速隨距離的衰減情況。在對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土進(jìn)行聲發(fā)射定位時(shí),利用式(6)～式(8)可以修正不同源位置聲發(fā)射信號(hào)的波速,增進(jìn)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(shí)的聲發(fā)射波速, m/s;模型回歸參數(shù)a和b均關(guān)于混凝土水灰比的函數(shù);w/c為水灰比。

2.3 波形分析

上文通過(guò)聲發(fā)射參數(shù)對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土中聲發(fā)射信號(hào)的衰減情況進(jìn)行了分析。然而,聲發(fā)射波速、振鈴計(jì)數(shù)、撞擊計(jì)數(shù)、幅值和能量等聲發(fā)射參數(shù)僅包含了聲發(fā)射信號(hào)的一部分特征,無(wú)法顯示聲發(fā)射信號(hào)的所有信息。相對(duì)而言,聲發(fā)射信號(hào)的波形中攜帶了大量特征信息,針對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的原始波形信息進(jìn)行頻譜特征研究分析,可以更全面、更準(zhǔn)確地研究聲發(fā)射源信號(hào)的特征規(guī)律。本文對(duì)各組試驗(yàn)的11個(gè)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換,得到其對(duì)應(yīng)的頻譜圖。

C30試件信號(hào)頻譜圖如圖5a所示?？傮w上看,隨著傳播距離的增加,信號(hào)頻率分布有由高頻域向低頻域偏移的趨勢(shì)。原始信號(hào)在0～500 kHz內(nèi)均有分布,且在200 kHz以?xún)?nèi)和200 kHz以上均有優(yōu)勢(shì)頻率存在。原始信號(hào)在157 kHz頻率處幅值達(dá)到極值13.4 mV,因此該原始斷鉛信號(hào)主頻為157 kHz,主頻幅值為13.4 mV。當(dāng)信號(hào)傳播100 mm時(shí),200～500 kHz的頻率信號(hào)產(chǎn)生了顯著衰減,400～500 kHz的頻率信號(hào)幾乎已經(jīng)不存在,優(yōu)勢(shì)頻率在200 kHz以?xún)?nèi)。傳播300 mm時(shí),300～400 kHz的頻率信號(hào)完全衰減,傳播500 mm時(shí),200～300 kHz的頻率信號(hào)也不存在,當(dāng)傳播1 000 mm時(shí),衰減消失的頻率進(jìn)一步提前,達(dá)到了140 kHz,低頻信號(hào)占比增加。這說(shuō)明低頻信號(hào)在傳播過(guò)程中較為穩(wěn)定,高頻信號(hào)更容易產(chǎn)生衰減。聲發(fā)射信號(hào)在傳播過(guò)程中所產(chǎn)生的衰減主要是由于聲發(fā)射波在傳播過(guò)程中以微顆粒振動(dòng)的形式進(jìn)行擴(kuò)散,由于顆粒間摩擦阻尼的存在,使得原始信號(hào)不斷衰減,而高頻率信號(hào)波長(zhǎng)較短,不容易穿越障礙物,從而產(chǎn)生的衍射、散射以及反射效果更強(qiáng),因此高頻信號(hào)的衰減速度更為明顯。C40試件信號(hào)頻譜變化(見(jiàn)圖5b)與C30試件極為相似,主頻分布較為重合不再單獨(dú)分析。

(a) C30試件信號(hào)頻譜圖

C50試件信號(hào)頻譜圖如圖5b所示。與C30組相似,其原始信號(hào)頻率分布在0～500 kHz,在157 kHz頻率處幅值達(dá)到極值20.63 mV,因此該原始信號(hào)主頻為157 kHz,主頻幅值為20.63 mV。當(dāng)信號(hào)傳播100 mm時(shí),200～500 kHz的頻率信號(hào)衰減顯著,幅值大幅度降低,400～500 kHz的信號(hào)幾乎不存在。傳播300 mm時(shí),300～400 kHz的頻率信號(hào)消失。傳播700 mm時(shí),200～300 kHz的頻率信號(hào)完全衰減。傳播800 mm時(shí),450 kHz頻率處的信號(hào)有少許增加,這可能是由于聲發(fā)射波在混凝土試件內(nèi)部傳播的過(guò)程中經(jīng)過(guò)復(fù)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(gè)區(qū)域的信號(hào)波小幅度增強(qiáng)。傳播900 mm之后,信號(hào)幾乎不再衰減,傳播1 000 mm時(shí),衰減消失的頻率進(jìn)一步提前,達(dá)到了167 kHz,低頻信號(hào)占比增加。C30試件,信號(hào)衰減得較慢一些,這主要是由于低強(qiáng)度的混凝土中孔隙含量較高,彈性波傳播過(guò)程中產(chǎn)生碰撞的幾率增大,更容易產(chǎn)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(huì)造成聲波的強(qiáng)反射。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)聲發(fā)射信號(hào)在C30、C40、C50混凝土中傳播時(shí),聲發(fā)射能量-距離衰減曲線(xiàn)均滿(mǎn)足負(fù)指數(shù)相關(guān),衰減系數(shù)分別為0.013 94、0.010 67、和0.005 68,說(shuō)明隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)升高,聲發(fā)射信號(hào)能量隨距離的衰減整體呈減小趨勢(shì)。主要是因?yàn)閺?qiáng)度高的試件孔隙率更小,試件內(nèi)部更加密實(shí),聲發(fā)射波在傳播時(shí)產(chǎn)生的散射以及摩擦減少。

(2)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30、C40、C50時(shí),基準(zhǔn)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(shuō)明聲發(fā)射波速與傳播距離呈正相關(guān),與混凝土強(qiáng)度等級(jí)呈正相關(guān),但波速變化在500 mm以?xún)?nèi)更顯著,在500 mm后更平緩,主要是因?yàn)樵?00 mm附近,衰減較快的拓展波的幅值普遍衰減到門(mén)檻值以下,被門(mén)檻值過(guò)濾掉,所以遠(yuǎn)處的傳感器接收到的信號(hào)以衰減較慢的彎曲波為主。本文以水灰比表征混凝土強(qiáng)度等級(jí),對(duì)500 mm以?xún)?nèi)波速與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行了擬合,建議在對(duì)混凝土聲發(fā)射監(jiān)測(cè)時(shí),傳感器的間距應(yīng)在500 mm之內(nèi)以保證監(jiān)測(cè)精度。

(3)混凝土中的聲發(fā)射波在傳播過(guò)程中有由高頻向低頻偏移的趨勢(shì),主要是因?yàn)槁暟l(fā)射波在傳播過(guò)程中以微顆粒振動(dòng)的形式進(jìn)行擴(kuò)散,由于顆粒間摩擦阻尼的存在,高頻率信號(hào)波長(zhǎng)較短,不容易穿越障礙物,從而產(chǎn)生的衍射、散射以及反射效果更明顯。對(duì)比不同強(qiáng)度等級(jí)試件的信號(hào)頻譜圖可以看出,低強(qiáng)度的試件信號(hào)衰減較快,這是因?yàn)榈蛷?qiáng)度的混凝土孔隙含量較多,彈性波傳播過(guò)程中產(chǎn)生碰撞的幾率增大,更容易產(chǎn)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(huì)造成聲波的強(qiáng)反射。