声发射技术在纤维混凝土中的应用现状与展望★

魏宝龙 王 瑶 马海涛

1 概述

混凝土材料在许多工程中广泛使用。但混凝土的自身缺陷也限制了它的应用范围和效果。混凝土工程中使用的纤维包括:碳纤维、聚丙烯纤维、钢纤维等。碳纤维水泥基复合材料能使普通材料的抗拉、压和抗折性能都得到改善，且增加了材料的耐磨性，降低了材料的干缩。聚丙烯纤维在一定程度上提高了水泥的抗冲击强度，且价格低、耐老化、具有优良的分散性。钢纤维可以显著提高混凝土的性能。纤维混凝土结构具有良好的性能，但因材料的各向异性，且使用过程中可能受到的各种复杂载荷作用，使材料结构产生不同类型的损伤，对结构的安全使用和寿命造成威胁。而传统的材料无损检测方法难以适应于检测损伤复杂的纤维混凝土材料。近年来，声发射[1］检测技术作为一种新的无损检测技术得到了迅速发展。

本文主要从声发射在各种纤维混凝土应用中的优势、可行性等方面论述各种纤维混凝土中声发射技术应用的现状以及展望。

2 声发射技术在纤维混凝土中的研究现状

2.1 声发射技术在碳纤维混凝土中的研究

Adam R.Ridge 和 Paul H.Ziehl[2］比较循环荷载测试方法和声发射方法对碳纤维混凝土的破坏的无损评价，发现声发射方法评价更加简易和灵敏。裔裕峰等人[3］进行了碳纤维水泥基材料在不同制作工艺下的声发射特性的研究。结果表明，利用声发射可以定性评价碳纤维的分散性;不同掺量分散剂和硅粉，在单轴压缩下表现出不同的声发射特性。陆见广[4］同时用声发射方法和传统电阻测量法测定了SCFC梁在三点弯曲试验过程中的电阻变化和声发射信号特征。分析表明声发射方法在结构的损伤检测中的有效性。张琴[5］采用声发射装置监测了有初始缺陷的碳纤维混凝土梁内部裂缝的发生发展，对比自身的电阻变化规律，印证了碳纤维混凝土梁监测裂缝发展的可靠性。国内外的研究分别对声发射在碳纤维混凝土疲劳、破坏研究中的应用进行了探索，通过与传统方法的对比得出声发射应用的可行性结论，而裔裕峰、谢慧才又通过声发射技术进一步对不同制作工艺下的碳纤维水泥基材性质进行研究。

2.2 声发射技术在聚丙烯纤维混凝土中的研究

钟文慧[6］采用Dolant聚丙烯腈纤维，分别对素混凝土、掺加两种不同长度纤维混凝土进行了三点弯曲循环加载试验，同时对其进行声发射监测。建立了材料声发射参数与挠度的关系方程，得到了混凝土损伤与声发射累积能量之间的转化关系，并根据声发射累积能量定量化地监测和描述混凝土材料的细观损伤，从细观层次上分析了纤维在混凝土中的作用。Dimitrios G.Aggelis等人[7］的研究显示了声发射技术在研究混凝土破坏过程的可靠性。宣卫红等人[8］系统地进行了室内纤维拔出试验和声发射试验，以探究聚丙烯纤维混凝土/砂浆材料的粘结破坏机理。声发射试验结果为提出的聚丙烯纤维拔出破坏模型提供了较好的佐证。

在钟文慧利用声发射研究了纤维在混凝土细观层次上的作用后，Dimitrios G.Aggelis等进行了声发射技术应用于聚丙烯纤维混凝土研究的可靠性研究，而宣卫红等利用声发射为聚丙烯纤维拔出破坏模型提供佐证。

2.3 声发射技术在钢纤维混凝土中的研究

D.Soulioti等人[9］对不同钢纤维掺量混凝土板的声发射行为进行研究。发现声发射的活动性与纤维含量成正比。分析显示，声发射参数的变化可用于表征纤维混凝土的破坏过程;同时可通过声发射来判断混凝土的损伤程度，并为采取何种加固设计提供依据。林峰等人[10］对钢纤维混凝土试样和素混凝土试样损伤变量与声发射数的关系进行对比分析，说明一次声发射在钢纤维混凝土试样中换算的当量要高于素混凝土试样。Dimitrios G.Aggelis[11］研究了不同钢纤维含量的混凝土的声发射，确定不同混凝土破坏模式的简单分类方法，以适用于施工现场作业。王明[12］通过对混凝土和钢纤维混凝土进行单轴压缩试验和声发射试验研究，应用Dai公式分析了声发射事件数与应力之间的关系，验证了其适用性和有效性;并利用声发射概率密度函数的概念，分析了不同荷载水平的损伤过程。D.Soulioti等人进行了不同钢纤维掺量混凝土板的四点弯曲实验，而林峰等人对前人的结论进行了验证，Dimitrios G.Aggelis对声发射如何应用于施工现场进行研究，王明应用Dai公式分析声发射事件数与应力之间的关系。

2.4 声发射技术在多种纤维混凝土中的对比研究

Amir Mirmiran和Salam Philip[13］进行了钢纤维和FRP纤维混凝土梁的声发射对比。研究发现FRP纤维混凝土梁由于其较低的刚度和较大的脆性，其声发射活动性和峰值振幅更高，且在卸载过程仍发射信号;而钢纤维混凝土的行为更接近于Kaiser效应。陈兵等人[14］观测了不同种类混凝土三点弯曲梁的声发射(AE)特性，发现掺加纤维对声发射特性有明显影响。J.M.L.Reis等人[15］对声发射验证纤维混凝土破坏的机理做了探究，并进一步说明了纤维对混凝土的增强作用。李琳、张亚芳[16］通过RFPA2D对层布式混杂纤维混凝土进行试件变形与破坏过程的数值模拟，并对最大拉应力和声发射过程进行分析。得出层布式混杂纤维使混凝土的抗弯强度和韧性得到明显提高的结论。严军等人[17］在沥青混凝土中添加纤维，通过在传统带切口小梁弯曲试验基础上增加声发射测试设备，对纤维沥青混凝土的断裂行为进行了分析。通过试验建立了声发射特征和参数与力学参数的关系，更准确地反映了材料的断裂特征。

Luigi Biolzi等人[18］对高温后纤维混凝土的剩余属性进行了评估，实验采用了钢纤维混凝土与聚丙烯纤维混凝土两种样本，使用声发射技术对热处理后的混凝土损伤区进行观测，结果显示混凝土损伤在热处理后有增加趋势。多种纤维混凝土的对比研究与混杂纤维混凝土的研究中，声发射的应用相当广泛，其作用机理也不断被人认清。严军等建立了声发射与纤维沥青混凝土的力学参数的关系，Luigi Biolzi等对高温处理混凝土的剩余属性进行了评估。

3 声发射在纤维混凝土研究中的应用总结

本文通过对声发射技术在纤维混凝土研究中应用的相关文献的收集、整理和归纳总结，从声发射在各种纤维混凝土应用中的优势、可行性等方面论述了该领域的相关研究进展和展望，得到如下结论:

1)总结上述研究发现。国内外研究中，对钢纤维混凝土的研究较成熟，国外使用四点弯曲的实验较多并且研究方向较新，做了一些突发情况的纤维混凝土声发射研究。

2)几点展望。针对碳纤维水泥基复合材料压敏性、温敏性、电磁屏蔽等一系列优良的性能，其纤维混凝土的声发射研究应得到注意;纤维混凝土在恶劣条件下，如极端温度、冻融、爆炸情况下的声发射研究前景广阔;玻璃纤维混凝土的声发射研究是个空白，可对其进行进一步研究。

[1]沈功田，戴 光，刘时风.中国声发射检测技术进展[J］.无损检测，2003，25(6):302-307.

[2]Adam R.Ridge，Paul H.Ziehl.Evaluation of Strengthened Reinforced Concrete Beams:Cyclic Load Test and Acoustic Emission Methods[J］.ACI Materials Journal(Technical Paper)，2006(12):832，840.

[3]裔裕峰，谢慧才.碳纤维水泥基材料的声发射特性实验研究[J］.建筑材料学报，2007，10(3):355-358.

[4]陆见广.碳纤维智能混凝土梁的力电效应研究[D］.南京:南京理工大学，2007.

[5]张 琴.缺陷碳纤维混凝土梁的裂缝自感知性能的研究[J］.兰州工业高等专科学校学报，2010，17(4):36.

[6]钟文慧.基于AE技术的混凝土细观损伤的研究[D］.上海:同济大学材料科学与工程学院，2004.

[7]Dimitrios G.Aggelis，Tomoki Shiotani，Shouhei Momoki，et al.Acoustic Emission and Ultrasound for Damage Characterization of Concrete Elements[J］.ACI Materials Journal(Technical Paper)，2009(12):509-514.

[8]宣卫红，王 艳，陈晓洪.聚丙烯纤维拔出试验声发射监测[J］.科学技术与工程，2010，10(32):7962-7963.

[9]D.Soulioti，N.M.Barkoula，A.Paipetis，et al.Acoustic emission behavior of steel fibre reinforced concrete under bending[J］.Construction and Building Materials，2009(23):3532-3536.

[10]林 峰，李庶林，薛云亮.混凝土材料声发射参数与力学参数及其损伤程度的关系[J］.厦门大学学报(自然科学版)，2010，49(4):528-530.

[11]Dimitrios G.Aggelis.Classification of cracking mode in concrete by acoustic emission parameters[J］.Mechanics Research Communications，2011(38):153-157.

[12]王 明.混凝土力学参数与声发射参数之关系研究[J］.福建建筑，2010(4):102.

[13]Amir Mirmiran，Salam Philip.Comparison of acoustic emission activity in steel-reinforced and FRP-reinforced concrete beams[J］.Construction and Building Materials，2000(14):299-310.

[14]陈 兵，张 东，姚 武.用声发射技术研究水泥基复合材料脆性[J］.无损检测，2001，23(10):421.

[15]J.M.L.Reis，R.de Oliveira，A.J.M.Ferreira，et al.A NDT assessment of fracture mechanics properties of fiber reinforced polymer concrete[J］.Polymer Testing，2003(22):395-401.

[16]李 琳，张亚芳.层布式混杂纤维混凝土力学性能的研究[J］.武汉理工大学学报，2011，33(5):130-133.

[17]严 军，曹亚东，曹祖光，等.基于声发射的纤维沥青混凝土断裂行为分析[A］.上海市公路学会第七届年会[C］.上海:上海建设机场道路工程有限公司，2005:94-98.

[18]Luigi Biolzi，Sara Cattaneo，Gianpaolo Rosati.Evaluating residual properties of thermally damaged concrete[J］.Cement ＆Concrete Composites，2008(30):907-916.