基于声发射技术的混凝土动态损伤特性研究

胡伟华，彭 刚，黄仕超，田 为

(三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌 443002)

基于声发射技术的混凝土动态损伤特性研究

胡伟华，彭 刚，黄仕超，田 为

(三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌 443002)

为研究混凝土材料动态损伤特性及损伤演化规律，进行了不同加载应变速率下(10-5/s，10-4/s，7.5×10-3/s)的混凝土单轴压缩试验，并实时采集相应的声发射信号；在分析声发射参数与应力应变关系的基础上研究了在循环加卸载条件下混凝土材料的塑性变形特性及损伤特性。结果表明：循环加卸载过程中损伤集中在前期和中期，损伤程度随加载时间的延长逐渐加重，循环次数越多，损伤越严重；随着累积残余塑性应变的增加，损伤变量逐渐增大，加载应变速率越大，峰值前的释放能量越大，混凝土破坏越严重；随加载应变速率的提高，损伤破坏的路径变短，加载应变速率差异越大，损伤破坏路径差异越大，但损伤变化曲线起点与破坏终点重合。

混凝土；声发射；动态损伤；循环加卸载；混凝土单轴压缩试验

1 研究背景

混凝土的损伤一直以来都是学者所研究的问题，国内外众多学者从不同的角度分析了混凝土材料内部损伤[1-2]。李杰和吴建营[3-4]根据有效应力空间塑性力学确定了塑性变形的演化法则和塑性Helmholtz自由能，采用受拉损伤变量和受剪损伤变量建立了基于能量的弹塑性损伤本构模型，并进行了数值计算和试验验证。Suzuki等[5]基于声发射速率过程理论对混凝土桥墩的损伤情况进行定量评估，论证了声发射技术监测桥梁结构的可行性。Carpinteri等[6]应用声发射技术监测钢筋混凝土结构和石材古建筑，得出压应力和声发射累计数随时间的变化曲线，用声发射技术识别钢筋混凝土结构和砌体建筑物的缺陷和损伤。采用刚度退化程度以及残余塑性变形等参量定义损伤变量，这样得到的损伤变量不具有直观性，不能实时检测混凝土材料内部损伤的程度及损伤发展的快慢。近年来，随着声发射技术的迅速发展，该技术能够接收材料内部的实时变化情况，能够达到实时监测材料内部损伤程度与快慢的目的[7-10]。鉴于此，本文进行了基于声发射技术的混凝土动态单轴压缩试验，研究了混凝土在循环加卸载条件下的损伤特性及损伤演化规律。

2 试验过程

2.1 试验设备

采用SAEU2S声发射系统对试验信号进行采集，该系统能实时采集记录全部的声发射原始波形数据，提取波形中特征点的参数并能对声源进行准确定位。SAEU2S声发射系统提供多通道接口，每一通道中依次连接传感器、前置放大镜、数据采集卡、计算机。声发射采集/分析软件具有实时FFT波形采集、参数提取分析功能。能实时显示信号波形、参数变化序列、定位图，软件界面设计简洁，操作方便。

加载设备采用三峡大学和长春市朝阳试验仪器有限公司联合研制生产的10MN微机控制电液伺服大型多功能动静力三轴仪。该系统是由3个独立的油缸来施加荷载。轴向变形测量范围0～10 mm，径向变形测量范围0～5 mm，位移测量范围0～100 mm，在加载应变速率为10-6/s～10-2/s的范围内具有良好的工作性能，能较好地满足本次试验的要求，加载设备见图1。

继续盘问制度本身具有法定性、强制性、即时性、暂时性等特征。结合继续盘问制度的上述特点，继续盘问制度的目的是为了查明事实，甄别当场所发现的当事人是否涉嫌违法犯罪，是法律所赋予公安机关及人民警察的权力，从其实施的手段及方式方法来讲是一种强制措施，从其实施的法律后果来看则根据相对人及客观事实会产生将其释放或按照行政案件办理或按照刑事案件办理的三个方向。因此，对于继续盘问制度的法律性质，应当界定为公安机关及人民警察为了查明事实和确定相对人是否涉嫌违法犯罪而由法律、行政法规所赋予的警察权中的盘查权。

图1 加载框架系统Fig.1 Loading frame system

2.2 试件制备及养护

试验采用强度等级为C15、尺寸为150 mm的立方体混凝土试件，水泥采用宜昌弘洋水泥有限公司生产的PO 42.5硅酸盐水泥，细骨料为细度模数2.4的河沙，粗骨料为5～32 mm的连续级配的碎石，拌合用水采用自来水，配合比为粗骨料1 228 kg/m3，细骨料853 kg/m3，水用量160.0 kg/m3，水泥用量160.0 kg/m3。

为寻找直接证据，也为明确右骶棘肌粗大是代偿性增粗还是损伤所致，进一步行腰椎MRI检查。横断面MRI可见L4/L5及L5/S1节段右骶棘肌横径及面积明显增大（Advantage work-station自带软件测量），但信号正常，明确右骶棘肌无损伤，同时未见黄韧带肥厚（图4）。

2.3 试验过程

由图2知，混凝土受压产生的声发射信号是间断非连续的，循环加卸载过程中声发射信号集在整个加载过程前期和中期，接收的信号随加载时间的延长逐渐增强，达到信号强度峰值后信号逐渐减弱，加载后期产生声发射信号很少，损伤进入平稳阶段。

(1) 装样。将挑好的试件安装在垫块上，进行对中，并选择尺寸合适的传力板。

(2) 声发射探头的安装及检查。在混凝土试件4个自由面上确定其中心，做好标识，对其中心部位用砂纸打磨，去除表面的污渍或灰层，再将声发射相应的探头用耦合剂安装在4个表面的标识处，耦合剂采用黄油；对安装好的探头利用软件自带的脉冲标定进行测试，检查其连接是否完好；利用带有导向环的自动铅笔(笔芯长约2.5 mm)检查探头与试件表面的耦合情况，在探头处断铅，检查声发射得到的信号强弱，通常认为信号幅度在90 db以上，耦合情况比较理想。

(3) 建立声发射记录文件，相应声发射参数详见3.1节。

当下有着巨量的数据，杂乱无章没有经过整理的信息对于企业没有任何意义和作用，所以企业更加迫切需要能够对大数据进行处理和分析的计算机软件以及更多的管理会计人才。这样才能在海量的数据中发掘到对企业有用的部分。面对这样的诉求，企业既可以组织既有员工去学习数据挖掘和分析的知识，也可以招聘具有这方面技能的人员。带动了企业内部的发展，也提升了企业人员的专业水平。

(4) 加载。调入写好的加卸载程序，设置好声发射采样频率，点击加载指令的同时开始采集声发射信号，加载模式见表1。

表1 试验加载模式Table 1 Loading modes

对于每次循环加卸载过程，卸载点应变为ε，卸载至最低点时累积残余塑性应变为εp。量纲归一，Sp=εp/ε0，S=ε/ε0，ε0为峰点处应变。经回归分析，混凝土的累积残余塑性应变与卸载点应变关系，可采用式(1)表示，

试件成型并在室温下静置一昼夜，拆模编号，放入标准养护间养护28 d，为消除龄期因素的影响，将试件在自然环境中搁置9个月后才进行加载试验。

3 声发射参数与应力、应变的关系

3.1 声发射参数与应力的关系

本文选用声发射撞击计数对混凝土受压过程进行描述。试验中声发射参数为：信号门槛45 db，前置放大器40 db，主放大器20db；滤波器带宽20～400 kHz，采样频率833 kHz；采样长度2 048；峰值鉴别时间(PDT)50 μs；撞击鉴别时间(HDT)200 μs；撞击锁闭时间(HLT)300 μs。

师：孩子们，知道五月份的第二个星期日是什么节日吗？（生：母亲节）我给我的妈妈送了两份礼物。（出示课件：包包326元 丝巾235元）

图2是混凝土试件在加载应变速率为10-4/s,7.5×10-3/s下声发射撞击数及加载应力随时间的变化图，图3是混凝土试件在加载应变速率为10-4/s,7.5×10-3/s下声发射撞击累计事件数及加载应力随时间的变化图。纵坐标中σ0为峰值应力，Zi为撞击数瞬时值，Zmax为撞击数的最大值，Z为每次循环撞击数累计值，Zz为整个加载过程撞击数累计值，Si为事件数瞬时值，Smax为事件数的最大值,Ni为能量数瞬时值，Nmax为能量数最大值。

图2 不同加载应变速率下AE撞击数及应力与时间关系曲线Fig.2 Curves of AE impact number and stress vs. time under different loading rates

图3 不同加载应变速率下AE累计撞击数及应力与时间关系曲线Fig.3 Curve of AE cumulative impact number and stress vs. time under different loading rates

在不同应变速率下，进行了混凝土的动态循环加卸载试验。试验过程如下：

对图3，混凝土在轴向循环受压时声发射AE累计事件数信号的变化曲线呈阶梯形，每次循环的加载过程都有信号产生，且随着循环加载次数的增加，累计曲线中台阶高度变化量呈现出先增加后减少最后趋于零的规律。加载应变速率为10-4/s时，损伤过程耗时1 100 s，加载应变速率为7.5×10-3/s时，损伤过程耗时56 s，说明随加载应变速率的提高，混凝土损伤路径变短。

3.2 声发射参数与应变的关系

由图4知，循环前期声发射信号主要发生在应变增加阶段，在循环后期当应变减小时，也产生了部分声发射信号。在整个检测过程中，每次循环加卸载过程中出现2个峰值。前期峰值是由于在应变增加的过程中，混凝土材料内部初始的缺陷得到扩展，材料产生弹塑性变形以及部分细小裂纹产生，导致声发射能量逐渐增加出现峰值，随后裂纹稳定发展，声发射信号有减弱的趋势。第二次峰值是由于有大量新的裂纹产生，已有的细小裂纹交汇扩展形成裂缝，导致声发射信号再次加强，此时混凝土内部已接近破坏，不断形成新的裂缝，直至最后失稳破坏，声发射信号再次增强。

图4 不同加载应变速率下AE事件数及应变与时间关系曲线Fig.4 Curves of AE event number and strain vs. time under different loading rates

图5 不同加载应变速率下AE能量累计数及应变与时间关系曲线Fig.5 Curves of AE energy cumulative number and strain vs. time under different loading rates

据图5知，声发射事件数累计曲线斜率先增加后减小，即混凝土材料内部损伤速度在前期速度较快，后期缓慢。

4 塑性变形特性分析

(5) 试验结束并保存数据文件，供后期数据处理使用。

用式(1)和表2的计算结果，对试件在不同加载应变速率下累积残余塑性应变与开始卸载点应变关系进行验证分析，结果见图 6。

创造性地教是有效的教学方式，但并不一定以发展学生创造力为目标；为创造力而教则是创造力教学的主旨，教师的一切教学行为和活动都服务于培养学生独立创造性思维和行为能力这一主题．为创造力而教的课堂中，教师的主要活动可以从以下几方面进行分析，而创造性地教则有机地融入其中．

(1)

式中a和b为累积残余塑性应变参数。

HH-6型数显恒温水浴锅（江苏省金坛市医疗仪器厂）；Megafuge 2.0R型低温高速离心机（德国Hermle公司）；THM51119300型全波长酶标分析仪、TCA4848型梯度聚合酶链反应（PCR）仪、Nano Drop 2000型超微量紫外分光光度计（美国Thermo Fisher Scientific公司）；CFX96型荧光定量PCR仪（美国Bio-Rad公司）。

说丢人，这还是小的。暑期，电视剧《岁岁年年柿柿红》热播，但该电视剧的海报上将“岁岁年年柿柿红”错写成了“岁岁年年柿柿肛”，这“红”写成了“肛”，真是“肛肛滴”，让人笑掉大牙。

在不同加载应变速率下，不同强度及尺寸混凝土得到a，b和相关系数R2的计算值见表2。

东家伙计一黑一白，不像父子。白脸的一脸兜腮青胡子楂，厚眼睑睡沉沉半合着，个子也不高，却十分壮硕，看来是个两用的店伙兼警卫。柜台位置这么后，橱窗又空空如也，想必是白天也怕抢——晚上有铁条拉门。那也还有点值钱的东西？就怕不过是黄金美钞银洋。

表2 不同加载应变速率下参数a,b及回归系数R2Table 2 Parameters a, b and regression coefficient R2under different loading rates

对照组的56例患者实施常规护理,常规护理的基本内容包括以下几点:一是护理人员要协助患者进行指甲修理,避免患者把皮肤抓伤,并多采用热肥皂水对皮肤患处进行烫洗;二是对患者实施用药指导时,护理人员要对患者病情的发展变化情况进行观察,并了解患者是否对正在服用的药物过敏,一旦发现异常情况时,要立即报告给主治医生,并及时给予处理;三是及时更换患者的脏衣物和床单,叮嘱患者保持皮肤的干燥清洁;四是对患者实施饮食干预,禁止患者进食生冷、辛辣等刺激性食物和海鲜类、菌类食物。

图6 不同加载应变速率下混凝土累积残余塑性应变曲线Fig.6 Variation of concrete’s cumulative residual plastic strain under different loading rates

从图 6可以看出，随着卸载点应变的增加，材料的累积残余塑性应变前期增长较慢，主要是由于循环前期材料变形中大部分属于弹性变形，卸载后变形得到恢复，后期材料内部损伤逐渐累积，变形主要由塑性变形以及材料损伤产生裂纹构成，因此后期在卸载后，材料的变形未能恢复。采用式(1)得到的累积残余塑性应变曲线与本文得到的试验结果吻合得较好，说明式(1)能够较好地反映累积残余塑性应变的变化规律及混凝土的塑性特性。

5 基于声发射的混凝土损伤特性分析

声发射信号的变化与损伤具有一致性，能直接反应材料内部的损伤，声发射参量与材料变量之间有着必然内在的联系，故可以利用声发射参数来衡量混凝土损伤程度。

定义损伤变量D为断面上微缺陷的面积Ad与无损时断面面积A的比值，即

(2)

假定材料无初始损伤，材料截面面积为A，截面完全破坏时累积声发射撞击总数为Nm，则单位面积微元破坏时的声发射撞击为

(3)

受压过程中，混凝土截面为Ad时，累积声发射数为

2.激发语文学习的兴趣。兴趣是最好的老师，是内在的动力。学生如果对语文学习产生兴趣，才会积极主动地去学习。培养学生学习兴趣的途径很多，如在拼音和字词教学中多让学困生参与“找朋友、摘苹果、猜谜语”等游戏活动，在阅读和理解课文的教学中，可采用情境和扮演角色的形式让学困生找到乐趣，在作文教学中，注重指导学困生观察事物的顺序和着重点以及细节的方法，推荐阅读相近课外读物帮助他们由此事物联想到彼事物，积累写作素材的能力，讲评作文时有意将学困生的作文作为范例，寻找到进步的地方和亮点，让其体验到进步的愉悦。

(4)

比较式(2)、式(4)，可知声发射数与损伤变量间存在以下关系，即

(5)

根据式(5)求出每一次卸载后的声发射累计撞击数与总累计撞击数的比值，作为损伤变量，于是可以得到每次卸载时的累积残余塑性应变与此时的损伤变量值的一一对应值，得到以下损伤变量D随塑性累积残余塑性应变εc的变化规律曲线，如图7。

图7 不同加载应变速率下损伤演化规律曲线Fig.7 Curves of damage evolution regularity under different loading rates

随着累积残余塑性应变的增加，损伤变量逐渐增大，曲线斜率逐渐减小，随着累积残余塑性应变的增加,损伤的增长速度逐渐减慢。混凝土材料在循环加载的过程中，材料的刚度大部分消耗在前期的循环荷载，在循环后期材料的剩余刚度很小，试件内部裂纹的扩展所需要的能量越来越小，故损伤的增长速度越来越低。

随着应变的增加，试件损伤在不断地累积，当损伤指标达到1时，意味着试件完全破坏，图中曲线表征着试件随应变增加而损伤累积的过程。在不同加载应变速率下的材料损伤累积路径各不同，但损伤发展的起点与终点是重合的。加载应变速率为10-5/s时，损伤累计路径明显缩短是由声发射探头从混凝土表面脱落造成的。

总体而言，随着加载速度的提高，损伤累积路径变短，加载应变速率差异越大，路径差异越大。加载应变速率越快，早期损伤发展的时间较少，早期损伤发展不充分，损伤程度较弱；在损伤曲线上呈现出随加载应变速率的提高后期水平段变短，直接到达破坏终点的现象。循环加卸载的过程实质上就是一个损伤累积的过程，随着加载应变速率的提高，损伤累积的路径被大幅度地缩减而直接进入破坏阶段。

6 结 论

(1) 循环前期声发射信号发生在应变增加阶段，在循环后期当应变减小时，产生部分信号。声发射事件数累计曲线斜率随加载时间的增加呈现先增加后减小的规律，前期损伤速度快，后期缓慢。声发射随循环次数的增加，混凝土材料内部损伤程度加重。

(2) 随着累积残余塑性应变的增加，损伤变量逐渐增大。加载应变速率越大，峰值前的释放能量越大，混凝土破坏越严重，后期混凝土残余能量不足以维持试件继续承受循环动态荷载而直接破坏，随加载应变速率的提高混凝土的破坏时间提前。

(3) 不同加载应变速率下材料损伤发展的路径不同，但损伤发展的起点与终点是重合的。加载应变速率提高，损伤路径变短，加载应变速率差异越大，路径差异越大。混凝土在不同阶段的损伤程度、破坏形态与加载应变速率有关。

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(编辑：曾小汉)

Dynamic Damage Features of Concrete Based onAcoustic Emission Technology

HU Wei-hua, PENG Gang, HUANG Shi-chao, TIAN Wei

(College of Civil Engineering and Architecture, Three Gorges University, Yichang 443002, China)

In order to study the dynamic damage features and damage evolution regularity of concrete, we carried out uniaxial compression test on concrete under different loading rates (10-5/s，10-4/s，7.5×10-3/s) and collected the real-time acoustic emission signals. By analysing the relationship between acoustic emission parameters and stress-strain, we obtained the plastic deformation and damage features of concrete under cyclic loading and unloading. Results reveal that the damage concentrates in the early and middle stages of the cyclic loading and unloading process.The damage intensifies with the increase of loading time and cycle numbers. Damage variable also increases along with the increase of accumulated residual plastic strain. Moreover, when loading rate increases, the energy release before the peak gets larger and damage path becomes shorter. When the difference between loading rates gets larger, the damage path difference becomes larger, but the start point and end point of damage curves overlap.

concrete; acoustic emission; dynamic damage; cyclic loading and unloading；uniaxial compression test on concrete

2013-09-17；

2013-11-07

三峡大学研究生培优基金资助(2014PY014)

胡伟华(1988-)，男，湖南益阳人，硕士研究生，研究方向为结构工程，(电话)13617278041(电子信箱) 1447194627@qq.com。

彭 刚(1963-)，男，湖南岳阳人，教授，博士生导师，研究方向为混凝土材料动力特性及结构抗震，(电话)13972604433(电子信箱)gpeng158@126.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.025

TV431；TU755

A

1001-5485(2015)02-0123-05

2015,32(02):123-127,132