基于声发射技术的混凝土动态劈拉试验研究

胡伟华，吴 彬，彭 刚，王孝政

(1.十堰市建筑设计研究院, 湖北 十堰 442000；2．湖北工业职业技术学院 建筑工程系，湖北 十堰 442000；3．三峡大学 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劈拉试验研究

胡伟华1,3，吴 彬2，彭 刚3，王孝政3

(1.十堰市建筑设计研究院, 湖北 十堰 442000；2．湖北工业职业技术学院 建筑工程系，湖北 十堰 442000；3．三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

为了研究混凝土材料在受拉状态时的动态力学性能，采用新型动态无损检测声发射技术进行了不同加载速率下(10-5/s ，10-4/s，10-3/s，10-2/s)混凝土劈拉试验，根据实时采集的声发射数据建立了不同加载速率下应力及同步声发射参数与时间的对应关系，并在此基础上分析了混凝土在劈拉破坏全过程中的能量释放特性及规律。结果表明：混凝土在劈裂抗拉破坏过程中不具有典型的三阶段特征，加载前期产生的声发射信号较微弱，材料达到峰值应力时能量信号突然急剧上升；采集的声发射数据能真实地反映混凝土劈拉破坏特性。

混凝土；动态劈拉试验；声发射；加载速率；本构模型

1 研究背景

受拉是混凝土材料的基本力学状态之一，混凝土材料的抗压强度很高，但其抗拉强度较低，一般只有抗压强度的1/10～1/15。由于混凝土材料的抗拉强度远远低于抗压强度，在某种程度上抗拉特性对结构的安全性和可靠性起着决定性的作用。加之，混凝土受拉试验对设备的要求很高，且试验成功率很低，对混凝土动态受拉试验进行得很少，因此，研究混凝土材料在受拉状态时动态力学性能具有重要的意义。

目前国内外许多学者对混凝土材料动态拉伸特性进行了大量试验研究[1-3]。但是研究成果主要集中在通过改变试件形状进行拉伸试验上，对混凝土受拉破坏机理研究较少。近年来，声发射技术作为一种新型动态无损检测技术已应用于土木工程中[4-8]，其技术优势在于可以在未知混凝土损伤状态的物理参数情况下，了解混凝土内部损伤和裂缝形成与发展的过程，进而实现判定混凝土曾经承受的最大应力历史和动态评估混凝土损伤程度等目标。鉴于此，进行了混凝土动态劈拉试验，并对不同加载速率下应力及同步声发射参数与时间的对应关系进行了深入研究。

2 试验过程

2.1 试件的制作及加工

试件采用圆柱体芯样，水泥采用宜昌花林有限公司生产的强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，经检验其3 d和28 d抗压、抗折强度等均满足规范要求；搅拌混凝土所用的水为饮用自来水；粗骨料为5～30 mm连续级配的碎石，属于二级配；细骨料为河沙，连续级配，经筛分试验测定后得其细度模数为1.8，属于细沙。

依据中华人民共和国行业标准《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55—2000)，确定后的混凝土配合比如表1所示。

表1 混凝土材料用量Table 1 Proportioning of concrete materials

由于通过钻孔取芯的混凝土试件长度和试件两端不符合本文试验的要求，需要对取芯后的混凝土试样进行切割处理。切割时将试件长度预留至155 mm，以便打磨时有足够的长度来保证将试件磨平，试件成型后的尺寸为Φ150 mm×150 mm。磨平后的试件长度精度控制在±2 mm左右。

2.2 试验设备

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10 MN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，在加载速率为(10-6～10-2)/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。

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，每一通道中依次联接传感器、前置放大镜、数据采集卡、计算机。

2.3 试验步骤

步骤1：装样。将经过切割和打磨好的混凝土试件放在水平处，用角尺和铅笔画出圆柱体试件对称轴线，然后将其放置在已经摆好的劈拉钢垫条上面，保证小车底座、垫条、试件的中心线、传力柱对中。

步骤2：变形计的安装与检查。开启油泵，将装有试件的小车移动到指定的位置，根据试件尺寸，调整变形计的标距，保证所测变形为试件本身变形，不含垫块的变形；利用水准气泡对安装的变形计进行调平，保证变形计径向压缩方向垂直；开启数据采集系统，连接上变形计插口，人为触动变形计，检查变形计接口是否正常以及量程是否合适。

步骤3：声发射探头检查及安装。在混凝土试件平整部位，做好标识，对其部位用砂纸打磨，去除表面的污渍或灰层，将声发射探头均匀涂上黄油，贴在试件平整的部位。再利用带有导向环的自动铅笔对安装的探头进行脉动标定测试。

步骤4：建立声发射记录文件，声发射参数根据试验条件进行设置。信号门槛设为45 db，前置放大器均为40 db，主放大器增益为20 db；滤波器带宽选为20～400 kHz，采样频率为833 kHz；采样长度为2 048；峰值鉴别时间(PDT)为50 μs；撞击鉴别时间(HDT)为200 μs；撞击锁闭时间(HLT)为300 μs。

步骤5：加载。正式加载之前预先编写好加卸载程序，试验将要开始时，直接调入写好的加卸载程序，然后设置好采样频率，点击发送指令，同时开始采集声发射信号。系统同时开始采集位移值、荷载值、轴向变形值等各种数据。加载系统的控制器将力传感器反馈的负荷与变形计测得的变形建立对应关系。

步骤6：数据处理。将控制器建立的负荷与对应径向变形的关系换算为应力与应变的关系，供进一步分析。

3 声发射参数与应力的关系

3.1 声发射能量、应力与时间的关系

声发射参数有能量计数、撞击计数、AE(acoustic emission)探头的时间差、AE波初动的上升时间、事件率、事件发生的时间分布、振幅、振幅分布、波形及其频谱等。参数的有效程度差异很大，因此，应当结合材料的破坏现象，选择合适的参数分析。本文选能量计数对混凝土的破坏过程进行分析描述。

图1为混凝土试件在不同加载速率下的径向劈拉试验过程声发射能量计数及应力随时间的变化图，纵坐标中的σ0为峰值应力，即混凝土劈拉强度，Nmax为AE能量计数最大值，N为AE能量计数瞬时值。

图1 不同加载速率下AE能量数及应力与时间关系Fig.1 AE energy counts and the relation between stress and time under different loading rates

由图1可知：

(1) 劈拉试验与混凝土抗压试验不同，混凝土在劈裂抗拉破坏过程中不具有典型的3阶段特征，裂纹初始发展阶段不明显。

(2) AE能量信号与时间的变化规律为混凝土径向劈拉加载前期产生的声发射信号断断续续且较微弱，加载后期产生信号较多，较强烈；材料破坏时能量信号急剧上升，突变特征非常明显。

(3) 加载速率为10-5/s～10-3/s时，试件主破裂完成后，声发射能量急剧下降，但是试件仍能承担一定的荷载，此时有少量声发射信号产生；但在加载速率为10-2/s的情况下，混凝土延性没有得到充分的发展，脆性破坏后没有声发射信号产生。

从图1中混凝土劈拉应力与声发射能量信号的对应关系可知两者之间的规律非常明显。由于试件内部存在较多孔隙以及微裂纹，在应力曲线线性段时，随应力增加，孔隙被压实产生非常微弱的能量信号；当达到峰值应力时，试件中部水平拉应力达到最大值，而垂直中部的压应力为0，声发射能量数急剧增长到最大值，试样内的应变能得以剧烈释放；在试件主破裂完成后，声发射能量信号随应力的减小而急剧下降，由于试件破坏后能继续承担一定的荷载，此时仍有少量声发射信号。

3.2 基于声发射参数的混凝土能量率效应分析

图2 不同加载速率下峰值处AE累计能量变化关系Fig.2 Variation of accumulative AE energy in peak stress of concrete under different loading rates

选取其应力峰值前声发射累积能量来反映混凝土试件在应力峰值之前能量的释放规律。由于不同加载速率下，试件破坏时释放的能量达到数量级的差异，以加载速率为10-5/s时的AE能量累计数为混凝土的准静态AE能量累计数NS，将不同加载速率下的能量累计数Nd除以NS的值作为纵坐标，加载速率的对数作为横坐标，如图2所示。不同加载速率下，混凝土试件的峰值前AE能量累计值以及出现的时间见表2，加载速率与能量累计关系见图2。

表2 不同加载速率下混凝土应力峰值前AE能量累计值Table 2 Accumulative value of AE energy before the peak stress of concrete under different loading rates

由图2和表2可知，随着加载速率的增加，试件在应力峰值前的AE能量总体呈增加的趋势，加载速率每增加一个数量级，达到峰值应力所消耗的时间减少10倍左右。加载速率越大，峰值前释放的能量越大，混凝土内部破坏越严重。

4 结 论

本文对混凝土动态劈拉试验进行了不同层面的研究，得出以下结论：

(1) 混凝土在劈裂抗拉破坏过程中不具有典型的3阶段特征，加载前期产生的声发射信号断断续续且较微弱，材料的破坏发生时能量信号突然急剧上升，突变特征非常明显。

(2) 随着加载速率的提高，试件破坏所需时间越短，峰值应力前混凝土释放的能量越大。

(3) 采集的声发射数据能较真实地反映混凝土材料劈拉破坏的特性。

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(编辑：刘运飞)

长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室参加中国土木工程学会
第12届全国土力学及岩土工程学术大会

由中国土木工程学会土力学及岩土工程分会主办、上海交通大学等单位承办的第12届全国土力学及岩土工程学术大会于2015年7月17—21日在上海市举行，国内外岩土工程领域2 000余名专家学者代表参加了本次学术大会。长江科学院副总工、水利部岩土力学与工程重点实验室主任程展林教授受邀参加了本次会议，担任了“岩土工程勘察、测试与评价技术”分会场主持人，并作了题为“覆盖层坝基工程特性试验新方法研究与应用”特邀报告。水利部岩土力学与工程重点实验室副主任、土工研究所所长饶锡保教授，土工研究所副所长、土工学科主任张伟教授，环境岩土学科主任龚壁卫教授等20余位职工及研究生参加了此次会议。潘家军、丁金华、李波、周跃峰和童军等5位博士分别在“地下工程及深基坑工程”、“环境岩土工程及灾害效应”等分会场做了专题报告。

长江科学院与会同志重点展示了近年来在土石坝粗粒土试验新方法、土石坝应力变形、特殊土工程特性和土工合成材料工程应用，以及土工离心模型试验方面所取得的最新研究成果。同时，通过与国内外相关领域专家学者的深入交流，了解了我国岩土工程领域的最新研究成果及发展动态。

全国土力学及岩土工程学术大会每4年举办1次，是我国岩土工程领域历史最为悠久、影响最为深远的学术会议之一，本次大会以“岩土工程安全与创新”为主题，集中展示了我国岩土工程各领域的最新科研及工程应用成果。

(摘自：长江水利科技网)

Dynamic Splitting Tensile Test on Concrete ByUsing Acoustic Emission Technology

HU Wei-hua1,3, WU Bin2, PENG Gang3, WANG Xiao-zheng3

(1.Shiyan Architectural Design Institue, Shiyan 442000，China;2. Architectural Engineering Department，Hubei Industrial Polytechnic，Shiyan 442000，China;3．College of Civil Engineering & Architecture，Three Gorges University，Yichang 443002，China)

To research the dynamic mechanical properties of concrete in tension, splitting tensile tests were performed on concrete under different strain rates(10-5/s, 10-4/s, 10-3/s, 10-2/s) using nondestructive acoustic emission technology. According to the real-time acquired acoustic emission data, the corresponding relation between acoustic emission parameter and stress-time curves under different loading rates were established, and the characteristics and regularities of concrete’s energy release in the whole process of splitting tensile damage were analysed. Results showed that typical characteristics of three phase did not happen in the process of splitting tensile damage, emission signal was weak at the early stage of loading, and energy signal suddenly rose sharply when the concrete material reached peak stress. The acquired acoustic emission data could reflect the real splitting tensile damage of concrete.

concrete; dynamic splitting tensile test; acoustic emission; loading rate; constitutive model

2014-02-16 ；

2014-04-08

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)18772803749(电子信箱)464913988@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.08.024

TU528，TU502

A

1001-5485(2015)08-0131-04

2015,32(08):131-134