声发射与超声波联合测试混凝土构件损伤量试验研究

张昊 隋黎港 王军

（山东理工大学 建筑工程学院，山东 淄博 255049）

重大工程结构的检测和损伤评估是一个与科学技术、经济发展、社会和谐关系密切的科学技术问题。为保障结构的安全可靠并能及时准确判定服役结构的损伤量，达到消除存在的结构隐患、避免安全事故发生，采取适当的方法和技术对服役工程进行检测鉴定成为工程结构无损检测研究的热点课题[1-3]。本文探索通过无损检测方法定量评估损伤混凝土构件的损伤量，为科学确定服役结构的损伤量提供借鉴。

1 超声波与声发射结合确定混凝土损伤量理论分析

1.1 声发射参数与混凝土损伤量关系研究

混凝土损伤变量可由下式表示[4]：

式中，D为损伤量；E为混凝土的弹性模量；E*为无损状态混凝土的弹性模量。

由公式（1）知，混凝土损伤量可以通过混凝土的弹性模量表征，如果能获得混凝土的弹性模量，就可以确定混凝土的损伤量。但是对于重大服役结构，在不破损取样的前提下获取弹性模量需要借助声发射和超声波的数据。

声发射参数与损伤量D成正比关系，因而可用下面公式表达[5]：

D与a具有比较强的相关性，而与b，c相关性较少。谢洪林[5]认为a值的大小反映出了材料内部含有裂纹的多少，即a值与混凝土材料内部裂纹数量具有正比关系，可以认定损伤量D与a成线性关系，即：

从以上推导可以发现，混凝土的损伤与其弹性模量是紧密相连的，对于确定的混凝土结构，E0为常数，考虑应用方便，将公式（3）转换为[6]：

通过前面分析知a的变化与混凝土损伤紧密联系，对于初始时刻未受损伤的混凝土a为零，混凝土无损状态的弹模为：

式（2）、（3）、（4）、（5）中Dp，材料极限应变时的损伤量；D0，初始时刻损伤量；E，受损材料弹性模量；E*，无损状态下的弹性模量；E0，初始时刻混凝土弹性模量；Ep，极限应力下混凝土弹性模量；λ、β，系数；a、b、c，参数。

若定义混凝土材料从应力水平L（%）到L+dL过程中产生声发射事件的概率密度函数为f（L），则有：

式中dN，声发射增加数；dL，压应力水平增加数；f（L），压应力发生概率密度函数；N，声发射数。

f（L）表达式为：

式中a、b，试验参数，同公式（2）。

将（7）代入（6）进行积分，得到压应力水平与声发射事件总数量的关系式：

式中C，积分常数。其他字母含义与式（6）相同。

通过公式（8），可以获得参数a的具体数据，利用公式（4），通过求解方程组可以确定β，进而确定了混凝土的E*。但仅通过声发射技术还不能确定混凝土的弹性模量，必须引入另外的参数。

1.2 超声波波速确定混凝土弹性模量

高强度混凝土的强度与弹性模量的关系可用公式（9）表达[7]：

超声波速与混凝土强度的关系可用公式（10）表达[7]：

式（9）、（10）中，P，损伤混凝土的抗压强度（MPa）；P0，无损状态混凝土的抗压强度（MPa）；v0，混凝土无损状态的超声波速度；V，混凝土实测超声波速度。

通过以上理论分析，确定E、E*，就可以依据公式（1）计算混凝土构件的损伤量。

2 试验设计

2.1 试验设备

液压屏显万能试验机；AE21C声发射检测仪，性能参数见表1，ZBL-U520非金属无损超声检测仪。

表1 AE21C声发射仪 参数表

2.2 试验设计

制作100mm×100mm×100mm的C60混凝土试块，制作工艺、搅拌时间、振捣方式依据规范要求。试块养护28天后，半浸泡于10%硫酸钠溶液中进行干湿浸烘试验，方法是先置于溶液浸泡12小时，再取出放入80℃的烘箱内烘6小时，取出冷却6小时为一个循环，如此反复进行，制造混凝土试件的损伤。分别测试浸烘循环10、20、30…50次的混凝土试块超声波速、抗压强度和声发射参数。试验中每10次循环更换新的溶液一次，溶液浓度保持在10%。为进行比对，保留部分未浸泡和未干湿浸烘试块。

3 混凝土损伤量确定

声发射事件数与相对应力水平的数据见表2，根据表2的数据利用Matlab数值软件进行数据拟合，得到不同混凝土试样的a、b、c数值如表3，损伤量的计算结果见表4。

表2 不同应力水平声发射数据（104）

表3 混凝土声发射参数

从表4的测试数据分析，混凝土试件理论计算的损伤量与实际测得的损伤量的数据基本逼近，个别数据误差在理论允许范围，但仍较大，达到4.55%，是浸烘循环试验40次后的损伤量。理论推导和实验验证表明通过声发射与超声波联合判定混凝土构件损伤量是可行的，但是试验测试的损伤量与结构的实际损伤量需要进一步吻合；公式中的参数应进行更深入的研究。

表4 混凝土试样损伤量

4 结语

1）根据损伤力学理论，推导出声发射与超声波联合测试混凝土构件损伤量的可行性；

2）通过设计的试验测试混凝土试件的损伤量，与混凝土的实测损伤量比对发现基本能反映混凝土的实际损伤值，但需要进一步研究以保证试验测试损伤量与实际服役结构吻合。