基于声发射理论的混凝土结构静力损伤试验研究*

吴丽琴，杨业宇

（广西建设职业技术学院，广西 南宁 530003）

1 声发射概述

1.1 声发射技术概述

声发射信号是一种自然物理现象，是材料局部快速释放能量产生瞬态弹性波的现象，其原理是材料受外力作用后内部结构快速变化而引起的应力集中，促使机械能转化为声能而产生弹性波，其频率多为1～1000kHz。人体能直接接收听到的声发射较少，多数材料的声发射信号强度小，需要借助灵敏度高的电子仪器进行检测和显示（见图1），这种用仪器探测、记录、分析和显示的技术就是声发射技术。

图1 声发射检测原理图

1.2 声发射技术发展历史

声发射技术是新型的无损检测技术，最初由德国科学家在20世纪50年代发现并应用，随后声发射技术引起了国外诸多学者的关注。20世纪末，声发射技术被深入研究，取得了众多理论成果，进而在实际工程中的应用也逐渐成熟，获得快速发展。21世纪以来，数字化声发射系统问世，使声发射检测技术更加智能化、简便化、实用化，结构定损更加精准，同时也实现了远程数据传输，完善了诸多功能，提高了机械智能化程度，极大地提高了声发射的可操作性。我国在20世纪70年代开始引入声发射技术，其后随着国内学者的不断努力和完善，我国成功研制出水平先进的声发射检测设备，将声发射检测技术的应用和研究推向高潮。目前，声发射技术在航天工程、机械工程、桥梁结构工程、岩土工程等领域获得了有效的应用。

2 声发射检测技术的优缺点

声发射技术是一种被动且实时探测的无损检测技术，能被动接受材料因外部作用而释放的弹性波信号，对材料结构自身无损伤，也更接近结构的真实状态，能精准定位到结构损伤位置。声发射技术具有实时动态特性，可以精准定位被检测结构的损伤部位，且检测仪器使用方便快捷，不受被检测结构的外形、结构的尺寸、天气、温度等因素干扰，检测数据可以实现远程传输。声发射技术比其他无损检测技术更加便捷和精准，因此在各个领域得到了广泛的应用。

声发射技术虽然取得了巨大的成功，其检测技术也有了飞跃式的发展和进步，但仍存在一些不足之处。因此，需要进一步加强声发射产生机理的研究，为声发射检测技术在工程中的应用提供可靠的理论依据；需要继续深入研究寻找消除噪声的新方法，或研制出更加适合在噪声环境下工作的检测仪器；需要加强声发射设备和操作系统的研发工作，促使声发射检测智能化、精准化；需要加快声发射检测标准体系的建设，不断完善我国的声发射检测技术；需要增加声发射检测技术在不同的破坏机制下的研究工作等。

3 基于声发射理论的混凝土结构静力损伤试验

混凝土结构受外部荷载、环境因素等影响，材料内部结构发生变化、出现微小裂纹，进而导致出现混凝土结构的稳定性、承载力和刚度等降低的现象，总体上称为混凝土结构损伤，混凝土结构损伤属于不可逆的状态。在多数情况下，混凝土结构是由自身内部缺陷引发新损伤，然后累积到一定程度产生裂缝，最终造成混凝土结构的破坏。因此，材料自身缺陷是研究静力损伤的主要方面，研究损伤积累引发的力学性能改变和破坏过程及规律等有助于进一步分析混凝土内部结构的损伤程度，为进一步确定治理方案等奠定基础。

3.1 混凝土试件准备及加载

文章为了研究混凝土结构静力损伤，在直剪试验的基础上设计了“Z”形混凝土试件进行试验，选用强度等级为C50的混凝土按照规范要求制作混凝土试件，采用的混凝土配合比为碎石∶水泥∶粉煤灰∶矿粉∶砂∶水∶添加剂=2.8∶1∶0.12∶0.3∶1.8∶0.4∶0.04，对混凝土试件按规范要求养护28d，进行抗压强度测试，具体测试结果见表1。

表1 不同混凝土试件养护28d的抗压强度测试结果 单位：MPa

为了研究混凝土试件在不同受力状态下损伤的情况，分别对C1、C2、C3采用不同的加固方式（见图2、图3），然后对“Z”形混凝土试件采取不同的加载方式施加荷载，分别对试件进行水平荷载为0kN和30kN的加载方式（见图4），然后施加竖向荷载，观察试件的基本受力状态，设置声发射相关参数，尽量消除外界噪声影响，并做好试验前的传感器检验工作，以减少试验误差。

图2 试件C1加固示意图

图3 试件C2、C3加固示意图

图4 试件加载示意图

3.2 混凝土试件损伤定位结果及失稳破坏状态

通过分析试件破坏时的承载力可知，C2混凝土试件的承载能力为72.2kN，高于C1混凝土试件破坏时的53.5kN，C1比C2更容易在剪切位置发生破坏；C3混凝土试件的承载能力为121.5kN，高于C2混凝土试件，应该是施加了水平力的缘故，而且C3混凝土试件从裂纹出现到贯穿破坏期间裂缝发展速率较慢，与C1、C2混凝土试件破坏有差异。在试验中，利用声发射技术对混凝土结构损伤进行定位，结果较为准确。

3.3 声发射累计能量变化

整体声发射活动趋势比较有规律，能够反映出混凝土结构的损伤变化过程。混凝土结构因自身损伤缺陷，在外力作用下开始加剧直至最终失稳破坏，其声发射活动规律与结构损伤变化规律有密切的联系，因此分析混凝土结构在声发射检测过程中检测到的累计能量变化规律，可以有效地反映出结构整体损伤的变化过程。试验结果显示，在荷载施加初期，声发射累计能量增长比较缓慢，其结构损伤比较稳定；当荷载增加至30%极限荷载后，声发射累计能量增长速度开始加快；当荷载增加至75%极限荷载后，累计能量迅速增加，混凝土试件结构开始发生破坏，在C1、C2、C3三个试件中，累计能量与轴向荷载施加有相似的变化规律。

3.4 声发射速率变化

当混凝土结构内部损伤持续发展至较严重的变形时，仪器采集的声发射信号数量将大幅度增加，发射速率也会持续变大。试验显示，在荷载施加初期，声发射速率呈缓慢增长态势；结构损伤相对进入稳定状态后，声发射速率会保持平稳状态；试件临界破坏时，声发射速率快速增加。声发射速率变化规律与声发射累计能量变化规律基本一致，因此可以综合声发射累计能量和声发射速率结果判断混凝土结构的损伤状态。

3.5 混凝土结构损伤变化规律

根据试验结果对混凝土试件的声发射累计能量和声发射速率随荷载加载状态的变化规律进行分析，认为整个混凝土试件破坏分为三个阶段。

一是初期加载阶段，是荷载从0%增加到30%极限荷载的阶段。在此阶段，声发射累计能量和声发射速率均平稳增长，因为该阶段混凝土自身损伤引发的弹性波信号，损伤变形还处于微观层次，不会产生大量的能力释放。二是混凝土结构损伤持续发展阶段，是极限荷载为30%～75%的阶段。在此阶段，混凝土损伤随着荷载增加而持续增大，其内部逐渐产生新的裂缝，并不断地扩展和延伸，因此声发射累计能量和声发射速率在较高的水平下趋于稳定状态。三是混凝土结构破坏阶段，是极限荷载为75%～100%的阶段。该阶段随着荷载的持续增加，试件内部裂缝迅速发展直至破坏，声发射累计能量和声发射速率在这个阶段迅速增加，其曲线有明显的变化拐点。

4 结束语

钢筋混凝土在现代建筑工程中的应用十分广泛，其内部结构的损伤对建筑工程的安全存在一定的隐患。声发射检测技术是一种实时的无损检测技术，可以及时有效地检测混凝土内部损伤位置和程度，能及时有效地指导对混凝土缺陷的处理，具有准确、方便、快捷等特点，当前国内已将其广泛地应用于材料试验、建筑工程、航天和航空工业、金属加工等诸多领域的无损检测工作中。