混凝土在轴拉断裂时声发射信号分析

陈鹏州

摘要：在已有的实验基础上，利用声发射来判断裂纹扩展的产生。并通过断裂力学理论，讨论张开型断裂为主的情况下，载荷、裂纹尺寸与混凝土产生声发射机理之间的关系。

关键词：断裂力学;应力强度因子;声发射

当材料或者结构在受到外力、内力的作用产生了位错运动、相变、断裂等变化，以局域源快速释放能量产生弹性波的现象称为声发射。声发射技术是可以作用参与结构内部缺陷产生、断裂扩展的无损检测技术。

1利用声发射来判断裂纹扩展点

1.1应力强度因子

对于无限平板，两向受到均布拉应力σ，其上具有与拉力方向垂直的长为2a的穿透性裂纹，称为I型裂纹加载[1]。

在求解I型裂纹问题时，Westergaard利用应力函数ZI（z）来表示应力分量的表达式：

表示應力函数ZI（z）的实部，ImZI（z）表示应力函数ZI（z）的虚部，常数A=B=0。

在满足r << a的应力情况下，将r的大小忽略，此时应力函数可近似的表述为：

将式带入式中，得到裂纹端部区域的应力分量：

KI被称为应力强度因子，是反应裂纹尖端应力场强弱程度的参数。无论带裂纹的构件在受到多大的载荷值，只要当r → 0时，各个应力分量都会趋向于无穷大，那么对于应力强度因子KI来说，只有当应力或者裂纹尺寸增加，KI才会增加。由此可以推断当KI达到一个临界值时，裂纹才会扩展。

1.2试件受载情况下声发射情况

根据现有的数据讨论下利用声发射来判断裂分扩展的可行性。混凝土在受力后，会出现三个声发射产生的阶段[2]：

（1）开始阶段，混凝土在受到荷载时还处于弹性阶段，此时的声发射产生大多是因为混凝土本身的片状水泥浆体剥落产生或由于本身材料的多相复合的不均匀性，在低水平应力下少量微裂纹产生的变形或开裂。

（2）稳定阶段，裂纹端部随之荷载的不断增加因应力集中而出现塑性区，并逐步开裂。声发射事件数逐渐增多，射率增大。此时的声发射事件数的增长在呈现指数增长的趋势。

（3）不稳定阶段，声发射事件数随着时间呈指数化增长。此阶段的声发射事件数比前两个阶段增长趋向更明显。

混凝土在原生裂纹端部因应力集中而出现的塑性变形或者裂纹的开裂都会引起声发射的产生[3]。

混凝土在其受载后，在开裂前会出现塑性区。Irwin认为塑性区的存在和增长裂纹长度的作用相当。将原来位于裂纹尖端的坐标系向前推移一段距离，产生新的裂纹尖端，由a+ry → a′，a′称为称为等效长度[1]计算时将原来置于裂纹尖端的坐标轴移动a′ → a的长度，移至塑性区的边缘。

由裂纹扩展而产生的声发射弹性波产生的能量理应比塑性变形而导致的声发射弹性波的能量大[4]。可以根据能量在加载过程中的高低变化来判断开裂时间。

2声发射机制与断裂力学联系

混凝土产生声发射是由于在原生裂纹端部因应力集中而出现的塑性变形和裂纹的开裂两种情况产生的。

秦四清[5]认为声发射总计数不但和应力强度因子有关，还和导致裂纹扩展的材料断裂韧性有关。应力强度因子KI就不止是跟载荷和裂纹尺寸有关，还与材料的几何形状、载荷形式、材料常数有关。设置一个参数m来表征试验条件、材料常数的影响。

其中A为常数。由公式可以看出，当KI越接近于临界强度（断裂韧性）KIC，声发射的个数就越多。如果令dσ/dt为实验的加载速率，dN/dt为实验产生声发射的速率[6]。对两边同时对时间t求导，得：

在轴拉的情况下，可以认为混凝土内部的裂纹开裂主要是I型张开型断裂。那么裂纹尖端区域y方向上：

3结语

（1）混凝土在受到荷载作用时产生声发射主要是由于在原生裂纹端部因应力集中而出现的塑性变形和裂纹的开裂这两种情况导致的。

（2）由以上的公式可以推导，声发射产生个数与裂缝尺寸、应力大小;声发射速率与加载速率;声发射速率与裂纹扩展速度这三组关系都呈正相关。

参考文献：

[1] 洪超超. 工程断裂力学基础[M]. 上海交通大学出版社， 1987.

[2] 吴政， 杨成球. 声发射技术在混凝土中的应用综述[J]. 水电工程研究， 1993， 000（001）：61-66.

[3] 刘东燕， 朱可善. 岩石压剪断裂的模型试验研究[J]. 土木建筑与环境 工程， 1994， 000（001）：56-62.

[4] 秦四清. 岩石断裂过程的声发射试验研究[J]. 地质灾害与环境保护， 1994（03）：50-57.

[5] 秦四清， 李造鼎. 声发射技术在岩石断裂力学研究中的应用[J]. 应用 声学， 1993（06）：7-11.

[6] 纪洪广， 贾立宏. 混凝土材料在单轴拉伸时的声发射机理探讨[J]. 东 北大学学报：自然科学版， 1995， 016（006）：568-572.