基于声发射的混凝土全时域损伤试验研究

杨 康，李冬雪，何兆益，周翰林，李家琪

(1. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074； 2. 重庆交通大学 交通运输学院，重庆 400074)

0 引 言

混凝土材料在各类建设工程中被广泛应用，其结构受载开裂产生裂纹，裂纹的扩展延伸，将使结构承载力降低，引发其他病害，从而影响结构正常的使用和安全[1]。因此对混凝土裂缝的产生机制进行深入研究，并对在役混凝土进行有效地监测，评价其损伤程度，进而采取措施预防结构失稳破坏十分必要。

材料中局部快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射(acoustic emission,简称AE)，已广泛应用于结构的动态无损健康监测中[2-5]。声发射技术已广泛运用于岩石、金属等领域。刘传孝等[6]对不同风化程度的片麻岩进行单轴压缩试验，探讨了片麻岩风化程度及其声发射特征的关系；M. CAI等[7]利用声发射监测的参数信息，从弹性模型获得岩体中的应力，对岩体强度进行反算。

在混凝土中，裂缝的产生伴随着弹性波的产生，从而产生声发射信号。因此通过对声发射信号进行检测、记录和分析，可以实现混凝土内部损伤程度的评估以及损伤的定位识别，有助于进一步认知混凝土内部破坏机理，对在役混凝土安全性研究意义重大。

目前，利用声发射技术对混凝土的研究主要集中于利用参数变化对混凝土各损伤阶段的特征进行分析。胡钰泉等[8]对混凝土进行动态轴向拉伸断裂试验，利用声发射参数对破坏过程进行阶段划分，结果表明，混凝土轴向拉伸断裂不具有明显的裂缝发展阶段；刘京红等[9-10]结合声发射技术与CT测试研究混凝土受载损伤过程，结果表明，综合CT图像与声发射定位可以对混凝土裂缝萌生和演化损伤的全过程进行分析；郭庆华[11]对混凝土石块进行压缩试验，利用振铃计数和能量对混凝土损伤阶段进行划分。

由于声发射技术本身敏感度高，信号较为繁杂，对损伤阶段进行精准划分时对参数的选择要求较高且常依赖于研究者的经验判断，影响了对损伤阶段评价的准确性和实用性。

声发射b值是分析岩石破坏的重要依据之一，常用于岩石内部结构的损伤评价与失稳破坏的预防[12-17]，相比参数法，其结果更直观、简便。然而b值运用于水泥混凝土损伤的研究相对较少。赖于树等[18]利用原始b值公式，对水泥混凝土破坏末期时的b值进行分析，但并未对全时域损伤的b值变化特征进行阐述；XIE Chao等[19]通过b值对多孔混凝土全时域受载损伤进行阶段划分，但并未对水泥混凝土进行研究。

频率作为声发射重要信号之一，被广泛应用于岩石等脆性材料的破坏特征研究[20-23]。目前对混凝土损伤的频率特征研究较少，且多为定性研究，缺乏成熟的定量研究[24-25]。

基于此，笔者设计完成了混凝土单轴压缩试验，试验全程采集声发射信号及参数；利用能量参数结合荷载-位移曲线对混凝土全时域受损过程进行评价，并对其损伤阶段进行划分；通过b值进一步评价试件受载全过程的内部损伤；引入频率因子H，对频率变化规律进行分析。

1 受载混凝土声发射试验

1.1 试验设备及参数设置

试验采用万能压力机，其最大输出压力为3 000 kN，可实现控制恒定位移进行加载；采用SAEU3H声发射采集系统，可进行最多16通道声发射信号采集与传输。试验声发射参数设定为：前置放大40 dB，参数及波形阈值为45 dB。试验保持0.2 mm/min的加载速率，耗时约11 min，加载系统全程记录荷载-位移曲线。

1.2 试验试件

采用强度等级为C30的100 mm×100 mm×100 mm立方体试件和P.O42.5普通硅酸盐水泥，粗骨料为粒径5～20 mm的石灰岩碎石，配合比见表1。试件经机械拌合、振动台振捣后，放置标准养护室养护7 d，成型试件如图1。

表1 混凝土试件配合比Table 1 Mix proportion of concrete specimen

图1 试验试件Fig. 1 Test specimens

1.3 传感器布设

试验全程采用4通道进行声发射信号采集，传感器布设方式如图2。

图2 传感器布设Fig. 2 Layout of sensors

2 试验分析

2.1 试验结果

因1# ～3# 试件实验结果具有一致性，故笔者取1# 试件进行分析。图3为1#试件试验全程全波形。

图3 全波形Fig. 3 Full waveform

图4为试件在不同时间点的破坏情况。由图4可知，在加载前320 s，试件表面无明显变化；加载320 s左右，混凝土表面开始出现少量细微裂纹；加载320～400 s时，试件表面裂纹大量发展并贯通，试件表面呈现不同程度的碎片剥落，右侧表面明显向外变形隆起；加载400～500 s时，表面裂缝继续扩展延伸，裂缝宽度增大，承载力逐渐减小至丧失，试验结束。

图4 试件损坏现象Fig. 4 Specimen damage

2.2 基于参数的损伤分析

试验中1#～4# 通道采集到的参数变化趋势具有一致性，笔者取4# 通道参数进行分析。

声发射参数的变化规律，可以很好地表征混凝土内部裂纹的发展过程[26]，其中振铃计数与能量分别反映声发射信号的数量及强度。图5、图6为混凝土受载破坏过程中声发射累计振铃计数和累计能量与荷载关系曲线。由图5、图6可看出，混凝土受载全时域可以分为4个阶段：Ⅰ：初始压密；Ⅱ：微裂纹萌生；Ⅲ：裂纹扩展贯通；Ⅳ：峰后破坏。其中各阶段损伤时段约为：Ⅰ：0～100 s；Ⅱ：100～300 s；Ⅲ：300～500 s；Ⅳ：500～620 s。

图5 荷载-累计振铃计数-时程关系曲线Fig. 5 Load-cumulative ringing count-time history curve

图6 荷载-累计能量-时程曲线Fig. 6 Load-cumulative energy-time history curve

在初始压密阶段，荷载较小，累积振铃计数增长较缓慢，同时累计能量曲线呈平缓上升趋势，表明试件内部产生声发射活动数目较少，并且能量值均较低；随着荷载增大，进入微裂纹萌生阶段，此阶段累积振铃计数与累积能量均无明显波动，表明此时试件内部产生的声发射活动数目极少且能量极低；荷载达到峰值附近时，混凝土损伤进入裂纹扩展贯通阶段，此时累积振铃计数和累积能量曲线急剧上升，并且累积能量值存在几处突变点，表明此时试件内部声发射活动较为活跃，并且高能量值的声发射事件较多；试件破坏后声发射信号显著减少，累积振铃计数和累积能量曲线斜率放缓。

在荷载施加初期，混凝土试件骨架受力后，内部原有孔隙及微裂纹发生压密变形，应力在微裂纹尖端处少量释放，产生部分能量较低的声发射事件。

随着荷载不断增加，混凝土变形进入阶段Ⅱ，此时的应力在微裂纹尖端处不断累积。而由于混凝土强度较高，混凝土内部砂石颗粒并未立刻发生相对错位与滑移，微裂纹未立刻延伸发展。因此，此阶段声发射事件较少，并且均为低能量事件。

荷载持续增大至峰值附近时，荷载即将达到混凝土的抗压强度，此时累积在微裂纹尖端的应力得到释放，砂石晶体发生大量错位滑移，微裂纹大量发育扩展并连通，形成宏观裂缝。荷载达到峰值后开始下降，表明试件逐渐失去承载能力。此阶段应力大量释放，声发射处于活跃期，产生大量高能量信号。

在峰后阶段，由于混凝土强度较高，其核心部件仍有部分残余承载能力，在荷载作用下仍有部分低能量声发射信号产生。

2.3 基于b值的损伤分析

b值可以很好地表示材料内部的损伤情况。岩石的相关研究表明，b值的变化趋势及特征可以反映岩石内部微裂纹尺度的变化情况[27]，其计算方法是利用GR公式对大量的信号参数进行简化运算，得到b值的变化趋势。在声发射领域，GR公式经过运用与改进，其形式如式(1)[28]：

(1)

式中：N为在试验取定时间范围内，幅度值M超过预设门槛幅度值m的声发射事件累计个数，本次试验m设定为45 dB；AdB为试验过程中幅度峰值。

试件完全损坏时b设定为1，此时测得N=6 588；幅度峰值AdB=73.82 dB，带入式(1)得a=7.52，b值公式简化为式(2)：

(2)

由式(2)求得试验过程中b值的变化，如图7。

图7 b值曲线Fig. 7 b-value curve

由图7可以发现，混凝土试件在损伤阶段Ⅰ时孔隙被压密，存在少量应力释放，b值由1.29降至1.2，在A点斜率突然变小，此时试件的损伤由阶段Ⅰ向阶段Ⅱ过渡。

进入阶段 Ⅱ 后，试件内部微裂纹发育较少，主要为应力的大量累积，曲线较为平缓，b值缓慢减小，在B点斜率突然增大，此时试件的损伤由阶段 Ⅱ 向阶段 Ⅲ 过渡。在阶段 Ⅲ 混凝土应力大量释放，微裂纹大量发育并扩展贯通，b值急剧减小直至在C点接近1，C点之后曲线下降较为平缓，b值无限接近1。

结果表明，b值的变化趋势可以用来评价混凝土内部的损伤程度。b值的急剧变化更直观地表明，混凝土损伤处于新阶段，标志混凝土损伤进入新阶段的突变点(A、B、C)更为精确，精确的损伤阶段的划分为：Ⅰ：0～93 s、Ⅱ：93～296 s、Ⅲ：296～485 s、Ⅳ：485～620 s。。

通过比较参数与b值的评价方法，不难发现，参数的变化较繁杂，混凝土损伤处于新阶段时，难以得到准确时间点。若只依靠参数对混凝土损伤阶段进行划分，准确性难以得到保证。而b值的变化趋势更为简捷直观，标志混凝土损伤处于新阶段的突变点更为精确。但若单纯依靠b值进行损伤分析过于片面，难以对其整体损伤过程进行定量、全面的阐述，而参数数目较多，且均为定量参数，分析水泥混凝土全时域损伤时，相比b值更为全面。

因此混凝土损伤识别分析中，将二者结合进行整体分析，可大大提高损伤识别的准确性及实用性。

3 损伤频谱分析

试件内部损伤可以通过声发射基本信号(能量，幅度等)进行推演，通过分析频谱图可以进一步对内部损伤进行分析[29]。

图8为试件损伤各阶段经快速傅氏变换FFT频谱图。由图8可知，试件破坏声发射波频率主要在200 kHz附近波动，因此笔者取低于200 kHz的频率信号为低频信号，高于200 kHz的频率信号为高频信号。全过程中，低频信号主频率较为稳定，带宽始终保持在100～180 kHz，峰值在155 kHz附近；高频信号主频率呈先增大后减小趋势，带宽在200～400 kHz之间波动。

图8 不同阶段声发射频率Fig. 8 Acoustic emission frequency diagrams at different stages

为进一步分析损伤过程中高、低频占比变化与试件损伤的相关性，笔者引入频率因子。频率因子定义为超过某一阈值的高频与低频信号的带宽长度之比。其具体计算方式为：将各阶段频率强度最大值定义为频率峰值，在频率峰值1/7处做一水平线，水平线对应的频率强度为阈值；将频率强度高于此阈值的频率在此线上进行投影，并将投影长度累加，分别得到各阶段高频与低频信号的带宽长度累加值∑L(f>200 kHz)与∑L(f<200 kHz)，则频率系数H为：

(3)

H越大，表明高频信号占比越高，反之则越少。每隔50 s取一频谱图进行各阶段频率系数计算，共选取12个，各频谱图频率因子计算结果见图9。

图9 H值曲线Fig. 9 H-value curve

从图9可以看出，H值在初始压密阶段较小，未超过1；在微裂纹萌生阶段，H值达到1～3.5之间，随后在阶段Ⅲ骤降至最低值；试件破坏后，H值小幅上升，但总体均小于1，处于较低水平，与图5中声发射能量信号呈相反态势，即小尺度破裂对应低能量信号与高频率信号，反之大尺度破裂对应高能量信号与低频率信号，这与岩石类准脆性材料相关研究结论一致[30]。

值得注意的是，在阶段Ⅱ，H值处于较高水平，试件表面未出现表观裂纹，能量值亦处于较低水平，但此阶段微裂纹的萌生是裂缝扩展的重要前提。此阶段高频信号的骤增，表明试件内部微裂纹尖端应力的大量累积。应力大量累计必然导致后期裂缝大量延伸发展。因此高频率信号的骤增可视为应力大量累积的重要依据，可以作为预警监控的重要指标。

4 结 论

通过对水泥混凝土时间的单轴压缩试验，利用声发射特征参数与b值对其损伤阶段进行划分，并比较二者优缺点，利用频率图分析了损伤过程中高、低频率信号占比的变化。得到以下结论：

1)声发射信号可以反映混凝土内部应力的动态演化与细微损伤。声发射信号在应力累积过程中较弱，呈低且散的特征；在应力集中释放过程较强，呈高且密的特征。

2)声发射b值可以作为普通水泥混凝土内部损伤的分析手段。b值的急剧变化表示混凝土损伤处于新阶段。水泥混凝土在破坏失稳阶段，曲线急剧下降并无限接近于1。

3)对频率的定量分析表明，水泥混凝土内部小尺度破裂对应高频率AE信号，大尺度破裂对应低频率AE信号。高频率信号的骤增意味着水泥混凝土内部应力大量累积，可以作为预警监控的重要指标。