轴压与偏压状态下混凝土损伤全过程声发射特征参数分析

曾志伟，梁 剑，曾宇鑫，余 波,2,3

(1.广西大学土木建筑工程学院，南宁 530004；2.工程防灾与结构安全教育部重点实验室，南宁 530004； 3.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，南宁 530004)

0 引 言

混凝土在损伤过程中能量的释放会产生应力波，即发生声发射现象。由于混凝土的损伤演化过程与声发射特征参数的变化规律存在对应关系[1-2]，所以根据混凝土损伤演化过程中声发射特征参数的变化规律可以评估混凝土的开裂情况和损伤程度[3-5]。然而，声发射特征参数的种类繁多，包括计数类参数[6]、能量类参数[7]、经历时间类参数[8]、幅值类参数[9]、时域频率类参数[10]等。因此，遴选合理的声发射特征参数来描述混凝土的损伤演化过程成为了国内外学者关注的热点问题。其中，赖于树等[11]利用声发射事件计数对混凝土轴压损伤全过程进行了阶段划分,Wu等[12]发现声发射撞击计数可以用于监测混凝土轴压损伤全过程的应力和应变演变,周兴宇等[13]通过声发射振铃计数表征了高温后混凝土试件的轴压损伤全过程,Yun等[14]对比分析了频率、幅值和持续时间在描述混凝土开裂阶段时的适用性,Lee等[15]对比分析了幅值、振铃计数和能量在描述混凝土损伤演化过程中的敏感性。由此可见，目前国内外学者对于声发射特征参数的选择不统一。同时，现有的研究成果集中在轴压状态下混凝土声发射特征参数的演化规律分析，但在实际工程中混凝土结构处于偏压状态也较为常见。因此，研究轴压与偏压状态下混凝土声发射特征参数的演化规律对于指导工程实践具有重要意义。

鉴于此，本文开展了轴压和偏压状态下混凝土损伤全过程的声发射试验，研究分析了不同受力状态下混凝土损伤全过程声发射特征参数的演化规律，合理遴选了描述混凝土损伤演化过程的声发射特征参数，揭示了混凝土的应力-应变曲线特征点与声发射特征参数特征点之间的对应关系。

1 混凝土受压损伤全过程声发射试验

为研究混凝土受压损伤全过程声发射特征参数的演化规律，本试验共制作了3个强度等级为C35的标准立方体(150 mm×150 mm×150 mm)混凝土试件(分别记为C1、C2和C3)。其中，C1用于开展轴心受压的基准试验，C2用于开展轴心受压的验证试验，C3用于开展偏心受压试验。混凝土的配合比(质量比)为m(水泥) ∶m(砂) ∶m(石) ∶m(水) ∶m(减水剂)=1 ∶1.575 ∶2.362 ∶0.450 ∶0.008。水泥为华润水泥(南宁)有限公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其物理性质和化学组成分别见表1和表2；细骨料为细度模数3.0的钦州河砂，粗骨料为5～25 mm连续级配的石灰石碎石，其物理性质见表3；水为自来水；减水剂为固含量13%的聚羧酸高效减水剂。

表1 水泥的物理性质Table 1 Physical performance of cement

表2 水泥的主要化学组成Table 2 Main chemical composition of cement

表3 细骨料、粗骨料的物理性质Table 3 Physical performance of fine and coarse aggregate

声发射试验系统如图1所示，轴压试件置于压力机上下加载板中央，偏压试件外边缘与压力机上下加载板外边缘对齐。加载设备采用中国科学院武汉岩石力学研究所生产的RMT-201岩石与混凝土力学性能试验系统，可提供最大1 500 kN的竖向荷载。试验过程采用速率为0.005 mm/s的位移控制模式进行加载，并在试件对称侧面的中心位置粘贴长度为80 mm的应变片，通过江苏东华测试技术股份有限公司生产的DH3816N型静态应力应变测试分析系统采集应变数据。试验过程中的声发射信号由美国物理声学公司生产的Express 8声发射系统进行采集，采样频率设置为1 MHz。将6个R3-α型声发射传感器布置在粘贴有应变片的两对称面，接触面使用高真空脂作为耦合剂，用胶带和皮筋固定传感器。根据现场试验环境，设置门槛值为45 dB，前置放大增益为40 dB。

图1 声发射试验系统Fig.1 AE test system

2 破坏形态与声发射特征参数分析

2.1 应力-应变曲线与破坏形态分析

图2 混凝土试件的应力应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of concrete specimens

各混凝土试件的应力-应变曲线如图2所示。由图可知，三个试件的峰值应力分别为44.31 MPa、45.78 MPa和37.45 MPa，峰值应变分别为1.69×10-3、1.86×10-3和2.41×10-3。其中C1和C2为轴心受压构件，二者的应力-应变曲线基本吻合，而C3为偏心受压构件，由于其受力状态与C1和C2有所不同，其应力-应变曲线存在显著差异，表现为峰值应力相对较低，而峰值应变相对较大。

三个混凝土试件的破坏形态如图3所示。其中，C1与C2均呈叉形破坏，试件表面的混凝土基本完全剥落，而C3呈剪切破坏，在偏心受压区出现沿受力方向开展的剪切裂缝。C3的偏心受压区在受力过程中始终保持较大的压应力状态，导致其偏心受压区的混凝土率先开裂，在试件核心混凝土发生破坏前，偏心受压区的表层混凝土已经严重剥落，并形成了轴向的贯通裂缝，致使其峰值应力相对较低，同时发生较大变形，最终使其峰值应变相对较大。

图3 混凝土试件的破坏形态Fig.3 Failure modes of concrete specimens

2.2 声发射特征参数演化规律分析

根据定义属性，可以将声发射特征参数分为5大类[16]，分别为计数类参数(包括振铃计数和峰值计数)、能量类参数(包括能量、信号强度和绝对能量)、经历时间类参数(包括持续时间和上升时间)、幅值类参数(包括幅值、平均信号电平ASL和均方根电压RMS)、时域频率类参数(包括平均频率、初始频率和反算频率)。上述5大类声发射特征参数的演化规律如图4～图8所示。

图4 声发射计数类参数与应力随应变的变化Fig.4 Change of AE count parameters and stress with strain

声发射计数类参数与应力随应变的变化如图4所示。由图4可知，根据计数类参数的突变点可以将混凝土受压损伤全过程分为初始压密(Ⅰ阶段)、裂缝开展(Ⅱ阶段)、贯通破坏(Ⅲ阶段)3个阶段。由图4(a)与(b)可知，C1的振铃计数与峰值计数在Ⅰ阶段和Ⅲ阶段的变化规律基本一致，都在低量级范围内波动；而二者在Ⅱ阶段的分布规律有明显区别，振铃计数始终在2.4×104附近波动，而峰值计数在103量级至最大值内剧烈振荡。分析发现，与峰值计数比较，振铃计数的突变点更易于进行三阶段划分，且第Ⅱ阶段的变化规律更易于监测，后续将采用振铃计数进行C2和C3的分析。由图4(c)可知，C2和C1的振铃计数具有同样的演化规律，说明其在轴压试件的演化规律具有一致性。另外，由图4(d)可知，C3振铃计数的整体演化规律与C1和C2基本一致，不同的是在Ⅱ阶段后期出现剧烈振荡，这是C3偏心受压区的表面混凝土剥落，在破坏前已经形成贯通裂缝所致。由此可见，振铃计数适用于分析轴压与偏压试件损伤全过程混凝土的阶段性变化规律。

声发射能量类参数与应力随应变的变化如图5所示。由图5(a)、(b)和(c)可知，C1的能量与信号强度的变化规律基本一致，各阶段划分点位置与振铃计数的阶段划分点位置相同，区别在于Ⅱ阶段能量和信号强度呈先上升后下降趋势，同时在Ⅱ阶段中存在能量与信号强度的最大突变点，与试验过程中混凝土试件宏观裂缝发生时刻相对应；C1绝对能量的阶段性特征不明显，但在Ⅱ阶段中期出现的最大突变点，与能量和信号强度相对应。因此，能量类参数在第Ⅱ阶段的突变点可以作为试件开裂的判断依据，后续重点采用能量与信号强度进行分析。由图5(d)可知，C2的能量值在Ⅱ阶段后期达到仪器量程极限，导致其不能反映试件受压损伤过程中的损伤演化规律。根据图5(e)可以发现，信号强度的演化规律明显，故优选信号强度作为能量类声发射特征参数的推荐参数进行后续分析。对比图5(b)、(e)和(f)可知，C3第Ⅱ阶段的信号强度突变点要比C1与C2出现的更早，与试验现象中C3混凝土出现宏观裂缝更早相对应。由此可见，信号强度适用于分析混凝土试件轴压与偏压状态下损伤全过程的演化规律。

声发射经历时间类参数与应力随应变的变化如图6所示。由图6(a)与(b)可知，C1的持续时间可以将损伤阶段进行三阶段划分，且阶段划分点与振铃计数和信号强度保持一致；而用振铃计数与信号强度的阶段划分点对C1的上升时间进行三阶段划分的效果较差，阶段分界点不易于辨别，且在第Ⅱ阶段的分布没有明显规律，所以采用持续时间进行后续分析。由图6(c)与(d)可知，C2与C3持续时间的分布规律与C1基本一致，不同的是C3的持续时间在Ⅱ阶段后期出现剧烈振荡，与其振铃计数在Ⅱ阶段的规律一致，均是偏心受压区出现贯通裂缝所致。由图6可知，C1、C2与C3的持续时间在第Ⅱ阶段的分布稳定且集中在1×106μs，可以作为Ⅱ阶段的判别依据。因此，持续时间适用于分析试件轴压与偏压状态下混凝土损伤全过程的演化规律。

图5 声发射能量类参数与应力随应变的变化Fig.5 Change of AE energy parameters and stress with strain

图6 声发射经历时间类参数与应力随应变的变化Fig.6 Change of AE elapsed-time parameters and stress with strain

声发射幅值类参数与应力随应变的变化如图7所示。由图7(a)、(b)和(c)可知，C1的幅值具有明显的三阶段特征，在Ⅰ阶段和Ⅲ阶段幅值分布范围较广，而在Ⅱ阶段只存在高水平幅值；而根据C1的平均信号电平ASL和均方根电压RMS很难直观地判别损伤阶段，故采用幅值进行后续分析。由图7(d)可知，C2与C1的幅值分布基本一致。由图7(e)可知，C3与C1和C2在Ⅱ阶段的幅值分布有所区别，C3的幅值在第Ⅱ阶段没有上升趋势，一直维持在70 dB以上，而C1和C2在此阶段的幅值均呈现出上升趋势，主要原因在于C3在Ⅱ阶段初期偏心受压区便有宏观裂缝出现，此阶段C3的幅值迅速攀升。由此可见，幅值适用于分析混凝土试件轴压与偏压状态下损伤全过程的演化规律。

声发射时域频率类参数与应力随应变的变化如图8所示。由图8(a)、(b)和(c)可知，C1的平均频率、反算频率和初始频率均具有三阶段特征，但考虑到平均频率是整个持续时间上的计算频率，所以优选平均频率进行后续分析。对比图8(d)和(e)发现，在第Ⅱ阶段C1、C2和C3平均频率的优势频率分别为26 kHz、20 kHz和22 kHz，虽然不同试件平均频率的优势频率存在一定差距，但其变化幅度不大，且具有明显的阶段性特征，可将其作为Ⅱ阶段的判别依据。因此，平均频率适用于分析轴压与偏压试件混凝土受压损伤全过程的演化规律。

图7 声发射幅值类参数与应力随应变的变化Fig.7 Change of AE amplitude parameters and stress with strain

图8 声发射时域频率类参数与应力随应变的变化Fig.8 Change of AE time-domain frequency parameters and stress with strain

通过分析混凝土试件受压损伤全过程中声发射特征参数的演化规律，发现振铃计数、信号强度、持续时间、幅值和平均频率均能较好地表征混凝土受压损伤全过程的演化规律，且各参数对混凝土的开裂非常敏感。其中，振铃计数与持续时间对贯通裂缝的出现十分敏感，贯通裂缝的出现会使振铃计数与持续时间产生陡降的现象，而信号强度与幅值对宏观裂缝的出现十分敏感，宏观裂缝的出现会使信号强度与幅值产生陡升的现象。

3 应力-应变曲线特征点与声发射特征参数特征点的关系

根据上述分析可以发现，声发射特征参数不同阶段的分界点与应力-应变曲线的特征点具有一定的关联性。其中，第一个分界点位于试件压密阶段与弹性阶段之间，表征了混凝土试件原始缺陷被压密以及新裂纹的萌芽；第二个分界点位于试件破坏阶段前后，表征了混凝土试件贯通裂缝的形成节点，与混凝土试件的破坏进程有关。其中，C1与C2的贯通裂缝形成于峰值点之后，而C3的贯通裂纹形成于峰值点之前，主要原因在于C1与C2为轴心受压构件，产生叉形破坏，试件在达到峰值应力前一直没有产生贯通裂缝，而C3为偏心受压构件，产生剪切破坏，试件在达到峰值应力前已经在偏心受压区产生轴向的贯通裂缝。另外，信号强度的最大突变点位于试件裂缝稳定发展阶段与不稳定发展阶段之间，表征了试件第一条宏观裂缝的形成节点，与试件的破坏进程有关，C3第一条宏观裂缝形成的时间节点早于C1与C2，所以C1和C2在第Ⅱ阶段后期出现信号强度的最大突变点，而C3在第Ⅱ阶段前期便出现信号强度的最大突变点。通过上述分析发现，声发射特征参数的特征点可以很好地阐释试件受压损伤过程中裂缝的开展情况，且对损伤过程中裂缝的出现异常敏感。

表4为声发射特征参数特征点处的应力-应变曲线特征值。根据表4可知，在轴心受压和偏心受压混凝土试件的破坏过程中，声发射特征参数特征点中的第一个分界点对应于弹性阶段的起点，第二个分界点对应于峰值应力点，信号强度的最大突变点对应于试件开裂点。其中，第一个分界点和第二个分界点与应力-应变曲线特征点的对应关系较为稳定，应力水平分别介于12%～17%与95%～98%，应变水平分别介于23%～29%与89%～108%；而信号强度的最大突变点与试件实际的开裂情况直接相关，虽然轴压试件与偏压试件信号强度最大突变点处的应力水平与应变水平没有确定的对应关系，但也反映了声发射信号对试件裂缝开展的灵敏性。

表4 声发射特征参数特征点处的应力-应变曲线特征值Table 4 Characteristic value of stress-strain curve at characteristic point of AECPs

4 结 论

(1)试验分析表明，利用振铃计数、持续时间、幅值、信号强度和平均频率可以较好地表征轴压与偏压状态下混凝土损伤全过程的演化规律。

(2)混凝土裂缝的开展会直接影响振铃计数、持续时间、幅值与信号强度的演化规律。其中，贯通裂缝的出现会使振铃计数与持续时间产生陡降的现象，而宏观裂缝的出现会使信号强度与幅值产生陡升的现象。

(3)混凝土试件受压破坏过程中声发射特征参数特征点与应力-应变曲线特征点之间具有高度的相关性。其中，混凝土试件在破坏过程中声发射特征参数特征点中的第一个分界点对应于应力-应变曲线弹性阶段的起点，第二个分界点对应于应力-应变曲线的峰值应力点，信号强度的最大突变点对应于应力-应变曲线的开裂点。另外，偏心受压混凝土试件开裂时应力水平与应变水平相对较低，而轴心受压混凝土试件开裂时应力水平与应变水平相对较高，导致偏心受压状态下混凝土信号强度的最大突变点早于轴心受压混凝土试件。