砌体结构轴心受压和原位轴压试验声发射信号参数特征分析*

李运富 张宏伟 马 博 吴艳奇 李胜利

(1.郑州市路通公路建设有限公司, 郑州 450000; 2.郑州大学土木工程学院, 郑州 450001)

0 引 言

声发射是材料在受到荷载或激励作用时,其内部以弹性波的形式释放能量的现象。作为一种新兴的无损检测手段,由于其动态和实时性的优势,声发射技术已经被广泛引用于金属[1-3]、混凝土[4-8]和岩石[9-10]等土木工程领域。

目前关于声发射信号的分析方法有两种,即波形分析和参数分析法。Li等[11]对腐蚀的吊索进行疲劳加载试验,结果表明对于不同的损伤机制,声发射波形和频率特征也不相同,根据声发射累积能量曲线可以评估吊索的损伤程度。赖于树等[12-13]提出混凝土内高频率信号由微裂纹产生,低频率信号由宏观裂纹产生,分析低频率带信号在不同阶段的占比可为混凝土的临界破坏提供预警。门进杰等[14]对钢筋混凝土梁进行四点弯曲试验并分析声发射参数与荷载的关系,结果表明振铃计数和能量可以用于评估钢筋混凝土梁的开裂荷载和屈服荷载。Aggelis等[15]发现根据RA(上升时间与幅值之比)和AF(振铃计数与持续时间之比)的变化可以判别混凝土内损伤裂纹的类型(剪切和拉伸裂纹)。赵永川等[16]研究弹性波在砂岩内的传播衰减特性,结果表明高频率信号的衰减程度要大于低频率信号,声发射信号在传播过程中主频会由高频转向低频。

不难发现,以上所述研究的材料多为匀质性材料。由于砌体是砌块和砂浆组成的复合材料,声发射在砌体内的研究较浅,应用较少,但仍有一些学者进行了相关研究[17-18],结果表明声发射在砌体损伤评估方面存在着优势和潜力。对于砌体结构,由于声发射信号在材料内传播时其衰减较大,加之波形分析法对设备硬件要求高,所以分析方法多采用参数分析[19]。在声发射信号分析的相关研究中[20-22],声发射振铃计数、能量和频率是常用的特征参数选择。

本文基于声发射技术对实验室砖砌体试件和在役砌体砖墙分别进行了轴心受压试验和原位轴压试验,分析了在整个试验过程中声发射参数的变化特征,为后期声发射现场实时监测提供指导。

1 试验方法

1.1 砖砌体试件轴心受压试验

根据规范《砌体基本力学性能试验方法标准》[23],实验室砖砌体试件长宽高分别为746,365,240 mm。砂浆配合比如表1所示,灰缝厚度为10 mm。试件加载样式如图1所示(S1、S2为传感器)。

表1 砌筑砂浆配合比Table 1 Masonry mortar mix ratio kg/m3

图1 砖砌体试件加载样式Fig.1 The brick masonry specimen loaded in test

1.2 砌体砖墙原位轴压试验

现场原位轴压试验的测试对象为1幢6层砖混结构的底层承重墙。该结构为实心砖砌体和预制楼板的砖混结构体系。测试墙体由实心黏土砖(MU10)和水泥砂浆(M7.5)砌成,测试前墙体上无明显的裂缝。现场测试设备如图2所示(S3、S4为传感器)。

图2 原位轴压试验加载样式Fig.2 The specimen loaded in in-situ test

1.3 声发射监测

由经验可知,砌体结构内裂缝多起始于砂浆。为此,试验中传感器布置在试件中间部位靠近灰缝的砖块上。声发射传感器型号为RS-2A,每个试件的两个传感器对称布置在试件的两个侧面上[24]。传感器与试件表面涂抹一薄层的耦合剂来提高耦合效果。相关的声发射采集参数如表2所示。两试验中试件的加载均采用力控制方式加载,试件的加载与声发射信号的采集同步进行。当液压试验机和现场原位轴压仪的压力示数开始下降时,表明试件已达到失效状态,此时停止试验。声发射测试系统如图3所示。

图3 声发射测试系统Fig.3 AE test system

表2 声发射采集参数Table 2 AE acquisition parameters

2 结果与分析

由于两次测试中试件的尺寸和材料不同,因此两次测试中所采集的声发射信号也有所不同。为了将从实验室测试获得的声发射参数特征和原位轴压试验数据进行比较,本文采用声发射信号参数随加载应力变化的相对值来评估试件的损伤演变过程。

2.1 声发射信号参数特征

2.1.1振铃计数

声发射振铃计数指信号越过门槛值的振荡次数,如图4所示,常用于评估材料的声发射活动。两次测试中4个传感器(S1～S4)声发射振铃计数随加载应力的变化如图5所示。在加载初期,声发射信号主要以微裂纹的萌生为主,声发射信号较少,振铃计数水平较低。随着荷载的增大,声发射在极限荷载的60%～70%处开始活跃,这主要是由于前期微裂纹在试件中的扩展和聚结形成了可见的宏观裂纹。继续加载,在极限荷载的90%处声发射振铃计数呈连续型急剧增加。这种急剧增加是裂纹从不稳定扩展阶段到破坏阶段的演变,主要是由于砂浆和砖块的裂缝相互连接在试件内形成一条明显贯通的主裂缝所致。试件破坏后的主裂缝样式如图6所示。

图4 声发射信号参数示意[8]Fig.4 The schematic diagram of AE signal parameters

图5 实验室和现场测试中声发射振铃计数的变化Fig.5 Variations of AE ring counts during laboratory and field tests

a—轴心受压试验; b—原位轴压试验。图6 试件内主裂缝Fig.6 Main cracks inside the specimens

2.1.2能 量

声发射能量不是声发射源释放信号的绝对能量值,而是声发射信号强度的相对大小。在物理意义上声发射能量指信号检波包络线下的面积。4个传感器采集到的声发射信号能量变化如图7所示。从图7可以清楚地看到,4个传感器S1～S4的能量变化趋势非常相似。在加载荷载达到极限荷载的60%～70%之前,声发射能量水平较低,但偶尔会出现一些较高的能量信号。继续加载,能量的变化趋势与声发射振铃计数基本相同,并且高能量信号不断出现。当试件进入破坏阶段时,声发射信号的能量连续突增,能量在极限荷载下达到最大值。

图7 实验室和现场测试中声发射能量的变化Fig.7 Variations of AE energy during laboratory and field tests

图8 试件破坏阶段声发射信号峰值频率和能量分布Fig.8 Distribution of peak frequencies and energy of AE signals in failure stage of the specimen

2.1.3峰值频率

通过对声发射振铃计数和能量的变化特征分析,可以发现参数特征的变化与砌体试件的破坏过程相对应。砌体的整个受压过程可大致分为3个阶段:

1)阶段1。开裂阶段。该阶段对应的应力小于极限应力的60%～70%,砌体表面出现大量肉眼可见的微裂纹,声发射振铃计数和能量较低,且这些信号与砂浆的压实和微裂纹的产生有关。

2)阶段2。不稳定扩展阶段。该阶段是试件从阶段1到阶段3的过渡,因此被称为不稳定扩展阶段。砌体表面的微裂纹出现了扩展,并延伸为宏观裂纹。与阶段1相比,此阶段声发射信号的能量和幅度明显增加,这主要归因于微裂纹的扩展和聚集。另外,由于砂浆的开裂变形,砖块内发生局部的应力集中,砖块开始开裂。

3)阶段3。破坏阶段。该阶段对应于应力的破坏阶段超过了极限应力的90%。此时由于砂浆和砖块的裂缝相互连接在试件内形成了一条明显贯通的主裂缝。此阶段的明显特征是振铃计数和能量呈连续型急剧增大,在极限应力附近达到最大值。

从图5和图7可以看出,当试件上的应力超过极限应力的90%时,砌体的失效破坏是剧烈的。当高振铃计数和高能量声发射信号频繁出现时,标志着结构可能发生了较大的损伤,在砌体结构的健康监测中,应该警示这类信号的产生。图8描绘了在试件破坏阶段,声发射信号的能量和峰值频率的分布。图8表明,在试件的破坏阶段,能量高的声发射信号基本都处于低频率带,这可以作为试件失效的前兆和预警。

2.2 讨 论

对于在实验室条件下进行的砖砌体试件轴心受压试验和在役砌体砖墙的原位轴压试验,虽然两次测试试件的尺寸和材料不同,但传感器采集信号参数(振铃计数、能量和峰值频率)的变化特征非常相似。而且,在试件的不同损伤阶段,声发射参数特征呈现出了明显的差异。据此,在后期的研究中,可以以实验室研究为基础,研究砖砌体试件在不同破坏样式下(受压、受剪和受弯)的声发射参数变化特征,建立一个损伤样式和声发射参数特征相对应的声发射数据库。在现场实际监测时,根据现场采集到的声发射参数特征与数据库比对,反演分析出被测试结构的损伤样式。

众所周知,声发射在砌体中应用受限的主要原因是在砌体材料中声发射信号的高衰减。值得注意的是,相比于能量和幅值,声发射振铃计数的衰减速度较慢,主要原因是只有信号能量或幅值低于阈值时振铃计数才发生衰减[25]。因此,在对大型砌体结构实施声发射实时监测时,相对于其他参数,声发射振铃计数是一个更好的参数选择。

3 结 论

本文分别对砖砌体试件和在役砌体砖墙进行了实验室轴心受压和现场原位轴压试验,分析了两种测试条件下声发射参数的变化特征和试件的破坏过程。主要结论概括如下:

1)砌体受压破坏的整个过程大致经历了开裂、不稳定扩展和破坏三个阶段,这三个阶段的分界线分别为极限荷载的60%～70%和90%。根据振铃计数和能量的变化可以判别砌体所处的损伤阶段。

2)具有高能量和低频率声发射信号的大量出现可以作为砌体结构失效前的先兆,为结构的安全监测提供预警。

3)相比于其他参数,当声发射技术应用于大型的砌体结构实时监测时,振铃计数是最佳的参数选择。