混凝土梁破壞機(jī)制的聲發(fā)射特性實(shí)驗(yàn)研究

1、收稿日期:2001202214;修訂日期:2001203207作者簡(jiǎn)介:陳兵(19732,男,安徽人,同濟(jì)大學(xué)博士生.文章編號(hào):100729629(20010420332207混凝土梁破壞機(jī)制的聲發(fā)射特性實(shí)驗(yàn)研究陳兵,姚武,張東,吳科如(同濟(jì)大學(xué)混凝土材料研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200092摘要:記錄了鋼纖維混凝土、素混凝土和砂漿試件斷裂過(guò)程中的聲發(fā)射(AE 信號(hào),并對(duì)其進(jìn)行了分析和處理.通過(guò)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)持續(xù)時(shí)間設(shè)置濾值,以聲發(fā)射信號(hào)的振幅分布特性為判據(jù),并依據(jù)事件峰值對(duì)應(yīng)的振幅大小,將它們的聲發(fā)射信號(hào)持續(xù)時(shí)間分別劃分為9個(gè)、7個(gè)和5個(gè)區(qū)段,并通過(guò)細(xì)觀層次上破壞機(jī)制的分析,分別得出了各破壞機(jī)制

2、所對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射參數(shù)特性.關(guān)鍵詞:聲發(fā)射;持續(xù)時(shí)間;破壞機(jī)制中圖分類號(hào):TU 112.2;TU 528文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AStudy on the AE Characteristics of FractureProcess of Concrete BeamsCH EN B i ng ,YA O W u ,ZHA N G Dong ,W U Ke 2ru(State K ey Laboratory of Concrete Materials Research ,Tongji University ,Shanghai 200092,China Abstract :The AE signals from s

3、teel fiber reinforced concrete ,normal concrete and mortar beams dur 2ing the entire fracture process were recorded and analyzed.The filter was set on the AE signal duration based on the characteristics of the distribution of AE signal amplitude.According to the value of AE signal amplitude which co

4、rresponds to the occurring of peak for AE hits ,the AE signals from mortar ,normal concrete and steel reinforced concrete were divided into five ,seven and nine sections res pective 2ly.The failure mechanism of concrete was also analyzed from micro 2structure and the relationship be 2tween the AE si

5、gnal sectin and the failure mechanism was set up.Based on the experiments ,the AE characteristics of each failure mechanism were given.The results showed that AE technique is a valu 2able tool to study the failure mechanism of concrete materials.K ey w ords :acoustic emission (AE ;duration ;failure

6、mechanism聲發(fā)射技術(shù)作為金屬和非金屬材料無(wú)損檢測(cè)以及工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)手段在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用.近年來(lái),聲發(fā)射技術(shù)被引進(jìn)混凝土力學(xué)領(lǐng)域,應(yīng)用于混凝土斷裂過(guò)程中的裂縫擴(kuò)展和斷裂特性等研究13.聲發(fā)射是材料發(fā)生破壞時(shí)發(fā)出的應(yīng)力波,聲發(fā)射信號(hào)包含著材料破壞過(guò)程中的豐富信息,對(duì)這些信息加以處理分析和研究,可以推斷材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化,反演材料的破壞機(jī)制4.材料的每一種破壞機(jī)制都含有不同的聲發(fā)射信號(hào),通過(guò)對(duì)這些信號(hào)中含有的振幅、振鈴數(shù)、能量、持續(xù)時(shí)間以及上升時(shí)間等信息的分析,可以區(qū)分不同的破壞機(jī)制.第4卷第4期2001年12月建筑材料學(xué)報(bào)JOURNAL OF BU ILDIN G MA TERIA

7、L S Vol.4,No.4Dec.,2001Ely 和Hill 5,6在研究碳纖維樹脂破壞機(jī)制時(shí)指出,依據(jù)在已知位置上對(duì)應(yīng)的不同破壞機(jī)制,按聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)特性,可以將振幅劃分為幾個(gè)明顯的區(qū)段,并可分別將其與纖維脫粘、纖維拉斷和基體開裂等不同的破壞機(jī)制一一對(duì)應(yīng)起來(lái).本研究記錄了砂漿、素混凝土和鋼纖維混凝土三點(diǎn)彎曲梁破壞過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào),通過(guò)對(duì)持續(xù)時(shí)間設(shè)置濾值,以聲發(fā)射信號(hào)的振幅分布特性為判據(jù)來(lái)劃分持續(xù)時(shí)間的區(qū)段,并根據(jù)砂漿、素混凝土和鋼纖維混凝土在細(xì)觀層次上破壞機(jī)制的分析,得出各種破壞機(jī)制對(duì)應(yīng)的區(qū)段及其聲發(fā)射參數(shù)特性.1實(shí)驗(yàn)裝置和試樣試樣在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(INSTRON 8501上進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)

8、驗(yàn),通過(guò)跨中撓度控制對(duì)試樣進(jìn)行加載.聲發(fā)射儀采用美國(guó)Physical Acoustic Corporation 生產(chǎn)的SPAR TAN A T2000系列.6只諧振頻率為150kHz 的壓電傳感器分別與梁在相應(yīng)位置耦合,耦合劑為凡士林.信號(hào)經(jīng)前置放大器(增益40dB 后進(jìn)入鑒別單元處理.由鑒別單元形成的信號(hào)同時(shí)輸入定區(qū)檢測(cè)單元,此單元在正式試驗(yàn)前已校正,使本系統(tǒng)只接收中心加載點(diǎn)左右兩邊各10cm 區(qū)域內(nèi)的聲發(fā)射信號(hào),比較有效地排除了外界噪聲干擾.用電腦軟件處理數(shù)據(jù)并繪圖.試樣為10cm ×10cm ×51.5cm 的梁,其尺寸及換能器位置見(jiàn)文獻(xiàn)7,齡期為28d ,測(cè)試前2d

9、 用切割機(jī)對(duì)試樣切口,切口深度為5cm.砂漿、素混凝土和鋼纖維混凝土的配合比見(jiàn)表1.表1砂漿、素混凝土和鋼纖維混凝土配合比T able 1Mix proportions of concretekg/m 3SampleWater Cement Slag Sand Gravel Steel fiber Mortar1765182021032Normal concrete176472202632948Steel fiber concrete 176472202632948702破壞機(jī)制劃分原理2.1基本原理材料的變形和斷裂往往由不同的機(jī)制引起,它們各自產(chǎn)生不同的聲發(fā)射信號(hào).在材料破壞的整個(gè)過(guò)程中,換

10、能器接收到的是包含所有破壞機(jī)制產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào),它們重疊在一起.故本文提出一種方法,據(jù)此可將不同破壞機(jī)制產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)劃分開.該方法的依據(jù)為以下2個(gè)原則:(1同一聲發(fā)射信號(hào),其釋放的能量越大,則對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射振幅越高和持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng);(2同一破壞機(jī)制產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)具有相同的參數(shù)特性(如振幅分布、單位事件數(shù)對(duì)應(yīng)的振鈴數(shù)和持續(xù)時(shí)間等.因此,筆者在對(duì)不同破壞機(jī)制產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行劃分過(guò)程中,對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的持續(xù)時(shí)間設(shè)置了不同的濾值,并針對(duì)每一個(gè)持續(xù)時(shí)間濾值作:(a 事件數(shù)對(duì)振幅關(guān)系圖、(b 振鈴數(shù)對(duì)振幅關(guān)系圖、(c 事件數(shù)對(duì)振鈴數(shù)與事件數(shù)之比的關(guān)系圖.如果圖(a 中事件數(shù)和圖(b 中振鈴數(shù)對(duì)應(yīng)的峰值

11、處振幅是相同的,且圖(a 與圖(b 中統(tǒng)計(jì)的振鈴數(shù)與事件數(shù)比值與圖(c 中事件數(shù)峰值所對(duì)應(yīng)的振鈴數(shù)與事件數(shù)之比是一致的,則表明該持續(xù)時(shí)間段內(nèi)只含1種獨(dú)立的破壞機(jī)制.以此類推,可以區(qū)分材料變形和斷裂過(guò)程中的不同破壞機(jī)制,并按事件數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的振幅大小,由小到大依次定義為機(jī)制1、機(jī)制2、等等.2.2實(shí)例鋼纖維混凝土梁在三點(diǎn)彎曲加載下直至試樣破壞,記錄的總事件數(shù)與振鈴數(shù)分別為199275和1771822.圖1分別是其:(a 事件數(shù)對(duì)振幅;(b 振鈴數(shù)對(duì)振幅;(c 事件數(shù)對(duì)持續(xù)時(shí)間的記錄圖.從圖1(a 發(fā)現(xiàn),事件數(shù)峰值(11000出現(xiàn)在振幅為40dB 處,過(guò)峰值后事件數(shù)隨振幅增大而減小,且是非單調(diào)的;在

12、圖1(b 中,振鈴數(shù)峰值發(fā)生在振幅為55dB 處,較事件數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的振幅大15dB ;而圖1(c 中,持續(xù)時(shí)間主要發(fā)生在0800s 之間.333第4期陳兵等:混凝土梁破壞機(jī)制的聲發(fā)射特性實(shí)驗(yàn)研究事件數(shù)和振鈴數(shù)各自峰值對(duì)應(yīng)的振幅值不一樣,表明這中間有不同的破壞機(jī)制重疊在一起.為此,依據(jù)原則(2,即對(duì)于同一種破壞機(jī)制產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)應(yīng)具有相同的參數(shù)特性,反應(yīng)在事件數(shù)對(duì)振幅的圖中,事件數(shù)應(yīng)只有單一峰值,而過(guò)峰值后其隨振幅的變化應(yīng)是單調(diào)的,同時(shí),圖1(a 與圖1(b 中峰值出現(xiàn)的振幅位置應(yīng)是一致的.按照此原則,對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的持續(xù)時(shí)間設(shè)置濾值.其處理方法可按下述2個(gè)步驟進(jìn)行.第1步:先從最低振幅開始分析

13、.由于低振幅信號(hào)較高振幅信號(hào)的持續(xù)時(shí)間短,因此首先將持續(xù)時(shí)間第1濾值選為025s.為確保相對(duì)應(yīng)低振幅聲發(fā)射信號(hào)的所有事件數(shù)均不被遺漏,筆者又選擇了第2濾值030s 及第3濾值035s.結(jié)果發(fā)現(xiàn),將持續(xù)時(shí)間濾值定為035s 后,可得該持續(xù)時(shí)間內(nèi)的聲發(fā)射信號(hào)如圖2所示.此處記錄的事件數(shù)與振鈴數(shù)分別為35066和65620,振鈴數(shù)/事件數(shù)=1.87,并比較圖2(a ,(b ,可以看出:事件數(shù)和振鈴數(shù)的峰值都出現(xiàn)在40dB 處,且都只有單一的峰值;圖2(c 中對(duì)應(yīng)的峰值出現(xiàn)在橫坐標(biāo)為1.87處,與前面計(jì)算的振鈴數(shù)/事件數(shù)的比值相同.由此表明了圖2(a 中只有1種破壞機(jī)制,定義為“機(jī)制1”.在圖2中振幅

14、分布為3650dB ,振幅大于50dB 的可以認(rèn)為是其它破壞機(jī)制的重疊,不予考慮 .(a (b (c 圖1鋼纖維混凝土聲發(fā)射原始數(shù)據(jù)Fig.1AE original data of steel fiber concrete (a (b (c 圖2機(jī)制1聲發(fā)射信號(hào)Fig.2AE signals of mechanism 1433建筑材料學(xué)報(bào)第4卷 第2步:將機(jī)制1對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)從原始數(shù)據(jù)中濾除,記錄事件數(shù)與振鈴數(shù)分別為164209和1706202(振鈴數(shù)/事件數(shù)=10.3并作圖(如圖3,在圖3(a 中,事件數(shù)峰值出現(xiàn)在44dB 處,(b 中振鈴數(shù)峰值出現(xiàn)在55dB 處,(b 不同于(a ,且形

15、狀與(a 相差較大,表明這些信號(hào)中含有不同的振鈴與事件數(shù)比率;圖3(c 的峰值出現(xiàn)在橫坐標(biāo)為5.0,而不是10.3處.這說(shuō)明其間含有不同破壞機(jī)制的重疊,需要再作進(jìn)一步分析.按照步驟1的方法,對(duì)剩余的聲發(fā)射信號(hào)設(shè)置不同的持續(xù)時(shí)間濾值,并逐次將獨(dú)立的破壞機(jī)制濾出,最終將剩余的持續(xù)時(shí)間劃分為8個(gè)區(qū)段,定義其對(duì)應(yīng)的獨(dú)立破壞機(jī)制分別為“機(jī)制2,3,4,5,6,7,8和9”.圖4是機(jī)制2對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)圖 .(a (b (c 圖3濾除機(jī)制1后的聲發(fā)射信號(hào)Fig.3AE original data without mechanism 1(a (b (c 圖4機(jī)制2聲發(fā)射信號(hào)Fig.4AE signals o

16、f mechanism 2533第4期陳兵等:混凝土梁破壞機(jī)制的聲發(fā)射特性實(shí)驗(yàn)研究3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖5和圖6分別是砂漿和素混凝土試件斷裂過(guò)程中接收到的聲發(fā)射原始信號(hào)圖.按照以上處理方法,素混凝土的破壞機(jī)制可以劃分為7個(gè),而砂漿的破壞機(jī)制可以劃分為5個(gè).表2,3和4分別列出了鋼纖維混凝土、素混凝土和砂漿各自對(duì)應(yīng)的破壞機(jī)制及其聲發(fā)射參數(shù)特性.從表24列出的不同破壞機(jī)制所對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射參數(shù)可見(jiàn),鋼纖維混凝土和素混凝土所劃分出的前7種破壞機(jī)制對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)基本相同,而其中的5種破壞機(jī)制與砂漿試件的5種破壞機(jī)制所對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)又基本相同.這表明鋼纖維混凝土、素混凝土和砂漿試件在斷

17、裂過(guò)程中含有相同的破壞機(jī)制 ,同時(shí)表明這種實(shí)驗(yàn)方法具有重演性和可靠性 .(a (b (c 圖5砂漿聲發(fā)射原始信號(hào)Fig.5AE original data of mortar (a (b (c 圖6素混凝土聲發(fā)射原始信號(hào)Fig.6AE original data of normal concrete3.2分析與討論混凝土為不均質(zhì)的多相材料,其中集料被硬化的水泥漿體膠結(jié)而形成人造石材,制得材料的性能取決于集料的種類及硬化基材的性質(zhì).而混凝土的破壞,則可以理解為在不同層次單元下所考慮的非均勻的局部變形,是所研究的對(duì)象由連續(xù)體系變?yōu)榉稚Ⅲw系的一種性能.因此混凝土梁在破壞過(guò)程中,內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)的變形可構(gòu)

18、成不同的聲發(fā)射源.633建筑材料學(xué)報(bào)第4卷 4期 第 陳 兵等 : 混凝土梁破壞機(jī)制的聲發(fā)射特性實(shí)驗(yàn)研究 337 從材料組分上分析 ,鋼纖維混凝土較素混凝土多了鋼纖維 ,而素混凝土又比砂漿多了粗骨料 . 表 24 中 ,砂漿試件的破壞機(jī)制分類較素混凝土少了 2 類 ,而鋼纖維混凝土的破壞機(jī)制較素混凝 土又多 2 類 ,其中鋼纖維混凝土與素混凝土的前 7 種破壞機(jī)制對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)相同 ,而鋼纖 維混凝土的機(jī)制 8 ,9 發(fā)生在其斷裂后期 ,且聲發(fā)射信號(hào)能量較高 ,因此機(jī)制 8 ,9 分別對(duì)應(yīng)為鋼纖維 的拔出和拉斷 . 砂漿試件中機(jī)制 2 的持續(xù)時(shí)間分布覆蓋了鋼纖維混凝土和素混凝土中機(jī)制 2

19、 ,3 ,但 從事件數(shù)峰值出現(xiàn)的位置和振幅分布來(lái)看 ,它與鋼纖維混凝土和素混凝土中機(jī)制 3 相同 . 因?yàn)樯皾{ 僅含有細(xì)骨料 ,而鋼纖維混凝土和素混凝土都含有粗細(xì)骨料且同時(shí)含有機(jī)制 2 ,考慮到機(jī)制 3 中的 事件數(shù)所占的百分比 ( 鋼纖維混凝土為 18. 5 % ,素混凝土為 17. 0 % 和振幅分布 ,可認(rèn)為機(jī)制 2 及 3 分別是細(xì)集料和粗集料與水泥基體界面的開裂 . 表2 鋼纖維混凝土梁斷裂過(guò)程中破壞機(jī)制對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射參數(shù)特性 Table 2 parameter characteristics for failure mechanisms of steel f iber concret

20、e AE Amplitude distribution Mechanism Peak/ dB 1 2 3 4 5 6 7 8 9 40 42 44 47 51 56 62 71 73 Range/ dB 3654 3859 4060 4264 4366 4770 5175 5583 62100 Amount of count/ hit 1. 87 4. 73 9. 00 16. 70 31. 70 53. 20 82. 60 114. 00 149. 60 Duration /s 035 3560 60130 130220 220355 355555 555800 8001 080 1 080

21、4 000 Amount of hit 35 066 10 588 18 319 12 024 10 274 7 665 3 335 1 305 699 Occupation of hit in total hits/ % 35. 3 10. 7 18. 5 12. 1 10. 4 7. 7 3. 4 1. 3 0. 7 Amount of count 65 620 50 138 164 756 212 829 326 176 408 902 275 786 149 043 118 572 表3 素混凝土梁斷裂過(guò)程中破壞機(jī)制對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射參數(shù)特性 Table 3 parameter charac

22、teristics for failure mechanisms of normal concrete AE Amplitude distribution Mechanism Peak/ dB 1 2 3 4 5 6 7 40 42 44 47 51 58 62 Range/ dB 3654 3859 4060 4264 4366 4770 5280 Amount of count/ hit 1. 52 4. 48 98. 70 17. 40 31. 70 55. 80 104. 60 Duration /s 025 2560 60125 125220 220355 355555 > 5

23、55 Amount of hit 9 248 5 271 4 733 3 287 2 789 1 970 1 433 Occupation of hit in total hits/ % 33. 2 18. 9 17. 0 11. 8 10. 0 7. 0 5. 1 Amount of count 14 077 23 648 41 236 57 214 88 999 110 017 150 127 表4 砂漿試件斷裂過(guò)程中破壞機(jī)制對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射參數(shù)特性 Table 4 parameter characteristics for failure mechanisms of mortar AE Am

24、plitude distribution Mechanism Peak/ dB 1 2 3 4 5 40 44 45 55 58 Range/ dB 3647 3955 4264 4664 5370 Amount of count/ hit 1. 64 6. 40 6. 90 31. 40 64. 10 Duration /s 035 35125 125220 220355 > 355 Amount of hit 304 189 99 57 60 Occupation of hit in total hits/ % 43. 3 27. 0 14. 1 8. 1 8. 0 Amount o

25、f count 500 1 218 1 681 1 794 3 847 338 建 筑 材 料 學(xué) 報(bào) 第4卷 在常規(guī)條件下制備的硬化水泥漿體 ,由于種種原因 ,內(nèi)部存在大小不同的孔和微裂縫 . 當(dāng)混凝 土受到外部荷載作用時(shí) ,在變形的初期 ,由于荷載作用 ,使得原有的微孔隙 、 微缺陷逐步聚合 ,產(chǎn)生 聲發(fā)射 . 但此時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射能量較低 ,且出現(xiàn)在加載初期 . 當(dāng)混凝土承受的荷載進(jìn)一步增大時(shí) ,在 這些微裂縫尖端形成應(yīng)力集中 ,使得微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展 ,產(chǎn)生聲發(fā)射 . 當(dāng)荷載達(dá)到臨界荷載時(shí) ,細(xì)觀 裂紋網(wǎng)絡(luò)會(huì)發(fā)生根本性變化而形成細(xì)觀主裂紋 ,并相互搭接 ,相互貫通 ,形成宏觀主裂縫 ,產(chǎn)生

26、大量 聲發(fā)射 . 從聲發(fā)射信號(hào)振幅分布特性看 ,砂漿破壞機(jī)制中的機(jī)制 1 ,3 ,4 ,5 與鋼纖維混凝土和素混凝 土中的機(jī)制 1 ,4 ,5 ,6 相同 ,可以認(rèn)為它們與硬化水泥漿體有關(guān) ,分別對(duì)應(yīng)于微缺陷的聚合 、 微裂紋 形成 、 裂紋擴(kuò)展和宏觀裂紋形成 . 而機(jī)制 7 則與粗集料的開裂有關(guān) . 依據(jù)以上分析 ,表 5 列出了不同破壞機(jī)制相對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù) . 表5 不同破壞機(jī)制對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)特性 Table 5 parameter characteristics for nine failure mechanisms AE AE Parameter characteristi

27、c Duration/s Amplitude distribution/ dB Peak/ dB 1 035 3654 40 2 3560 3859 42 3 60130 4060 41 4 130220 4264 47 Mechanism 5 220355 4366 51 6 355555 4774 56 7 8 9 550800 8001 080 1 0804 000 5175 62 5583 71 62100 73 4 結(jié)論 1. 通過(guò)對(duì)混凝土聲發(fā)射信號(hào)持續(xù)時(shí)間設(shè)置不同的過(guò)濾閥值 , 并通過(guò)事件數(shù)對(duì)振幅 、 振鈴數(shù)對(duì) 振幅和事件數(shù)對(duì)振鈴數(shù)與事件數(shù)之比作圖 ,比較 3 個(gè)圖的形狀和特性 ,可區(qū)分混凝土不同的破壞機(jī) 制. 2. 根據(jù)聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ,鋼纖維混凝土 、 素混凝土和砂漿試件在斷裂過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)可 以分別包含有 9 個(gè) 、 個(gè)和 5 個(gè)破壞機(jī)制 . 7 參考文獻(xiàn) : 1 Mihashi H , Nomura N , Niiseki S. Influence of aggregate size on fracture process zone of concrete detected wit h t hree dimensional 2 Chen H L