混凝土梁破坏机制的声发射特性实验研究

1、收稿日期:2001202214;修订日期:2001203207作者简介:陈兵(19732,男,安徽人,同济大学博士生.混凝土梁破坏机制的声发射特性实验研究陈兵,姚武,张东,吴科如(同济大学混凝土材料研究国家重点实验室,上海200092摘要:记录了钢纤维混凝土、素混凝土和砂浆试件断裂过程中的声发射(AE 信号,并对其进行了分析和处理.通过对声发射信号持续时间设置滤值,以声发射信号的振幅分布特性为判据,并依据事件峰值对应的振幅大小,将它们的声发射信号持续时间分别划分为9个、7个和5个区段,并通过细观层次上破坏机制的分析,分别得出了各破坏机制所对应的声发射参数特性.关键词:声发射;持续时间;破坏机制

2、中图分类号:TU 112.2;TU 528文献标识码: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 steel fiber reinforced concret

3、e ,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 corresponds to the occurring of

4、 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 signal sectin and the failure m

5、echanism 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 mechanism声发射技术作为金属和非金属材料无损检测以

6、及工程结构稳定性监测手段在国内外得到广泛应用.近年来,声发射技术被引进混凝土力学领域,应用于混凝土断裂过程中的裂缝扩展和断裂特性等研究13.声发射是材料发生破坏时发出的应力波,声发射信号包含着材料破坏过程中的丰富信息,对这些信息加以处理分析和研究,可以推断材料内部结构的变化,反演材料的破坏机制4.材料的每一种破坏机制都含有不同的声发射信号,通过对这些信号中含有的振幅、振铃数、能量、持续时间以及上升时间等信息的分析,可以区分不同的破坏机制.第4卷第4期2001年12月建筑材料学报JOURNAL OF BU ILDIN G MA TERIAL S Vol.4,No.4Dec.,2001Ely 和H

7、ill 5,6在研究碳纤维树脂破坏机制时指出,依据在已知位置上对应的不同破坏机制,按声发射信号参数特性,可以将振幅划分为几个明显的区段,并可分别将其与纤维脱粘、纤维拉断和基体开裂等不同的破坏机制一一对应起来.本研究记录了砂浆、素混凝土和钢纤维混凝土三点弯曲梁破坏过程中的声发射信号,通过对持续时间设置滤值,以声发射信号的振幅分布特性为判据来划分持续时间的区段,并根据砂浆、素混凝土和钢纤维混凝土在细观层次上破坏机制的分析,得出各种破坏机制对应的区段及其声发射参数特性.1实验装置和试样试样在万能试验机(INSTRON 8501上进行三点弯曲实验,通过跨中挠度控制对试样进行加载.声发射仪采用美国Phy

8、sical Acoustic Corporation 生产的SPAR TAN A T2000系列.6只谐振频率为150kHz 的压电传感器分别与梁在相应位置耦合,耦合剂为凡士林.信号经前置放大器(增益40dB 后进入鉴别单元处理.由鉴别单元形成的信号同时输入定区检测单元,此单元在正式试验前已校正,使本系统只接收中心加载点左右两边各10cm 区域内的声发射信号,比较有效地排除了外界噪声干扰.用电脑软件处理数据并绘图.试样为10cm ×10cm ×51.5cm 的梁,其尺寸及换能器位置见文献7,龄期为28d ,测试前2d 用切割机对试样切口,切口深度为5cm.砂浆、素混凝土和钢

9、纤维混凝土的配合比见表1.表1砂浆、素混凝土和钢纤维混凝土配合比T able 1Mix proportions of concretekg/m 3SampleWater Cement Slag Sand Gravel Steel fiber Mortar2.1基本原理材料的变形和断裂往往由不同的机制引起,它们各自产生不同的声发射信号.在材料破坏的整个过程中,换能器接收到的是包含所有破坏机制产生的声发射信号,它们重叠在一起.故本文提出一种方法,据此可将不同破坏机制产生的声发射信号划分开.该方法的依据为以下2个原则:(1同一声发射信号,其释放的能量越大,则对应的声发射振幅越高和持续时间越长;(2同

10、一破坏机制产生的声发射信号具有相同的参数特性(如振幅分布、单位事件数对应的振铃数和持续时间等.因此,笔者在对不同破坏机制产生的声发射信号进行划分过程中,对声发射信号的持续时间设置了不同的滤值,并针对每一个持续时间滤值作:(a 事件数对振幅关系图、(b 振铃数对振幅关系图、(c 事件数对振铃数与事件数之比的关系图.如果图(a 中事件数和图(b 中振铃数对应的峰值处振幅是相同的,且图(a 与图(b 中统计的振铃数与事件数比值与图(c 中事件数峰值所对应的振铃数与事件数之比是一致的,则表明该持续时间段内只含1种独立的破坏机制.以此类推,可以区分材料变形和断裂过程中的不同破坏机制,并按事件数峰值对应的

11、振幅大小,由小到大依次定义为机制1、机制2、等等.2.2实例钢纤维混凝土梁在三点弯曲加载下直至试样破坏,记录的总事件数与振铃数分别为199275和1771822.图1分别是其:(a 事件数对振幅;(b 振铃数对振幅;(c 事件数对持续时间的记录图.从图1(a 发现,事件数峰值(11000出现在振幅为40dB 处,过峰值后事件数随振幅增大而减小,且是非单调的;在图1(b 中,振铃数峰值发生在振幅为55dB 处,较事件数峰值对应的振幅大15dB ;而图1(c 中,持续时间主要发生在0800s 之间.333第4期陈兵等:混凝土梁破坏机制的声发射特性实验研究事件数和振铃数各自峰值对应的振幅值不一样,表

12、明这中间有不同的破坏机制重叠在一起.为此,依据原则(2,即对于同一种破坏机制产生的声发射信号应具有相同的参数特性,反应在事件数对振幅的图中,事件数应只有单一峰值,而过峰值后其随振幅的变化应是单调的,同时,图1(a 与图1(b 中峰值出现的振幅位置应是一致的.按照此原则,对声发射信号的持续时间设置滤值.其处理方法可按下述2个步骤进行.第1步:先从最低振幅开始分析.由于低振幅信号较高振幅信号的持续时间短,因此首先将持续时间第1滤值选为025s.为确保相对应低振幅声发射信号的所有事件数均不被遗漏,笔者又选择了第2滤值030s 及第3滤值035s.结果发现,将持续时间滤值定为035s 后,可得该持续时

13、间内的声发射信号如图2所示.此处记录的事件数与振铃数分别为35066和65620,振铃数/事件数=1.87,并比较图2(a ,(b ,可以看出:事件数和振铃数的峰值都出现在40dB 处,且都只有单一的峰值;图2(c 中对应的峰值出现在横坐标为1.87处,与前面计算的振铃数/事件数的比值相同.由此表明了图2(a 中只有1种破坏机制,定义为“机制1”.在图2中振幅分布为3650dB ,振幅大于50dB 的可以认为是其它破坏机制的重叠,不予考虑 .(a (b (c 图1钢纤维混凝土声发射原始数据Fig.1AE original data of steel fiber concrete (a (b (

14、c 图2机制1声发射信号Fig.2AE signals of mechanism 1433建筑材料学报第4卷 第2步:按照步骤1的方法,对剩余的声发射信号设置不同的持续时间滤值,并逐次将独立的破坏机制滤出,最终将剩余的持续时间划分为8个区段,定义其对应的独立破坏机制分别为“机制2,3,4,5,6,7,8和9”.图4是机制2对应的声发射信号图 .(a (b (c 图3滤除机制1后的声发射信号Fig.3AE original data without mechanism 1(a (b (c 图4机制2声发射信号Fig.4AE signals of mechanism 2533第4期陈兵等:混凝土梁

15、破坏机制的声发射特性实验研究3实验结果及讨论3.1实验结果图5和图6分别是砂浆和素混凝土试件断裂过程中接收到的声发射原始信号图.按照以上处理方法,素混凝土的破坏机制可以划分为7个,而砂浆的破坏机制可以划分为5个.表2,3和4分别列出了钢纤维混凝土、素混凝土和砂浆各自对应的破坏机制及其声发射参数特性.从表24列出的不同破坏机制所对应的声发射参数可见,钢纤维混凝土和素混凝土所划分出的前7种破坏机制对应的声发射信号参数基本相同,而其中的5种破坏机制与砂浆试件的5种破坏机制所对应的声发射信号参数又基本相同.这表明钢纤维混凝土、素混凝土和砂浆试件在断裂过程中含有相同的破坏机制 ,同时表明这种实验方法具有

16、重演性和可靠性 .(a (b (c 图5砂浆声发射原始信号Fig.5AE original data of mortar (a (b (c 图6素混凝土声发射原始信号Fig.6AE original data of normal concrete3.2分析与讨论混凝土为不均质的多相材料,其中集料被硬化的水泥浆体胶结而形成人造石材,制得材料的性能取决于集料的种类及硬化基材的性质.而混凝土的破坏,则可以理解为在不同层次单元下所考虑的非均匀的局部变形,是所研究的对象由连续体系变为分散体系的一种性能.因此混凝土梁在破坏过程中,内部不同结构的变形可构成不同的声发射源.633建筑材料学报第4卷 4期 第

17、陈 兵等 : 混凝土梁破坏机制的声发射特性实验研究 337 从材料组分上分析 ,钢纤维混凝土较素混凝土多了钢纤维 ,而素混凝土又比砂浆多了粗骨料 . 表 24 中 ,砂浆试件的破坏机制分类较素混凝土少了 2 类 ,而钢纤维混凝土的破坏机制较素混凝 土又多 2 类 ,其中钢纤维混凝土与素混凝土的前 7 种破坏机制对应的声发射信号参数相同 ,而钢纤 维混凝土的机制 8 ,9 发生在其断裂后期 ,且声发射信号能量较高 ,因此机制 8 ,9 分别对应为钢纤维 的拔出和拉断 . 砂浆试件中机制 2 的持续时间分布覆盖了钢纤维混凝土和素混凝土中机制 2 ,3 ,但 从事件数峰值出现的位置和振幅分布来看 ,

18、它与钢纤维混凝土和素混凝土中机制 3 相同 . 因为砂浆 仅含有细骨料 ,而钢纤维混凝土和素混凝土都含有粗细骨料且同时含有机制 2 ,考虑到机制 3 中的 事件数所占的百分比 ( 钢纤维混凝土为 18. 5 % ,素混凝土为 17. 0 % 和振幅分布 ,可认为机制 2 及 3 分别是细集料和粗集料与水泥基体界面的开裂 . 表2 钢纤维混凝土梁断裂过程中破坏机制对应的声发射参数特性 Table 2 parameter characteristics for failure mechanisms of steel f iber concrete AE Amplitude distribution

19、 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 0804 000 Amount of hit 35 066

20、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 素混凝土梁断裂过程中破坏机制对应的声发射参数特性 Table 3 parameter characteristics for failure mecha

21、nisms 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 > 555 Amount of hit 9 248 5 27

22、1 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 砂浆试件断裂过程中破坏机制对应的声发射参数特性 Table 4 parameter characteristics for failure mechanisms of mortar AE Amplitude distribution Mechan

23、ism 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 of count 500 1 218 1 681 1 7

24、94 3 847 338 建 筑 材 料 学 报 第4卷 在常规条件下制备的硬化水泥浆体 ,由于种种原因 ,内部存在大小不同的孔和微裂缝 . 当混凝 土受到外部荷载作用时 ,在变形的初期 ,由于荷载作用 ,使得原有的微孔隙 、 微缺陷逐步聚合 ,产生 声发射 . 但此时产生的声发射能量较低 ,且出现在加载初期 . 当混凝土承受的荷载进一步增大时 ,在 这些微裂缝尖端形成应力集中 ,使得微裂缝进一步扩展 ,产生声发射 . 当荷载达到临界荷载时 ,细观 裂纹网络会发生根本性变化而形成细观主裂纹 ,并相互搭接 ,相互贯通 ,形成宏观主裂缝 ,产生大量 声发射 . 从声发射信号振幅分布特性看 ,砂浆破

25、坏机制中的机制 1 ,3 ,4 ,5 与钢纤维混凝土和素混凝 土中的机制 1 ,4 ,5 ,6 相同 ,可以认为它们与硬化水泥浆体有关 ,分别对应于微缺陷的聚合 、 微裂纹 形成 、 裂纹扩展和宏观裂纹形成 . 而机制 7 则与粗集料的开裂有关 . 依据以上分析 ,表 5 列出了不同破坏机制相对应的声发射信号参数 . 表5 不同破坏机制对应的声发射信号参数特性 Table 5 parameter characteristics for nine failure mechanisms AE AE Parameter characteristic Duration/s Amplitude dist

26、ribution/ 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 结论 1. 通过对混凝土声发射信号持续时间设置不同的过滤阀值 , 并通过事件数对振幅 、 振铃数对 振幅和事件数对振铃数与事件数之比作图 ,比较 3 个图的形状和特性 ,可区分混凝土不同的破坏机 制. 2. 根据声发射实验结果 ,钢纤维混凝土 、 素混凝土和砂浆试件在断裂过程中的声发射信号可 以分别包含有 9 个 、 个和 5 个破坏机制 . 7 参考文献 : 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 , Cheng C T , Chen S E. Determina