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混凝土结构损伤声发射检测研究进展
发布:kittyll   时间:2015/8/25 15:25:27   阅读:1296 
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图片来源:网络

混凝土结构损伤是老化和病变的主要反应,对混凝土结构的危害很大,严重的损伤会恶化结构的应力状态,破坏其整体性和抗渗性,加速混凝土碳化,降低混凝土抵抗各种侵蚀性介质的耐腐蚀能力,影响混凝土结构的强度和稳定性,危及建筑物的安全运行。要合理评价混凝土结构的健康状况,并为改建、加固、修复等的设计提供基本的强度参数和其它设计依据,必须对结构中既有损伤进行精确定位与测量,探明损伤的部位、大小和性质,正确估计其对混凝土结构力学性能的影响。

由于声发射检测技术能反映结构物中混凝土的强度、均匀性、连续性等各项质量指标,对保证新建工程质量,以及对已建工程的安全性评价等方面具有重要作用,越来越受到人们的重视。如位于日本本州岛的一混凝土拱坝,在其冷凝和灌浆期间,进行了声发射检测,通过对检测过程中获得的声发射累积事件数以及能量分析,实现了对该混凝土拱坝安全状况的评估;加拿大魁北克电力公司和Sherbrooke大学合作,在老混凝土坝剪切破坏声发射检测方面进行了深入研究,分析了在不同正应力作用水平下,剪切破坏过程中(峰值前线性阶段、非线性阶段、峰值后下降段和残余摩擦阶段)的声发射特性、声发射捕捉和定位,认为该项技术用于检测混凝土重力坝抗滑稳定方面有良好的前景。

20世纪70年代,声发射技术被引入我国,研究者首先在金属和复合材料领域进行了探索,从20世纪90年代开始,我国学者将声发射技术应用于混凝土领域。大量理论、试验、工程应用研究表明,声发射检测技术既能对混凝土的结构性质及力学性能实现简便快捷地估计,同时又能实现对其内部缺陷的定位与测量,在结构健康诊断、维护过程中可起到重要作用。

混凝土结构损伤声发射检测原理

材料受外力或内力作用而产生变形或断裂时,以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射。声发射技术是借助电子技术、计算机技术以及信号处理手段等将该现象转化为可利用和认识的信号,据此来解释结构内部的缺陷变化、判断声发射源的位置以及所处状态的技术,基本原理如图1所示。
 
图1 声发射检测原理

声发射是一种能量释放的过程,能量的大小一般可由声发射率的高低、信号幅度的大小以及频率成分的宽窄来表示。作为一种动态检测方法,声发射可能动地反映材料微观结构的变化。由于其信号来自缺陷本身,故利用声发射可判断缺陷的严重性。大小和性质相同的缺陷,在不同的位置和应力状态下,对结构的损伤程度也会不同,其声发射特性亦有差异。大量的实验研究发现,混凝土受载后的声发射机理同其他材料的声发射机理类似,受到晶体的错位运动、晶体间的滑移、弹性和塑性变形、裂纹的产生和扩展以及摩擦作用等影响;受载后的混凝土材料会产生声发射现象,声发射信号(声发射参量)同材料的特性及力学过程间具有一定的关系。因此,可通过对声发射信号的采集和分析,根据结构受载后的声发射特征规律,动态评价和估计结构的损伤程度,从而为结构损伤机理和规律研究及损伤的测试提供一种新方法和新途径。

混凝土结构损伤声发射检测中的核心问题及其研究进展

在混凝土结构损伤声发射检测技术的研究过程中,如下几个方面得到了长期关注:声发射参量与混凝土材料基本属性间关系研究、混凝土结构损伤机理与声发射关系研究、混凝土结构损伤声发射定位技术研究。
 

图片来源:网络

1 声发射参量与混凝土材料基本属性间关系研究

混凝土材料声发射现象与配合比、水灰比、骨料特性、龄期、加载方式等混凝土材料的基本属性密切关联,探究该关联机制并量化其关联模式,有助于揭示混凝土内部裂缝萌生、扩展和断裂的损伤演化规律和结构破坏机理。

利用声发射方法,进行混凝土集料尺寸对混凝土断裂过程区、受压力学性能等的影响研究表明,声发射事件数能反映出集料最大粒径对混凝土力学性能的影响,随着集料最大粒径的增大,声发射事件数增多;在对混凝土材料不同骨料掺量、不同骨料粒径情况下声发射特征分析时发现,来自混凝土中的声发射信号主要有两个频率,即2kHz和13-14kHz;研究显示,声发射技术具有实时与动态,并且对结构影响小等优点。

当采用不同的加载方式和加载速率时,材料的声发射特征和产生机理亦有差异。有研究表明混凝土声发射活性与加载速率有较强的相关关系,局部微裂缝区域的范围和表征微裂缝的声发射事件随着加载速率的不同而变化。通过对混凝土试件在往复拉伸条件下Kaiser效应的有效性及其应力范围研究证实,混凝土在轴心受拉情况下存在明显的Kaiser效应,并且确定了Kaiser效应存在的应力上限约为极限抗拉强度的80%;研究还表明,Felicity比与应力水平呈现一定的负相关关系,随着应力水平的提高,Felicity比单调下降,并且伴随着Kaiser效应的衰退,Felicity效应逐渐显现;加载速率对混凝土轴拉声发射Kaiser效应的影响不大,可以说基本没有,但是加载制度、应力水平、卸载后放置的时间以及干湿条件等对混凝土轴拉伸声发射Kaiser效应产生却有较大的影响。另外,通过对混凝土受压全过程声发射特性的研究发现,声发射信号的强度和密度在混凝土试件应变较小时,均相对较小;当载荷接近80%极限荷载时,不断增加;当荷载达到峰值时,增加尤为明显;峰值后,在应力-应变曲线下降段的声发射信号较峰值处的密度稍稀疏,但仍有相当的强度,直至残余强度阶段,此时裂缝已形成相互作用并彼此连通,以致使混凝土试件破坏。

2 混凝土结构损伤机理与声发射关系研究

水工混凝土材料的声发射是材料不均匀变形或裂纹开裂及扩展过程的伴生现象,对其声发射特性及与混凝土力学性能间关系的研究,可实现动态评价和估计混凝土结构损伤程度。许多研究者针对水泥基体、砂浆和混凝土中裂缝发展和断裂机理与声发射之间的关系进行了大量研究成果显示,混凝土材料在损伤过程的不同阶段,有着不同的声发射模式,声发射参量能较好地体现混凝土损伤过程的阶段性特征;混凝土声发射活性与混凝土内部缺陷之间具有必然的联系;混凝土断裂过程声发射信号之间存在有显著的相关性;声发射特征参数可以对混凝土的损伤大小进行量化评估。

考虑到混凝土性能退化过程伴随混凝土材料中孔隙、微裂缝和裂缝的发展,有研究者在损伤力学和声发射速率过程理论的基础上,建立了在单轴受压状态下混凝土材料声发射特征参数与损伤演化间的关系方程,实现了运用测量所得声发射特征参数进行混凝土损伤大小量化评估的目的。另外,有研究者结合声发射速率过程理论和水工混凝土损伤受压过程声发射特性试验研究,分析了水工混凝土声发射活性特征及其与材料损伤参量的相关关系,探讨了混凝土材料损伤演化规律的声发射活性参数表达形式,试验研究并建立了基于声发射活性参数的水工混凝土损伤演化数学模型,实现了根据水工混凝土受载后的声发射特征来动态检测和评估混凝土材料的损伤程度,从而为水工混凝土损伤因子测试和损伤程度评价提供了一种参考方法和途径。

将声发射技术与混凝土材料损伤断裂试验相结合,通过混凝土的三点弯曲梁试验可以发现,声发射信号可以判断混凝土的断裂中的起裂点和失稳点,并建立了基于声发射参量混凝土损伤本构关系;另外,采用声发射参数曲线将混凝土和钢筋混凝土三点弯曲梁断裂破坏过程分为6个阶段,并联合声发射振铃计数率时间曲线、能量时间曲线的突变,或者振铃计数时间、累计能量时间曲线的转折点,提出了混凝土和钢筋混凝土三点弯曲梁起裂荷载和失稳荷载的判断方法。

有研究者通过混凝土试块的三点弯曲实验,研究了混凝土断裂过程中声发射空间自组织演化特征、关联分维数的变化规律及其在结构失稳预报中的应用。通过对混凝土材料在三点弯曲断裂过程中,声发射事件的空间分布规律分析,确定了混凝土试块在临界断裂时的分形特征识别模式,给出了声发射事件的位置熵函数,实现了对该空间演化规律的描述,并且结合三点弯曲实验对声发射空间演化规律同临界断裂的关系进行了分析,证实了混凝土试块在三点弯曲过程中,随着应力状态的变化,相应声发射过程的空间自组织程度也不断发生变化,当声发射空间位置熵的急剧下降时,预示宏观断裂的来临,指出该识别模式可以作为材料出现临界断裂的识别特征。

3 混凝土结构损伤声发射定位技术研究

声发射源的准确定位是利用声发射技术进行混凝土损伤检测与评定的一项重要内容。为了尽可能提高声发射源的定位精度,最大程度降低伪定位和漏定位,需要综合考虑声发射仪器参数的设置、波速的选择、传感器的空间位置、声发射信号的传播特性以及环境影响等多种因素,针对不同的声发射信号类型和应用对象,研究和应用不同的定位方法。

目前,针对不同的声发射信号类型,已有一些定位方法,如对于由裂纹所产生的典型突发型声发射信号,通常采用时差定位方法和区域定位方法。时差定位法是根据同一声发射源所发出的声发射信号到达不同传感器的时间差,经波速、传感器间距等参数的测量和算法运算来确定声源位置的一类方法;区域定位法是根据传感器个数和相对时差时序来判定声发射源所处的区域。声发射源时差定位方法容易出现大量的低幅度信号,其定位精度易受波速、衰减、波形等多种因素的影响;区域定位方法比较快速、简便,但定位粗略,主要用于复合材料等由于声发射频度过高、传播衰减过大或检测通道数有限而难以采用时差定位的场合。另外,这两类方法对声发射源的准确定位还很大程度上依赖于工程人员的实际经验。

从数学上讲,源定位计算实质上是一个构建声发射源信号特征与声源位置间关系模型,通过误差界定并寻求最小误差(残差)点的过程。为此,可通过模式识别的算法来实现上述过程。即将不同声发射源位置认为是不同模式,对应声发射波形信号为相对应数据(可为一个传感器或多个传感器),应用模式识别的方法建立数据与模式(声发射源位置)的对应映射关系模型。模式识别定位法特别适用于材料各向异性、结构复杂的情况,可最大限度地降低人为因素对定位结果的影响。上述过程可以借助神经网络、小波网络等算法来实现。但这些算法多基于经验风险最小化准则,在有限样本情况下,经验风险最小并不一定意味着期望风险最小,并不能保证所建立的模型具有良好的推广和泛化能力。为此,有研究者通过理论分析和室内试验,针对水工混凝土损伤的声发射信号特征,引入最小二乘支持向量机技术,从定位原理、方案设计、试验验证等方面,研究了一种水工混凝土损伤声发射源智能定位方法。还有研究者提出了一种基于穷举法的三维声发射源定位算法,利用传感器激发顺序确定搜索区域的改进措施,解决了直接搜索穷举法的计算耗时问题。

结论和展望

用声发射等无损检测技术实现对大坝等混凝土结构内部和表面损伤的探测,并对损伤的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化等给予正确的判断和评价,成为了混凝土结构全生命过程(包括施工、运行)安全性预警和结构维护与修复决策的一种重要手段。声发射技术作为一种被动的无损检测技术,已被成功应用于建筑、桥梁等混凝土结构的动态检测和完整性评估。近年来,声发射技术本身获得长足发展的同时,声发射设备亦取得了较大的改进和提高,从最初的模拟式单通道声发射仪已发展到目前全数字化全波形的多通道声发射仪。然而,混凝土结构损伤声发射检测技术仍有不少核心科学问题需要今后特别攻关:

(1)混凝土结构损伤声发射检测模型试验和现场原位测试过程中,噪声问题和信号传播的衰减性问题会导致检测信号的失真,研究信号去噪、特征提取等方法,加强信号的时频域分析仍然是一个需要高度重视问题。

(2)大量研究表明,声发射信号受混凝土材料性能、受荷特征、损伤状态等多因素的组合影响,信号具有典型的非线性和随机性特征,今后需要深入开展上述单因素作用下和多因素组合作用下声发射信号特征变化规律的多尺度研究,科学解析其驱动机制,从而从理论上发展和完善声发射技术。

(3)声发射技术在对混凝土结构损伤定量化评价方面尚不够完善,当前更多处于定性方面的应用,对于声发射参量与混凝土损伤参数之间的定量关系研究还需深入。与此同时,声发射信号参数较多,如何进行信号参数筛选或组合,从而建立与混凝土损伤参数的关联关系模型和损伤灾变判别准则等亟待研究。

(4)声发射技术的实际应用领域相对狭窄,需要在道路质量检测、地下洞室结构安全检测以及各类水工建筑物的无损检测等进行推广研究和应用。
 

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节选自《无损检测》2015年第1期
本文作者:苏怀智,河海大学教授,博士,主要从事水工结构工程安全监控与服役寿命评估理论和方法的研究与教学工作。
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