小湾拱坝湿筛与三级配混凝土静态弯拉声发射特性

王 岩， 吴胜兴， 周继凯， 陈厚群，2

(1.河海大学 土木与交通学院，南京 210098;2.中国水利水电科学研究院，北京 100044)

小湾拱坝湿筛与三级配混凝土静态弯拉声发射特性

王 岩1， 吴胜兴1， 周继凯1， 陈厚群1，2

(1.河海大学 土木与交通学院，南京 210098;2.中国水利水电科学研究院，北京 100044)

结合小湾拱坝湿筛和三级配混凝土静态弯拉试验，采用全数字化声发射系统采集了两种混凝土在三点弯曲荷载作用下从加载至最终破坏的声发射特征参数和波形。对比分析了各加载阶段的声发射活动发展规律及声发射波形FFT功率谱峰值频率和频率质心的统计特征，识别了两种混凝土以声发射特征参数为基础的损伤断裂机制，采用商业声发射软件对微裂缝局部化区域进行了定位。结果表明，三级配混凝土与湿筛混凝土相比，具有以下声发射特征:① 更易诱发损伤，在各个加载阶段具有较小的声发射b值;② 声发射撞击峰值频率在100 kHz－125 kHz频段及225 kHz－250 kHz频段也有分布，同时频率质心比湿筛混凝土低;③ 在湿筛混凝土的一个特定机制的持续时间范围内，三级配混凝土识别为两个机制;④ 微裂缝的局部化区域范围大于湿筛混凝土。

湿筛混凝土;三级配混凝土;弯拉;声发射

声发射技术作为一种实时、动态无损检测技术，已经开始被应用于研究混凝土、岩石等准脆性材料的损伤破坏过程。在国外，近年来声发射技术已被应用于混凝土材料研究和结构安全监测等诸多领域，如混凝土徐变监测、混凝土构件变形和断裂过程评估［1－3］，以及混凝土大坝、钢筋混凝土结构、混凝土桥墩等结构的安全监测［4－6］等。在国内，相关研究起步较晚，1995 年－2002 年期间的纪洪广［7－10］，陈兵、姚武［11－14］等学者的混凝土材料声发射特性研究较为系统。随着声发射采集系统的不断更新换代，相关研究也在不断深入，王彬和骆英等［15－16］采用全波形声发射技术分别分析素混凝土和预应力钢筋混凝土梁破坏过程的声发射全波形，得到了各个荷载阶段声发射信号的频谱特征。欧阳利军、赵艳林等［17，18］以及刘红光、骆英等［19－21］也对混凝土损伤过程的声发射特性进行了深入的探讨。从这些研究成果中可以发现，声发射技术对于研究混凝土材料的损伤特征及用于实际结构的安全监测都非常有潜力。

本研究结合小湾拱坝混凝土静态弯拉系列试验，采用声发射技术对湿筛和三级配混凝土在静态弯拉荷载作用下从加载到最终破坏整个过程的声发射活动性、声发射特征参数和波形频谱特征以及声发射源定位特征进行对比分析，同时从材料组成角度探讨声发射特性可能蕴含的损伤断裂机理。

1 试验方案

1.1 试件准备与制作

本研究所采用的三级配混凝土配合比见文献［22，23］，其原材料均来源于小湾拱坝设计所用实际材料。其中骨料为按照3∶1混合的黑云花岗片麻岩和角闪斜长片麻岩的人工砂石，其级配为，大石:中石:小石=4∶3∶3，粒径范围分别是80 mm～40 mm，40 mm～20 mm和20mm～5 mm。采用250L自落式搅拌机拌和混凝土，用钢模浇筑成尺寸为300 mm×300 mm×1 100 mm的三级配混凝土试件。为了得到湿筛混凝土，先用40 mm孔筛筛除上述流态新拌混凝土中的大直径骨料，然后用钢模浇筑成尺寸为150 mm×150 mm×550mm的湿筛混凝土试件，试验时混凝土龄期约为1 380天。

1.2 加载设备与制度

试验在美国MTS公司生产的322型动静万能试验机上进行，其控制系统为多通道FlexTest GT数字控制器，采用荷载控制加载速率的方式进行，控制加载速率为0.25 kN/s。关于试验过程的其它详细情况详见本课题研究的其它相关文献［22，23，24］。

1.3 声发射采集系统

采用美国声学物理公司(PAC)生产的SAMOSTM系列声发射仪采集和存储声发射信号，采集控制软件为AEwinTM。前置放大器(型号PAC－2/4/6)带宽为10 kHz～2.0 MHz，设置其增益为40 dB。布置6个谐振式传感器(型号R6α，共振频率为90 kHz)和一个宽频式传感器(型号 PAC－WD，带宽为100 kHz～1.0 MHz)于混凝土试件表面，并利用耦合剂(凡士林)通过橡胶带将其固定。谐振式传感器用于声发射参数和源定位分析，宽频式传感器用于声发射波形频谱分析。考虑到试件上加载装置及其它测量器械如应变片的布置，结合文献［25］中几种传感器布置方案定位精度的评定结果，选择的布置方案如图1所示。

图1 传感器布置简图(1－6号为谐振式传感器，7号为宽频式传感器，单位:mm)Fig.1 Schematic diagram of AE sensor arrangement(Broadband sensors No.1 －6，resonant sensor of No.7)

声发射监测过程中的背景噪音通常具有低频、低幅的特点，而从限制频率范围和幅值范围的方式对声发射信号进行滤噪是有效抑制噪声的方法。通过综合比较采集卡和传感器的频率范围，设置系统带通滤波器范围为100 kHz～400 kHz，实践证明，可有效抑制背景噪音的影响。阈值越低，会有更多可疑的微弱信号被采集，也会导致声发射撞击的持续时间过长，不利于分析波形。基于这一考虑，通过预试验及现场加载设备噪音水平评定，设定谐振式和宽频式传感器通道的阀值分别为38 dB和35 dB。

2 声发射分析技术

2.1 声发射特征参数

传感器所接收的声发射信号一般需要予以参数化以便作更深入的探讨，这一过程由计算机在采集过程中自动完成。下面简要介绍各种参数的定义:一个通道探测并记录的一个声发射信号称为Hit［26］(撞击)，其中，持续时间是信号第一次越过阀值至最终降至阀值以下所经历的时间间隔;幅度为信号波形的最大幅度值，质点振动位移的平方正比于该质点所具有的能量，因此，幅度能反映出声发射撞击所释放出的能量［27］，有理论研究表明［28，29］幅度是表征声发射源特征最有效的参数，主要用于混凝土中声发射源机制的分类和评价;振铃指在持续时间之内所测量超过系统阀值的脉冲震荡次数。

2.2 声发射b值

在地震学研究中，大幅度的事件发生的频率没有较小幅度的事件频繁［30］，这一事实可以用幅度－频度关系表示，即古登堡 －里希特(Gutenberg-Richter)关系:

式中:M为震级，N为某一时期，某一震级范围内(M±ΔM/2)的地震频度，a为表示某一地区某一时期内地震活动程度的常数。式(1)对声发射数据处理同样适用，由于幅度的单位是dB，因此，需将声发射信号幅度除以20以便得到Richter定义的幅度，公式修正为:

其中:N是频度增量，在某一时间内声发射事件(撞击)的个数［30］，a是经验系数，b值定义为声发射频率－幅度分布曲线的对数线性斜率，它反映了声发射信号的强弱，以及不同强度信号的组合情况。声发射b值能反映材料内部微裂缝发展情况，其物理意义是:当裂缝以较大步进扩展时，幅度大的信号成分比例较大，则b值较小，裂缝以较小的步进扩展时，b值较大［31］。

2.3 声发射波形频谱分析

为了识别出材料在损伤破坏过程中所释放出的声发射信号中可能蕴含的特定物理机制，通常要对声发射波形进行分析，但人们很难从中直接得到定量的结论［32］，而需要借助信号分析技术来实现。试验中所采集的典型声发射波形及其FFT功率谱如图4所示。峰值频率是指功率谱值最大点所对应的频率值，频率质心指功率谱图在x轴(频率轴)上的质量中心。本文主要通过分析这两个指标来比较两种混凝土在破坏过程中所表现出的声发射频谱特征。

2.4 声发射源定位

本研究采用AEwinTM软件［33］所提供的三维声发射源定位程序进行计算，所采用的搜索算法为单纯形法，在定位计算执行之前，需要输入相应试件的声发射波速，本研究采用断铅人工激发源测得的湿筛与三级配混凝土试件的Vp值分别为4 200 m/s和4 150 m/s。

3 结果与分析

3.1 声发射活动性分析

声发射撞击累计曲线可以展示材料损伤累积的发展过程，湿筛和三级配混凝土试件的加载曲线和声发射撞击累计数曲线如图5所示，为了方便讨论，根据曲线形状将整个过程分成三个阶段:A阶段(0－85%极限荷载)，B阶段(85% －95%极限荷载)，C阶段(95%－100%极限荷载)。从表1可以看出，在A和B阶段，三级配混凝土试件的声发射撞击数所占总数的比例始终多于湿筛混凝土，表明其声发射活动比湿筛混凝土活跃，而在临近最终破坏的C阶段，湿筛混凝土试件的比例明显高于三级配试件，并且累计曲线的斜率更大，声发射活动呈现剧烈增加的趋势，表明湿筛混凝土试件内与微裂缝不稳定发展有关的声发射活动主要集中于高应力水平。

图5 声发射撞击波形频率质心统计直方图Fig.5 AE centroid frequency histogram

从声发射撞击开始连续出现的时机来看，三级配混凝土试件损伤出现的比湿筛混凝土试件早，这可能是由于三级配混凝土中存在较大粒径(大于40 mm)的粗骨料，大骨料底部可能存在的水隙，使得诸如泌水等原因引起的原生界面微裂缝较湿筛混凝土多;此外，粗骨料的尺寸增加之后，其本身存在原生裂隙等缺陷的概率也随之增大，进而导致粗骨料的强度降低，因此，在较低的应力条件下就诱发能够被系统采集的声发射活动。有研究结果表明［34］，在强度为15 MPa～40 MPa时，全级配混凝土(骨料最大粒径为80 mm)抗压、劈拉和轴拉强度均小于湿筛混凝土试件，从表2中可以发现，三级配混凝土的弯拉强度与上述强度规律一样，也小于湿筛混凝土。Sadowska等人［35］的研究结果表明，损伤(声发射信号)出现的越早，混凝土的强度越低，这在以上的分析中得到了证实，三级配与湿筛试件相比，损伤出现更早且强度较低。

从表2中还可以看出，对于两种混凝土试件的弯拉破坏过程而言，声发射b值随着加载阶段的延续而呈现降低的趋势，此外，无论是在各加载阶段还是整个加载过程中，三级配混凝土的声发射b值均低于湿筛混凝土，表明在所产生的声发射撞击中，高幅度的声发射撞击占总撞击数的比例高于湿筛混凝土，说明其断裂规模较大，而湿筛混凝土试件在断裂过程所产生声发射信号的幅度则以低幅度为主，断裂的规模较小。

表1 力学特性与声发射特性Tab.1 Mechanical and AE characteristics

3.2 声发射波形频谱分析

对整个加载过程中，湿筛混凝土和三级配混凝土声发射撞击波形的峰值频率分布情况进行统计如图6所示，可以看出，三级配混凝土除了具有湿筛混凝土所具有的峰值频率分布特征之外，在100 kHz～125 kHz频段以及225 kHz～250 kHz频段也有相当数量的声发射撞击分布。

图6 机制识别程序流程图Fig.6 Flowchart of mechanisms to identify program

在整个加载过程中，湿筛混凝土和三级配混凝土声发射撞击波形的频率质心分布情况如图7所示，从中可以看出，湿筛混凝土的声发射撞击频率质心均分布在200 kHz－400 kHz范围之内，而三级配混凝土则分布在100 kHz－400 kHz的更宽的范围之内。有研究表明［36－37］，混凝土中粗骨料和水泥浆的界面破坏以低频(低于100 kHz)的声发射信号占主导，因此，三级配混凝土频率质心在较低的频段也有出现的这一现象可能也与在三级配混凝土中比湿筛混凝土含有更丰富的界面破坏成分有关。Sagaidak等人［2］也指出，声发射撞击的频率特征依赖于裂缝的尺寸和方向，裂缝的不断增长会导致声发射频谱的主频降低，从这一点上来看，三级配混凝土具有更低范围的频率质心分布这一特征说明，三级配混凝土在整个破坏过程中的裂缝尺寸和规模都大于湿筛混凝土。

3.3 基于声发射参数的破坏机制识别

材料的破坏过程通常包含着各种不同的机制，伴随破坏过程产生的声发射信号则包含着与机制有关的信息［38］，从蕴含材料内部缺陷发展过程信息的声发射信号中分离出相互重叠的断裂机制是一项复杂而具有挑战性的工作。

3.3.1 基本原理

Wu等人［38］提出了一种分离与不同断裂机制相关的声发射信号的方法，该方法也被 Chotard等人［39］应用于水泥硬化过程的声发射特性研究中，主要依据以下2个原则:(1)对于相同的声发射活动，其释放能量越高，则对应声发射幅度越高、持续时间越长;(2)同一破坏机制产生声发射信号具有相同的参数特性(如幅度分布、单位撞击数对应的振铃数和持续时间等)。本文采用该分析方法分离并识别出声发射特性，编写了计算机程序对声发射数据进行处理，识别程序的流程如图8所示，通过该方法可将相互重叠的多种声发射特性在以上两个原则的基础上分离出来，而分离之后的声发射特性主要是由持续时间范围的不同来相互区别的，这里的声发射特性可以称之为"机制"，实施的具体过程如文献［40］所述。本文在识别过程中，当的数值不大于二者均值的15%时，认为HC和CPA近似相等，各持续时间范围的机制识别扫描过程由计算机程序完成，持续时间范围选择的基本原则是确保相邻持续时间范围的连续性。

3.3.2 识别结果与分析经过程序分析与处理后，湿筛混凝土和三级配混凝土在1 800μs以下的持续时间范围之内分别得到了11种和12种破坏机制(同一机制在两种混凝土中的持续时间范围可能略有不同，但这并不影响对结果的分析)，识别率分别达到了97.4%和91.9%，只有个别持续时间范围的声发射撞击没有被识别成特定的机制，由此可见，这些机制可以近似代表两种混凝土整个破坏过程的主要特征，被识别成的破坏机制情况如表2和表3所示，比较后可以发现，除了机制4之外，两种混凝土其它机制的参数分布特征基本相同，表明两种混凝土中的破坏机制基本相同。Wu等人［38］将在混凝土中分离出的断裂机制与其细观层次的破坏机制进行了对应，本文着重分析两种混凝土破坏机制的主要差异。

两种混凝土的主要不同之处在于，湿筛混凝土试件中机制4的持续时间范围覆盖了三级配混凝土试件中的机制4a和4b，更进一步地，由于湿筛混凝土机制4的单位撞击振铃数和撞击－振铃数直方图峰值与三级配混凝土试件的机制4a更接近，也就是说，这两种机制的幅度分布特征相似，推断其可能来源于相似的机制，由于两种混凝土中均含有小于40 mm的粗骨料以及水泥砂浆，因此，可以推断，机制4和机制4a可能都来源于小尺寸粗骨料与水泥浆界面破坏，而机制4b则可能归属于大尺寸骨料与水泥浆界面破坏。这些结论具有较强的推测意味，因为三级配混凝土中大尺寸骨料本身的缺陷也可能使得其断裂机制更加复杂，但是，与湿筛混凝土相比，三级配混凝土中大尺寸骨料的引入是导致其声发射机制更加复杂这一结论是非常明确的。Wu等人［38］在研究砂浆、普通混凝土梁试件破坏过程的声发射特性并对其破坏机制进行探讨的过程中，也发现砂浆试件中的某一持续时间范围的机制出现了覆盖普通混凝土中两个机制的现象。

表2 湿筛混凝土的声发射参数特征Tab.2 AE parameters characteristics of wet sieving concrete

表3 三级配混凝土的声发射参数特征Tab.3 AE parameters characteristics of three-graded concrete

3.4 声发射源定位分析

在试验过程中，随着荷载的逐渐施加，混凝土试件内部的微裂缝不断诱发和扩展，达到混凝土的极限承载力时，试件突然断裂成两段，在此过程中，混凝土微裂缝的产生和发展过程可以通过声发射源定位技术得以展现。两种混凝土在不同的受力阶段的声发射源定位结果如图7所示，两种混凝土试件破坏过程中所被定位出的声发射事件均是从约85%极限荷载阶段开始出现，从图7中可以看出，在整个加载过程中，三级配混凝土的损伤出现的空间分布区域要比湿筛混凝土更广，湿筛混凝土微裂缝的开展主要是集中在最大拉应力区，而三级配混凝土的微裂缝除了在最大拉应力区有所分布之外，在其它区域也有一定数量的分布，而且表现出多个区域微裂缝共同活跃的现象，表明两种混凝土内由于应力集中而形成的微裂缝发展方式存在差异，Joseph等人［40］指出，骨料粒径较大的混凝土在损伤断裂过程会形成更大的微裂缝局部化区域，因此，三级配混凝土中大尺寸骨料的引入是出现这种现象的主要原因。

4 结论

本文对比了湿筛混凝土和三级配混凝土在静态弯拉荷载作用下破坏过程的声发射特性，并从材料组成等方面对可能存在的内在机制进行了分析，得到了以下结论:

(1)三级配混凝土中较大直径粗骨料本身的原生微裂缝及其内部由于泌水等原因引起的原生界面微裂缝，在较低的应力条件下就可以诱发损伤，故开始连续出现声发射活动的应力水平和极限弯拉强度都较低。

(2)三级配混凝土在各加载阶段具有较低声发射b值，以及具有峰值频率分布特征和频率质心趋向低频的这些特点，都说明其在破坏过程中的微裂缝尺寸和断裂规模均高于湿筛混凝土。

(3)湿筛混凝土机制4的持续时间范围覆盖了三级配混凝土试件中的机制4a和4b，三级配混凝土中大尺寸骨料的引入可能是导致其声发射机制较湿筛混凝土复杂的主要原因。

(4)采用声发射技术可以展现混凝土微裂缝发展的空间分布规律。在整个损伤断裂过程中，三级配混凝土所呈现的微裂缝局部化区域的范围大于湿筛混凝土。采用声发射技术能够展现出两种大坝混凝土在整个损伤断裂过程中所表现出的损伤发展过程及其机制的差异，有助于深化人们对大坝混凝土破坏过程的认识，本课题将在本文研究的基础上，对湿筛和全级配混凝土开展在动态加载条件下声发射特性的研究工作。

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Acoustic emission characteristics of wet sieving concrete and three-graded one in xiaowan arch dam under static flexural-tensile

WANG Yan1，WU Sheng-xing1，ZHOU Ji-kai1，CHEN Hou-qun1，2

(1.College of Civil Engineering and Transportation，Hohai University，Nanjing 210098，China;2.Institute of Water Resources＆ Hydropower Research of China，Beijing 100044，China)

Combining with flexural-tensile tests of wet sieving and three-graded concrete in Xiaowan arch dam，feature parameters and waveforms of acoustic emission(AE)signals under action of third-point flexural-tensile were acquired using a full-digital acoustic emission system.The law of acoustic emission activities in each loading stages was analyzed，the statistical features of the peak frequencies and the frequency centroids calculated from the FFT power spectra of the acoustic emission waves were compared，the damage and fracture mechanisms were identified based on the acoustic emission parameters，and the localized failure zones of microcracks were also located using the commercial software AEwin.It was found in a three-graded concrete comparing with a wet sieving concrete that acoustic emission in the former is easier to induce damage，and lower b value of acoustic emission is observed in each loading stages;the peak frequencies of the acoustic emission in the former appear in frequency bands of 100 kHz～125 kHz and 225 kHz～250 kHz，and the frequency centroids are lower than those of the latter;two specific mechanisms are identified in the former but within the same time duration one is identified in the latter;the localized zone of microcrack in the former is larger than that in the latter.

wet sieving concrete;three-graded concrete;flexural-tensile;acoustic emission

TB3

A

国家自然科学基金重点项目(90510017)，水利部公益性项目(200701004);国家自然科学基金项目资助(51009058);中央高校基本科研业务费专项资金(2009B03014)

2010－01－07 修改稿收到日期:2010－03－12

王 岩 男，博士，1980年生