混凝土声弹应力测试技术的新进展

刘新健，许锡宾，2，林军志

(1.重庆交通大学 河海学院，重庆400074;2.重庆建筑工程职业学院，重庆400039)

混凝土作为目前土木建筑工程中主要的建筑材料之一，以其来源广泛、成本低廉、施工方便和耐久性好等诸多特点，已经得到越来越广泛的应用。国内外诸多由于混凝土在实际使用阶段性能劣化而引起的工程事故表明:作为反映混凝土结构受力状态的最重要指标之一的混凝土实际应力水平，已经被各类工程技术人员所关注。因此混凝土结构的健康诊断对于混凝土结构的正常运行起着非常重要的作用，而对其工作应力的准确测试又是混凝土结构健康诊断的重要环节。

就土木工程结构的耐久性而言，无损检测是一种获得现场数据和提高对实际结构潜在工作寿命评估水平的高性能方法［1］。在各种各样的无损检测技术中，超声波可以很容易地和混凝土被检测部分的力学状态联系起来。混凝土是一种不均匀材料，即使在受到破坏之前，由于微裂缝和孔隙的存在，它也会表现出一种复杂的弹性性质［2－3］。在低应力状态下，混凝土呈现一定的线弹性，而在应力较大时，则呈现出明显的非线性。声弹性理论表明，超声波波速与应力状态有关的现象，不论在弹性范围，还是在非线性应力－应变范围均存在［4］。对混凝土试件中声弹常数的评估，使得证明混凝土中声弹现象的存在成为可能，理所当然的是用超声测量方法去评估混凝土中的应力也是可行的。然而由于超声波在混凝土中存在多次散射现象，从某种意义上讲，超声波速的测量将面临一定的挑战，又因为声弹技术的发展是在基于实验室的条件下进行的，还不能适用于现场数据的测试，这些问题的存在都严重制约了声弹技术的发展。

为了促进声弹技术的进一步发展，有必要对近些年来声弹技术的研究现状及其若干新进展有一个新的认识。因此，笔者收集整理了国内外近些年来在这一领域的研究资料，对其新进展做了较为详细的阐述，并对混凝土声弹技术今后的发展提出了自己的看法。

1 声弹技术原理及其发展

1.1 声弹理论概述

20世纪40年代末50年代初，加拿大的Leslie和Cheesman、英国的Jones等学者率先将超声波用于混凝土检测［4］，为混凝土无损检测技术开辟了一个全新的领域。然而当时由于仪器灵敏度低，分辨率差，再加上混凝土超声检测的影响因素尚未弄清楚，因此难以普遍用于工程实测。目前超声法检测已应用于混凝土工程的各个方面，主要有混凝土测强、混凝土裂缝深度检测、不密实区空洞检测、混凝土结合面质量检测、表面损伤层检测、灌注桩混凝土缺陷检测和钢管混凝土缺陷检测等［5］。

自从Murnaghan［6］提出了非线性行为准则之后，声弹性理论便开始慢慢地揭开了它那神秘的面纱。正如当吉他上弦的拉力产生变化时，就会改变吉他的音调一样，当一种材料被施加荷载并且产生变形之后，它的声学特性也随之发生变化。基于此，Hughes和 Kelly［7］正式提出了声弹性理论的概念。后来，Kobayashi和Vanderby这两位学者提出:由于弹性变形引起的声学特性的变化是可以用波的传播速度或反射波的振幅来衡量的。并且他们通过研究得出了一种变形到几乎不能再压缩的材料的力学性质和反射波振幅之间的声弹性关系［8－9］。

声弹技术是一项新的正在探索的固体力学实验方法，是解决非透明构件原型三维应力分析难题的重要途径。声弹性应力测量技术的基本原理主要是利用材料的超声波纵横波速与应力的相关性而建立起的一种全新的测试技术［10］。这种方法的显著好处是不需要象光弹性那样的透明模型，可直接应用于原型构件，既可用于加载应力测量又可用于残余应力的无损检测，因此具有重要的应用前景［11］。

1.2 国内外的最新进展

目前国内外学者在这方面做了大量的理论研究工作，笔者在林军志，等［12］所做工作基础之上收集了国内外最新的发展情况并例举如下:Y.Wali［13］应用声弹性理论来分析预应力薄膜的应力情况，得出了用来计算预应力薄膜的声弹效应的通用刚度矩阵法;D.Algernon，等［14］运用扫描激光示振器使超声波在混凝土表面的传播过程可视化，进一步为更精确的分析声弹技术中的声弹参数提供了依据;E.G.Bazulin［15］将最大熵法运用到分散图像的多频重组问题上，为超声波图像处理提供了一种更加合理的方法;A.Abdullah和 E.Fallahi Sichani［16］研究了超声波在混凝土中传播时衰减系数的影响因素;Neetu Garg［17］采用群组速度替代传统的相位速度的方法研究了纵波在具有预加应力的各向异性的弹性介质中的传播方向问题，并提出了计算具体传播方向的算法;Masumi Hasegawa［18］将声弹技术运用到木结构的无损应力分析当中，他们的研究成果表明:木结构在荷载作用下的应力与采用应变计方法测出的结果具有很好的吻合性;由于受光弹性理论本身运用条件的限制，Sarah Duenwald［19］用声弹性理论代之，研究用超声回波测量钢束的应力应变，得出了回波强度与应力呈线性关系而与应变近似呈线性关系的结论;Ivan Lillamand，等［20］研究了混凝土材料在轴向压力作用下的声弹效应，得出了对于应力水平最为敏感的是沿着加载方向偏振的纵波和横波的结论。国内中科院、中国科大、长江科学院以及东北大学等单位也在岩石混凝土损伤的波动特性研究方面作了大量的基础性研究工作，如朱劲松，等［21］研究了混凝土在双轴压疲劳荷载作用下超声波波速的变化规律;林军志，等［22］做了混凝土声学参数与应力相关性的试验研究;陈立新，等23］分析了混凝土声－应力相关性影响因素;汪宇兵，等［24］研究了基于超声波技术的混凝土梁在加载过程中声学参数变化与混凝土损伤演化规律之间的关系。朱志文，等［25］研究了钢纤维掺量对超声声速的影响及钢纤维增强橡胶高强混凝土在单轴受压状态下超声声速的变化规律。林军志，等［26］研究了外加剂对混凝土声速和加权谱面积等声学参数与应力相关性的影响，从而为混凝土声弹应力测试技术的发展起到了一定的推动作用。同时，国内外学者也得出了不同条件和假设下的声弹性公式，现将总结如下。

1.2.1 超声波沿着垂直平面应力作用面传播

超声波在材料内部传播时，利用应力引起的声双折射效应对应力进行测量。由有限变形弹性理论可知，对于垂直平面应力作用面传播的超声偏振横波和垂直平面作用面的超声纵波，传播速度和主应力之间存在以下关系［27］:

式中:VT0为应力为0时各向同性固体中超声横波速度;VT1，VT2为超声波在各向同性固体中超声横波速度;VL为超声波在各向同性固体中超声纵波速度;VL0为应力为0时各向同性固体中超声纵波速度;σ1，σ2为平面主应力;ST=4(μ +l)/8μ2为横波声弹性常数，是与拉梅常数μ以及三阶弹性常数l有关的物理量;SL为超声纵波声弹性常数，是与拉梅常数μ，λ，三阶弹性常数l，m有关的物理量，SL=［μl－ λ(mλ +2μ)］/［μ(3λ +2μ)(λ +2μ)］，ST和SL均可由实验求得。

1.2.2 声弹性方程

早在1953年的时候，Hughes和Kelly就提出了对于在轴向1压力作用下的各向同性介质(2和3是垂直于1的其他两个方向)，弹性波的速度通过式(3)计算［7，28］:

式中:cij为波的传播速度(i表示波的传播方向;j表示波的偏振方向);σ11是1方向的法向应力;(λ，μ)是1阶系数称为拉梅系数;(l，m，n)是2阶系数称为默纳汉系数;K=λ+2/3μ是压缩模量。

式(3)主要是描述固定方向上超声波速和该方向上应力之间的关系，只要测出该方向上的波速就可以确定出应力的大小。

后来Pao Yihhsing在1984年又推导出了适用于测定金属残余应力的声弹性方程。设ξ，X和x分别为物体未变形状态(I状态)、予变形状态(Ⅱ状态，即残余应力状态)和超声波检测状态(Ⅲ状态)的位置矢量，根据声弹性理论有限变形的几何关系、超弹性的本构关系以及超声波传播是小扰动等假设可得声弹性方程［29］:

公式(4)主要用于测定金属构件的残余应力，但是由于变形前的状态无法得知，故宜将以I状态为坐标的公式(3)转换为以Ⅱ状态为坐标的公式，具体方程参看文献［30］。

2 混凝土声－应力特性研究现状

2.1 混凝土在0荷载状态下的声波传播特性

混凝土是由胶结料和集料混合，通过一定的工艺成型后硬化而成的复合材料。由于混凝土的非均匀性和各向异性，并具有多孔性和黏弹塑性，超声波在其中传播时，其在每一个随机分布的石子表面都要发生复杂的反射、透射及衍射等现象，因此要精确描述混凝土内部超声波射线的传播路径是非常困难的。只能从宏观的角度出发，将混凝土内部具有一定尺度的缺陷体认为是异常体，观测超声波通过这些异常体时的异常表现来确定混凝土内部的质量状况［31］。

超声波在混凝土构件中传播时，其速度与混凝土的密实程度有着非常密切的关系，对于配合比、龄期、原材料等相同的混凝土构件而言，一般超声波的速度越大则混凝土越密实;反之，则混凝土越不密实。此外，若混凝土构件在制作或者使用过程中，由于外界环境的影响，其内部出现裂缝或者空洞时，那么超声波只能绕过这些空洞传播，使得其传播距离增大，进而使测得的速度变小。

一般，当超声波透过无缺陷混凝土时，其波形表现的特征为:波形为正常波形，波幅没有明显的衰减，声速较快;首波陡峭，振幅大;第1周期波的后半周即达到较高振幅，接收波的包络线呈半圆形，整个周期的波形无畸变。若混凝土出现蜂窝、轻微夹泥沙团等情况时，其波形表现的特征为:首波起跳点偏后，与正常混凝土相比声速较低，波形较缓，振幅较小;波形出现畸变，波幅明显衰减;第1周波的后半周甚至第2个周波的增幅仍不够，接收波的包络线呈放射状。若混凝土出现夹层、断桩、沉渣等情况时，其波形表现的特征为:波形畸变，声时很大，首波起跳点偏后，波形平缓，振幅较小;第1、第2个周波，甚至以后各周波的增幅仍不够［32］。

2.2 混凝土在非0荷载状态下的声学特性研究

混凝土的组成成分决定其力学性质，进而对超声波在其中的传播产生影响。混凝土是黏弹塑性复合体，各组分的比例变化、制造工艺、养护条件不同，以及混凝土硬化时的随机性等，对凝聚体的性质产生了错综复杂的影响。同时，由于大量的黏结微裂缝存留在较大骨料和砂浆接触面上，在外荷载的作用下，微裂缝将产生闭合或扩展，从而引起超声波参数发生变化［23］。

林军志，等［22］在不同的荷载条件下，对不同材料组分的混凝土试件进行超声波测试，研究了混凝土应力与首波振幅、最大振幅、声速等声学参数的相关性，并采用小波变换和傅立叶变换这两种信号处理方法对测试信号进行处理，分析了谱面积、主频幅值、主频以及加权波谱参数等与应力的相关关系。他们的试验研究表明:①主频与应力不敏感;②声速和应力有一定的敏感性，具有较好的稳定性;③声幅与应力之间存在着相关性，但稳定性不好，较离散;④与声幅相比，谱面积显得更稳定些，且与应力的敏感性显得更强些;⑤经过小波变换处理后得到的加权谱面积与应力的敏感性和稳定性都显得较好。他们的研究成果为混凝土结构运行状态的监测和评价提供了新的思路和方法。

陈立新，等［23］通过大量的试验研究和精确的数据分析，得到了对混凝土声－应力关系最为敏感的骨料粒径、骨料种类、水灰比和砂率。其研究成果可归纳如下:①超声波声学参数与应力的变化关系随着混凝土混合料的粗骨料粒径的增大而变得越发明显。具体表现为:超声波声速与应力的敏感性随着粒径的增大而增强。当混凝土粗骨料粒径为40 mm时，加权谱面积与应力显示出较好的相关性，随应力的变化明显;当混凝土粗骨料粒径为10 mm和25 mm时，其加权谱面积同应力的变化关系变得相对较离散;②过高或者过低的水灰比对混凝土声学参数与应力相关性都会产生较大的影响，且不利于分析相关性，但是这种影响需要进一步的研究;③砂率较小时，声学参数的变化显得较离散;砂率较大时，其声学参数与应力的相关性较好。取0.31为混凝土声学参数与应力较为敏感时的含砂率。

3 结语

纵观混凝土声弹应力测试技术的研究历程，大量研究成果都是建立在试验基础上的定性分析，而用于定量理论分析的理论模型远未成熟。同时混凝土作为一种复合脆性材料，虽然试验结果已经表明其声应力相关性与岩石的声应力相关性具有相同的趋势，但由于其多相复合体的特性，不同的骨料成分、不同配比和不同强度的混凝土，其声学特性和损伤特性也有差异，特别是其内部孔隙、裂隙等初始损伤在外荷载的作用下演化要受到相应的影响。因此必须对混凝土的声应力相关性进行深入系统的理论和试验研究，方能形成混凝土受力状态的声弹测试技术的理论基础。鉴于此，笔者建议在以后的研究工作中，可以着重加强以下几方面的工作:

1)超声波根据质点振动方向和传播方向的关系可以分为纵波和横波两大类，已有的研究成果以采集超声纵波信号来研究声波参数与应力的关系为主。建议在以后的研究中可以侧重于同时考虑纵波和横波信号来进行敏感性和相关性的分析和研究，并在提高试验仪器精度和改进加载方式上作进一步的提高和优化。

2)对采集到的声波信号，如果采用不同的声波信息处理技术或许会得到不尽相同的处理结果，为了能够最大限度的从声波信号中提取对应力敏感的声学参数，建议采用更加先进的声波信号处理方法，如小波包理论，希尔伯特－黄变换等。

3)可以采用双管齐下的方法开展研究工作。一方面通过试验研究，寻找与应力敏感的超声波声学参数;另一方面可以从材料着手，寻找与应力敏感的声弹材料并加入混凝土中，然后运用声弹测试技术，或许可以得到比前者更加理想的测试效果。

混凝土声弹技术对于不同的混凝土结构具有通用性，能够对混凝土结构的任何部位进行测试，测试成本低廉，测试速度快，并且测试结果受外界因素影响小，能够比较真实的反应混凝土结构的实际应力状况，为混凝土结构的健康诊断与评价提供了更为准确科学的依据。因此该项技术的研究对于推动混凝土工作应力测试技术的发展具有重要的科学意义和工程实用价值。随着复合材料应用的日趋广泛和复杂结构现场量测的大量涌现，声弹性测试理论和技术的研究以及在工程实际中将具有广阔的应用前景［10，30］。

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