混凝土试件的声发射特性试验研究

黄世强，黄火林，徐福斌，林文高

（浙江华东工程安全技术有限公司，浙江杭州，310014）

混凝土试件的声发射特性试验研究

黄世强，黄火林，徐福斌，林文高

（浙江华东工程安全技术有限公司，浙江杭州，310014）

声发射技术是近年发展起来的一种动态无损检测方法，可用于材料性能评价和结构损伤检测。通过研究混凝土芯样试件在不同压力条件下产生的声发射计数和声信号强度，以及重复荷载作用下的凯塞效应，可以了解混凝土材料的声发射特性，为研究混凝土材料的损伤规律、断裂机理提供基础资料，并为利用声发射技术动态监测大坝混凝土裂缝的形成和扩展的可行性提供佐证。

混凝土试件；抗压试验；声发射监测

0 引言

声发射是指材料中由局部应力集中源的能量迅速释放而产生的瞬时弹性波，在材料变形、裂纹开裂及扩展的全过程中均伴有声发射现象。混凝土结构的破坏由原生裂隙到微裂纹扩展直至宏观断裂，是一系列损伤积累的结果，在损伤和断裂发生、发展过程中同样伴有声发射现象。利用声发射技术，通过检测混凝土的声发射信号，可以判断混凝土内部的损伤和断裂的发生与扩展情况。由于混凝土为复合材料，不同类型混凝土的声发射特性存在一定的差异，研究混凝土材料的声发射特性是声发射检测技术应用的一项重要基础工作。

1 声发射试验方法

某工程混凝土设计强度等级为C35，混凝土龄期已超过28 d。为研究该混凝土材料的声发射特性，截取混凝土芯样分别制作A、B和C试件，试件直径均为125 mm，其中A、C试件高径比为1∶1，试件周边布置4个声传感器；B试件高径比为2∶1，试件周边布置6个声传感器。其中A、B试件用于抗压声发射试验，C试件主要用于凯塞效应试验。

在压力试验机逐级加压直至试件破坏过程中，利用美国物理声学公司（PAC）SH-II-SRM声发射系统全过程记录其声发射信号。

2 声发射试验成果

2.1 A试件试验成果

A试件在抗压声发射试验过程中，试件周边的4个声传感器均接收到相似的声发射信号。A试件抗压破坏极限压力为66.36 MPa，在试验压力达到60%极限压力（约40 MPa）之前，试件声发射水平较低，声发射计数普遍小于50次，声信号强度小于200 nV-sec；当试验压力超过60%极限压力后，声发射水平逐渐提高，在维持极限荷载期间，声发射计数达到400次，声发射信号强度达到1×103nV-sec，并在试件破坏瞬间达到峰值，声发射计数超过1 000次，声发射信号强度超过1×104nV-sec。A试件抗压声发射信号见图1和图2。

图1 A试件声计数-时间和试验压力-时间曲线图Fig.1 Graph of acoustic hits vs time and the graph of test pres⁃sure vs time of the specimen A

图2 A试件声信号强度-时间和试验压力比率-时间曲线图Fig.2 Graph of acoustic power vs time and the graph of test pressure ratio vs time of the specimen A

2.2 B试件试验成果

B试件在抗压声发射试验过程中，试件周边的6个声传感器均接收到相似的声发射信号。B试件抗压破坏极限压力为38.29 MPa，在试验压力达到70%极限压力（约30 MPa）之前，试件声发射水平较低，声发射计数普遍小于100次，声信号强度小于7×102nV-sec；当试验压力超过70%极限压力后，声发射水平逐渐提高，在维持极限荷载期间，声发射计数达到1 700～1 800次，声发射信号强度达到6× 107nV-sec；在试件破坏瞬间，声发射信号强度达到1.18×105nV-sec。B试件抗压声发射信号见图3和图4。

图3 B试件声计数-时间和试验压力-时间曲线图Fig.3 Graph of acoustic hits vs time and the graph of test pres⁃sure vs time of the specimen B

图4 B试件声信号强度-时间和试验压力比率-时间曲线图Fig.4 Graph of acoustic power vs time and the graph of test pressure ratio vs time of the specimen B

2.3 C试件试验成果

C试件在抗压声发射试验时，首先将试验压力从0 MPa逐渐增加到19 MPa，维持19 MPa压力15 s后卸载至0 MPa，经过75 s后再次缓慢加载，直至极限压力50.56 MPa试件破坏。在首次加载至19 MPa过程中，声发射水平总体上逐渐增高，声计数达到180～250次，声信号强度达到2×103nV-sec；当压力卸载后重新加载至19 MPa之前，声发射水平远低于之前的加载过程，声发射计数低于20次，声发射信号强度低于1×102nV-sec；当试验压力超过19 MPa以后，声发射水平逐渐提高；当试验压力达到60%极限压力（约30 MPa），试件声发射水平显著提高；试验压力在90%极限压力时，声发射水平达到峰值，声发射计数达到1 500次，声发射信号强度达到2.0×104nV-sec。C试件抗压声发射信号见图5和图6。

图5 C试件声计数-时间和试验压力-时间曲线图Fig.5 Graph of acoustic hits vs time and the graph of test pres⁃sure vs time of the specimen C

图6 C试件声信号强度-时间和试验压力比率-时间曲线图Fig.6 Graph of acoustic power and time and the graph of test pressure ratio and time of the specimen C

3 混凝土声发射信号特征

A、B试件抗压声发射试验成果表明，随着试验压力的增加，A、B试件声发射的水平逐步提高，没有出现明显的陡升或陡降情况，分析原位钻取的混凝土芯样试件无明显的凯塞效应（Kaiser effect）现象；而C试件经重复加载后，其声发射呈现与典型的凯塞效应曲线类同的现象（见图7），表明该混凝土材料在经受前期压力后，具有凯塞效应特性。

图7 典型的声发射凯塞效应曲线图Fig.7 Typical graph of Kaiser effect

对比分析A、B试件的声发射曲线，发现同等压力条件下，B试件的声发射水平总体高于A试件，分析可能与试件因高径比不同而导致试件内部应力分布的差异有关。A、B试件的抗压声发射信号主要以突发型为主；单个声发射信号呈快速上升、慢速衰减特征，声信号持续时间一般为200～2 000 μs，见图8。声发射信号峰值频率范围主要在4～20 kHz，试件在较高压力下产生的声发射信号和破裂产生的声发射信号峰值频率相对较低，为4～8 kHz。

4 结语

图8 混凝土试件抗压声发射信号典型图Fig.8 Typical picture of the compression acoustic emission sig⁃nal of the concrete specimen

混凝土芯样试件抗压声发射试验表明，混凝土材料在损伤和破裂过程中将发出高频声信号，通过实时监测大坝混凝土的声发射信号，动态监测大坝混凝土裂缝的形成、扩展过程不失为一种可行的方法，但有待更深入地试验和研究。 ■

[1]纪洪广,邵永波.混凝土材料声发射过程及其自相似性的研究[J].北京科技大学学报,1998,20(5):421-425.

[2]黄承德,刘茂军.混凝土材料声发射技术研究[J].广西大学学报:自然科学版,2008,33(3):220-224.

Acoustic emission technology is a dynamic non-destructive testing methods developed in re⁃cent years.It could be used to evaluate material properties and to detect structural damage.By study of the AE hits and AE power produced by the acoustic emission in concrete specimens in different pres⁃sure conditions as well as the Kaiser effect with repeated loads,acoustic emission characteristics of con⁃crete materials can be learnt and it may provide basic information for study of damage laws and fracture principle of concrete materials.Further,it is feasible to monitor concrete cracks in the dam dynamic by using acoustic emission.

concrete specimens;compression testing;acoustic emission monitoring

TV698.1

B

1671-1092（2014）06-0069-03

2013-07-19

黄世强（1964-），男，浙江瑞安人，教授级高级工程师，副总经理，主要从事物探检测工作。

Title:Experimental study on acoustic emission characteristics of concrete specimens//by HUANG Shiqiang,HUANG Huo-lin,XU Fu-bin and LIN Wen-gao//Zhejiang Huadong Engineering Safety Technol⁃ogy Co.,Ltd.