钢筋混凝土板声发射波传播特性试验研究

2019-01-23门进杰郭昌灵王应生

振动与冲击 2019年1期

门进杰，郭昌灵，王应生，朱乐

(西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055)

声发射是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬间弹性波的现象[1]。声发射检测技术是通过对声发射信号的测量、处理、分析来评价材料或构件内部缺陷的发生、发展规律，评定声发射源的特性，确定声发射源的位置。在工程领域，声发射检测由于具有动态、实时、在线检测的特点，可以对材料构件内部损伤进行检测识别，甚至提前预测损伤源的位置和材料内部损伤的发展状态。

声发射检测技术已被广泛应用于金属结构和岩石等这些均质材料的损伤检测中，而在钢筋混凝土材料中的研究和应用较少。目前，主要集中在对声发射特征参数与混凝土材料参数之间的定性和定量关系方面。Kentaro等[2]、Norazura等[3]、Goszczyńska等[4]分别通过试验研究，给出了声发射参数和混凝土应力之间的数学关系，并且指出声发射检测对于评价结构损伤有着良好的效果。陈兵等[5]通过对不同材料的梁构件进行三点弯曲试验，得到了声发射特性与集料粒径之间的关系。李旭等[6]利用钢筋混凝土断裂过程中能量平衡的原理，通过加载实验，验证了利用能量平衡理论预测钢筋混凝土梁承载力的可行性。纪洪广等[7]通过试验研究，探讨了声发射信号频率特征与混凝土强度指标之间的关系。门进杰等[8]通过对钢筋混凝土受弯构件的试验研究，给出了声发射特性与构件不同阶段受力特性的相关关系。

传播速度和振幅衰减是声发射波传播的两个关键参数。波速对声发射源定位至关重要。例如，时差定位法[9]是最常用的声发射定位方法，该方法可以利用两个及两个以上传感器接收的声发射波到达时间差来确定声发射源位置。而要确定声发射波的到达时间，就必须先确定波在介质中的传播速度，目前的研究中多数采用固定波速假定，即假定波速在整个检测过程中是保持不变的，这往往会导致定位误差太大，很难直接得到令人满意的结果。此外，振幅衰减表征着声发射波在材料中传播受阻的程度。振幅衰减程度过大，则会限制传感器准确接收声发射信号的有效距离，进而限制了传感器检测的有效区域。

为了研究声发射波的传播特性(波速和振幅衰减)与钢筋混凝土具体参数(材料成分和几何形状)之间的关系。本文考虑了板厚、混凝土强度、粗骨料最大粒径、钢筋布置和龄期等参数，设计制作了9个钢筋混凝土板试件，并进行了断铅试验和声发射检测，采用正交试验方法，研究钢筋混凝土板的材料和结构参数对声发射波传播特性的影响规律，为提升声发射检测的损伤识别，裂缝定位精度等提供基础资料。

1 试验概况

1.1 试件设计及制作

为了研究板的不同材料和配筋参数对声发射波速和振幅衰减的影响，采用正交试验方法设计试件。考虑板厚、混凝土强度等级、粗骨料最大粒径、配筋量四个因素，且分别变化三个水平。厚度分别取100 mm、150 mm和200 mm，混凝土强度等级取C20、C30和C40，粗骨料最大粒径取5 mm、10 mm和15 mm，配筋量用受力钢筋的配筋间距来衡量，分别为0 mm、100 mm和150 mm。通过上述四因素三水平设计，得到了9个板试件，编号分别为B1～B9。此外，在试件浇筑后，还考虑混凝土龄期的影响，龄期分别取3 d、7 d、15 d和28 d。

9个试件的长度、宽度相同，都为1 500 mm×800 mm，保护层厚度均为20 mm。使用普通硅酸盐42.5R级水泥，中砂，粗骨料为碎石，板内均配置受力钢筋和分布钢筋，钢筋强度等级为HPB300，直径为10 mm。试件尺寸、材料和配筋等参数详见表1。试件的制作和声发射测试均在西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室完成。

表1 试件参数表

1.2 试验测试方案

(1)试验测试方案

在试件表面进行断铅试验，利用断铅试验得到的声发射波来研究试件的相关参数对声发射波传播特性的影响规律。为了研究龄期对声发射传播特性的影响，分别在混凝土龄期的第3天、第7天、第15天和第28天对板进行断铅试验，并采集声发射数据，分析波速和振幅衰减的变化规律，而其他参数的影响，在不同试件中加以考虑。

为了研究声发射波在不同传播距离和传播方向上的波速和振幅衰减情况。将声发射传感器布置为矩形，如图1所示，其中S1、S2、S3、S4为传感器布置点，并在试件短边、长边和对角线方向设置了三个传播路径，即图中S1-S2、S1-S4和S1-S3，分别在这三个路径上进行断铅试验，并采集声发射数据。每个断铅路径上断铅点的间隔为100 mm，如图1中实心圆点所示。

(2)测试仪器和自制断铅试验装置

采用北京声华SAEU2S数字声发射系统，试验中传感器型号为SR150N，频率范围为22～220 kHz，灵敏度峰值大于75 dB，前置放大器型号为PA I宽带型。按照GB/T 18182[10]和ASTM[11]推荐的产生声发射事件的方法，断铅试验采用标准的0.5 mm粗的HB铅芯，伸出长度为2.5 mm，在构件表面断铅点折断，其释放的能量作为一个声发射事件。根据上述规定，自制了断铅装置，如图2所示，将铅芯直径为0.5 mm的自动铅笔分别固定在30°、45°、60°的三角板边缘上，这样可以保证断铅时铅芯与断铅面保持为三种不同的角度。在试验时，通过测量来保证铅芯的伸出长度为2.5 mm。

(a) 布置图

(b) 现场照片

(b) 铅芯长度的确定

(3) 测试步骤

①安装试件，布置传感器。将试件放在预先制作的支座上，清理构件表面，把安装声发射传感器的位置打磨平整，涂抹凡士林作为耦合剂，并用胶带固定传感器。按图1所示布置传感器。②调试仪器，设置门槛值。安装调试声发射仪，在试验现场对试件进行30 min数据采集，当门槛值取40 dB时，声发射仪采集不到任何信号，而小于40 dB时，会出现少量信号，因此将门槛值设置为40 dB。③设置采集参数。在靠近传感器位置处断铅15次(铅芯与试件表面成30°、45°、60°各做5次)，通过断铅的上升时间，最终确定峰值定义时间(PDT)为50 μs，撞击定义时间(HDT)为100 μs，撞击闭锁时间(HLT)为250 μs。④断铅试验测试。按照试验方案在试件表面进行断铅，如图3所示，在每个断铅点进行三次断铅，并采集声发射数据，用于声发射波传播特性的分析。图4为试件B1断铅时，传感器S3和S4采集到的声发射波形图。

图3 断铅试验

(a) S3采集到的断铅信号

(b) S4采集到的断铅信号

(4)波速和振幅的理论计算公式

一般的，声发射波在混凝土中传播时会产生纵波、横波和面波。而由于纵波(P波)的传播速度最快，因此，往往用来表征声发射波的特性。对于声发射波波速v的计算，一般采用时差定位法，计算公式如下

(1)

式中，d1、d2和ΔS分别表示断铅点到两个传感器S1、S2的距离及距离差，Δt表示声发射波到达两个传感器的时间差。

声发射波的振幅A计算公式如下

(2)

式中，A0为原始振幅；φ为材料衰减系数；f为声发射波频率；L为传播距离；v为传播速度。

从式(1)和(2)可以看出，影响声发射波传波速的主要因素是波在介质中的传播时间；而影响振幅或振幅衰减程度的主要因素有声发射频率、介质材料、波速和传播距离等。

(5) 正交试验方法

利用正交表即直观分析表，对正交试验结果进行处理。所谓正交表，就是将试验结果数据编写成Lα(βγ)表格，其中L代表正交表，α表示试验次数，γ表示试验因素个数，β表示因素的水平个数。正交表的主要特点是使试验设计的因素和水平均匀搭配，各因子和水平的组合既不遗漏，也不重复。这样，仅用少量的试验就可以基本反映全面试验结果[12]。在直观分析表中，可通过计算不同因素各水平时的均值K和极差R来反映不同因素对试验结果的影响规律。当各因素不同水平的均值递增时，则其与试验结果成正比关系，反之则成反比。而且由均值增加的幅度，可以判断出因素对试验结果的影响程度大小。当因素的极差越大时，则其对试验结果的影响较大，反之则较小，并由此可得出影响因素的主次关系。

此外，还可进行正交试验层次分析，利用各因素水平的权重对试验结果进行分析。因素的权重越大，则其对试验结果的影响较大，反之则较小。同时还可以得出适合试验目的的最佳因素水平组合。本文采用文献[13]中提出的因素权重矩阵[W]来表示四个材料因素情况下，三种水平的权重值，其计算式为

[W]=[A]·[S]·[C]T

(3)

式中，[A]为因素影响效应矩阵，在本文中指试件四个因素三种水平的均值构成的矩阵，其表达式为

(4)

式中，Mij为j因素i水平的均值。

[S]为权重系数矩阵，表达式为

(5)

[C]为因素影响权重矩阵，其表达式为

(6)

式中，R为四个因素的极差值。

2 波速与振幅衰减的正交试验结果分析

在进行正交试验结果分析时，首先利用正交直观分析表，得出声发射波速和振幅衰减值的均值K和极差R，并分析不同因素对波速和振幅衰减的定性影响；再利用正交试验层次分析，计算得出因素水平权重，得出不同因素对波速和振幅衰减影响程度的主次关系。

2.1 正交试验结果分析

为了能普遍反应声发射波在钢筋混凝土板中的传播特点，分别选取试件28 d龄期时，断铅路径长边方向(S1-S4)测点的波速平均值，以及断铅后声发射波传播距离为800 mm时的振幅衰减值作为对比参数，进行正交试验分析。因素和水平按表1确定，即可形成四因素三水平的正交直观分析表L9(34)，如表2所示。

正交直观分析表中，分别以①②③表示板试件不同因素的三个水平，且随着序号增加，除了配筋量对应的水平值递减，其余因素的水平值增大；水平序号后的数据分别对应波速V(左)和振幅衰减值ΔA(右)在该因素水平下的权重值。在表中的下半部分，即均值K和极差R对应的行列中，K-①表示因素在①水平时，波速和振幅衰减值(括号内)的均值，其余水平序号类似。R表示不同因素时，波速和振幅衰减值(括号内)的极差值。

从表2可以看出，当板厚从100 mm递增到150 mm时，即从①水平到③水平，波速的K值从2 585.53 m/s减小到2 285.63 m/s，呈减小趋势，且随着板厚度的增加，波速减小的幅度逐渐增大，说明声发射波在板中的传播速度随着板厚的增大而减小；而振幅衰减的K值则从13.28 dB增加到21.37 dB，呈递增趋势，说明振幅衰减值随着板厚的增大而增大，且板厚度增加，振幅衰减的增加幅度逐渐减小。当骨料粒径从10 mm增加到20 mm时，波速的K值逐渐减小，和板厚的影响规律相同，说明声发射波在板中的传播速度随着骨料粒径的增大而减小；而振幅衰减的K值则逐渐增大，但振幅衰减的变化并不明显，说明骨料粒径的改变对振幅衰减的影响较小。当混凝土强度等级从C20增加到C40时，即①水平到③水平，波速的K值从2 234.67m/s增大到2 636.47 m/s，说明波速随着混凝土强度等级的增大而增大；而振幅衰减的K值从19.89 dB减小到15.35 dB，逐渐降低，且混凝土强度等级每提高一个水平，振幅衰减降低11%左右。在本次试验中，配筋量可用配筋间距来间接衡量。间距分别从150 mm减小到0 mm，即从①水平到③水平；当在③水平即板不配筋时，波速的K值最小，可以看出沿着声发射波传播的方向，配筋量越高，波传播的速度越快；板厚较小时，配筋量对波速的影响不明显；不配钢筋时，波的传播速度较小；而振幅衰减的K值从17.52 dB减小到17.02 dB，呈递减趋势，说明声发射波传播的方向配筋率越高，振幅衰减越快。

综上所述，由不同材料因素的K值分析可得，随着板厚和骨料粒径的增大，声发射波在板中的传播速度逐渐减小，而振幅衰减逐渐增大；随着混凝土强度等级和配筋量的增加，声发射波在板中的传播速度逐渐增大，振幅衰减逐渐降低。

从理论上分析，根据式(1)，当板厚增加时，由于P波在试件内部的实际传播路径变长(如图5示意)，使声发射波到达两个传感器的时间差Δt增大，而距离差Δs保持不变，则会导致波速减小。同时，根据式(2)，在保持材料不变的情况下，传播距离的增大、波速的降低均会导致振幅的降低，进而导致振幅衰减的增大。这与文献[3]中对不同尺寸钢筋混凝土梁进行的声发射测试结果一致，即随着声发射波传播距离的增大，波速会减小。而当骨料粒径增大时，由于声发射波在试件内部传播时受到大骨料影响而产生的散射、衍射现象会加剧，进而阻碍了波的传播，也就降低了波速、加剧了振幅的衰减。这与文献[14]中对砂浆试件和混凝土试件进行的超声波检测试验结果一致，即混凝土中的粗骨料会加剧波的衰减。当混凝土强度等级和配筋量增加时，试件的弹性模量会增大，有利于波的传播，从而提高了波速，也减轻了振幅的衰减。

此外，由不同因素的极差值R可以得到材料因素对声发射波传播特性的影响主次关系。对于波速而言，混凝土强度等级的R值最大为401.8，说明其对板中波速有主要影响；配筋的R值最小为153.5，则对波速的影响较小。由此可知，在设计试件时，配筋可以按照常规标准选取即可。对于声发射波振幅衰减而言，板厚的R值最大为8.09，说明其对试件中声发射波的振幅衰减有主要影响；骨料粒径的R值最小为0.63，对振幅衰减的影响较小可忽略不计。

2.2 正交试验层次分析

选取试件第28天混凝土龄期时断铅路径长边方向测点的波速平均值和声发射检测时波传播距离为800 mm时的振幅衰减值作为对比参数，进行正交试验层次分析，得出不同因素各水平对声发射传播特性的影响权重，并确定因素最佳条件。

(1) 波速的正交试验层次分析

正交试验分析中，四个因素分别为板厚、混凝土强度等级、骨料粒径、试件配筋，每个因素分别有三个水平，共有12个权重值。由因素权重矩阵计算式(3)和上述表2数据，可得波速的各因素不同水平时的权重值，如下所示

[WV]=[A][S][C]T=

[0.107 0.102 0.094 0.123 0.136 0.146

0.057 0.055 0.053 0.052 0.053 0.049]T

(7)

由式(7)可以看出，板厚三种水平的总权重为0.303，其中水平①(即100 mm厚的板)的权重较大，随着厚度增加，权重减小，说明板厚与波速成反比关系；混凝土强度等级的总权重为0.405，水平③(即C40混凝土时)的权重较大，随着强度等级的增加，权重逐渐增大，说明混凝土强度等级越高，板的强度越大，波速越快；骨料粒径的总权重为0.165，随着粒径增大，权重递减，波速逐渐降低，且不同水平的权重相差较小，表明粒径对波速的影响不明显；试件配筋的总权重为0.154，相比其他因素的权重较小，表明配筋对波速影响不大。其中，混凝土强度等级的权重最大，对声发射波在试件里的传播速度有较大影响，这与前文正交试验中因素的K值和R值分析结果一致。

(2)振幅衰减的正交试验层次分析

振幅衰减的各因素不同水平权重，如下所示

[WΔA]=[A][S][C]T=

[0.139 0.191 0.224 0.117 0.104 0.090

0.014 0.014 0.015 0.031 0.032 0.030]T

(8)

由式(8)可以看出，板厚的总权重为0.554，水平③的权重较大，随着板厚增加，权重逐渐增大，但其增大幅度减小，说明随着板厚增加，声发射波的振幅衰减值逐渐增大，且板越厚，衰减率逐渐变小。混凝土强度等级的总权重为0.311，水平①的权重较大，声发射波的振幅衰减随着混凝土强度等级的增加而减少。骨料粒径的总权重为0.043，各水平的权重值变化不明显，说明骨料粒径对振幅衰减的影响很小，可忽略不计。试件配筋的总权重为0.093，各水平的权重值相差较小，沿着声发射波的传播方向，板配筋率较高时，振幅的衰减值较大，不配钢筋时，振幅衰减值最小。根据不同因素的权重值可以看出其对声发射波的振幅衰减影响大小，其中板厚的影响最大，混凝土强度等级的影响次之，而骨料粒径的影响最小。

3.3.3 种子处理播前可用10%盐水浸种并冲洗；进行苗床消毒，培育无病壮苗，加强苗期管理；进行覆膜种植，可提高土温，抑制病菌萌发。

(3)声发射波传播的最佳材料条件

声发射波在钢筋混凝土试件中传播的最佳条件，由不同因素的较大权重水平决定。由上述层次分析可知，波速传播的最佳条件为板厚水平①、混凝土强度等级水平③、骨料粒径水平①和配筋水平②，即混凝土强度等级为C40，骨料粒径为10 mm，受力钢筋为A10@100，分布钢筋为A10@200条件下浇筑的100 mm厚的板；声发射波振幅衰减值较小的最佳条件为板厚水平①、混凝土强度等级水平③、骨料粒径水平③和配筋水平③，即混凝土强度等级为C40，骨料粒径为20 mm条件下浇筑的100 mm厚的素混凝土板。

3 声发射波传播特性试验结果分析

为了研究龄期对声发射波传播特性的影响，分别对其进行单因素影响分析。此外，还探讨了板面传播路径和振幅衰减的关系。

3.1 龄期与声发射传播特性的关系

(1) 龄期对波速的影响分析

为了研究试件不同龄期声发射波速的变化规律，通过断铅试验和声发射检测，得到板不同龄期时三条断铅路径的波速平均值，以试件不同龄期时长边方向(S1-S4)断铅路径的波速为例，如图6所示。

从图6可见，随着混凝土龄期的增加，声发射波的传播速度逐渐增大，增大趋势分两个阶段，在前7 d龄期时曲线斜率较大，波速增大较快；7 d龄期以后曲线斜率开始降低但仍是增加趋势，波速增大缓慢。分析原因，随着龄期的增加，混凝土抗压强度逐渐增大，而混凝土的抗压强度的60%～70%是在混凝土7 d龄期内获得的，所以在7 d龄期内，声发射波波速增大较快。混凝土3 d龄期时，各组试件强度初期的波速大小各异，混凝土强度等级较高，骨料粒径大的试件，其起始波速较大，随着龄期增加，波速增大也较快，且在28 d龄期时的波速值相对本组其它试件也较大。

(2) 龄期对振幅衰减的影响分析

为了研究混凝土龄期对声发射波振幅衰减的影响，在试件不同龄期时，断铅路径长边方向上进行断铅试验，得到声发射波振幅和断铅距离关系曲线，以B4试件为例，如图7所示。

图7 B4试件不同龄期的衰减曲线

从图7可以看出，混凝土龄期和断铅距离对声发射波振幅衰减均有影响，随着混凝土龄期增长，断铅信号振幅相对较大，衰减率减小。在3 d龄期时，振幅曲线下降很快，说明混凝土强度初期时，振幅衰减较快；随着龄期增加，振幅曲线下降变慢，振幅衰减降低。随着断铅距离的增大，振幅减小，振幅衰减曲线在距离源点较近的地方衰减率明显较大，而随着传播距离增大，振幅衰减率逐渐变小。在试件表面传感器边缘周围断铅时，即断铅距离为零，试件不同龄期时断铅产生的声发射信号振幅值相差小，表明试件不同龄期情况下短距离断铅时，波的振幅衰减不明显。分析原因，为了排除低幅值噪声的影响，设置声发射门槛值为40 dB，声发射波振幅大于40 dB时，数据才会被记录下来，近距离断铅时，接近40 dB的数据可能存在一定偏差。

同样，从理论上分析，龄期和强度的增大及其增大的程度，会使试件的弹性模量发生相应变化，进而导致了波速发生不同程度的增大，以及振幅衰减的降低。文献[15]中，对不同龄期时的混凝土圆柱体试件和板试件进行了应力波传播试验，结果也表明混凝土龄期的增加会使波速有不同程度的提高。

3.2 传播路径、传播距离与声发射波振幅衰减的关系

由前文分析可知，在钢筋混凝土试件中，声发射波振幅衰减和传播距离成正相关关系；为了进一步研究板中声发射波振幅衰减特性，对振幅衰减与传播路径、传播距离之间的关系进行了探讨。

板声发射检测时，利用自制断铅装置，沿正向断铅时以S1传感器为起点，分别沿短边、对角线和长边三条路径进行断铅试验，采集记录S1传感器的振幅值，且反向沿三条路径进行断铅试验，分别采集记录S2、S3和S4传感器的振幅值，得到不同传播路径在不同传播距离时的振幅衰减规律。本文以B1试件在混凝土28天龄期时振幅衰减曲线为例，如图8所示。

从图8可以看出，分别沿三条传播路径正反向断铅时声发射波的振幅都呈衰减趋势，沿正向路径断铅时，振幅衰减略快一些。在传播距离为200 mm范围内，三条断铅路径的振幅衰减率均较大，达到20%左右，其后振幅衰减逐渐变小，直到800 mm时，振幅衰减程度趋于稳定，这一规律在图7中也有反映。这个距离可以作为板试件声发射测试时振幅衰减限值的取值依据。

(a) S1记录的数据

(b) S2、S3和S4记录的数据

4 振幅衰减值的建议公式和限值

(1) 振幅衰减值与传播距离的关系式

由前面的分析可知，声发射波传播距离对振幅衰减的影响最为显著，因此对声发射波振幅衰减值和传播距离的关系进行拟合。拟合时选取试验断铅路径中板面长边方向的声发射振幅值，拟合关系选取指数型函数，拟合结果如图9所示，即振幅衰减值ΔA和传播距离L的关系式为

ΔA=35.91exp(L/27.92)+56.73

(9)

对于式(9)，其拟合函数的相关系数为94.4%，拟合精度较高。从图9可以看出，测点距离传感器越远，声发射波在试件中的振幅衰减越大，随着传播距离的增大，衰减率逐渐降低。式(9)可以作为声发射波振幅衰减值的修正公式，供钢筋混凝土构件声发射检测时参考使用。

(2) 振幅衰减限值建议

为了减少由于传播距离影响引起的信号失真，在利用声发射波进行检测时，除了应根据式(9)对声发射波振幅衰减值进行距离修正以外，还应对波的最大传播距离即声发射源与传感器之间的距离进行限制。本文根据前述试验结果及参考其他学者的成果[16]，建议振幅衰减值为30 dB时(即图9中振幅由95 dB衰减到65 dB)时的距离点为声发射检测的衰减限值(Res)；对于钢筋混凝土板，该衰减限值Res可取800 mm。