声发射技术在混凝土中的研究进展

黄有栋

（广西大学 土木建筑工程学院， 广西 南宁 530004）

0 引言

声发射技术诞生于上世纪 30年代，人们将声发射技术应用于矿山岩石爆破方面的相关预测。之后，声发射技术被逐渐运用到地质勘探与航空航天领域的研究。到上世纪50年代，Kaiser发现了材料变形所产生的的声发射信号具有不可逆效应，即“凯塞效应”。再到 Rusch对混凝土材料受力后的声发射信号进行分析，发现了凯塞效应只有在混凝土极限应力 70%～85%以下时才会产生。到如今，声发射技术作为一种有着独特优势的无损检测技术，已经广泛应用于土木工程，并且取得了令人瞩目的发展。通过对声发射检测系统收集到的声发射信号，对声发射信号中的特征参数与波形进行分析，就能很好的了解到混凝土材料内部损伤情况。本文简要介绍了声发射的概念与其工作的基本原理，总结了当前声发射技术在混凝土领域的研究进展。

1 声发射技术简介

1.1 声发射技术概念

当材料某一区域受到外荷载或者内力作用时，材料产生变形位移，此时材料会迅速向外放出能量，产生瞬时态的弹性波的现象就是声发射。声发射是一种生活中比较常见的现象，通常材料变形都会伴随着声发射的产生，通过声发射检测系统对声发射信号的采集分析，就能很好的了解到材料内部的损伤情况，从而能对结果进行损伤破坏预警。

1.2 声发射技术基本原理

当声发射现象产生的瞬时弹性波传到材料的表面时，就会被声发射检测系统的高灵敏传感器所捕捉，布置在材料表面的传感器会根据振动的强弱将振动信号转化强度不一的电信号，电信号经过声发射检测系统的放大器的放大与增益处理后就能进入到声发射检测系统的采集系统，通过采集系统对这些声发射信号的计算分析和处理，就能将结果反映到显示系统上，从而根据结果我们就能判断材料内部损伤变化情况。声发射技术的基本原理如图1。

图1 声发射技术基本原理Fig. 1 Basic principles of acoustic emission technology

2 混凝土声发射b值研究现状

声发射b值的概念为累积的声发射事件频数的对数与振幅之间线性关系的负梯度。当b值较大时表明声发射事件数中小振幅事件数所占比例较大，大振幅事件数所占比例较小，结构损伤劣化较轻，而当b值变小说明小振幅事件数所占比例降低，大振幅事件数所占比例变高时，说明结构的宏观裂缝即将出现。因此工程上常用b值来对混凝土结构的损伤破坏进行预警。国内外学者对此也做了许多研究。

Colombo[1]最早将b值引入到混凝土结构的分析中，他将b值定义为振幅值与声发射事件数频度对数的直接线性关系的斜率。且详细说明了b值分析在混凝土梁中的可行性，结果发现计算所得b值与混凝土梁的断裂破坏过程具有较好的对应关系。Colombo点燃了学者对b值研究的热情。

Vidya Sagar[2]研究了加载速率对RC结构裂缝发展过程中声发射b值变化的影响。以4 kN/s、5 kN/s和6 kN/s的荷载控制速率对3.2 m长的钢筋混凝土梁进行了试验，并利用地震学中的b值分析方法研究了钢筋混凝土结构的断裂过程。此外，b值与钢中的应变有关，可用于评估损伤状态。结果表明，加载速率越高，裂纹发展越快，b值波动越大，下降越快。也可以观察到混凝土在更高的加载速率(或更高的应变速率)下表现出相对更脆。在低加载率(或低应变率)下，发生少量但较大的声发射事件，相对于发生较多的低振幅声发射事件，平均b值较低。

Alberto Carpinteri[3]将b值应用到脆性混凝土在受到外荷载作用时的声发射信号分析中，他对混凝土结构的塑性变形阶段到脆性断裂这一阶段的b值进行了重点分析，结果发现这一过程总b值的变化范围为1.0～1.5，且b值是从1.5降到了1.0。

虽然我国对于混凝土b值的研究起步较晚，但也在一定程度上对混凝土的声发射b值研究做出了比较重大的贡献。Li[4]提出了一种基于数字信号处理技术的新方法。然后对普通混凝土和高强混凝土在单轴拉伸下进行声发射分析，通过解释声发射事件的活动和位置来研究损伤的开始和发展。结果表明，用该方法确定声发射信号p波到达时间是很成功的。研究发现，微裂纹早在峰值应力出现之前就开始了。普通混凝土和高强混凝土的局部化现象都很明显。

3 混凝土凯塞效应研究现状

凯塞效应一直是学者们关注的焦点，它最早是由德国科学家Kaiser[5]在对金属进行试验时发现的，凯塞效应的概念是材料在往复荷载的作用下，唯有当再次作用的荷载大于前一次所加荷载时，材料才会产生声发射现象，表明记忆性是材料的一种性质。Rusch[6]与Mccabeetal[7]在对混凝土与岩石进行试验时，发现混凝土与岩石中同样存在凯塞效应。

Takeshi-Watanabe[8]为了明确骨料再生混凝土的断裂过程特征，采用声发射技术检测混凝土在压缩作用下的微裂纹。研究了一种提高再生骨料混凝土强度的方法。结果发现混凝土的凯塞效应与混凝土强度等级存在一定关系，随着混凝土强度等级的提高，凯塞效应会愈加明显。

Dr Carol K Shield[9]通过三根普通钢筋和两根预应力混凝土梁在三点弯曲下循环加载直至破坏。利用声发射(AE)监测裂纹的起裂和弯曲裂纹扩展，并与目测结果进行比较。结果发现，在加载阶段两种类型的梁均有较明显的凯塞现象产生，但在卸载阶段预应力混凝土梁的声发射信号仍然非常明显，而普通钢筋混凝土梁的声发射信号已经很弱。

纪洪广[10]通过试验证明了凯塞效应与弗勒斯特效应确实存在。凯塞效应在混凝土往复加载试验中不仅具有应力上限（极限应力的70%～80%），还有应力下限（极限应力30%～40%）。应力上限是由混凝土破坏机制所导致，应力下限则是由混凝土本身的材料结构特点所决定的。

李冬生[11]发现在声发射技术评价自愈合混凝土损伤变化时，应用凯塞效应与弗勒斯特效应能够简便且直观地评价自愈合混凝土愈合效果的好坏。弗勒斯特效应越显著，愈合效果越好；而随着凯塞效应愈加显著，愈合效果会降低。

对混凝土材料凯瑟效应的研究具有非常重要的意义，因为可以通过对混凝土结构凯塞效应的分析，得到混凝土材料以前所受过的最大荷载，这就能对混凝土材料当前的损伤状况作出评价，为工程建设提供理论指导。

4 混凝土断裂的声发射特性研究现状

声发射技术是一种具有其独特优势的无损检测技术，在混凝土断裂力学领域已的到广泛运用。1970年，Green发现，利用声发射技术可以很好的对混凝土梁的断裂破坏全过程进行实时监测。B.K.Raghu Prasad[12]通过三点弯曲断裂试验，研究了混凝土试件尺寸与声发射能与断裂能的关系，结果发现随着混凝土试件尺寸的增加，声发射能与断裂能均提高。门进杰[13]基于声发射技术进行了四点弯曲剪切试验，结果发现混凝土梁的起裂与屈服时刻与声发射特征参数的突变时刻基本一致，表明可以利用声发射特征参数的演化规律来描述试件的断裂破坏全过程，且还发现声发射的损伤事件定位与实际破坏时裂纹数量和位置基本一致。Yu[14]通过偏缝设计，基于声发射技术进行了混凝土梁四点剪切试验，探究了混凝土梁试件I-II复合型断裂破坏的过程，分析了混凝土在随机骨料状况下，试件裂缝的发展路径与演化过程。

可以看到声发射技术作为一种正处于快速发展中的无损检测技术，在混凝土断裂力学领域也取得了令人瞩目的成果。声发射技术可实时得到混凝土材料内部的损伤信息，及动态破坏过程，通过对声发射信号的对比分析，可从不同角度探究混凝土裂缝的扩展趋势与损伤的演化规律。

5 结论与展望

可以看到，声发射技术作为一种先进的无损检测技术，在混凝土领域的研究中已经取得了较为丰富的成果。但可以看到声发射技术在混凝土损伤中的理论研究任然较少，研究的进程目前仍落后于是的应用。同时，声发射技术在混凝土耐久性中的应用以及在钢筋混凝土中的理论研究仍是不足。为此，笔者认为这几个点可以作为声发射技术未来研究的热点，对他们做进一步的研究。