混凝土强度等级对声发射波传播特征的影响

虞爱平,陈哲涵,吴晓蔓,毛飞腾,陈宣东

(1.桂林理工大学 土木与建筑工程学院,广西 桂林 541000;2.广西岩土力学与工程重点实验室,广西 桂林 541000)

0 引言

声发射(acoustic emission, AE)技术是一种高效的、可持续的无损检测方法,通过监测材料在断裂过程中产生的瞬时弹性波来实时监测材料的实际状态[1-5]。在声发射监测过程中,通常认为声发射波在均质材料(如金属等)中沿直线匀速传播,所以可直接将声发射源与声发射传感器间的直线距离看做波的传播路径,以此推测声发射源的性质。但混凝土是一种三相复合材料,包括骨料、水泥砂浆和界面过渡区(interfacial transition zone, ITZ)[6-7]。声发射波遇到不连续边界(孔隙、裂缝等)或骨料界面时会产生折射、衍射、色散等现象,从而导致波形产生严重畸变[8-9],此时按照接收到的信号直接判断声发射源的状态会非常容易得出错误的结论。因此,明确混凝土原材料的组成比例对声发射波传播特性的影响是利用声发射技术对混凝土材料进行有效监测的基础,对实际混凝土工程损伤监测具有重要意义。

近年来,学者们针对混凝土材料组成和微观结构对声发射特性的影响进行了一系列的探索和尝试。文献[10-12]均发现骨料粒径是声发射检测结果的主要决定因素之一,且会对监测结果造成难以避免的误差。文献[13]发现声发射波速受砂率影响很大。砂率会对声发射定位造成明显影响。以上研究表明,混凝土组分对声发射波传播行为的影响是声发射监测不可忽视的问题。声发射技术在混凝土领域的进一步发展取决于如何考虑混凝土中声发射波的传播行为[14]。

混凝土强度等级是其最重要的特性之一[15]。混凝土中的水泥砂浆和骨料具有大致相同的声阻抗系数(107kg/m2·s),而充斥于孔隙中的空气的声阻抗系数(1.3 kg/m2·s)远小于前两种固体成分的声阻抗系数。声发射波不能直接通过孔隙中的空气传播,且在孔隙界面会发生反射等现象,使其传播行为复杂化。而这些孔隙的数量、体积等与混凝土的强度等级有密切的关系。随着混凝土强度等级的提高,孔隙率通常会下降[16-17]。综上,混凝土强度等级对声发射波的传播衰减特征应该存在明显的影响,但目前尚未见到对其进行系统研究的报道。因此,本文制备C30、C40和C50等3种强度等级的混凝土试件,并对其进行断铅试验,通过声发射能量参数、波速参数和傅里叶变换研究声发射波在不同强度的混凝土中的传播衰减特征。

1 试验设计

1.1 材料和配合比

本研究的原料为海螺牌PO42.5普通硅酸盐水泥、细骨料、粗骨料和水。普通硅酸盐水泥(PO42.5水泥)符合中国国家标准《通用硅酸盐水泥:GB 175—2020》。细骨料为中砂,表观密度为2.63 kg/m3,累积密度为1 530 kg/m3,细度模量为2.83。粗骨料为碎石,表观密度为2.63 kg/m3,累积密度为1 440 kg/m3,采用5～10 mm、10～15 mm和15～20 mm连续级配。中砂和碎石均产自桂林祥久沙场,且用水清洗后烘干。本文制备了C50、C40和C30共3组不同强度等级的素混凝土梁,尺寸为150 mm×150 mm×1 200 mm,每组2根,各组试件的配合比如表1所示。混凝土试件的砂率控制在0.35。所有试件同一批次浇筑,在浇筑24 h后脱模,并随即进行标准养护,养护温度为20 ℃,养护湿度为95%。

表1 混凝土试件配合比 kg/m3

1.2 试验仪器

本试验选择的声发射监测系统为美国物理声学公司生产的16通道第三代全数字化系统Sensor Highway 3型声发射装置,传感器选用同公司生产的PK15I窄带谐振传感器,谐振频率为151 kHz,灵敏度值大于70 dB。试验中声发射系统放大器增益为26 dB,采样率为1 MHz,采样长度为1 000格。详细试验参数设置见表2。

1.3 试验过程

目前,利用铅笔芯折断(pencil-lead break,PLB)产生的突发型信号来模拟声发射源是声发射测试的主要手段。这种方法由于成本低廉、操作简单、可重复性高而被广泛应用于各种材料的声发射检测中[18-21]。本试验利用这种方法产生的模拟声发射信号来研究混凝土强度等级对声发射波传播特征的影响。断铅装置采用采用铅芯为0.5 mm、硬度HB的自动铅笔,断铅时铅芯长度约为2.5 mm,与试件表面夹角保持在30°左右。试验系统和声发射传感器布置如图1所示。实验步骤如下:

(Ⅰ)用细砂纸将梁表面的浮灰磨平并将其清除。

图1 试验系统图

(Ⅱ)按图1所示用硅胶耦合剂布置传感器,检查传感器与试件表面的耦合情况。

(Ⅲ)在1#传感器左侧进行10次断铅试验,每次间隔10 s。取所有试验所得结果的平均值作为最终结果。近似地,将1#传感器接收到的信号作为原始信号。为方便描述,下文中以2#～11#传感器的编号表示对应传感器接收到的信号。

2 结果与讨论

2.1 声发射能量衰减分析

声发射能量是时间信号检波包络线下的面积,如图2所示。声发射能量同时考虑了幅值、振铃计数、频率和持续时间等因素,是一个综合反映信号强度的物理量。各组试件的声发射信号能量衰减规律如图3所示。各组原始的原始能量具有较大离散性,这是因为断铅试验产生信号的频率信息非常复杂,对能量产生了很大的影响。当声发射信号传播100 mm后,离散性减小,传播200 mm时10次测试结果已趋于一致。能量的衰减主要产生在300 mm以内,300 mm之后能量变化很小,尤其在短距离范围内(100 mm)衰减显著,即能量对小距离变化较为敏感,因此通过能量衰减函数来反演小尺寸构件的原始信号对声发射监测具有重要意义。各组试件的拟合结果见式(1)～式(3),曲线相关系数R2均在0.95以上,满足工程精度要求,说明能量随距离衰减拟合曲线具有良好的负指数相关性。当声发射信号在C30、C40和C50混凝土中传播时,其衰减系数分别为0.013 94、0.010 67、0.005 68。随着混凝土强度等级的提高,声发射能量衰减呈减小趋势,主要是因为试件的孔隙率减小,内部结构更加密实,弹性波在传播时产生的折射、散射以及摩擦减少。在声发射源定位后,可以利用式(1)～式(3)反演声发射源信号的特征,还原声发射源的真实状态。

图2 突发型信号特征参数

(a) C30

对C30混凝土:

y=321.155 04e-0.013 94x,R2=0.957 52;

(1)

对C40混凝土:

y=316.792 62e-0.010 67x,R2=0.966 86;

(2)

对C50混凝土:

y=275.263 35e-0.005 68x,R2=0.966 79,

(3)

其中:x为传播距离, mm。

2.2 波速分析

盖革(Geiger)算法是最传统的声发射定位方法,这种方法假定材料中的声发射波速恒定,且沿直线传播。但在非均质材料中,这样的假设会导致误差的产生。文献[22-23]认为混凝土的非均质性对波速有明显影响。考虑这种影响有助于改进声发射定位精度。考虑波速的变化规律是改进声发射定位精度的主要思路之一。因此,本节选用波速作为分析对象。

在传统假设下,以两个传感器间的直线距离作为声发射波的传播路径,故波速为:

(4)

其中:vi,j为第i和第j个声发射传感器间的波速, m/s;ti、tj分别为第i和第j个声发射传感器接收到同一个声发射信号的时间, s;l为第i和第j个声发射传感器之间的直线距离, m。

事实上,波速主要是由声波的模式、传播介质的密度和弹性模型决定的。对于任意一种波,其在同一介质中的波速是基本固定的,与传播距离几乎没有关系。而声发射波在混凝土的各组分间会发生色散、散射等现象,所以实际上声发射波在混凝土中并不沿直线传播,从而导致了波速的变化。由式(4)求得的波速应称为“考虑了波的传播行为的相对波速”,下文中简称为波速。以传播距离为100 mm时测得的波速为基准,定义波速衰减率为:

(5)

其中:P为波速衰减率,%。

各组试件声发射波速随传播距离的变化情况如图4所示,声发射波速与传播距离呈正相关,传播距离越大,衰减越明显。强度等级越高的混凝土试件,其基准波速以及波速随距离的衰减程度越大。对于C30、C40和C50混凝土,基准波速分别为3 966 m/s、4 193 m/s和4 411 m/s。不同强度等级混凝土中的声发射波速均表现出随传播距离的增大而减小的趋势,但变化率在500 mm左右发生了改变。在500 mm以内,波速的衰减情况显著,500 mm后波速仍然衰减,但曲线更为平缓。因为断铅产生的信号是多模态波形,由拓展波、弯曲波和延迟反射波组成。其中,拓展波传播速度最快,弯曲波传播速度较慢,但拓展波的幅值衰减远大于弯曲波。这就导致近处的传感器接收到的信号以拓展波为主,而在500 mm附近,拓展波的幅值普遍衰减到门槛值以下,被门槛值过滤掉,所以远处的传感器接收到的信号以弯曲波为主。这是一个需要关注的现象。

(a) 波速沿传播距离变化情况

在使用声发射技术对材料进行监测时,各传感器接收到的信号应尽量是同一种模式的波,否则会造成较大的误差。从本试验的结果可以看出,500 mm之前的波更具有实际意义。因此,在对混凝土声发射监测时,传感器的间距不宜大于500 mm。这对声发射源定位工作有一定的指导意义。以水灰比表征强度等级,采用对数函数对不同强度等级混凝土500 mm以内的波速进行拟合,得到声发射波速关于水灰比及距离的修正模型如式(6)～式(8)所示。式(6)～式(8)建立的声发射波速关于水灰比和距离的修正模型量化了不同强度等级混凝土中声发射波速随距离的衰减情况。在对不同强度等级的混凝土进行声发射定位时,利用式(6)～式(8)可以修正不同源位置声发射信号的波速,增进定位精度。

Vx=alnx+b,x≤500 mm,

(6)

a=-1 755.49(w/c)+1 713.38;

(7)

b=1 483(w/c)+1 712,

(8)

其中:Vx为不同传播距离时的声发射波速, m/s;模型回归参数a和b均关于混凝土水灰比的函数;w/c为水灰比。

2.3 波形分析

上文通过声发射参数对不同强度等级的混凝土中声发射信号的衰减情况进行了分析。然而,声发射波速、振铃计数、撞击计数、幅值和能量等声发射参数仅包含了声发射信号的一部分特征,无法显示声发射信号的所有信息。相对而言,声发射信号的波形中携带了大量特征信息,针对声发射信号的原始波形信息进行频谱特征研究分析,可以更全面、更准确地研究声发射源信号的特征规律。本文对各组试验的11个信号进行快速傅里叶变换,得到其对应的频谱图。

C30试件信号频谱图如图5a所示。总体上看,随着传播距离的增加,信号频率分布有由高频域向低频域偏移的趋势。原始信号在0～500 kHz内均有分布,且在200 kHz以内和200 kHz以上均有优势频率存在。原始信号在157 kHz频率处幅值达到极值13.4 mV,因此该原始断铅信号主频为157 kHz,主频幅值为13.4 mV。当信号传播100 mm时,200～500 kHz的频率信号产生了显著衰减,400～500 kHz的频率信号几乎已经不存在,优势频率在200 kHz以内。传播300 mm时,300～400 kHz的频率信号完全衰减,传播500 mm时,200～300 kHz的频率信号也不存在,当传播1 000 mm时,衰减消失的频率进一步提前,达到了140 kHz,低频信号占比增加。这说明低频信号在传播过程中较为稳定,高频信号更容易产生衰减。声发射信号在传播过程中所产生的衰减主要是由于声发射波在传播过程中以微颗粒振动的形式进行扩散,由于颗粒间摩擦阻尼的存在,使得原始信号不断衰减,而高频率信号波长较短,不容易穿越障碍物,从而产生的衍射、散射以及反射效果更强,因此高频信号的衰减速度更为明显。C40试件信号频谱变化(见图5b)与C30试件极为相似,主频分布较为重合不再单独分析。

(a) C30试件信号频谱图

C50试件信号频谱图如图5b所示。与C30组相似,其原始信号频率分布在0～500 kHz,在157 kHz频率处幅值达到极值20.63 mV,因此该原始信号主频为157 kHz,主频幅值为20.63 mV。当信号传播100 mm时,200～500 kHz的频率信号衰减显著,幅值大幅度降低,400～500 kHz的信号几乎不存在。传播300 mm时,300～400 kHz的频率信号消失。传播700 mm时,200～300 kHz的频率信号完全衰减。传播800 mm时,450 kHz频率处的信号有少许增加,这可能是由于声发射波在混凝土试件内部传播的过程中经过复杂的绕射、衍射以及反射后,各种不同模式的波相互干扰或叠加,使得传播到这个区域的信号波小幅度增强。传播900 mm之后,信号几乎不再衰减,传播1 000 mm时,衰减消失的频率进一步提前,达到了167 kHz,低频信号占比增加。C30试件,信号衰减得较慢一些,这主要是由于低强度的混凝土中孔隙含量较高,弹性波传播过程中产生碰撞的几率增大,更容易产生反射,另一方面,孔隙中的气体、液体与混凝土其它组分的波阻抗相差较大,也会造成声波的强反射。

3 结论

(1)当声发射信号在C30、C40、C50混凝土中传播时,声发射能量-距离衰减曲线均满足负指数相关,衰减系数分别为0.013 94、0.010 67、和0.005 68,说明随着混凝土强度等级升高,声发射信号能量随距离的衰减整体呈减小趋势。主要是因为强度高的试件孔隙率更小,试件内部更加密实,声发射波在传播时产生的散射以及摩擦减少。

(2)混凝土强度等级为C30、C40、C50时,基准波速分别为3 966 m/s、4 193 m/s和4 411 m/s,波速衰减率分别为-8.34%～39.13%、-7.39%～45.48%和-11.27%～46.52%,说明声发射波速与传播距离呈正相关,与混凝土强度等级呈正相关,但波速变化在500 mm以内更显著,在500 mm后更平缓,主要是因为在500 mm附近,衰减较快的拓展波的幅值普遍衰减到门槛值以下,被门槛值过滤掉,所以远处的传感器接收到的信号以衰减较慢的弯曲波为主。本文以水灰比表征混凝土强度等级,对500 mm以内波速与混凝土强度的关系进行了拟合,建议在对混凝土声发射监测时,传感器的间距应在500 mm之内以保证监测精度。

(3)混凝土中的声发射波在传播过程中有由高频向低频偏移的趋势,主要是因为声发射波在传播过程中以微颗粒振动的形式进行扩散,由于颗粒间摩擦阻尼的存在,高频率信号波长较短,不容易穿越障碍物,从而产生的衍射、散射以及反射效果更明显。对比不同强度等级试件的信号频谱图可以看出,低强度的试件信号衰减较快,这是因为低强度的混凝土孔隙含量较多,弹性波传播过程中产生碰撞的几率增大,更容易产生反射。另一方面,孔隙中的气体、液体与混凝土其它组分的波阻抗值相差较大,也会造成声波的强反射。