不同砂率混凝土声发射特性试验分析

虞爱平 丁俊业 李翔昊 钟展明 张 露 陈宣东

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

声发射(acoustic emission)是指当结构在荷载作用下发生变形或者破坏时，释放出能量并产生弹性波信号的物理现象[1]．声发射监测技术属于无损检测技术之一，其有着高灵敏度以及全周期实时监测优点．在混凝土领域，声发射技术对损伤有较好的预警识别作用．张省军等[2]通过单轴压缩试验对不同岩样的声发射振铃计数、能量释放速率以及声发射b值分析，研究花岗岩、大理石和砂岩等试件的失稳破坏预兆．张伯虎等[3]通过岩样加载破坏声发射试验，用声发射信号的能量和主频分布特征以及分形理论来分析岩石材料的损失破坏过程．于江等[4]通过不同骨料粒径为变量，研究其应力-声发射信号特性，从能量角度定量分析了混凝土试件损失破坏全过程．刘希灵等[5]研究发现岩石内部结构层的发育程度以及矿物颗粒结合的紧密程度会使声发射幅值和频率发生衰减．Lee等[6]研究发现声发射信号跟混凝土材料破坏形式有关，拉伸破坏产生的声发射信号能量高、幅值高及频率高，而剪切破坏下，声发射信号的上升时间较低，持续时间较长．现在声发射技术对混凝土试件的损伤程度、损伤断裂能够做出识别，但难以精准有效反演损伤信号，且对混凝土材料组分声发射信号特征规律定量分析研究较少，不同水灰比、浆骨比及砂率都会影响声发射损伤特性，研究损伤特性规律对构件损伤预警识别是很有必要．试验以不同砂率混凝土试件为研究对象，测试其抗压强度、上升时间、波速等参数，分析单轴压缩试验下不同砂率混凝土的声发射特征参数，如幅值、振铃计数、累积能量、峰值频率等，实现混凝土结构损伤声发射信号的有效表征，并通过声发射b值进一步评价试件受荷载作用下全过程损伤，为今后混凝土材料损伤可视化、健康监测提供参考依据．

1.1 试验设计

试验共设计3组混凝土试件，采用150 cm×150 cm×150 cm标准立方体抗压试件(配合比见表1)，每组制作3个．水泥：P.O.42.5普通硅酸盐水泥；
水：自来水；
砂：中砂，细度模数为2.5；
粗骨料采用连续级配：5～20 mm碎石．混凝土试件浇筑成型24 h后进行脱模，放置于标准养护箱养护28 d，养护温度保持在(20±1)℃，相对湿度保持为95%．

表1 混凝土配合比

1.2 试验装置及试验方法

1.2.1 试验仪器及基本参数设置

试验设备主要由加载系统和声发射监测系统组成．加载系统：上海三思300T型微机控制电液伺服压力试验机．声发射系统：美国物理声学公司(PAC)研制的SH3型声发射仪器．采集参数设置：前置放大器增益为40 dB；
门槛值为40 dB；
采样速率为1 MSPS;采样长度为1 k；
1～8号，传感器布置方式如图1所示．

图1 传感器布置

1.2.2 试验准备以及试验步骤

试验前对压力试验机设备进行初步调试，保证加载系统正常运行．压力试验机采用应力控制方式，加载速率设置为0.1 MPa/s．使用砂纸将混凝土试件表面打磨光滑，用耦合剂将声发射传感器紧贴在混凝土试件表面，然后在传感器旁边进行模拟弹性波-断铅试验，按照文献[7-8]，保证声发射信号能够准确采集；
在对混凝土试件进行单轴压缩破坏试验时进行8通道声发射数据采集，试件破坏后停止压力机与声发射仪器．

时间参数是声发射监测过程中的信号控制参数，包括峰值定义时间(PDT)、撞击定义时间(HDT)以及撞击闭锁时间(HLT)．混凝土构件材料的水灰比、浆骨比以及骨料粒径等因素影响导致声发射时间参数也不同，因此进行声发射监测时必须要求对试验材料进行时间参数的试验测试．测定时间参数时仅打开1号和5号传感器通道接收信号，对每组试件分别进行断铅实验，断铅时铅笔芯与试件表面成30°角，铅笔芯伸长2.5 mm，靠近1号传感器处进行10次断铅实验测定28 d上升时间取平均值．试验结果见表2，取大于上升时间平均值150 μs，因此设置声发射试验的峰值定义时间为150 μs，撞击定义时间为300 μs，撞击闭锁时间为400 μs．声发射波的波速是影响混凝土声发射损伤定位的重要因素，设置越接近材料实际波速值时，声发射事件的损伤定位也会越准确．弹性波在混凝土材料中的传播较为复杂，会产生折射和反射现象，AE波速受传播距离、结构损伤裂缝以及材料密实度等影响[9]．不同砂率、不同期龄混凝土AE波速也是不同的，取平均波速值为弹性波在混凝土中的传播速度．测定波速时布置传感器方式与测定上升时间试验相同，在每个试件靠近1号传感器处断铅10次，1和5号传感器通道分别会收到一次撞击，并形成1个事件，根据时间差计算出声发射信号在混凝土试件中的传播速度，分别测定7、15与28 d时的波速，见表2．

表2 上升时间以及不同期龄波速

结果分析：随着期龄的增加，由于水泥砂浆水化作用，生成新凝胶结构，内部水分逐渐减少，凝胶结构分子间距减少，随之产生排列有序的晶体，晶体与凝胶紧密结合，其空隙、骨料紧密接触，试件密实度增大，使得弹性波波速变快．声发射信号在骨料中的传播速度(约6 000 m/s)远大于水泥砂浆的传播速度(约4 000 m/s)，相同骨料含量的混凝土中，砂率越大，骨料越少，随着砂率增加，AE波速变小．

3.1 幅值信号分析

幅值是所采集到单个声发射信号波形中的最大振幅，通常以分贝(dB)为单位[10]．为进一步研究不同砂率试件声发射幅值特征规律，将幅值-计数关系绘制如图2所示．

图2 幅值-计数关系

可以看出，3组试验中都出现类似的声发射信号特征，混凝土损伤全过程声发射信号都在95 dB以下；
40～60 dB段声发射幅值信号占比最高，80～95 dB段信号占比较少．声发射幅值处于40～60 dB低幅值区间段，一般是由于混凝土试件被压实产生微裂纹，信号能量较低；
声发射信号幅值处于60～80 dB段内，一般为混凝土试件裂纹的拓展延伸及形成贯通的裂缝，声发射信号能量较高．超过80 dB的幅值占比较小，一般为骨料颗粒断裂而产生的高幅值声发射信号，该幅值段的声发射信号频繁出现，说明混凝土试件临近破坏．分析可知：砂率越大，声发射幅值计数越多．在40～60 dB段，38%、45%砂率组试件相比33%组，其幅值计数分别增加了9%、35%；
在60～80 dB段，其幅值计数分别提高了7%、28%；
在80～95 dB段，3组试件幅值计数区别不大．相比33%以及38%砂率组，45%组试件其砂率增大，骨料减少，堆积空隙体积降低，大孔隙减少，毛细孔隙增多，在荷载作用下内部会产生更多的颗粒错位与滑移破坏，产生更多弹性波，导致声发射幅值计数增大．幅值的出现频率可以用来判断其构件应力水平状态，但是对于不同砂率混凝土材料的临界破坏状态准确预警有一定的局限性．

3.2 振铃计数信号分析

振铃计数是声发射信号超过门槛信号的振荡次数，表征声发射信号的活跃度，受门槛值的影响[10]．

将不同砂率混凝土试件应力-振铃计数-累积能量-时间关系绘制如图3所示．可以看出，不同砂率混凝土试件单轴压缩过程中的声发射信号发展历程都可以大致分为4个阶段，即初始密实阶段、稳定阶段、活跃阶段以及失稳阶段[11]．初始压密阶段：在受到荷载作用的初始阶段，试件处于较小应力状态，与压力机刚刚接触摩擦、挤压，造成微小损伤，接着初始裂缝被压实出现声发射振铃计数第一段峰值；
稳定阶段：随着应力的持续增长，试件处于弹性变形阶段，界面过渡区最先出现损伤，并在混凝土试件的较低强度区域和局部拉伸区域形成新裂缝，振铃计数呈现出平稳增加趋势，且增加速率处于较低状态；
活跃阶段：达到75%应力峰值附近时，试件仍具备一定承载能力，其表面的裂缝开始延伸扩展，骨料、砂浆及界面过渡区开始发生破坏，内部损伤持续增长，声发射振铃计数开始以高速率增加，临近峰值应力，声发射振铃计数达到第二段峰值；
失稳阶段：达到峰值应力后，试件开始破裂，表面开始剥脱，该过程中伴有破裂的声响，声发射振铃计数开始减少，直到试件完全破坏．通过振铃计数的增加速率，判断损伤状态，振铃计数处于高速率增加时其可作为混凝土试件破坏的前兆．分析可知：相比33%、38%砂率组试件，45%组试件声发射振铃计数提前进入“爆发式”增长趋势；
砂率越高，在活跃阶段的声发射振铃计数信号越活跃，接近峰值应力时，其声发射能量释放率越高．声发射振铃计数的增加速率可以较好地反映不同砂率混凝土的损伤破坏阶段，对于临界破坏的预警具有较好的识别性．

图3 应力-振铃计数-累积能量-时间关系

3.3 累积能量信号分析

能量并非声发射信号的真实物理能量，数值上指的是声发射信号波形图的包络线下的面积，即表示为电压对时间的积分，反映声发射事件的强度，累积能量参数是对能量在不同时刻上的累加[11]．

累积能量与砂率变化的关系如图4所示，当骨料含量一定时，随着砂率的增加，其粗骨料减少，细骨料增多且外比表面积增大，所需要包裹的水泥砂浆量越大，硬化时候更容易产生气泡，造成微小孔隙；
在45%砂率组试件中，其薄弱界面数量增大，内部的微小孔隙较多，且随着应力的增加，骨料与水泥胶体表面间的粘结破坏增多，形成新的缺陷以及贯通的大裂缝，大部分损伤是沿着微小孔隙向骨料与浆体的界面区断裂，削弱了混凝土的强度，导致声发射信号更加活跃，累积能量大大增加．38%砂率组试件骨料断裂情况较多，强度较高，声发射加载的时间较长，声发射信号也会比33%砂率组事件数更多．随着砂率增加，38%、45%砂率组试件相比33%砂率组累积能量分别提升了14%、39%．累积能量骤增预示着混凝土试件进入损伤迅速加剧的阶段．累积能量可以较好地反映混凝土损伤演化过程，对砂率组分敏感性较高．

图4 砂率-累积能量关系

3.4 峰值频率分析

时间域信号进行快速傅里叶变换(FFT)得到频率域信号，频率域中振幅最大点所对应的频率即峰值频率[12]．

如图5所示，将不同砂率混凝土损伤全过程中峰值频率分布进行整合分析，频率分布区间分为低频带、中低频带、中频带、中高频带和高频带，共5个频率带，其分别对应的频率区间范围为0～40、40～60、60～100、100～200、200～350 kHz．在加载的过程中，3组试件中低频带40～60 kHz声发射信号一直处于活跃状态，分布较为密集．初始密实阶段下：频带边界较为明显，3组试件均出现0～40、40～60及60～100 kHz频带声发射特征信号；
在该阶段中，相比于，45%砂率组试件提前出现了100～200 kHz高频带声发射特征信号．稳定阶段下：30～40、40～60 kHz以及60～100 kHz声发射信号占比较高，较为稳定；
在该阶段中33%、38%砂率组试件也开始出现100～200 kHz高频带声发射信号，占比较低，信号密集度较低．活跃阶段下：随着应力的增加，试件持续 受荷载作用进入裂纹拓展阶段，此时声发射特征信号最强烈；
当试件应力达到峰值强度75%时，频带主要分布段开始发生变化，进入100～200 kHz中高频带的高频爆发阶段，同时伴有高频200～350 kHz频带声发射信号产生，频段开始从4个频段(0～40、40～60、60～100、100～200kHz)逐渐演变为5个频率段(0～40、40～60、60～100、100～200、200～350 kHz)，声发射频带信号密集分布，高频信号大量增加，频率段变宽，此时混凝土试件接近临界破坏状态．失稳阶段下：声发射信号开始出现逐渐减少趋势，从5个频率带(0～40、40～60、60～100、100～200、200～350 kHz)逐渐变回4个频率带(0～40、40～60、60～100、100～200 kHz)，200～350 kHz频带信号占比减少至消失，此时预示着试件已经失稳破坏．

图5 应力-峰值频率-时间关系

原因分析：混凝土材料开裂机制发生变化，从而导致声发射信号频率带发生变化．45%砂率组试件砂率较高，其界面过渡区毛细孔隙较多，是混凝土材料的最为薄弱的环节，在荷载作用下，界面过渡区中的水化产物与骨料间的范德华引力更容易发生失效，导致毛细孔隙会产生更多损伤裂纹，因此在加载前期该组试件就出现少许100～200 kHz中高频带的声发射信号．试件应力达到峰值强度75%时，水泥石孔隙周围应力集中，开始出现裂缝，随后裂缝拓展延伸与混凝土界面过渡区裂缝贯通，导致混凝土发生开裂失效破坏，该阶段失效模式中会伴随高频200～350 kHz频带声发射信号产生．试件即将发生失稳破坏时，内部裂缝长度及破坏模式发生改变，进入特征信号爆发期，此时声发射信号频带变宽，表现出明显的频带信号分界．在失稳破坏的过程中，砂率主要影响了混凝土内部裂隙发育及受荷破坏形式，导致不同声发射频带爆发时间段发生改变，砂率增大使得高频声发射信号出现的时间提前，频带信号与损伤模式关联密切．

3.5 声发射b值

b值变化与混凝土裂缝发展尺度息息相关，其可以很好地反映材料内部的损伤状况．国内外学者引入地震学b值，依据经典G-R关系式确定声发射b值大小[13]，其表达式如下：

(1)

式中：N为M+ΔM内地震次数，声发射中常用为事件数；
a为声发射活跃程度常数；
A为声发射幅值峰值(dB)．

单轴压缩试验中混凝土试件的声发射b值出现下降—剧烈波动—急剧下降的趋势，当混凝土试件内部微小裂纹增多时，声发射b值上升；
当裂纹拓展延伸时，声发射b值下降；
随着荷载作用增大，混凝土试件损伤积累，形成宏观裂纹，裂缝贯通，产生大量高频高幅值声发射信号，此时声发射b值急剧下降．如图6所示：加载初期，当荷载达到0～10%时，试件与压力机初步接触摩擦、挤压，试件内部原始孔隙及裂缝初步发展，出现了较多的声发射事件数，b值出现第一次下降，下降幅度较小，且这个过程时间较短；
当荷载达到20%～75%时，在荷载作用下试件不断累积弹性势能，该阶段试件处于塑性变形阶段，试件内部微小裂纹不断增多，此时微裂缝拓展延伸占据主导地位，声发射事件数平稳增加，b值进入震荡变化范围区间，总体上呈现出波动下降的特征；
当荷载达到75%～90%时，试件所积累的弹性势能开始释放，逐渐形成贯通的裂缝，声发射事件较为活跃，b值开始下降；
当达到峰值应力时，由于试件内部拉压应力重分布，损伤累积也达到峰值，新旧裂缝大量增加，同时表面出现主要宏观贯通裂缝，处于试件的临界破坏阶段，此时声发射事件最为强烈，表现为声发射信号频率高、幅值高及能量大，b值急剧下降至1．b值持续下降，意味着试件损伤量由微裂缝小向大贯通裂缝转变，其可作为破断混凝土试件破坏临界的重要依据．

图6 b值-时间关系

进一步分析可知：对比3组不同砂率下的b值变化趋势发现，45%砂率组试件的b值震荡区间较短，提前进入b值下降区间，说明砂率较大时，混凝土试件初始毛细孔隙较多，界面过渡区微小孔隙较多，削弱了混凝土的强度，导致强度下降，在荷载作用下，初始压实阶段的损伤演化更为剧烈，所产生的声发射事件数更多；
而33%及38%砂率组在前期低应力阶段b值分布较为相似，砂率较低，相对45%砂率组毛细孔隙较少，受荷载作用试件内部微小裂纹增多及裂纹拓展延伸较为平稳，声发射信号事件数增加，增加速率处于较低状态，b值震荡变化程度较小，总体上为波动下降的趋势；
试件砂率越高，其内部损伤越剧烈，表面不断开始出现宏观裂缝，在临近破坏的瞬间，声发射事件及幅值强度达到峰值，b值发生突变，急剧下降，b值的下降范围区间会随着砂率的增大而提前，砂率因素对b值影响较大．

声发射b值反映损伤临界状态更为直观，但声发射b值很难对混凝土全过程损伤做出阶段分析；
声发射振铃计数、累积能量以及峰值频率等可以较好地反映不同阶段的损伤状态，但数据分析较为繁杂，若将声发射b值与之结合进行分析，可以大大提高损伤识别的精确度．

本文在声发射技术已有研究的基础上，从混凝土材料组分上研究声发射损伤特性，对不同砂率混凝土进行定量化分析，通过本次试验得到以下结论：

1)随着期龄的增加，弹性波在混凝土试件中传播的波速不断增加；
混凝土试件砂率越大，弹性波基准波速越大．波速是影响混凝土声发射损伤定位精确度的重要因素之一，工程监测中对声发射波速校准是非常有必要的．

2)可以用振铃计数以及累积能量两个参数描述混凝土试件损伤变化历程．累积能量对砂率变化具有较高敏感性，有助于其临界破坏研究分析；
随着砂率增加，38%、45%砂率组试件相比33%组累积能量分别提升了14%、39%．

3)在单轴压缩试验中，不同砂率混凝土试件40～60 kHz中低频带，声发射信号一直处于活跃状态；
45%砂率组在加载前期就出现少许100～200 kHz中高频带的声发射信号，而33%和38%砂率试件组前期并未检测该频带的声发射信号．可以将其频带变化作为不同砂率混凝土试件的临界破坏特征．

4)声发射b值波动及下降趋势可以更为直观地表征混凝土损伤发展历程；
砂率越大，荷载作用下损伤演化也更为剧烈，b值震荡区间缩短，b值下降范围区间提前．

在对不同砂率混凝土进行声发射分析时，累积能量、峰值频率以及声发射b值变化可优选作为断裂失稳的预测指标．