声发射技术在混凝土结构探伤和评估的应用

声发射技术在混凝土结构探伤和评估的应用［摘要］声发射技术可应用于钢筋混凝土结构损伤和缺陷的检测。基于声发射技术，可以监测在役结构的裂缝发展情况及对其做破损程度评估。此外，文章结合断裂力学理论，对声发射进行分形分析，初步探讨结构开裂和断裂能的关系，有望用于分析结构破损过程和预测结构的使用寿命。［关键词］声发射技术；声发射检测；结构检测；断裂力学；裂缝发展［作者简介］蒋志，玉林市建设工程质量监督站工程师，广西玉林，537000［中图分类号］TU37［文献标识码］A［文章编号］1007-7723（2007）09-0022-0005一、引言检测诊断技术在评价混凝土结构的安全性和可靠性上显得越来越重要，在当前采用检测技术中，声发射无损监测技术的切实有效已得到证实，并引起越来越多的关注[1][2]。声发射探伤技术最早在20世纪60年代运用于压力容器的检测，随着该项技术的研究和发展，70年代后期开始被应用于混凝土结构构件检测，而根据当前调查研究表明，声发射技术已越来越多地被应用于混凝土或钢筋混凝土结构的检测诊断[3][4]。在声发射的研究领域中，一个方向主要集中在实时声发射源定位监测和数据分析，目的在于测定材料的开裂点和它们的发展趋势。Shah通过声发射信号源定位方法来研究检测混凝土水泥石灰材料的开裂破坏区域[5]。Ohtsu在此研究基础上，试验研究了钢筋混凝土梁在受弯情况下的声发射源探测，包括受弯破坏和斜截面剪切破坏两种模型[3]。较早将声发射技术应用于建筑结构检测的有Carpinteri等人运用声发射监测来对钢筋混凝土建筑和历史石构建筑做损坏程度的评估[6]。在文中，根据不同时段累计的声发射事件数，结合时间上和整个结构体系上的检测，将结构可靠性评估和结构破损发展情况联系在一起。混凝土开裂是复杂多变的现象，据此，Carpinteri和Pugno等人研究了破碎和粉碎现象，并对相关声发射数据做了统计学和断裂分形理论上的分析[7]。二、声发射技术的基本原理广义而言，声发射是指材料局部因能量的快速释放而产生瞬态弹性波的现象。几乎所有的材料在应力作用下的变形与裂纹扩展时都会有声发射产生。这种直接与变形和断裂机制有关的弹性波经介质传达到被检体表面，引起表面的机械振动。声发射传感器将表面的瞬态位移转换成电信号。声发射信号在经放大、处理后，其波形和特征参数被记录与显示。这样，就能获取用来定位和评定声发射源的相关信息。这跟在地表设置接收地震波的测震站相类似。声发射是一种动态的无损检测技术：使构件的内部结构、缺陷或潜在缺陷处于运动变化的过程中进行无损检测，裂纹等缺陷在检测中主动参与了检测过程。如果裂纹等缺陷处于静止的状态，没有变化和扩展，就没有声发射发生，也就不能实现声发射检测。声发射检测的这一特点使其区别于超声、X射线、涡流等其他无损检测方法。声发射信号来自缺陷本身，一个同样大小、同样性质的缺陷，当它们的应力状态和所处位置不同时，对结构的损伤程度也不同，相应声发射特征也有差异，可以据此特征判断缺陷的严重程度。明确了来自缺陷的声发射信号，就可以长期连续地监视缺陷的安全性，这是其他无损检测方法难以实现的。由于材料的开裂是不可逆过程，因此声发射也不可逆（凯塞效应），进行声发射检测有必要知道材料或构件的受力历史，或者在构件第一次受力时进行检测。利用多通道声发射监测仪，可以确定缺陷所在位置。如前面所述，声发射是一种能量释放过程，能量的大小一般可表现为声发射率的高低，即单位时间发出声发射脉冲的数目；信号幅度的大小；以及频率成分的宽窄。声发射计数可以分事件计数和振铃计数。裂纹每向前扩展一步，就释放一次能量，产生一个声发射信号，于是传感器就接收到一个声发射波，其波形如阻尼振荡的波形，称为一个声发射事件，事件计数处理方法着重反映了裂纹扩展的步进次数。振铃计数是计算声发射事件中越过槛电压Vt的振荡次数，门槛电压Vt可按实际情况不同材料来设定（在仪器上Vt值可调），振铃计数在一定程度上反映了声发射信号的幅度（图1）。三、声发射技术在混凝土结构检测中的应用实例第一个建筑建于20世纪80年代，主体结构为钢筋混凝土结构，毗邻交通密度较大的一座高架桥，交通荷载所引起的地面振动较大。在建筑物墙体内侧表面可以目测到细微的裂缝网（包括房间和楼梯），而墙体外侧则已存在相对较宽的裂缝，在混凝土构件和混凝土基础上没有检测到明显的开裂。受周围环境的影响，在交通流量较大的时候，在该建筑顶层可以感觉到颤动。为了检测该建筑的稳定性和可靠性，对建筑底层中部两处的梁柱节点进行了监测（图2）。不间断监测检测时间为期30天，即720个小时。监测期间，建筑屋顶和外墙面实施进行了修复工程。在没有工程活动影响的情况下，并没有监测到声发射信号，然而在工程活动进行的时段，传感器监测到了较明显的信号。表明在正常使用情形下，声发射信号不存在（意味着在正常使用荷载作用下没有能量的释放，即材料没有裂缝的开展），声发射数据分析表明结构处于稳定可靠的状态。对于该建筑物，声发射信号活动的不存在表明虽然受周围环境影响，以至在建筑物内能感觉到颤动，但该建筑结构的减震能力足以有效起到自我消振作用，并不引起结构的开裂破坏现象。同时，建筑物墙面上的竖向裂缝网可以认为是混凝土楼板变形引起的开裂和裂缝蔓延所导致。第二个检测的建筑为一居民住宅楼。在该工程中，结构底部的混凝土档土墙呈现了四条明显的裂缝，开裂沿着基础墙底部竖向向上发展，裂缝贯穿了墙高直到钢筋混凝土圈梁梁底处。底部裂缝平均宽度是2mm，而墙顶部裂缝宽大概为0.2mm。检测选择了两处主裂缝，通过声发射计数评估裂缝开展的速度和预测将来裂缝的发展状况（图3）。每道裂缝的检测时间接近40天，即960小时。声发射累计计数和裂缝的发展情况见（图4）。从检测结果可以发现，在任何一个检测阶段，声发射计数跟裂缝的开展成比例关系。当裂缝在梁底滞止时，声发射密度（计数率）相应地呈显著下降趋势（钢筋混凝土梁的刚度较大）。监测过程中还可以发现，当裂缝发展最快时，相应监测到的声发射计数率也达到了最大值。因此认为，声发射分布函数的局部极值和裂缝发展的最剧烈阶段相对应。四、结构损伤过程的声发射分析及声发射的分形浅析（一）结构损伤过程的声发射分析混凝土损伤过程一般分为三个阶段：裂缝的引发、损伤区的推进和最后形成宏观裂缝而失稳扩展。如果采用声发射来检测材料的损伤过程，则相应的声发射线性累计曲线（Burstlinecumulate）也可分为三个阶段[8]。当试件开始承载时，结构原有缺陷会产生很高的应力集中，并导致裂纹的萌生和扩展。微裂纹在扩展过程中是趋于能量平衡的，一方面随着荷载的增加，微裂纹尖端的能量不断积累；另一方面表现为裂纹不断扩展，以减少裂纹尖端的能量积累。当微裂纹在扩展过程中为低应力集中区域或局部阻力区所抑制时，裂纹不再扩展，表现为“裂纹延滞”，就在尖端积累能量。在第一阶段，声发射线性累计曲线很平稳，混凝土材料内部微裂纹的发生和发展是在质地较均匀的混凝土的亚微观和微观水平条件下进行的，裂纹扩展过程中不会为较大的阻力所抑制而在尖端积累大量能量，也就不会有较大的能量释放而产生声发射信号，声发射线性累计曲线表现较平坦。在这一阶段，材料的损伤是在混凝土亚微观和微观水平下的累计，对材料性质的影响非常小。当微裂纹在扩展中遇到集料等较大阻力区时，裂纹扩展受到抑制而在尖端积累能量。当尖端能量积累到足够大时，裂纹或贯穿集料或造成集料与水泥浆体的脱粘而围绕集料继续扩展。此时，会产生较大的能量释放而产生较大的声发射信号，造成材料的内部损伤远比第一阶段大，材料的表面开始出现细微的裂纹，进入混凝土损伤区扩展阶段。此阶段裂纹处于亚宏观和宏观水平，部分裂纹可能扩展到试件的表面而且肉眼可见。该阶段又可分为两个部分：前一部分是大量集料被贯穿和集料脱粘过程，这一时期，裂尖能量释放较大，声发射信号多，称为急性期。第二部分为缓和期，声发射线性累计曲线相对平坦。在急性期，集料与基体产生大量脱粘或被贯穿，但由于数量在整个断裂面内所占比例不大，只能改变材料的某些性能，而不足以导致整个结构失稳破坏。在缓和期，主要是裂纹的交叉贯通过程，是结构进行能量平衡的过程，主要在基体中进行，阻力较小，声发射信号少。这一时期的长短主要与试件的尺寸、集料的级配、水灰比、荷载等因素有关。在第二个阶段，结构内部损伤较严重，但由于大量的集料存在桥效应作用（Bridgeeffect），所以，该阶段结构仍有一定的承载力。当裂缝在缓和期达到结构能量平衡后，遇到集料阻碍其扩展时，再次在裂尖积累能量，造成大面积集料的贯穿和集料与砂浆的脱粘，产生大量的声发射信号，声发射线性累计曲线斜率较大，桥效应失去作用，结构承载力迅速下降，材料进入失稳阶段。（二）声发射分形浅析用声发射技术研究材料的损伤过程，反映材料内部的损伤情况是可行的。但材料的声发射性能受到外加的力学过程、变形破坏过程、人为干扰、测试手段等多种因素的影响，使得它既是所承受的力学过程的结果，又是材料内部结构变化的外表表现，同时包含了力学过程和材料结构演化过程及实验条件等多方面信息，往往表现出很大的随机性。尽管如此，它的某些特征仍然可以通过材料的力学试验来把握[9]。试验和理论分析表明[7][10][9]，混凝土材料的声发射过程具有分形特征。分形特征是声发射过程在自相似意义下所具有的尺度不变性，它可以作为从复杂多变的声发射信号中提取有关材料内部变化的可靠信息的内在根据，同时也是指导材料断裂行为的测试与评价非常有效的途径。声发射过程被证实包含有材料临界断裂的突变信息。通过分析声发射过程的分形特征，确定混凝土试块在临界断裂时的分形特征将有助于评估混凝土结构的破坏发展过程和预测其应用寿命。最新的破碎理论研究表明在细微裂缝发展过程中的所释放能量具有分形特征[11][12]，且存在尺寸效应（体积用表示），材料破碎后总的释放能可表示为：这样就可以估计得到实际结构构件接近破坏前的声发射最大事件计数临界值。当然，该式成立的隐含假定是试样破损发展情况跟整个结构的破损情况成比例关系。如果用能量来表示声发射检测到的结构损伤程度则有以下比例关系：六、小结声发射技术用于混凝土的损伤研究和检测，方便、简单，且可做到实时、动态，有着良好的可操作性。分形几何是近几年发展起来的研究在自相似意义下所具有的尺度不变性的数学分支，结合断裂理论，分析声发射过程的分形特征，探讨混凝土试块在临界断裂时的分形特征，可以评价混凝土材料的损伤程度以及估计其使用寿命。分形在声发射检测混凝土中的应用有待进一步的开发[13]，为混凝土损伤的研究提供可供参考的方法和途径。需要说明的是，声发射常受多种因素影响，根据材料的声发射特性评价结构的损伤演化可靠性程度，同时会受到材料性能、检测操作、试验条件等多种因素的影响。实际应用中，应当根据具体材料、具体结构和实际条件进行分析。［参考文献］［1］纪洪广,张天森,蔡美峰,等.混凝土材料损伤的声发射动态检测试验研究［J］.岩石力学与工程学报,2000,（2）.［2］CarpinteriA,BoccaP.Damageanddiagnosisofmaterialsandstructures.Bologna:PitagoraEditrice,1991.［3］OhtsuM.Thehistoryanddevelopmentofacousticemissioninconcreteengineering.MagConcrRes,1996.［4］沈功田，戴光，刘时风.中国声发射检测技术进展［J］.无损检测,2003,25（6）.［5］ShahP,LiZ.Localizationofmicrocrackinginconcreteunderuniaxialtension.ACIMaterJ,1994.［6］CarpinteriA,LacidognaG.Damagediagnosisinconcreteandmasonrystructuresbyacousticemissiontechnique.JFactaUniv,2003.［7］CarpinteriA,PugnoN.F