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聲發(fā)射技術在混凝土領域中的應用研究
自上個世紀以來，隨著科技發(fā)展，聲發(fā)射技術被廣泛應用于許多領域。近年來，聲發(fā)射技術由于其獨特的優(yōu)越性在混凝土材料的研究中得到了很好的應用。通過聲發(fā)射檢測設備，可以得到各種聲發(fā)射特征參數(shù)，利用這些參數(shù)可以對混凝土內(nèi)部情況進行表征。
引言
聲發(fā)射（acoustic emission）是材料中局域能量快速釋放而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象[1]。聲發(fā)射檢測是通過接收和分析材料的聲發(fā)射信號來評定材料性能或結構完整性的無損檢測方法，早期主要應用于金屬檢測。與其他無損檢測方法不太相同，聲發(fā)射檢測中被檢測到的能量來自物體本身。聲發(fā)射檢測對線性缺陷較為敏感，可以實時監(jiān)測到外加應力下結構缺陷的變化，檢測和評價整個結構中缺陷的狀態(tài)，因此廣泛應用于材料、石油化工、航空航天、金屬加工等領域。1959年，Rusch對混凝土受力后的聲發(fā)射信號進行了研究。隨著科技的發(fā)展，研究人員對混凝土的聲發(fā)射研究也日趨深入。
1. 水泥水化研究
水泥水化對混凝土的各項物理性能發(fā)展至關重要。Chotard等[2]應用聲發(fā)射技術研究了水泥早期的水化作用，并據(jù)此對其力學性能進行了預測。他們發(fā)現(xiàn)凝結過程中記錄到的聲發(fā)射事件可以反映漿體內(nèi)部凝結的機制。K. Van Den Abeele等[3]利用聲發(fā)射技術實時記錄了早齡期混凝土水化過程中內(nèi)部微結構的活動。結果表明在養(yǎng)護期的前三天，對不同的原始組分來說，聲發(fā)射事件的數(shù)量與水化程度有關。Lateef Assi等[4]利用聲發(fā)射技術研究了水泥水化過程并研究了記錄到的聲發(fā)射信號與不同水化機制之間的潛在聯(lián)系，他們發(fā)現(xiàn)持續(xù)時間、幅值與水泥水化時的溫度變化有關，并認為早期水化中反復出現(xiàn)的聲發(fā)射信號來源于C-S-H的形成以及毛細孔的干燥。Evin Dzaye等[5]成功從水泥漿體凝結硬化時產(chǎn)生的聲發(fā)射信號中分辨出了其中兩種來源：漿體中骨料和氣泡的運動。他們[6]還研究了水泥漿體早期水化過程中聲發(fā)射源的演化規(guī)律。研究表明，水泥漿體混合后前幾個小時的大部分聲發(fā)射信號來源于水泥顆粒沉降，且對粒徑分布十分敏感。
2. 混凝土破壞機理分析
混凝土的最終破壞是其內(nèi)部發(fā)生的細微裂紋逐漸發(fā)展的結果，材料的宏觀破壞僅是裂紋演化的最終表現(xiàn)形式。材料裂紋產(chǎn)生擴展會產(chǎn)生聲信號，研究聲發(fā)射信號與材料斷裂過程之間的關系有助于進一步從細觀層次上分析混凝土的破壞機理。S. Muralidhara等[7]利用聲發(fā)射事件的能量來估計斷裂過程區(qū)的大小。研究表明，聲發(fā)射事件累積能量隨時間急劇上升的現(xiàn)象，與斷裂過程區(qū)的形成有關。累積能量-時間曲線的斜率突然增大表明微裂縫合并成為宏觀裂縫。Ninel Alver等[8]利用聲發(fā)射技術檢測循環(huán)荷載下全覆蓋CFRP的鋼筋梁在不同加載階段產(chǎn)生的裂縫類型和位置，并對其斷裂機理進行了研究。結果表明聲發(fā)射參數(shù)，如平均頻率、持續(xù)時間、能量可以用于確定加載過程中混凝土梁的斷裂機理。J. Saliba等[9]為了監(jiān)測有缺口和無缺口的混凝土梁在三點彎曲試驗中的斷裂擴展，使用聲發(fā)射技術和細觀非線性模型對損傷演變過程以及斷裂過程區(qū)進行研究。結果表明聲發(fā)射撞擊計數(shù)隨相對缺口深度減小而增大，并與數(shù)值模型中高斯點的變化呈線性相關。隨缺口深度增加，聲發(fā)射峰變得更低更矮，并沿水平軸向左移動。
圖2 典型聲發(fā)射特征參數(shù)
3. 混凝土損傷結構檢測
聲發(fā)射具有對損傷敏感度高、受幾何構造影響小、探測距離遠的優(yōu)勢，能夠準確反映出結構內(nèi)部的變化。利用聲發(fā)射技術能有效對混凝土結構和安全性進行評估，以期達到指導維修，提供預警的目的。通過研究混凝土破壞過程中的聲發(fā)射ｂ值可有效測量混凝土的損傷程度。Suzuki等[10]使用AE和x射線計算機斷層掃描(X-ray Computed Tomography)對運河上鋼筋混凝土柱中取下的經(jīng)受凍融的混凝土芯樣的損傷程度進行了定量評估。R. Vidya Sagar等[11]對素混凝土和水泥砂漿在裂縫開口位移控制下的三點彎曲試驗中獲得的聲信號進行了研究和討論，通過GBR法和Aki法對b值進行計算，結果表明后者對b值的計算更為可靠，而混凝土斷裂的各階段可以通過b值進行區(qū)分。Chen等[12]通過b值的變化分析了不同加載速率下的破壞形式，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射b值能夠反映低加載速率下混凝土裂紋擴展的不同階段，進而對混凝土的損傷進行評估。
4. 定位
當材料出現(xiàn)裂紋時會釋放能量，產(chǎn)生的彈性波被聲發(fā)射傳感器探測到后可以通過分析數(shù)據(jù)檢測出裂紋的位置。Barbara Schechinger和Thomas Vogel [13]討論了聲發(fā)射定位法的準確性。他們通過壓縮波到達的時間對聲發(fā)射源進行三維定位。定位結果顯示，對于傳感器分布范圍可以良好覆蓋的區(qū)域，定位精度很高。但隨試件損傷程度的增加，在實驗后期很難以同樣的精度跟蹤試件的劣化過程。
圖4 聲發(fā)射定位示意圖
5. 混凝土自修復效果評價及機理研究
Kaiser 效應是指在固定的靈敏度水平下，在超過先前所施加的應力水平之前不出現(xiàn)可探測到的聲發(fā)射[1]?；贙aiser效應，可以通過聲發(fā)射技術得到關于混凝土自愈合機制的有效信息。S. Granger等[14]利用聲發(fā)射技術對超高性能混凝土的自修復機理進行了研究。證明裂紋的力學響應是由于裂縫中新晶體的形成引起的。Li W.[15]等對修復后的摻了微膠囊的損傷水泥基試件進行二次加載，發(fā)現(xiàn)在低于先前所施加的應力水平時出現(xiàn)了大量聲信號，表明裂縫發(fā)生了閉合。
盡管研究者們已經(jīng)對混凝土中的聲發(fā)射信號展開了一定的研究并取得了可喜的成果。但目前無論是實驗室中還是工程上，研究人員對采集到聲發(fā)射信號的利用仍然不夠充分，大量有用信息受限于分析手段難以充分地展示出來。隨著研究的進一步深入，相信未來在混凝土領域?qū)β暟l(fā)射信息的解讀會更加充分有效。
（部分圖片來源于網(wǎng)絡）
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