自愈合混凝土損傷演化聲發(fā)射監(jiān)測(cè)及其評(píng)價(jià)技術(shù)

李 冬 生， 匡 亞 川， 胡 倩

（1.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

0 引 言

混凝土是一種多孔性的脆性材料，作為土木工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的材料，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度，韌性差，對(duì)沖擊、開裂的抵抗能力差，在外部荷載下，不可避免地產(chǎn)生裂縫.一旦裂縫產(chǎn)生，其防水性降低，導(dǎo)致鋼筋腐蝕，混凝土的粘結(jié)能力下降，結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性將降低.因此，修復(fù)混凝土裂縫顯得非常必要.自愈合混凝土是對(duì)材料損傷破壞具有自行愈合和再生功能，可恢復(fù)甚至提高材料性能、增強(qiáng)延性彎曲能力的一種新型復(fù)合材料[1].對(duì)于混凝土的自愈合行為，它的愈合效果及其服役過程中的損傷演化，目前還缺乏有效的研究手段.尋找一種方法合理地、準(zhǔn)確地判斷和跟蹤愈合效果及其損傷演化，將為自愈合混凝土走向?qū)嶋H工程應(yīng)用奠定很好的基礎(chǔ).

構(gòu)件受力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波的形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射（acoustic emission，簡稱 AE）[2].聲發(fā)射是一種動(dòng)態(tài)、被動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，不像超聲那樣需借助外界的能量.它能夠真正做到在線、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能快速顯示物體的破損狀態(tài)和缺陷位置，大大節(jié)省監(jiān)測(cè)時(shí)間、降低成本[3].Georg等[4]基于聲發(fā)射凱塞 （Kaiser）效應(yīng)的荷載比和卡姆比等方法得到了混凝土損傷程度等級(jí)分類；Santosh等[5]利用聲發(fā)射事件數(shù)和聲發(fā)射能量研究了混凝土界面斷裂行為；吳勝興等[6]在MTS材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行相同尺寸的混凝土、骨料（花崗巖）、砂漿和骨料、砂漿界面4種試件的軸拉試驗(yàn)，利用聲發(fā)射技術(shù)識(shí)別混凝土損傷斷裂過程的物理機(jī)理；朱宏平等[7]利用聲發(fā)射信號(hào)與速率過程理論對(duì)混凝土損傷進(jìn)行了定量評(píng)估.從國內(nèi)外的研究成果來看，聲發(fā)射技術(shù)可以有效地監(jiān)測(cè)混凝土裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展.它對(duì)構(gòu)件內(nèi)部變化非常敏感，混凝土愈合前后由于構(gòu)件內(nèi)部變化，在宏觀上將表現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)的不同.不擴(kuò)展的裂紋就不會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，利用有無聲發(fā)射信號(hào)及信號(hào)的特征變化，可以判斷混凝土自愈合效果及其損傷演化過程，及時(shí)提供預(yù)警信息，避免災(zāi)難性的事故發(fā)生.

1 試驗(yàn)方案與加載裝置

（1）自修復(fù)混凝土的制備

自修復(fù)混凝土是根據(jù)人體傷口由“破裂—流血—凝結(jié)—愈合”的過程，將含有修復(fù)劑的修復(fù)纖維摻入到混凝土材料中，當(dāng)混凝土基體出現(xiàn)損傷或裂縫時(shí)，纖維膠液管隨之破裂，其中的修復(fù)膠粘劑流出，修復(fù)損傷.具體制備工藝及要求見文獻(xiàn)[8].

（2）試驗(yàn)裝置與方法

本試驗(yàn)以環(huán)氧樹脂為修復(fù)劑，砂漿為基體材料.試件尺寸為40mm×40mm×160mm，水灰比為0.5，灰砂比為1∶3.

澆注后，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至28d齡期，在Instron8501萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)（圖1、2）.加載速度為0.025mm/min.為了有效監(jiān)測(cè)自愈合混凝土損傷演化和開裂情況，在試件兩端各布設(shè)一個(gè)聲發(fā)射傳感器，距離端部20 mm.在試驗(yàn)過程中，不可避免出現(xiàn)噪聲.通過兩種辦法去除環(huán)境噪聲，一種是設(shè)置門檻值，另一種是設(shè)置濾波頻率.通過空采和混凝土損傷聲發(fā)射頻率段，聲發(fā)射試驗(yàn)門檻值設(shè)置為45dB，濾波頻率為100～600kHz.在試件的初始損傷階段，聲發(fā)射信號(hào)比較微弱，通過設(shè)置增益來提高信號(hào)的強(qiáng)度.本試驗(yàn)采取兩級(jí)增益放大，前置放大增益設(shè)置為40dB，主放大增益為20dB.試驗(yàn)過程中，應(yīng)該不斷觀察裂紋擴(kuò)展情況，一旦發(fā)現(xiàn)修復(fù)劑流出，停止加載.然后等待10d左右，待修復(fù)劑完全固化并對(duì)裂縫進(jìn)行了有效的修復(fù)，再進(jìn)行第2次試驗(yàn).

圖1 三點(diǎn)彎曲裂縫自修復(fù)試驗(yàn)Fig.1 Three point bending experimentation of cracks self－repairing

圖2 試驗(yàn)加載裝置Fig.2 Load device of experimentation

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 自愈合混凝土強(qiáng)度回復(fù)率

試驗(yàn)測(cè)試了修復(fù)前后試件的強(qiáng)度，第1次測(cè)試（修復(fù)膠粘劑釋放之前）結(jié)果與第2次測(cè)試（修復(fù)膠粘劑釋放，滲入到基體中修復(fù)裂縫之后）結(jié)果比較如表1所示.從表1可以看到：未經(jīng)修復(fù)膠粘劑修復(fù)的試件，在第1次三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)后已經(jīng)破壞，因而在第2次試驗(yàn)時(shí)其強(qiáng)度下降了80%～90%，幾乎不能再次承受荷載.而經(jīng)修復(fù)膠粘劑修復(fù)后的試件第2次彎曲試驗(yàn)時(shí)，混凝土平均強(qiáng)度提高了30.6%.這是因?yàn)椋炷脸霈F(xiàn)開裂后，事先埋置在里面的膠粘劑發(fā)生破裂，膠粘劑流向裂縫處，使裂縫面重新愈合，試件的承載能力得到提高.第2次加載時(shí)，由于修復(fù)膠粘劑的粘結(jié)能力大于砂漿，裂紋并不在上次出現(xiàn)裂縫的地方開裂，應(yīng)力分配到別的未開裂的地方，這就是試件強(qiáng)度提高的原因.

表1 修復(fù)前后試件的強(qiáng)度回復(fù)率Tab.1 Strength recovering ratio of samples before and after repairing

2.2 自愈合混凝土損傷聲發(fā)射特征信號(hào)

為了得到自愈合混凝土損傷過程的聲發(fā)射特征，運(yùn)用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行自愈合混凝土破損全過程檢測(cè).愈合前后聲發(fā)射特征參數(shù)如圖3、4所示.愈合前后的混凝土在加載過程中都產(chǎn)生了豐富的聲發(fā)射信號(hào).隨著荷載的增加，聲發(fā)射信號(hào)逐漸變大.這種變化現(xiàn)象不符合聲發(fā)射凱塞效應(yīng).這是因?yàn)樵谶@次試驗(yàn)之前的加載中，盡管混凝土已經(jīng)產(chǎn)生了裂縫，但埋在混凝土中的內(nèi)置纖維膠液管隨著混凝土的開裂而斷裂，修復(fù)膠粘劑迅速流出，混凝土裂縫重新修復(fù)，使混凝土變得完好如初.因而在進(jìn)行自愈合效果驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，愈合后的混凝土跟愈合前的混凝土發(fā)生了類似的損傷過程.其聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果也說明了這一點(diǎn).具體損傷過程為，在加載初期，聲發(fā)射事件數(shù)隨著時(shí)間增加變化不大，這是因?yàn)榛炷潦且环N多孔材料，在外部荷載的作用下，內(nèi)部微小孔洞被壓實(shí)，壓實(shí)過程中，砂漿顆粒相互摩擦和碰撞，產(chǎn)生小量的聲發(fā)射信號(hào).此后，隨著荷載的增加，聲發(fā)射計(jì)數(shù)增加得越來越明顯，這說明試件內(nèi)部開始發(fā)生了變化，產(chǎn)生了微裂縫；在試驗(yàn)進(jìn)行到180s之后，荷載達(dá)到最大值，聲發(fā)射特性參數(shù)變化非常劇烈，其特征參數(shù)值急劇增加.這是因?yàn)榛炷翞橐环N脆性材料，荷載達(dá)到最大值之后，裂縫出現(xiàn)不穩(wěn)定擴(kuò)展，試件發(fā)生脆性斷裂.

圖3 聲發(fā)射傳感器累積計(jì)數(shù)變化曲線Fig.3 Evolution of acoustic emission hits recorded by transducers

圖4 自愈合混凝土聲發(fā)射計(jì)數(shù)與荷載曲線Fig.4 Load and AE hits for self－repairing concrete

從圖4還可以看出，聲發(fā)射計(jì)數(shù)變化曲線和荷載曲線同步變化，具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.在荷載的最大值處，聲發(fā)射計(jì)數(shù)達(dá)到最大值，聲發(fā)射信號(hào)變化更加劇烈.因此可以利用聲發(fā)射計(jì)數(shù)包絡(luò)曲線代替荷載曲線，定性地揭示試件的破壞情況.

2.3 聲發(fā)射費(fèi)利西蒂（Felicity）比與混凝土愈合效果比較

從圖3愈合前后的聲發(fā)射計(jì)數(shù)圖可以看出，自愈合混凝土不符合聲發(fā)射凱塞效應(yīng)，重新加載聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻早于預(yù)定時(shí)刻，即荷載并未達(dá)到前一次加載的最大值已產(chǎn)生新的信號(hào)，這種現(xiàn)象稱為費(fèi)利西蒂（Felicity）效應(yīng).Felicity比定義為第i＋1次加載過程中出現(xiàn)的第一個(gè)聲發(fā)射信號(hào)對(duì)應(yīng)的荷載與第i次加載過程中的最大荷載之比.它反映了加載歷史對(duì)材料或結(jié)構(gòu)的影響.但在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，由于各種環(huán)境及試驗(yàn)過程產(chǎn)生的噪聲，即使試件沒有發(fā)生損傷，聲發(fā)射儀器也可能接收到信號(hào).因此如何判斷是不是有效聲發(fā)射信號(hào)，顯得很重要.本文根據(jù)紀(jì)洪廣等[9]提出的方法來進(jìn)行Felicity比的計(jì)算，結(jié)果見表2.

表2 混凝土愈合強(qiáng)度與Felicity比Tab.2 Repairing strength of concrete and Felicity ratio

從表2可以看出：Felicity比隨著愈合強(qiáng)度的提高而減小.這是因?yàn)樵嚰?jīng)過預(yù)加載，內(nèi)部產(chǎn)生了微裂縫，修復(fù)劑流向斷面處，使它得到了及時(shí)的修復(fù)，試件的強(qiáng)度得到了改善.等到第2次加載時(shí)，根據(jù)微裂縫面粘結(jié)的好壞，如果粘結(jié)處的強(qiáng)度大于原來的強(qiáng)度，將在試件別的地方產(chǎn)生微裂縫，如果低于原來的強(qiáng)度，微裂縫面將發(fā)生二次開裂.這樣，就表現(xiàn)出了Felicity效應(yīng).因此，利用Felicity效應(yīng)可以判斷愈合效果的優(yōu)劣，至于Felicity比跟愈合效果優(yōu)劣是否有定量的關(guān)系，有待進(jìn)一步研究.

3 基于小波分析技術(shù)自愈合混凝土損傷演化分析

聲發(fā)射信號(hào)是典型的非平穩(wěn)信號(hào)，經(jīng)典的傅里葉變換不適合分析這類信號(hào)，而小波分析技術(shù)能夠在時(shí)頻上同時(shí)進(jìn)行信號(hào)分析，非常適合非平穩(wěn)信號(hào)分析.通過對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行小波分析，提取相關(guān)特征參數(shù)、尋找信號(hào)突變點(diǎn)，能有效地判斷自愈合混凝土的損傷演化.這是因?yàn)椋煌瑩p傷類型的聲發(fā)射信號(hào)在時(shí)域上（如幅值）、頻域上（如頻率）具有不同的信號(hào)特征，而且不同的損傷階段，小波分解系數(shù)會(huì)出現(xiàn)一些突變點(diǎn).根據(jù)這些突變信號(hào)的變化，可以有效劃分信號(hào)的不同損傷階段.

3.1 小波分解奇異性檢測(cè)理論簡介

一般地，信號(hào)的奇異性大小可用Lipschitz指數(shù)來描述，也稱奇異性指數(shù)[10，11].設(shè)有非負(fù)整數(shù)n，n≤a≤n＋1，如果存在常數(shù)A＞0，以及n次多項(xiàng) 式pn（t），對(duì) 于t∈ （t0－δ，t0＋δ）使則稱f（t）在t0數(shù)），是Lipschitza的，如果f（t）在t0的Lipschitz指數(shù)a小于1，則稱t0為f（t）的奇異點(diǎn).對(duì)于小波分析而言，在小波變換中，局部奇異性可定義為設(shè)f（x）∈L2（R），若f（x）對(duì)x∈δx0，小波φ（x）滿足連續(xù)可微，并且具有n階消失矩（n為正整數(shù)）有（K為常數(shù)），則稱a為x0點(diǎn)的奇異性指數(shù)（也稱Lipschitz指數(shù)）.

基于上述小波奇異性檢測(cè)原理，對(duì)聲發(fā)射特征信號(hào)進(jìn)行小波分解.為了確保劃分的準(zhǔn)確性，同時(shí)結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)、能量、幅值等參數(shù)綜合判斷其損傷演化狀況，本文選取聲發(fā)射計(jì)數(shù)進(jìn)行小波分解和奇異性分析.小波母波選用緊湊型的db3，綜合采樣頻率和分解精度，分解階次定為5次.為了節(jié)省篇幅，本文僅給出第5次分解的聲發(fā)射計(jì)數(shù)與時(shí)間細(xì)節(jié)圖（圖5）.

圖5 聲發(fā)射計(jì)數(shù)小波分解細(xì)節(jié)圖（d5）Fig.5 Wavelet decomposition detail of AE hits at level 5

圖5小波分解的結(jié)果顯示，不同的損傷階段，其聲發(fā)射特征參數(shù)相差比較大，而且出現(xiàn)了較多的信號(hào)奇異點(diǎn)，這表明自愈合混凝土整個(gè)加載過程中損傷非常豐富.但總體上看，聲發(fā)射計(jì)數(shù)小波分解信號(hào)明顯分為兩個(gè)不同的階段，第一階段信號(hào)比較少，第二階段聲發(fā)射信號(hào)非常豐富，有效驗(yàn)證了利用小波分解系數(shù)奇異檢測(cè)方法能夠準(zhǔn)確刻畫不同的損傷階段.基于不同的損傷階段，可以進(jìn)一步提取不同損傷的聲發(fā)射信號(hào)，運(yùn)用小波時(shí)頻分析技術(shù)，確定不同損傷階段的聲發(fā)射信號(hào)特征.

3.2 自愈合混凝土損傷演化聲發(fā)射波形小波分析及其損傷類型判定

（1）階段1自愈合混凝土損傷聲發(fā)射波形特征

這個(gè)階段的聲發(fā)射出現(xiàn)了波形1、波形2兩種波形，如圖6所示；基于小波變換的時(shí)頻關(guān)系如圖7（a）、（b）所示.

圖6 自愈合混凝土階段1聲發(fā)射特征波形Fig.6 Acoustic emission waveforms of self－repairing concrete of Stage 1damage

圖7 波形1、2時(shí)頻分析Fig.7 Time－frequency analysis of waveforms 1，2

從圖5可以看出，在整個(gè)過程中都有聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生，階段1的信號(hào)表現(xiàn)出很大的離散性，信號(hào)大致都保持在一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi)，發(fā)展較為平穩(wěn)，這個(gè)階段的聲發(fā)射以波形1為主，信號(hào)波形為中低幅度脈沖，如圖7（a）所示，其頻域分布范圍較窄且頻率較低，大部分集中在125～250kHz，這是因?yàn)樽杂匣炷了嗌皾{被壓實(shí)，砂漿顆粒相互擠壓與摩擦，從而導(dǎo)致了聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生.在階段1中，也出現(xiàn)了少量的突發(fā)型信號(hào)，但幅值都較低，其聲發(fā)射為波形2，信號(hào)波形為中低幅度脈沖，如圖7（b）所示，其頻域分布相對(duì)較寬，最高可達(dá)1 024kHz.這是因?yàn)樽杂匣炷潦且环N多相材料，其內(nèi)部存在著許多天然的微孔隙和微裂紋，這些缺陷在荷載作用下演化發(fā)展，相互融合增長，不斷擴(kuò)展，從而導(dǎo)致了突發(fā)型信號(hào)的產(chǎn)生.

（2）階段2自愈合混凝土損傷聲發(fā)射波形特征

圖8 階段2聲發(fā)射特征波形Fig.8 Acoustic emission characteristic waveform of Stage 2

圖9 階段2聲發(fā)射特征波形時(shí)頻分析Fig.9 Time－frequency analysis of acoustic emission characteristic waveform of Stage 2

從圖5可見，這個(gè)階段的聲發(fā)射事件數(shù)增加得越來越明顯，信號(hào)密集且幅值較大，其聲發(fā)射信號(hào)波形如圖8所示，基于小波變換的時(shí)頻關(guān)系如圖9所示.這個(gè)階段的信號(hào)波形為高幅度脈沖，與階段1相比，其頻域范圍較寬，在32～1 024 kHz內(nèi)都有分布，大部分集中在128～512kHz的范圍，最高可達(dá)1 024kHz.說明試件內(nèi)部開始發(fā)生了明顯的變化，觀察試件，發(fā)現(xiàn)它產(chǎn)生了明顯的裂縫并出現(xiàn)不穩(wěn)定擴(kuò)展，也就是說，階段2是裂縫的快速擴(kuò)展階段.宏觀裂縫的產(chǎn)生是這個(gè)階段聲發(fā)射信號(hào)的主要來源.

4 結(jié) 論

（1）自愈合混凝土極限承載力比普通混凝土大約提高30%.聲發(fā)射特征參數(shù)能夠準(zhǔn)確表征自愈合混凝土的損傷變化.隨著損傷的加劇，聲發(fā)射特征參數(shù)幅值越來越大，變化更加劇烈.此外，聲發(fā)射特征參數(shù)變化曲線和荷載曲線具有同步變化關(guān)系.

（2）運(yùn)用凱塞效應(yīng)和Felicity效應(yīng)能夠直觀地判斷愈合效果的好壞.愈合效果越好，F(xiàn)elicity效應(yīng)越明顯；愈合效果越差，凱塞效應(yīng)越明顯.

（3）對(duì)聲發(fā)射特征參數(shù)進(jìn)行小波奇異分解，能夠更準(zhǔn)確劃分不同的損傷階段.對(duì)不同損傷階段的聲發(fā)射波形進(jìn)行小波時(shí)頻分析，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射波形隨著損傷程度的增加，其幅值變大，頻率變寬.不同的損傷階段其聲發(fā)射信號(hào)具有較大的差異.

[1] Carolyn D.Matrix cracking repair and filling using active and passive modes for smart timed release of chemicals from fibers into cement matrices[J].Smart Materials and Structures，1994，3（2）：118－123.

[2] Yuyama S，Yokoyama K，Niitani K，etal.Detection and evaluation of failures in high－strength tendon of prestressed concrete bridges by acoustic emission[J].Construction and Building Materials，2007，21（3）：491－500.

[3] Philippidis T P， Assimakopoulou T T. Using acoustic emission to assess shear strength degradation in FRP composites due to constant and variable amplitude fatigue loading[J].Composites Science and Technology，2008，68（3－4）：840－847.

[4] Georg K K，Thomas V.Classification of the damage condition of preloaded reinforced concrete slabs using parameter－based acoustic emission analysis [J].Construction and Building Materials，2010，24（12）：2332－2338.

[5] Santosh G S，Chandra K J M.Fracture behavior of concrete－concrete interface using acoustic emission technique [J]. Engineering Fracture Mechanics，2010，77（6）：908－924.

[6] 吳勝興，王 巖，沈德建.混凝土及其組成材料軸拉損傷過程聲發(fā)射特性試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2009，42（7）：21－27.WU Sheng－xing， WANG Yan， SHEN De－jian.Experimental study on acoustic emission characteristics of the damage process of concrete and its components under uniaxial tension [J].China Civil Engineering Journal，2009，42（7）：21－27.（in Chinese）

[7] 朱宏平，徐文勝，陳曉強(qiáng)，等.利用聲發(fā)射信號(hào)與速率過程理論對(duì)混凝土損傷進(jìn)行定量評(píng)估[J].工程力學(xué)，2008，25（1）：186－191.ZHU Hong－ping， XU Wen－sheng，CHEN Xiaoqiang，etal.Quantitative concrete damage evaluation by acoustic emission information and rate－process theory [J].Engineering Mechanics，2008，25（1）：186－191.（in Chinese）

[8] 匡亞川.具有裂縫自修復(fù)功能的智能混凝土及其結(jié)構(gòu)構(gòu)件研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006：54－56.KUANG Ya－chuan.Smart concrete and structural member study of damage self－repairing of smart concrete [D]. Harbin： Harbin Institute of Technology，2006：54－56.（in Chinese）

[9] 紀(jì)洪廣，李造鼎.混凝土材料凱塞效應(yīng)與Felicity效應(yīng)關(guān)系的試驗(yàn)研究[J].應(yīng)用聲學(xué)，1997，16（6）：30－33.JI Hong－guang，LI Zhao－ding.Experimental study on the relationship of Kaiser and Felicity effect in concrete material [J].Applied Acoustics，1997，16（6）：30－33.（in Chinese）

[10] MA X， Peyton A J. Feature detection and monitoring of eddy current imaging data by means of wavelet based singularity analysis[J].NDT and E International，2010，43（8）：687－694.

[11] 向 陽，蔡悅斌.小波分析在信號(hào)奇異探測(cè)及瞬態(tài)信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用[J].振動(dòng)與沖擊，1997，16（4）：23－30 XIANG Yang，CAI Yue－bin.Application of wavelet transform in singularity detection and transient analysis[J].Journal of Vibration and Shock，1997，16（4）：23－30.（in Chinese）