聲發(fā)射與超聲波聯(lián)合測試混凝土構(gòu)件損傷量試驗研究

張昊 隋黎港 王軍

（山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

重大工程結(jié)構(gòu)的檢測和損傷評估是一個與科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟發(fā)展、社會和諧關(guān)系密切的科學(xué)技術(shù)問題。為保障結(jié)構(gòu)的安全可靠并能及時準(zhǔn)確判定服役結(jié)構(gòu)的損傷量，達到消除存在的結(jié)構(gòu)隱患、避免安全事故發(fā)生，采取適當(dāng)?shù)姆椒ê图夹g(shù)對服役工程進行檢測鑒定成為工程結(jié)構(gòu)無損檢測研究的熱點課題[1-3]。本文探索通過無損檢測方法定量評估損傷混凝土構(gòu)件的損傷量，為科學(xué)確定服役結(jié)構(gòu)的損傷量提供借鑒。

1 超聲波與聲發(fā)射結(jié)合確定混凝土損傷量理論分析

1.1 聲發(fā)射參數(shù)與混凝土損傷量關(guān)系研究

混凝土損傷變量可由下式表示[4]：

式中，D為損傷量；E為混凝土的彈性模量；E*為無損狀態(tài)混凝土的彈性模量。

由公式（1）知，混凝土損傷量可以通過混凝土的彈性模量表征，如果能獲得混凝土的彈性模量，就可以確定混凝土的損傷量。但是對于重大服役結(jié)構(gòu)，在不破損取樣的前提下獲取彈性模量需要借助聲發(fā)射和超聲波的數(shù)據(jù)。

聲發(fā)射參數(shù)與損傷量D成正比關(guān)系，因而可用下面公式表達[5]：

D與a具有比較強的相關(guān)性，而與b，c相關(guān)性較少。謝洪林[5]認(rèn)為a值的大小反映出了材料內(nèi)部含有裂紋的多少，即a值與混凝土材料內(nèi)部裂紋數(shù)量具有正比關(guān)系，可以認(rèn)定損傷量D與a成線性關(guān)系，即：

從以上推導(dǎo)可以發(fā)現(xiàn)，混凝土的損傷與其彈性模量是緊密相連的，對于確定的混凝土結(jié)構(gòu)，E0為常數(shù)，考慮應(yīng)用方便，將公式（3）轉(zhuǎn)換為[6]：

通過前面分析知a的變化與混凝土損傷緊密聯(lián)系，對于初始時刻未受損傷的混凝土a為零，混凝土無損狀態(tài)的彈模為：

式（2）、（3）、（4）、（5）中Dp，材料極限應(yīng)變時的損傷量；D0，初始時刻損傷量；E，受損材料彈性模量；E*，無損狀態(tài)下的彈性模量；E0，初始時刻混凝土彈性模量；Ep，極限應(yīng)力下混凝土彈性模量；λ、β，系數(shù)；a、b、c，參數(shù)。

若定義混凝土材料從應(yīng)力水平L（%）到L+dL過程中產(chǎn)生聲發(fā)射事件的概率密度函數(shù)為f（L），則有：

式中dN，聲發(fā)射增加數(shù)；dL，壓應(yīng)力水平增加數(shù)；f（L），壓應(yīng)力發(fā)生概率密度函數(shù)；N，聲發(fā)射數(shù)。

f（L）表達式為：

式中a、b，試驗參數(shù)，同公式（2）。

將（7）代入（6）進行積分，得到壓應(yīng)力水平與聲發(fā)射事件總數(shù)量的關(guān)系式：

式中C，積分常數(shù)。其他字母含義與式（6）相同。

通過公式（8），可以獲得參數(shù)a的具體數(shù)據(jù)，利用公式（4），通過求解方程組可以確定β，進而確定了混凝土的E*。但僅通過聲發(fā)射技術(shù)還不能確定混凝土的彈性模量，必須引入另外的參數(shù)。

1.2 超聲波波速確定混凝土彈性模量

高強度混凝土的強度與彈性模量的關(guān)系可用公式（9）表達[7]：

超聲波速與混凝土強度的關(guān)系可用公式（10）表達[7]：

式（9）、（10）中，P，損傷混凝土的抗壓強度（MPa）；P0，無損狀態(tài)混凝土的抗壓強度（MPa）；v0，混凝土無損狀態(tài)的超聲波速度；V，混凝土實測超聲波速度。

通過以上理論分析，確定E、E*，就可以依據(jù)公式（1）計算混凝土構(gòu)件的損傷量。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗設(shè)備

液壓屏顯萬能試驗機；AE21C聲發(fā)射檢測儀，性能參數(shù)見表1，ZBL-U520非金屬無損超聲檢測儀。

表1 AE21C聲發(fā)射儀 參數(shù)表

2.2 試驗設(shè)計

制作100mm×100mm×100mm的C60混凝土試塊，制作工藝、攪拌時間、振搗方式依據(jù)規(guī)范要求。試塊養(yǎng)護28天后，半浸泡于10%硫酸鈉溶液中進行干濕浸烘試驗，方法是先置于溶液浸泡12小時，再取出放入80℃的烘箱內(nèi)烘6小時，取出冷卻6小時為一個循環(huán)，如此反復(fù)進行，制造混凝土試件的損傷。分別測試浸烘循環(huán)10、20、30…50次的混凝土試塊超聲波速、抗壓強度和聲發(fā)射參數(shù)。試驗中每10次循環(huán)更換新的溶液一次，溶液濃度保持在10%。為進行比對，保留部分未浸泡和未干濕浸烘試塊。

3 混凝土損傷量確定

聲發(fā)射事件數(shù)與相對應(yīng)力水平的數(shù)據(jù)見表2，根據(jù)表2的數(shù)據(jù)利用Matlab數(shù)值軟件進行數(shù)據(jù)擬合，得到不同混凝土試樣的a、b、c數(shù)值如表3，損傷量的計算結(jié)果見表4。

表2 不同應(yīng)力水平聲發(fā)射數(shù)據(jù)（104）

表3 混凝土聲發(fā)射參數(shù)

從表4的測試數(shù)據(jù)分析，混凝土試件理論計算的損傷量與實際測得的損傷量的數(shù)據(jù)基本逼近，個別數(shù)據(jù)誤差在理論允許范圍，但仍較大，達到4.55%，是浸烘循環(huán)試驗40次后的損傷量。理論推導(dǎo)和實驗驗證表明通過聲發(fā)射與超聲波聯(lián)合判定混凝土構(gòu)件損傷量是可行的，但是試驗測試的損傷量與結(jié)構(gòu)的實際損傷量需要進一步吻合；公式中的參數(shù)應(yīng)進行更深入的研究。

表4 混凝土試樣損傷量

4 結(jié)語

1）根據(jù)損傷力學(xué)理論，推導(dǎo)出聲發(fā)射與超聲波聯(lián)合測試混凝土構(gòu)件損傷量的可行性；

2）通過設(shè)計的試驗測試混凝土試件的損傷量，與混凝土的實測損傷量比對發(fā)現(xiàn)基本能反映混凝土的實際損傷值，但需要進一步研究以保證試驗測試損傷量與實際服役結(jié)構(gòu)吻合。