锈蚀钢筋混凝土梁加载过程中声发射信号特征.pdf
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1、第 1 9 卷第 4期 2 0 1 6年 8月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI L DI NG MATERI AL S Vo 1 1 9 NO 4 Au g , 2 0 16 文章编号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 6 ) 0 4 0 6 8 2 0 6 锈蚀钢筋混凝土梁加载过程 中声发射信号特征 王 磊 , 钟 立恒 , 夏 海龙 , ( 1 广 西建筑 新 能源 与节 能重 点实 验室 , 广 西 2 桂林理工大学 土木与建筑工程学院,广西 张 鑫 桂林 5 4 1 0 0 4 ; 桂林 5 4 1 0 0 4 ) 摘要 :对不 同锈蚀率下钢筋混凝土梁
2、的加载破坏过程进行 了声发射试验 , 研究 了声发射事件定位 结 果与 梁构件 裂缝 开展 位置 的对 应 关 系及 声 发射 信 号特 征 结 果表 明 : 对 于不 同锈 蚀 率 下 的钢 筋 混凝土梁, 声发射事件定位结果与裂缝位 置具有较好的对应性 , 利用声发射技术对缺陷源进行定 位是可行 的, 并且可根据声发射事件数 量的增 长情况来判断梁构件 的受力阶段; 随着应力水平的 增大, 钢筋混凝土梁声发射信号频段 中心 由低频向高频转移 ; 随着钢 筋锈蚀率的增 大, 钢筋混凝 土 梁在破坏过程 中的声发射事件数量减 少, 其释放的总能量降低 关键 词 : 声发 射 ; 钢 筋 混凝
3、土 ; 锈 蚀 率 ;平 均频 率 ;能量 中图分 类号 : TU5 2 8 5 7 1 文 献标 志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 6 0 4 0 1 3 A c o u s t i c E mi s s i o n ( A E)C h a r a c t e r i s t i c s o f C o r r o d e d Re i n f o r c e d Co nc r e t e Be a ms i n Lo a d i n g Pr o c e s s W NG Le i , ZH0NG Li
4、h e n g , X A Ha i l o n g 。 , ZHANG Xi n。 ( 1 Gu a n g x i Ke y La b o r a t o r y o f Ne w En e r g y a n d Bu i l d i n g En e r g y S a v i n g ,Gu i l i n 5 4 1 0 0 4 ,Ch i n a s 2 C o l l l e g e o f Ci v i l En g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e ,Gu i l i n Un i v e r s i t y o f
5、Te c h n o l o g y ,Gu i l i n 5 4 1 0 0 4,Ch i n a ) Ab s t r a c t :Ac o u s t i c e mi s s i o n ( AE)a n a l y s i s o n l o a d i n g p r o c e s s o f c o r r o d e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms wi t h d i f f e r e nt c or r os i o n r a t i os wa s c a r r i e d out a t d i
6、f f e r e nt s t r e s s l e v e l s T he c ha r a c t e r i s t i c s o f A E s i gna l an d t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e AE e v e n t l o c a t i o n a n d c r a c k l o c a t i o n o f t h e s p e c i me n s we r e s t u d i e d Re s u l t s s how t ha t t he A E e v e nt l oc
7、 a t i o n ha s go od c oHe s po nde nc e wi t h t he c r a c k l o c a t i o n f or a l l t he s pe c i me ns Th e r e f o r e i t i S f e a s i b l e t o d e t e r mi n e d e f e c t 1 o c a t i o n o f c o r r o d e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms b y AE t e c h n i q u e Me a n wh
8、 i l e ,t h e s t r e s s s t a g e o f t h e s p e c i me n s c a n b e j u d g e d b a s e d o n t h e g r o wt h f o r n u mb e r o f A E e v e nt s W i t h t he i nc r e a s e of s t r e s s l e ve l 。t he a ve r a g e f r e q ue nc y c e nt e r o f t he s p e c i m e ns wi l l be s h i f t e d
9、f r om l o w f r e que nc y t o hi gh f r e q ue nc yW i t h t he i nc r e a s e o f t he c or r o s i o n r a t i o, t he num b e r o f A E e ve nt s i n t he da ma ge pr o c e s s of t he s p e c i m e ns wi l l d e c r e a s e a nd t he t ot a l e ne r g y o f t he s pe c i m e ns w i l l d e Cre
10、ase Ke y wo r ds :a c o us t i c e mi s s i on;r e i n f o r c e d c o nc r e t e;c o r r o s i o n r a t i o;a v e r a g e f r e q ue nc y;e ne r g y 混凝 土结 构 在 荷 载 和 环境 因素 的作 用 下 , 所 产 生的损伤及破坏大多以微观和宏观裂缝的形式表现 出来 , 而裂缝在扩展的过程 中往往伴 随着应力波 的 产生 , 因此采用声发射( a c o u s t i c e mi s s i o n , AE) 技术 来监测混凝土结构
11、中裂缝的形成和发展在一定程度 上是可行的 声发射技术在混凝土中的应用最初 由 R i i s c h E 提出 近年来 , 声发射技术被引进混凝土 力学领域 , 应用于混凝土破坏过程 中的裂缝扩展和 断裂特性等研究 引 由于钢筋锈蚀后 的性能变化 以 及钢筋与混凝土之间黏结关系 的变化 , 使得锈蚀钢 收稿 日期 : 2 0 1 5 0 9 2 3 ;修订 日期 : 2 0 1 5 1 2 - I 8 基金项 目: 国家 自然科 学基金 资助项 目( 5 1 2 6 8 0 0 9 ) ; 广 西矿 冶与环境科 学实验 室中心项 E t ( KH2 0 1 1 Z D 0 0 7 ) 第一作者
12、 : 王磊( 1 9 7 7 一 ) , 男, 山东兖州人 , 桂林理工大学教授 , 硕 士生导 师, 博士 E ma i l : t i a n mu 7 7 1 6 3 c o rn 第 4 期 王磊 , 等 : 锈蚀钢筋混凝 土粱 加载过程中声发射信号特征 6 8 3 筋混凝土梁受力 破坏过程更加复杂 , 将声发射技术 与传统 的检测方法结合起来 , 对于准确判定锈蚀钢 筋混凝土结构的损伤及力学状态具有积极意义 本文利用声发射技术对不 同锈蚀率下钢筋混凝 土梁的加载过程进行在线监测 , 对声发射定位信号 、 频率特征信号、 能量信号 , 以及梁在受力过程 中裂缝 形成及开展情况进行 了对
13、 比分析 , 重点研究 了不同 锈蚀率下钢筋混凝土梁在不同受荷 阶段 的声发射特 征 和受 力状 态 1 试 验 1 1原材料 及 配合 比 水泥采用海螺牌 P O 4 2 。 5普通硅酸盐水 泥; 细骨料为天然 中砂, 细度模数 2 5 ; 粗骨料 为普通碎 石 , 最大粒径为 2 0 mm; 为 了在加速锈蚀试验中增加 混凝土的导 电能力 , 本试验采用质量分数为 5 的 Na C I 溶液代替水来配制混凝土 混凝土配合 比见表 1 , 其 中水灰 比指 Na C 1 溶液与水泥的质量比 表 1 混凝土配合比 Ta bl e 1 M i x p r o p o r t i o n o f
14、c o n c r e t e 1 2梁构 件 的设计 与制 作 制作钢筋锈蚀率 ( 质量分数 , 下同) 分别为 6 , 9 , 1 2 , 1 5 , 1 8 的钢 筋 混 凝 土 梁 构 件 , 分 别 标 记为构件 A, B, C, D, E, 另将未锈蚀钢筋混凝土梁 作为对 比梁构件 F 考虑 到声发射二维平 面定位监 测时, 构件平面外尺寸越大 , 对声发射信号的准确性 影响越大, 为 了减小试 验误 差 , 梁构 件采用尺寸为 7 0 F i l mX1 5 0 mmX1 3 0 0 mm 的单筋矩形截面梁 , 其 尺寸 及 配筋如 图 1 所 示 醴 oo f 圆 图 1 梁构
15、件尺 寸及 配筋示 意图 Fi g 1 Di me n s i o n f i g u r e a n d r e i n f o r c e me n t f i g u r e o f s p e c i me n ( s i z e : mm) 采用木模水平浇筑钢筋混凝土梁 , 浇筑前在纵筋 上接好导线 , 以便后 期对 梁构件 中钢 筋进行 加 速锈蚀 试验 1 d 后拆模, 标准养护 2 8 d后, 将梁构件置于质量 筋进行加速锈蚀, 钢筋的理论锈蚀率根据法拉第定律嘲 来计算, 并控制电流大小和通电时间以使钢筋达到理论 锈蚀率 待加载试验完成后, 将梁构件中钢筋取出, 采用 分数为
16、5 的Na C 1 溶液中, 采用直流电对梁构件中钢 称重法测定钢筋的实际锈蚀率, 结果见表 2 表 2 钢筋 的锈蚀率 Ta b l e 2 Co r r o s i o n r a t i o o f s t e e l i n r e i nf o r c e d c o n c r e t e 1 3试验装置及加载方式 采 用简 支梁 形 式 , 利 用 油 压 千斤 顶 和分 配梁 对 梁构 件进行 三分点分 级加 载, 应力 水平 取 0 2 , 0 4 , 0 6 , 0 8和 1 0 , 通过 压力传感器读 取荷载数 值 采用美国物理声学公司 ( P AC ) 生产 的 S A
17、MOS _ 4 8型声发射仪 , 以二维平 面定位方式 布置传感器 , 获取加载过程 中采集 区域范围内的声发射信号 , 试 验装置及 AE传感器 ( 1 1 1 6 ) 布置如 图 2所示 将 声发射测试系统的前置放大器设定为 4 0 d B, f - 1 槛 值为 3 5 d B, 探头谐振频率为 2 O 1 0 0 k Hz , 传感器 与混凝土表面接触处使用凡士林耦合 , 并用绝缘胶 带将传感器固定在梁侧面 的正确位 置上 以梁侧面 左下角为原点 , 各传感器所 在梁侧面 的位置坐标分 别 为 : 1 l ( 2 0 0 mm, 7 5 ram) , 1 2 ( 5 0 0 mm, 3
18、 0 ram) , 6 8 4 建筑材料学报 第 1 9 卷 1 3 ( 8 0 0 mn 1 , 3 0 mm) , 1 4 ( 1 1 0 0 n 1 m, 7 5 mm) , 1 5 ( 5 O 0 n l r n , 1 2 0 ram) , 1 6 ( 8 0 0 mm, 1 2 0 ram) , 在 梁 支座 和跨 中位 置放置位移百分表 Re a c t i o n f r a m e I d i a l 撇 g a 眦 ug e m l l I I 一厂。 I _ 一 l l l I I 1 l rS e ns 0 r l 5 。Te s t b e 锄 1 6 1 4 1 2
19、 1 3 r 1 v vo 0 I u pp 呲 。 1 3 0 0 图 2 试验装置及 AE传感器布置图 Fi g 2 Te s t a pp a r a t us a nd t he a r r a ng e me nt o f AE s e n s o r s ( s i z e : ram) 2 试验结果及分析 2 1 声 发射 事件 定位 结果 分析 本次试验 中信号波主要为混凝土开裂过程 中产 生的应力波 , 由不同传感器组合获取信号后_ 9 , 经过 放大和滤波处理后在对应的声发射特征信号图中显 示 声发射事件定位 图由声发射仪在梁受压破坏过 l 萋 蓍 l 蓍 Le n g t
20、 h mm ( a )2 = 0 2 Le ng t h ram ( c ) 2 = 0 6 1 5 O 目 1 2 0 善 9 0 6 O 雹 3 0 程中采集得 出; 同时, 记录梁破坏过程 中裂缝的形成 与扩展 , 得 出裂缝的定位 图, 并通过绘图软件将其与 声发射事件图相结合 , 得 到图 3 图 3中横坐标为沿 梁长方向的坐标值 , 纵坐标为沿梁高方 向的坐标值 由图 3可见 , 声 发射事件与钢筋混凝土试验梁在不 同受荷阶段的裂缝发展吻合较好 , 在裂缝形成和扩 展的地方 , 声发射事件较为密集 试验梁在应力水平 为 0 O 2时产生 的声发射事件较少 , 裂缝数量也 较少 ,
21、此阶段为裂缝开始形成 的阶段 , 对应梁破坏过 程中的第 1阶段 , 即截面开裂前 的阶段 ; 为 0 2 0 8时梁底部声发射事件数量增长迅速 , 裂缝 数量 增加 , 此阶段为裂缝的稳定扩展及贯通阶段, 对应梁 破坏过程 中的第 2阶段 , 即梁从截面开裂 到受拉 区 钢筋开始屈服 的阶段 ; 为 0 8 1 0时梁钢 筋屈 服 , 此阶段无新裂缝产生, 主要为裂缝的扩展贯通阶 段 , 声发射事件数量在梁顶部位置骤增, 混凝土发生 受压破坏 , 梁顶部混凝土压碎并剥落 , 主裂缝宽度增 大 , 梁进人第 3阶段 , 即破坏阶段 由图 3还可以发现 , 依 然有相 当部分 的声发射 罾 雹
22、墨 誊 Le n g t h mm ( b )2 = 0 4 Le n g t h mr n ( d )2 = 0 8 Le n g t h ml T l ( e )2 =1 0 图 3 梁构件 C的声发射事件与裂缝 定位 图 F i g 3 F i g u r e s o f AE e v e n t s a n d c r a c k l o c a t i o n o f s p e c i me n C 第 4 期 王磊 , 等 : 锈 蚀钢筋混凝土梁加载过程 中声发射信号特征 事件定位不在记 录的梁构件的裂缝位置 , 这主要有 以下 3 个原因: ( 1 ) 声发射信号在从梁构件传播
23、至传 感器的过程 中可 能要经过反射、 模式转换以及波 的 衰减 , 这些过程都会使实 际缺 陷源发出的信号 和最 终被接收到的信号存在一定 的差异, 对源信号位置 的判别造成了干扰; ( 2 ) 加载过程中形成的裂缝 以及 锈胀裂缝的存在均会对新裂缝声发射信号的传播产 生一定 影响 , 如 图 4所示 图 4中 , 裂 缝 A发展 产生 的 声发射信号在传播过程 中遇到裂缝 B后会发生绕缝 传播现象, 信号实际传播路线沿图中实线传播 , 这就 使得传感器接收到的定位信号不 准确或存在部分声 发射信号未被接收到的现象; ( 3 ) 本试验采用二维平 面定位 , 裂缝在平面外的三维空间发出的信号
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- 锈蚀 钢筋混凝土 加载 过程 声发 信号 特征
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