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用声发射研究集料尺寸对混凝土 受压力学性能的影响 陈 兵,姚 武,吴科如 (同济大学 混凝土材料研究国家重点实验室,上海 200092) 摘 要:声发射作为一种动态无损检测方法,在混凝土材料研究中得到广泛应用。研究混凝 土在受压情况下的声发射特性,对含有不同最大集料粒径的普通混凝土和高强混凝土作了测试, 内容涉及声发射信号、 最大集料粒径、 抗压强度和压应变。实验结果表明,受压过程中探测到的声 发射信号包含的信息可用于判定试件的稳定性;声发射信号与集料粒径有很好的相关性。 关键词:声发射检验;抗压强度;应变;混凝土 中图分类号:TG115.28 文献标识码:A 文章编号:100026656(2001)0520194204 AN INVESTIGATION ON THE INFLUENCE OF AGGREGATE SIZE ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF THE CONCRETE UNDER COMPRESSIVE LOADING BY ACOUSTIC EMISSION CHEN Bing, YAO Wu, WU Ke2ru (State Key Laboratory of Concrete Materials Research , T ongji University , Shanghai 200092 , China ) Abstract :Being a kind of dynamic nondestructive testing method , acoustic emission(AE) was widely used in the research of concrete materials . AE characteristics of the concrete under uniaxial compression were studied. Tests were made on the normal and high strength concretes with aggregates of different sizes for AE signals , maximum aggregate size , compressive strength and compressive strain. Test results showed that the AE signals detected during the compression process contained potentially useful in2 formation for judging the stability of the specimens. G ood correlation was observed between AE signals and maximum aggregate sizes. Keywords : Acoustic emission testing; Compressive strength; Strain; Concrete 声发射技术作为金属和非金属材料检测及工程 结构稳定性监测手段,在国内外得到广泛应用。近 年来,声发射技术被引进混凝土力学研究,用于表征 混凝土的力学性能,取得了一定的成果13。 声发射技术虽然属于无损检测方法,但它不同 于其它的无损检测方法,主要表现在三个方面: 声发射是唯一与实时时间发生关系的测试方法。 声发射信号是由被测试物体直接发出而非无损检测 仪器发出。声发射是一种动态检测,能反映出材 料在荷载作用下,内部损伤的发展。因此,在各种无 损检测方法中,特别能发挥声发射优点的是对混凝 土破坏的检测,就是说,在混凝土这样的非均质体系 收稿日期:2000203209 中,由于超声波探伤的应用受到限制,与此相反,由 声发射检测缺陷的极限依赖于检测对象的系统破坏 的原过程所释放能量的大小及换能器的灵敏度4。 故声发射技术已经成为一种高度灵敏、 有效的无损 检测方法。 对于混凝土材料,集料被认为是其骨架,一般占 混凝土体积的60 %70 % ,甚至更多,其对新拌混 凝土的流变性能、 硬化混凝土的力学性能以及混凝 土的耐久性能都将产生很大的影响。本文主要通过 声发射技术研究集料粒径对混凝土在受压下力学性 能影响,并由此分析其影响机理。 1 实验装置和试样 1. 1 实验装置 491 第23卷第5期 2 0 0 1年5月 无损检测 NDT Vol. 23No . 5 May2 0 0 1 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 实验装置的示意图见图1。试样在万能实验机 上受压。声发射仪采用美国Physical Acoustic Corpo2 ration生产的SPARTAN AT2000系列。采用谐振频 率为150kHz的压电换能器,每次测试时都与梁相同 位置耦合(凡士林为耦合剂 ) , 前置放大器设为 40dB ,主体放大器选为30dB ,为排除噪声干扰,经实 验验证,门槛值设为40dB。 图1 实验装置示意图 1. 2 试件及其制备 试样为100mm100mm100mm的立方体试 样,龄期为28d。为研究最大集料尺寸对不同强度 等级混凝土的影响,配置了强度为40MPa的普通混 凝土和强度为80MPa的高强混凝土,集料的最大粒 径分别为5 ,10 ,15和20mm。 2 实验结果与讨论 2. 1 声发射事件数与抗压强度关系 图2a描述了在普通混凝土中,集料最大粒径与 强度变化关系。可以看出,随着集料最大粒径的增 大,混凝土的强度提高,但最大粒径达到15mm时, 强度又下降;从图2b描述的集料最大粒径与声发射 事件数的关系发现,随着集料最大粒径的增大,声发 射事件数增大,特别是当引入粗集料时(即集料最大 粒径超过5mm时 ) , 声发射事件数增加迅速。可以 从以下几方面进行分析,混凝土成型过程中,水 或者水泥浆体首先要润湿和包裹粗集料,当水灰比 和水泥用量一定时,集料粒径愈大,需要润湿的比表 面积愈小,从而改善混凝土工作性,提高混凝土的强 (a)(b) 图2 普通强度混凝土 (a)抗压强度与集料粒径关系 (b)声发射事件数与集料粒径关系 度;同时粗集料的骨架作用得以发挥。但集料粒径 过大时,在粗集料界面过渡区的Ca(OH)2晶体的定 向排列程度提高,使界面结构削弱,从而降低了混凝 土的强度。对于集料最大粒径为5mm的砂浆试件, 由于不含有粗集料,失去粗集料的骨架作用,从而强 度偏低。含有粗集料的混凝土,由于大粒径石子 下容易形成大界面缺陷,混凝土硬化后形成大的孔 洞,界面性能较差,在受压过程中,裂缝的产生和引 发往往从这里开始,因此,随着集料最大粒径的增 大,声发射事件数增多;而砂浆试件由于比较均质, 在受压过程中引发的声发射事件数较少。 图3a描述的高强混凝土的强度性能与普通混 凝土相同,但图3b的声发射事件数变化有些差异。 因为在高强混凝土中,界面的性能得到改善,在受压 情况下,混凝土的破坏往往出现集料被切断,这样对 于粗集料来说,集料粒径越小,被切断的次数越多, 所以随着集料最大粒径的增大,声发射事件数降低。 (a)(b) 图3 高强混凝土 (a)抗压强度与集料粒径关系 (b)声发射事件数与集料粒径关系 2. 2 声发射事件数与应变的关系 图4是典型的混凝土试件在受压下,压应变和 声发射事件累计数与时间的关系。可见,在受压过 程中的前三分之二阶段,压应变和声发射事件累计 数都随时间近似成线性增长,但水平相对较低。然 而,当试件接近破坏时,压应变和声发射事件累计数 都迅速增长,且与时间不再成线性关系。这些表明, 声发射事件累计数与压应变有着很好的相关性。 图4 典型的混凝土试件在受压下,压应变和 声发射事件累计数与时间的关系 591 陈 兵等:用声发射研究集料尺寸对混凝土受压力学性能的影响 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 除此,声发射振铃发生率与压应变也有着很好 的相关性(图 5) 。这些结果表明,声发射技术能够 很好地用于探测混凝土在受压下,压应变的变化。 图5 声发射振铃发生率与压应变的关系 在测试过程中还发现,声发射事件累计数与时 间之间都有着相同的发展趋势。图6是典型的声发 射事件累计数在整个受压过程中的变化,按声发射 事件数的变化,可以将整个受压过程划分为三个阶 段,即 初始阶段,应变较小,即压力机与试件刚刚 接触,出现了声发射信号,此阶段对应于混凝土的初 始压密阶段,混凝土内部原有的微孔隙微缺陷在外 载作用下逐渐被压实,使其内部微结构发生变化,产 生声发射,此阶段通常不到40s。稳定阶段,随着 压力不断增加,试件内部的微裂缝不断发展,相应地 不断产生声发射。不稳定阶段,当荷载接近85 % 极限荷载时,声发射事件数迅速增多,峰值荷载时尤 甚,说明此时混凝土内部的裂缝已由集料与砂浆间 的界面裂缝发展至砂浆内部,且由稳定发展状态过 渡到非稳定状态。从以上分析中可知,声发射事件 数由阶段2向阶段3迅速增加,可以用于监测试件 或结构的稳定性,作为试件破坏前的征兆。 图6 整个抗压过程中声发射事件数的变化 2. 3 受压过程中声发射事件振幅峰值分布 为研究每一阶段声发射事件振幅分布,我们引 入声发射事件率的概念,定义为在某一振幅峰值范 围内的声发射事件数占这一阶段的所有测得的声发 射事件数的比值。通过统计和计算,得出对应每一 阶段的不同振幅峰值的声发射事件率曲线,如图7a 和b ,分别显示了普通混凝土和高强混凝土的曲线。 (a) (b) 图7 抗压过程中三阶段对应的不同振幅 峰值的声发射事件率分布 从图中可见,无论是普通混凝土还是高强混凝土,在 初始和破坏阶段,高振幅的声发射事件率较高,而在 稳定阶段,低振幅的声发射事件率较高,这表明声发 射事件振幅分布与混凝土内部裂缝发展的形态有直 接关系,为此我们得出高振幅声发射事件率与最大 集料尺寸的关系。 图8a ,b分别是普通混凝土和高强混凝土的高 振幅声发射事件率与最大集料尺寸的关系,高振幅 声发射事件率是指振幅超过70dB的声发射事件占 整个事件数的百分比。在图8a普通混凝土中,高振 幅声发射事件率随集料最大粒径增大而变化不明 显,但在图8b高强混凝土中,高振幅声发射事件率 (a)(b) 图8 高振幅声发射事件率与集料最大粒径关系 691 陈 兵等:用声发射研究集料尺寸对混凝土受压力学性能的影响 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 较高,特别是最大集料尺寸为10mm的混凝土,达到 30 % ,这主要因为在高强混凝土被破坏时,粗集料被 切断,发出较高的声发射,而在普通混凝土被破坏 时,破坏主要由集料与水泥基体界面处的开裂引起, 引发的声发射能量较低,在砂浆试件破坏中,高振幅 的声发射事件较少。因此,声发射事件振幅的分布 可以反映材料破坏的机制。 3 结论 从以上研究结果,可以得出以下结论: (1)混凝土试件在受压过程中的声发射信号可 以划分为三个阶段,即初始阶段、 稳定阶段和不稳定 阶段,在这个过程中含有的丰富的声发射信号可以 用于判定材料在受压下的稳定性。 (2)声发射事件振幅峰值分布测试结果表明, 高振幅声发射事件率与混凝土内部裂缝发展有着很 好的相关性,它能反映材料的破坏机制。 (3)声发射事件累计数与混凝土强度有很好的 相关性,它能用于测定混凝土受压时应变的变化。 (4)声发射事件数能反映出集料最大粒径对混 凝土力学性能的影响,随着集料最大粒径的增大,声 发射事件数增多。 参考文献: 1Mihashi H, Nomura N , Niiseki S. Influence of aggregate size on fracture process zone of concrete detected with three di2 mensional acoustic emission techniqueJ . Cement and Con2 crete Research ,1991 ,21(5) :737 - 744. 2Chen HL , Cheng CT, Chen SE. Determination of fracture parameters of mortar and concrete beams by using acoustic e2 missionJ . Materials Evaluation ,1992 ,50(7) :888 - 894. 3Quyang CS, Landis E, Shah SP. Damage assessment in con2 crete using quantitative acoustic emissionJ . Journal of En2 gineering Mechanics Division ASCE,1991 ,117(11) :2681 - 2698. 4 若井史博.声发射在材料实验中的应用J .无损检测, 1989 ,11(6) :176 - 178. 辽宁省无损检测学会2001年无损检测 级培训班 及小径管超声波探伤培训班开班通知 根据G B9445国家标准关于无损检测人员培训 考核规则,辽宁省无损检测学会定于2001年6月2 30日举办 级超声和涡流培训班;定于2001年7 月6日8月3日举办 级磁粉、 渗透和射线培训 班。培训地点均在辽宁省丹东市工会会馆。对考试 合格者,将颁发中国无损检测学会 级人员技术资 格证书。 定于2001年9月716日举办小径管超声波 探伤培训班,培训地点在大连市旅顺海军基地第二 招待所。 参加培训者请速与我会培训部联系索取详细培 训通知(联系地址同下)。 高压绝缘瓷柱超声波探伤培训班招生通知 高压绝缘瓷柱的可靠性对电网的安全运行至关 重要。我国有关专家经长期对高压瓷柱的无损检测 研究,已取得显著成果,找到了稳定可靠的检测方 法,这一方法能有效地检出瓷柱与法兰结合部位的 使用裂纹及瓷柱内部缺陷。为推广这种新技术,辽 宁省无损检测学会拟于年内在某地举办高压绝缘瓷 柱超声波探伤培训班。由国内一流专家授课,除系 统讲授检测原理外,还详细讲解实际操作的方法步 骤,使学员达到独立检测的能力。参加者请速与我 会培训部联系报名。 通讯地址:辽宁省丹东市春三路23号 辽宁仪表研究所省学会培训部 邮编:118002 联系人:赵友杉 电话:[phone] 手机:[phone] 宅电:041523155636 电子信箱:lnndti online.ln. cn (辽宁省无损检测学会) 791 陈 兵等:用声发射研究集料尺寸对混凝土受压力学性能的影响 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.