（材料学专业论文）基于ae技术的混凝土细观损伤的研究.pdf

摘要 声发射技术是研究混凝土力学性质的一种声学方法。混凝土的每一个声发射 信号都包含着反映混凝土内部缺陷性质的丰富信息，对这些信息加以处理分析和 研究，可以推断混凝土内部形态的变化，反演混凝土的损伤破坏过程。 本文对几个不同等级的混凝土进行了在受载状态下的声发射监测，比较了声 发射累积事件数和声发射累积能量对时间的变化趋势，结合混凝土材料损伤过 程，选择使用声发射累积能量来表征材料损伤状态，并且在细观力学层次上予以 解释。研究发现混凝土声发射累积事件数与损伤两者在影响因素方面具有一致 性。 本文还分别对素混凝土、掺加4 m m 纤维混凝土和掺加6 m m 纤维混凝土进 行了三点弯曲循环加载试验，根据塑性挠度变化推出材料的损伤状况，经回归分 析得到不同系列材料的损伤挠度关系方程。在对上述各组材料进行三点弯曲加载 的同时也对其进行声发射监测，建立了材料声发射参数与挠度的关系方程。基于 以上研究，以挠度为中间变量得到了混凝土损伤与声发射累积能量之间的转化关 系，从而可以根据声发射累积能量定量化地监测和描述混凝土材料的细观损伤， 并从细观层次上分析了纤维在混凝土中的作用。 关键词 声发射：混凝土；细观损伤；累积能量；纤维 a b s t r a c t a ei sau s e f u lt e c h n i q u ef o r t h es t u d yo nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f c o n c r e t e a n y a c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a lf r o mc o n c r e t ei sa s s o c i a t e dw i t hd e f e c t sa n dc r a c k sw h i c h p r o p a g a t ei nt h ec o n c r e t eu n d e rl o a d i n g t h ei n f o r m a t i o nw h i c hh a sb e e na n a l y z e d c a nb e a p p l i e dt om o n i t o rt h ed a m a g ec h a n g e si nc o n c r e t e ，t h u st h ep r o c e s so fd a m a g e a n df r a c t u r ec a nb ei n f e r r e d i nt h i st h e s i s ，t h ea c o u s t i ce m i s s i o na c t i v i t i e so fc o n c r e t eo fs e v e r a ld i f f e r e n t g r a d eu n d e rl o a d i n ga l em o n i t o r e d ，a n dt h ec h a n g et r e n d so ft h ea ec u m u l a t i v e e n e r g ya n dt h ea ec u m u l a t i v ee v e n tv s t i m er e s p e c t i v e l ya l ec o m p a r e d c o m b i n e d w i t ht h ed a m a g ep r o c e s so fc o n c r e t em a t e r i a l s ，t h ea ec u m u l a t i v ee n e r g yi sc h o s e nt o s h o wt h ed a m a g es t a t e ，a n dt h ee x p l a n a t i o no ft h em e s o s c o p i cm e c h a n i c si sg i v e n t h es t u d ys h o w st h a tt h ei n f l u e n c ef a c t o r so fa ec u m u l a t i v ee n e r g yh a v eag o o d a g r e e m e n tw i t ht h a to fd a m a g ei nc o n c r e t e t h et h r e e - p o i n t - b e n d i n gc y c l i ce x p e r i m e n t so f p l a n ec o n c r e t ea n df i b e rr e i n f o r c e d c o n c r e t ec o n t a i n i n gf i b e r so f4 m ma n d6 m mi nl e n g t h ，r e s p e c t i v e l y , a l ec a r r i e do u t t h ed a m a g es t a t ec a l lb ei n d u c e df r o mt h ec h a n g eo f p l a s t i cs t r a i n ，a n dt h er e l a t i o no f d a m a g ea n ds t r a i no fd i f f e r e n ts e r i e sc a nb eo b t a i n e d a tt h es a m et i m e ，t h ea e a c t i v i t i e sa r ea l s om o n i t o r e dd u n n gt h el o a d i n gp r o c e s s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e a ei n d e xa n ds t r a i nc a nb es e tu p s t r a i na c t i n ga sm e d i a lv a r i a b l e ，t h er e l m i o no f d a m a g ea n da ec u m u l a t i v ee n e r g yo fc o n c r e t ei sp r o p o s e d b a s e du p o na b o v es t u d i e s ， t h em e s o s c o p i cd a m a g eo fc o n c r e t ec a nb em o n i t o r e da n dq u a n t i t a t i v e l yd e s c r i b e db y a ec u m u l a t i v ee n e r g y t h ei n f l u e n c eo ff i b e ro nc o n c r e t ei s a l s oa n a l y z e d b y m e s o s c o p i cd a m a g em e c h a n i c s k e y w o r d sa c o u s t i ce m i s s i o n ：c o n c r e t e ；m e s o s c o p i cd a m a g e ：c u m u l a t i v ee n e r g y ： f i b e r 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰 写成硕士学位论文“基于a e 技术的混凝土细观损伤研究 。除论文中已经注明 引用的内容外，对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本论文中不包含任何为加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未 公开发表的成果。 学位论文作者签名： 钟堪 2 0 0 4 年0 2 月 硕士论文：基于a e 技术的混凝土细观损伤研究 1 1 前言 第一章绪论 材料损伤与断裂( 破坏) 过程的研究一直是力学界和材料学界研究的热点和 难点。混凝土作为一种工程材料，在土木工程中应用很广泛。以往有关混凝土力 学特性的力学模型大多是基于对混凝土材料的宏观层次的认识，其主要特点是把 具有多相、非均匀性质的材料理想化为均质、连续体进行建模，这种简化尽管在 一定程度上满足了工程的实际需要，但却难以用这种方法研究混凝土材料在外载 荷作用下裂纹萌生、扩展及贯通而导致的由细观层次到宏观层次的损伤与断裂过 程。 像混凝土这种工程材料，在自然状态下属于明显的多孔介质材料。混凝土构 件受到一定的外力作用后，它的内部往往在骨料界面附近产生许多微裂纹( 损伤 场) ，其开裂面大体上同最大拉应变或最大拉应力垂直，裂纹主要沿骨料界面发 展，使混凝土的应力一应变曲线出现“应变软化”现象。这种现象能否用损伤来描 述，以及如何描述混凝土的应变软化过程，一直是混凝土界很多专家学者重点研 究的课题。因此，国际上已经开始注意到从混凝土细观尺度出发研究混凝土材料 宏观损伤与断裂过程【l 】。 目前用于细观损伤力学研究的主要方法有【2 】：1 ) 显微图像重建和特征识别方 法。这一方法可与动态显微观察技术和计算机图象识别技术相结合，从而解决对 细观损伤演化的检测。但是这种方法观测的区域太小，而且只能观测材料表面细 观损伤过程。2 ) 声发射方法。此方法可以在一定的分辨率下识别出物体各点声 学张量的变化，从而监测和预测材料内部微裂纹成核和扩展方向。但是声发射事 件的统计定量分析结果与细观损伤结果难以一一对应，若辅之以适当的理论模型 和后处理软件，此方法也可以用于预测体内的平均损伤行为。3 ) 多方位透析扫 描技术和各向异性损伤识别。这时信号分布的平均值和均方差将分别应用于损伤 程度和各向异性特征。此方法可以无损的检测出材料和结构内部的细微变化，但 是由于其分辨率很小，不能进行一般岩石矿物颗粒尺度的结构和损伤观测。而且 第1 页共6 l 页 硕士论文：基于a e 技术的混凝土细观损伤研究 这种方法价格比较昂贵。 综合比较而言，通过建立定的模型用声发射技术可以比较连续的探测到材 料损伤演化过程，而且比较适合用于混凝土这种复合材料的研究。 1 2 声发射技术 1 2 1 声发射技术的概念 材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能 的现象称为声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ，a e ) 。各种材料声发射的频率范围很宽， 从次声频、声频到超声频，所以，声发射也可以称为应力波发射。声发射是一种 常见的物理现象，如果释放的应变能足够大，就产生可以听得见的声音。但是有 些声发射信号的强度很弱，人耳不能直接听见，需要借助灵敏的电子仪器才能检 测出来。用仪器检测、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称 为声发射技术【3 1 。 人们对材料在断裂、变形、相变时的声发射早有观察，地震、锡鸣就是其例。 但是声发射检测必须有外部条件的作用，使材料或构件发声，如力、电磁、温度 等因素的作用；另一方面，由于这些因素的作用，使材料内部结构发生变化，如 晶体结构变化、滑移变形、裂纹扩展等，发声是在材料内部结构变化过程中产生 的，也只有内部结构变化，才能引起能量释放，才能发声。因此，声发射检测是 一种动态无损检测方法，即：使构件或材料的内部结构、缺陷或潜在缺陷在检测 中主动参与了检测过程。如果裂纹等缺陷处于静止状态，没有变化和扩展，就没 有声发射发生，也就不能实现声发射检测。由于声发射检测是一种动态无损检测 方法，而且，声发射信号来自缺陷本身，因此，用声发射法可以判断缺陷的严重 性。一个同样大小，同样性质的缺陷，当它所处的位置和所受的应力状态不同时， 对结构的损伤程度也不同，所以它的声发射特性也有差别。明确了来自缺陷的声 发射信号，就可以长期连续的监视缺陷的安全性。 除了极少数材料外，金属和非金属材料在一定条件下都有声发射发生，所以， 声发射检测几乎不受材料的限制。 第2 页共6 1 页 硕士论文：基于a e 技术的混凝土细观损伤研究 由于声发射具有上面一系列特点，近年来有许多科学家和工程技术人员致力 于发展和应用声发射技术。 1 2 2 声发射技术的基本原理 声发射的激发过程与机理极为复杂，至今还未被人们充分认识。一般认为， 金属材料中的位错运动和塑性变形，裂纹的形成、扩展及材料的断裂，马氏体相 交以及磁性效应等过程都将产生严格定义上的声发射。这些激发过程都称为声发 射源，他们发出的信号经介质传播后到达换能器，由换能器接收，输出电信号， 不同的激发过程之间声发射信号的相对幅值是不同的，材料在屈服时发生连续型 声发射信号，其幅值甚小而发射率甚高，传感器所接收到的信号电压约为数微伏。 在滑移线和塑性区边界上的位错雪崩及脆性夹杂物所导致的微断裂，可使传感器 产生数十微伏的突发型信号。单个晶粒尺度上的相变、孪生和微观开裂也可产生 同样数量级的信号或者更强一些。对于高脆性的材料，突发的宏观开裂 ( o 0 1 1 0 0 m m ) 可产生数毫伏乃至数十伏的信号。 声发射检测的目的就是根据这些输出的电信号对声发射源做出正确的解释。 因此研究和应用声发射技术就应该研究声源是如何发声的，以及声波在介质中的 传播规律。下面介绍一些声发射技术的基本原理。 l 、声发射产生的条件【3 4 】 一个断裂事件的出现产生应力波发射，把应力波所负载的能量比拟为弹性应 变驻能容器中某一个位置能量的局部释放。在这里可以用机械的不稳定性来比拟 声发射的产生，用一个简单的质量块一弹簧模型来模拟材料中发生的断裂事件。 如图l 所示。 ” 图1 1 用弹性立方体模型模拟声发射过程 ( a ) 原始状态( b ) 新的平衡状态 第3 页共6 l 页 硕士论文：基于a e 技术的混凝土细观损伤研究 假定两个拉长的弹簧中间有一个质量块，如果每个弹簧的初始刚度是k ，拉 长为么，弹簧所受到的初始拉力为p 。若令弹簧2 刚度突然降低到k 一6 k ，那 么弹簧受到的拉力相应降低印，相应的弹性应变能降低0 7 ，经过一系列的力学 和能量守恒推导可以得到： 铲= 砸k i 6 k x 雨 ( 1 1 ) 阳= 丽k s k x 2 ( 1 2 ) 4 1 2 k 一戤) 、7 从上面两式可以看出，质量块一弹簧系统所释放的能量与载荷的瞬间降落 舻成比例，而印与刚度的瞬间减小8 k 成正比，因而释放的能量也与出现事件 的应变成比例。从这里可以引出结论，声发射的产生是材料中局部区域快速卸载 使弹性能得到释放的结果。如果固体中所有的点在同一时间受到同一机械力作 用，那么这么物体在时间和空间上将同时发生运动变化，当这个物体作为一个整 体而运动，这个过程就不会产生波的过程。只有在局部作用时，物体各部分有速 度变化，才出现波的过程。 大部分材料都是非均质的和有缺陷的。在外应力作用下，内部强度较低的微 元体在局部应力集中到某一程度时发生破坏( 产生塑性变形) ，使局部应力松弛， 产生应力降，造成局部区域快速卸载，因而产生声发射。 但是实际的物体是具有一定的尺寸和表面的，应力波到达表面时，导致物体 形状的变化表现为振动。只有当卸载时间f 刀，是系数，通常大于1 ，取决 于仪器的灵敏度，丁是振动波的周期。可见，声发射源快速卸载的时间决定声发 射信号的频谱，卸载时间越短，能量释放速度越快，声发射信号的频谱扩展到更 高的频率，能量释放的速度取决于声发射的机构，理论计算表明，不同的材料和 不同的声源机构，声发射信号的频率分量可以从次声频扩展到5 0 m h z 。 从上面的分析可知，材料产生声发射的必要条件是：( 1 ) 局部塑性变形或断 裂产生应力降；( 2 ) 快速卸载，如果卸载时间较长，释放的能量减小，就可能使 灵敏度较低的检测仪器检测不到声发射信号。此外，仪器能否接受到信号还与材 料的性质有关，如果材料的衰减系数很大，也有可能接受不到信号。 固体介质中传播的声发射信号含有声发射源的特征信息，要利用这些信息反 第4 页共6 1 页 硕士论文：基于a e 技术的混凝土细观损伤研究 映材料特性或缺陷发展状态，就要在固体表面接收这种声发射信号。而实际声发 射检测中，检测到的信号是经过多次反射和波形变换的复杂信号。最后仪器通过 声发射信号输出各项表征参数。 这些参数主要有声发射事件与振铃计数率和总数、幅度及幅度分布、能量及 能量分布、有效电压值、频谱和波形等。 2 、几个常用的声发射表征参数【3 4 】 1 ) 声发射事件与事件计数率 计数法是处理脉冲信号的一种常用方法。对于一个突发型信号波形，包络检 波后，波形超过预置的阈值电压形成一个矩形脉冲。若一个突发型信号形成一个 矩形脉冲叫做一个事件，这些事件脉冲数就是事件计数。单位时间的事件计数称 为事件计数率，其计数的累积就称为事件总数。 事件也可以用振铃计数法。对于一声发射信号设置某一阈值电压后，振铃波 形超过这一阈值电压的部分形成矩形脉冲，计数这些振铃脉冲数就是振铃数，单 位时间的振铃称为声发射率，累计起来称为振铃总数。取一个事件的振铃计数称 为事件振铃计数或振铃事件。一个事件的振铃计数方法比较简单，既适用于突 发型信号，也适用于连续型信号，因此，在声发射检测中得到广泛的应用。 2 ) 振幅和振幅分布 振幅分布又称为幅度分布，振幅是指声发射波形的峰值振幅。振幅及振幅分 布被认为是可以更多的反映声发射源信息的一种处理方法。它既可以是事件计数 对振幅的分布，也可以是振铃计数对振幅的分布。 试验表明，不同的声发射源具有不同的振幅分布谱。有随振幅增加计数单调 减少的分布谱，有高斯分布谱，比较经常遇到的是在比较宽振幅比的范围内，以 双对数表示为负斜率的直线分布谱。 3 ) 能量 声发射能量反映声发射源以弹性波形式释放的能量。这里所做的能量分析是 针对仪器输出的信号进行的。瞬态信号的能量定义为 e = i 1f y 2 ( f ) 以 ( 1 3 ) 式中v ( t ) 为随时间变化的电压，只是电压测量电路的输入阻抗。但是这一公式只 适用于瞬态信号，对连续波无意义。 第5 页共6 1 页 硕士论文：基于a e 技术的混凝土细观损伤研究 虽然信号幅度可以代表能量，但常用的声发射能量测量方法是把声发射事件 所包含的面积作为能量的测量参数。能量参数分为总能量和能量率两种，前者指 在试验过程中所测得的累计能量值；后者则是单位时间内的声发射能量。根据实 验需要还可以测量每个事件所包含的能量。 3 、裂纹的形成和扩展与声发射参数之间的联系 裂纹的形成和扩展是一种主要的声发射源，裂纹的形成和扩展也是许多结构 破坏的基本原因。因此，由裂纹的形成和扩展所激发的声发射，对断裂力学研究 和结构失效预报都具有特别重要的意义。 材料在外力作用下，材料的断裂过程大体上可以分为三个阶段，1 ) 裂纹成 核；2 ) 裂纹扩展；3 ) 最终断裂。这三个过程都可以成为强烈的声发射源。塑性 材料受到外力作用时，由于其中第二相硬质点与基体材料变形不一致，往往在二 者界面上形成微孔。当外力增加时，微孔得以长大，相邻微孔连接在一起形成初 萌的裂纹。裂纹尖端由于应力集中而形成塑性区域，在外力作用下，塑性区域产 生微观裂纹，进一步发展为宏观裂纹。 脆性材料不产生明显的塑性变形。一般认为，位错塞积是脆性材料形成微裂 纹的基本原理。由于裂纹尖端的塑性区较小，裂纹扩展较为迅速。这样一来，裂 纹的扩展过程就包含着材料内部某一位置上能量的局部积聚和释放的过程。这是 一个间断过程。由这样的过程所激发的声发射具有突发特征。脆性材料由于不产 生明显的塑性变形，其声发射频度低，每次的发射强度大；塑性材料与之形成对 照，声发射频度高，每次发射强度小。 在断裂力学中，材料内部裂纹尖端的应力场用应力场强度因子来表述。如果 塑性变形仅在裂纹尖端附近发生，则塑性区的大小也完全决定于应力场强度因 子。d u n e g a n 5 】等用带穿透裂纹的板状试件进行试验，得出下式： n = c k 4 ( 1 4 ) 式中：表示声发射计数，c 是与板厚、塑性区半径等有关的常数，k 是应力 场强度因子。 上式建立了给定载荷下的声发射计数与裂纹尖端应力场强度因子的直接关 系。这是一项很重要的结论。因为实际上是应力场强度因子控制快速裂纹扩展的 起始而不是裂纹本身的尺寸。因此，如果临界应力场强度因子( 即断裂韧性) 疋 第6 页共6 l 页 硕士论文：基于a e 技术的混凝土细观损伤研究 为已知，便可采用声发射技术来直接推定在给定载荷下材料接近破坏的程度。当 然，上式只是在一定条件下得出的实验结果，他的应用还有一定的局限性。 e v a n s t 6 1 等用多晶铝进行试验，观测了声发射效应与裂纹扩展之间的关系，发 现： 了d n ：k 2 ( 1 5 ) 一= ii l i ，、， 式中：表示声发射计数，a 表示裂纹长度，k 是应力场强度因子，上式是在室 温的水中，经过近似得到的。 王祖荫吲还用梁进行恒定应力条件下裂纹扩展的声发射试验，发现所施加的 应力对初始声发射有明显影响。应力增加一倍可使声发射率增加一个数量级以 上。在高应力作用下，声发射率的猛增与试件断裂在时间上颇为一致。但是高应 力条件下声发射率的猛增比较突然，导入时间短，而低应力状态下导入时间比较 长。 h t a k a h a s h i 7 1 等人用钢进行试验研究，指出：累计声发射能量e 膪与裂纹 增长面积( a a ) 有如下关系： 毋= 口) l j ( 1 6 ) a r o r a 8 等进行了声发射监测裂纹生长的试验，得知声发射计数与开裂 面积( 鲋) 有线性关系存在： = d a a , i v ( 1 7 ) 一 、7 式中：p 是系数。 还得知声发射计数率与开裂速度，也具有线性关系： = 留v ( 1 8 ) 式中：g 是比例系数，p 、g 都与试验仪器、材料特性有关。 这些试验结果表明：声发射活动提供了有关裂纹尺寸的信息，因而声发射技 术在材料失效预报的定量化方面具有潜力，p o l l o c k 经过研究给出下式： = 1 8 幔矿( 翔。 n 9 ， 第7 页共6 1 页 硕士论文：基于a e 技术的混凝土细观损伤研究 式中：e 肚是声发射能量，曰表示试件厚度，a c t 是裂纹的扩展量，g 是裂纹扩 展的能量释放率。在裂纹快速扩展条件下，掣不一定是常数，下标0 表示在口= 0 o a 条件下的取值。 大平就各种结构材料的疲劳试验进行声发射监测，获得相对于单位裂纹扩展 量的声发射事件数_ d n 和最大应力场强度因子k 一之间的关系。 a a 从上面可以看出：材料的裂纹与声发射的一些宏观参数存在某些特定的关 系，如果材料内部结构发生损伤变化，就可以通过声发射的一些宏观参数来推测 其变化。 1 3 声发射在混凝土类准脆性材料中的应用 1 3 1 声发射技术在混凝土中应用的历史 据文献记载【10 1 ，最早对岩石类材料声发射现象进行研究的是1 9 4 1 年的 o b e r t t l l l 和1 9 4 2 年的h o d g s o n e l 2 1 ，当初他们两人对采矿开挖过程中岩爆的预测问 题都很感兴趣，他们两人不仅是用声发射来检测结构的最早构思者，而且也是最 先采用声源技术确定最大应力的实施者。但是，声发射作为一门技术和有科学价 值的研究工作是德国k a i s e r t l 3 】在1 9 5 0 一- - 1 9 5 3 年开始进行的。他观察到金属锌、 铜、铝及铅都有声发射现象，并发现了声发射的不可逆效应，也称为凯塞效应。 1 9 5 9 年，德国的r u s h t l 4 】首次将声发射技术应用到混凝土中。他发现在循环 作用力下，混凝土试块在极限强度7 0 - 8 0 以下时，存在凯塞效应。同一年， l h e r m i t e 1 5 】也对混凝土声发射进行了研究，指出在泊松比开始增加的那一点( 混 凝土中基体开始出现大裂缝) ，声发射急剧增加。在1 9 6 5 年，r o b i n s o n 0 6 利用精 密仪器发现，在较低载荷下，也有声发射，因此指出利用声发射可以探测到早期 的微裂纹( 如水泥基体与集料界面间的微裂纹的发展) 。到了1 9 7 0 年，w e l l s 7 】 设计出更精密的仪器，用此可以探测到频率变化范围为2 2 0 k h z 的声发射，然 而他不能排除噪音的影响。同年，g r e e n 1 8 】也报道了一系列测试，指出频率可达 到i o o k h z ，并且第一次明确提出了声发射与混凝土的破坏过程有关；利用定位 第8 页共6 l 页 硕士论文：基于a e 技术的混凝土细观损伤研究 技术，确定裂纹产生的位置。故此，表明声发射可以作为混凝土破坏的早期征兆。 8 0 年代以后，声发射技术应用到混凝土中就更加活跃了，研究的领域也更加 广阔，并且研究更加具体了。但概括起来，声发射技术在混凝土中的应用主要包 括以下三个方面1 9 】： 1 影响混凝土声发射特性参数。主要包括：k a s i e r 效应，加载装置，信号 衰减，试样尺寸，集料种类和混凝土强度。 2 实验室中声发射特性研究，如断裂机制研究、裂缝种类研究、断裂过程 区定位，混凝土强度与声发射参数间关系以及不同状态下混凝土声发射特性研 究。 3 现场工程中的应用，主要针对一些大型桥梁的检测，这里面主要包括对 于声发射信号的处理方法。 其中，在现场工程的应用中，声发射是少数几个实用比理论成熟的技术之一。 总的说来，声发射技术在混凝土中的应用可以分成几个时期：4 0 - - 5 0 年代是 声发射及其技术的诞生期；6 0 年代是接受声发射频率大于1 0 0 k h z 为主的确定期； 7 0 - 8 0 年代为声发射在混凝土及其工程中的应用探索和进一步完善期：9 0 年代至 今是声发射技术的实用阶段，对信号的分析进一步成熟。 1 3 2 声发射技术在混凝土断裂损伤中的应用 由于声发射是材料破坏断裂过程中的一种伴生现象，因此有可能利用这种现 象对混凝土的断裂损伤进行监测。自从g r e e n 在1 9 7 0 年第一次明确提出了声发 射与混凝土的破坏过程有关，有关这方面的研究就逐渐发展起来。 1 9 8 2 年，r o y l e s l 2 0 1 利用声发射对纤维增强混凝土中纤维拔出机制进行了研 究，指出振幅分布、频率异同可以用来区分纤维拔出机制。后来有些学者【1 9 1 在 r o y l e s 研究的基础上，根据这些声发射参数能将砂浆、素混凝土、钢纤维混凝土 的破坏机制划分为不同的阶段。m c c a b ee t a 1 【2 l 】对声发射用于混凝土中进行了详 尽的研究，他们分别作了抗压、徐变和抗弯等条件下的声发射，认为声发射能很 好的评价和预测混凝土的破坏和寿命。“和p o o r o o s h a s b 2 2 】利用声发射技术检测 了普通混凝土和钢筋混凝土破坏初始和临界状态。m a j i 和s h a h 2 3 3 利用声发射技 术研究了混凝土断裂过程区，指出声发射事件发生率能用来研究裂缝的发展和阻 碍作用。 第9 页共6 l 页 硕士论文：基于a e 技术的混凝土细观损伤研究 上面的研究都更一步明确了声发射在混凝土破坏和损伤研究中的可行性，尤 其r o y l e s 、m a j i 和s h a h 的研究给声发射在混凝土中的应用指明了一条道路：即 利用声发射的各种参数逐步定量化混凝土的破坏，而不是仅局限于定性的研究。 1 9 8 8 年，日本学者e n o k i 和k i s h i 发展了由a k i 和r i c h o r d s 提出的声发射定 量化理论，认为混凝土中的微裂纹的位置、大小和方向完全能通过大量的声发射 参数用张量来表示。这一理论提出将声发射技术在损伤中的应用向定量化方向推 进了一步【10 1 。 1 9 9 9 年，e r i cn f 2 4 】提出使用定量声发射技术来测定不同微观结构水泥基胶凝 材料的微观性质。 2 0 0 1 年，o h t s u e 2 5 】等利用声发射测量方法预测混凝土结构中的损伤状况，分 析了单轴受压状况下混凝材料的声发射活动，并且研究发现：材料本身含有大 量微裂纹的混凝土试件在较低的应力状态下就会产生大量的声发射活动，而材料 初始损伤较小时，低应力状态下声发射活动也比较少。从而提出声发射活性的概 念，并针对不同情况拟合出活性方程。 j o s e p hel a b u z 2 6 1 等通过对高强混凝土试件进行径向受压、弯曲、压痕等试 验，发现声发射活动主要在临界应力时产生。低于材料最大应力时声发射活动比 较分散，随着损伤的扩展，不可避免的出现损伤连结和局部化，在这些区域形成 具体的体积，即所谓的内在过程区。具有代表性的是：这一区域长度并不随着不 同的试件大小而变化。从这一点来看，j o s e p hel a b u z 认为可以使用声发射技术 来探测准脆性材料的特征长度。 这两项研究分别针对了混凝土在较低应力状态和临界应力状态两种情况来 分析声发射在混凝土损伤中的应用。o h t s u 提出的声发射活性方程给声发射技术 与统计理论相结合提供了桥梁，为声发射在混凝土低受力状态的研究进一步理论 化提供了铺垫。而j o s e p hel a b u z 的研究则使准脆性材料特征长度的确定形象化 简单化。 s y u y a m a 2 7 1 等同时研究了实验室和现场试验两种情况下对预应力混凝土梁 进行循环加载时声发射信号特性。研究表明可以在实际工程中用声发射信号来监 测材料的开裂过程，并且荷载相和声发射活动的分析表明材料的最终断裂阶段可 以通过探测在最小荷载相时产生的声发射信号来预测。实验室和现场结果的对比 第1 0 页共6 l 页 硕士论文：基于a e 技术的混凝土细观损伤研究 表明选用声发射能量这一参数对于预测预应力梁疲劳损伤比较有效。2 0 0 3 年， b y o u n g g e o n 硒m 【2 8 】等使用声发射技术来监测受限制的纤维增强砂浆早期开裂情 况。他对非受限制和受限制试件同时监测，研究发现在接近出现可见裂缝的时候， 受限制试件中的声发射信号的振幅大、持续时间长，因此可以用声发射能量来监 测这一变化，并且研究发现在裂缝即将出现之前声发射能量会增加。由此可见， 声发射能量与混凝土损伤之间存在某种对应关系，使用声发射能量这一参数无论 是对于实验室研究还是现场监测都具有比较明显的效果。 上面的研究基本上都是针对声发射技术在实验室中的应用，近年来由于声发 射技术在实际工程中应用的逐渐成熟，对声发射技术后期分析技术也有了长足的 发展。gm a n s o n 2 9 】等采用维数减少的方法对混凝土箱梁的声发射信号予以分析， 可以更加准确的定位损伤，同时对解释信号如何发生起了一定的作用，这一方法 常用于大型桥梁的监测，声发射技术对于桥梁结构的检测也不仅仅局限于混凝土 结构，在很多钢结构桥梁中也有利用声发射技术来进行损伤的定位【3 0 1 。为了精 确的定位结构中的损伤，k 。m h o l f o r d 3 0 】等利用到达时间定位技术来检测钢筋混 凝土结构桥梁的损伤源位置，结合有限元分析技术进一步确定可能的开裂位置。 同时他还研究了用l a m b 波定位技术来取代到达时间定位技术来判断开裂位置， 两种损伤的定位方法推动了声发射技术在实际应用中的后期分析技术，拓宽了声 发射技术在工程实际应用的前景。 o h t s u 和l a n d i s 通过对声发射在混凝土及结构工程中的应用进行了较为全面 的分析，总结认为声发射是研究混凝土在实际工程中损伤和断裂极为有效的手 段。在过去的研究中，都不同程度的使用了声发射技术来监测混凝土的断裂过程， 但是主要是定性分析。最近的工作更多的集中于定量的建立声发射特性与断裂过 程区性质之间的关系、用声发射源分析技术来预测损伤的局部化性质。目前由于 更为先进的张量分析技术的使用，可以检查出预应力混凝土的复合断裂模式以及 断裂特性。因此，声发射技术完全可以用来监测材料内部的细观损伤。但是，由 于声发射机制的复杂性和混凝土材料的非均匀性，人们还是很难通过声发射特征 参数精确的预测出材料中应力状态。 在我国有关声发射技术在混凝土中的应用起步比较晚，但是也有不少人做过 此方面的研究工作。早期大连理工大学文明秀等作过声发射技术在混凝土系列应 第1 1 页共6 l 页 硕士论文：基于a e 技术的混凝土细观损伤研究 用报告。 董毓利【3 1 3 2 1 等做过混凝土全压过程中声发射特性的研究，分析了混凝土受压 应力应变全过程试验中的声发射特性，利用内变量理论建立了混凝土受压损伤本 构模型。紧接着，他又研究了混凝土在循环受压时的声发射状况，发现当卸载或 再加载至历史最大应变以前，没有损伤产生，只有在第一次应变加载时产生损伤， 验证了混凝土受压状态的k a i s e r 效应，也为描述循环受压混凝土的本构方程提 供了实验依据。 纪洪广等【9 一。一3 1 将分形理论应用于混凝土声发射特性，认为声发射序列虽然 杂乱无章，但是在随机性的背后有着内在的确定性内涵。据此，有望从声发射序 列的宏观行为中找出声发射信号所遵循的潜在的内部机制，进而可以研究其状态 之间的转移规律和演化特征。同时他也从混凝土受载后不同阶段的声发射机理进 行分析的基础上，根据不同的声发射特征，导出了声发射参数与损伤参量之间的 关系及用声发射参数表示损伤的混凝土在一位状态下的本构方程。他还引用了 o h t s u 提出的声发射活性的概念，在实验的基础上定量给出了描述声发射活性的 特征函数，根据混凝土受载后的声发射特征来评价和估计混凝土材料的损伤程 度，初步分析结果表明能较好的与混凝土的实际相吻合。 到目前为止，我国在声发射方面的研究逐渐与国际接轨，董毓利、谢和平、 纪洪广等的研究在通过声发射特征参数精确的预测出材料中应力状态这一难点 上做出了初步的尝试。 1 4 本文的研究内容与研究思路 1 4 1 本文研究的出发点 混凝土作为重要的建筑材料已有百余年的历史，当前广泛应用于各个领域， 当然，在土木工程和采矿工程中也是必不可少的。在结构工程等混凝土更为广泛 应用的领域，人们已经对混凝土的力学特性进行了系统的研究，但是对于混凝土 损伤与断裂过程中的裂纹扩展以及损伤与断裂机理等基本问题，还需要进一步的 研究。 第1 2 页共6 l 页 硕士论文：基于a e 技术的混凝土细观损伤研究 材料中由于损伤形成了宏观的裂纹，在外载荷作用下，裂纹从萌生、扩展到 最后的失稳扩展，这是一个过程。对于典型的脆性断裂，起始扩展意味着失稳扩 展；对宏观的韧性断裂，则存在裂纹稳定扩展的阶段。断裂力学则只研究固体中 裂纹型缺陷扩展的规律，却无法研究分析宏观裂纹出现以前材料中的微缺陷或微 裂纹的形成及其发展对材料力学性能的影响，而且许多裂纹的存在并不能简化为 宏观裂纹，这是断裂力学理论本身的局限性。对于混凝土来说，要研究其受力后 的变形和破坏过程，不但要研究已存在裂纹( 例如断裂力学试件中的预制裂纹) 的扩展规律，而且往往要研究新裂纹的萌生、裂纹的扩展以及裂纹间的贯通。损 伤力学的产生从某种程度上弥补了断裂力学的这种不足，它主要是在连续介质力 学和热力学的基础上，用固体力学的方法，研究材料宏观力学性能的演化直至破 坏的全过程。2 0 世纪7 0 年代末，损伤力学限制在研究材料宏观裂纹出现以前的 阶段，当宏观裂纹出现以后，则用断裂力学的理论和方法进行研究，这是无耦合 的分析方法。此后，人们考虑到当宏观裂纹出现以后，材料的损伤对裂纹尖端附 近及其他区域的应力和应变都有影响，认为合理的方法应该将损伤耦合到本构方 程中进行分析和计算。事实上，在物体的破坏过程中，往往同时存在损伤( 分布 缺陷) 和裂纹( 奇异缺陷) ，而且在裂纹尖端附近的材料必然具有更严重的分布 缺陷，其力学性质必然与距裂纹尖端远处不同，因此为了更切合实际，就必须把 损伤力学与断裂力学结合起来研究物体的破坏过程。研究固体的破坏过程，必须 研究材料的损伤过程。由此可见，借助于损伤力学研究混凝土的断裂是一种途径。 分析混凝土细观损伤的机理有利于更好的研究混凝土的断裂过程【3 4 1 。 声发射是研究混凝土力学性质的一种声学方法，混凝土的每一个声发射信号 都包含着反映混凝土内部缺陷性质的丰富信息，但是由于声发射技术是理论研究 落后于工程实践的少数学科之一【i o 】，许多单位所做材料受载实验大多是定性试 验，而且主要集中与混凝土单轴压缩、单轴拉伸等实验，没有用数学、力学理论 描述混凝土材料破坏过程中的声发射特性及其规律。本文力图对这些信息加以数 学分析处理，试图推断混凝土内部形态的变化，反演混凝土的损伤破坏的过程。 有些学者【9 】对混凝土单轴受拉，单轴受压进行了试验观察。单轴拉伸试验中， 用声发射监测时可以分成三个阶段： ( 1 ) 初始阶段，从破坏荷载的0 - , - 3 0 ，此时的混凝土处于弹性阶段，声 第1 3 页共6 l 页 硕士论文：基于a e 技术的混凝土细观损伤研究 发射活动相对较少或水平很低，该阶段的声发射速率随荷载的增加而线性增加。 ( 2 ) 稳定阶段，所对应的荷载一般为破坏荷载的3 0 0 o - , 7 0 ，随着荷载的 增大，声发射事件数逐渐增多，声发射率也明显增大。 ( 3 ) 不稳定阶段，当荷载超过破坏荷载的7 0 以后，声发射活动呈指数 增加，裂纹表现为非稳定扩展，接近破坏时，声发射数徒然增加。 有实验【3 1 】表明，在混凝土单轴受压时，混凝土的声发射特性同样显示为阶段 性，可以初步分为初始阶段、稳定阶段和不稳定阶段。混凝土在刚受力时，没有 声发射信号产生或者极少，当应力超过极限强度的8 0 以上时，声发射信号急剧 增加，峰值稍后一点强度和密度最为强烈，而到了峰值后应力应变曲线下降 段的声发射信号较峰值处的密度稍稀疏一些，但仍有相当强度，直至残余强度阶 段。 文献3 5 】也指出在用声发射手段测试陶瓷粘结力时( 相当于受剪切力作用) ， 声发射过程也经历三个阶段，即峰值荷载的3 0 之前，没有声发射事件产生，在 峰值荷载的3 0 - - 7 0 之间时，声发射事件数缓慢上升，当在峰值荷载的7 0 之 后声发射事件数急剧上升。 综合上面几种情况可以看出：不论哪种力学行为，声发射事件活动大致都可 以分成三个阶段：即声发射活动平稳阶段信号强度急剧增大阶段继续增 大，但密度较弱阶段。 而准脆性材料应力应变破坏过程大致也可以分成三阶段：从开始到最高 荷载的7 0 为线弹性阶段，从7 0 到荷载最高点为损伤均匀扩展阶段，超过最 高荷载之后出现损伤局部化，材料失稳。 由此可以看出，混凝土材料的声发射过程与其损伤演变过程具有一致性，可 以利用声发射来监测混凝土的损伤，但是两者之间有具体定量的关系该如何确定 呢? 本文就试图从这一角度予以研究。 1 4 。2 本文的研究内容 在混凝土损伤的研究中，大多是单轴拉伸或者是压缩受载，很少使用三点弯 曲的加载方式。本课题中，就采取三点弯曲循环加载的试验方法研究此种载荷方 式下混凝土损伤的变化情况，并应用声发射技术识别出三点弯曲下混凝土材料声 学张量的变化，通过一些数据处理及模型，将声发射参数与损伤因子联系起来， 第1 4 页共6 l 页 硕士论文：基于a e 技术的混凝土细观损伤研究 得到经验公式，从而与材料内部损伤建立联系。 众所周知，掺加纤维混凝土的脆性比索混凝土的脆性要小，究竟是因为纤维 改善了混凝土损伤过程中的什么参数才导致混凝土脆性的改变? 本文试图通过 比较掺加纤维混凝土和不掺纤维混凝土的声发射特性和损伤过程，找出两者之间 的区别，力图解释纤维在混凝土损伤中所起到的作用。 通过上面所建立的不同种类混凝土的经验公式，可以动态监测混凝土的受力 过程，最终预测出混凝土的破坏。 1 4 3 本文研究的思路 针对素混凝土，可以通过对素混凝土进行三点弯曲循环加载试验，由文献知 道：循环加载的所得到的应力应变外部轮廓曲线与直接加载得到的曲线具有一致 性，因此，循环加载所得到损伤与直接加载具有一致性，通过结合各种损伤因子 的定义，就可以确定一个既能够显著表示出混凝土损伤变化，又比较容易测得， 并且引入误差比较小的损伤因子。 确定了损伤因子的定义之后，借助于循环加载方式还能够得出损伤因子与应 变之间的关系，运用数学方法就可以回归出两者之间的关系公式。同时监测试件 的声发射特性，从声发射各参数中找出对于各类混凝土均有一致性规律的参数。 将此参数与应力( 应变) 关系回归，得出关系公式。比较由声发射参数得出的公式 和由循环加载得出的公式，从而可以建立声发射参数与损伤因子之间的联系。 纤维混凝土也同上分析处理，比较不同纤维的掺量、不同类型纤维混凝土声 发射参数与损伤因子之间的联系，确定一个可以显著表明之间差别的参数，根据 此参数就可以区分纤维混凝土和素混凝土的损伤过程，并且从细观角度对这一区 别给予解释。 1 5 小结 本章简要概述了声发射技术的基本原理、各声发射参数与裂纹形成与扩展之 间的关系以及声发射在混凝土中的应用历史，尤其是声发射在混凝土细观损伤力 学中的应用。提出了本论文的主要内容和研究思路。 第1 5 页共6 1 页 硕士论文：基于a e 技术的混凝土细观损伤研究 参考文献 l 余天庆，钱济成损伤理论及其应用长沙：国防工业出版社1 9 9 3 ：1 3 2 2丁卫华等岩石细观损伤过程的c t 动态观测西安理工大学学报。 v 0 1 16 n o 3 ：2 7 4 - 2 7 9 ( 2 0 0 0 ) 3 袁振明，马羽宽，何泽云编著声发射技术及其应用北京：机械工业出版 社1 9 8 5 ：l 9 4 王祖萌声发射技术基础济南：山东科学技术出版社1 9 9 0 1 4 - - 2 0 5 孙艳君等译断裂力学试验技术北京：中国铁道出版社1 9 8 3 6h p p o l l a r d s o u n dw a v e si ns o l i d s p i o n 19 7 7 7h t a k a h a s h ie ta 1 e x p e r i m e n t a lm