（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）基于非线性超声特征的混凝土初始损伤识别和评价研究.pdf

武汉理丁大学博士学位论文 摘要 混凝土材料在基础设施建设中占了绝大比例，随着基础设施的老龄化，对 其现状的评估日益受到重视。在役结构中混凝土多处在损伤的早期积累阶段， 对其损伤进行识别和累计损伤进行定量描述，是非常有益的。超声扫描技术能 够观测到材料内部的变化情况，然而对于混凝土材料而言，基于线性波动理论 的传统超声方法具有较大局限性。目前对混凝土材料损伤的识别和定量无损评 估仍然是具有挑战性的课题。由于混凝土材料的复杂性以及由此产生的不同力 学性能，混凝土本身就是一种非线性材料，一般损伤后其非线性更加明显。因 此，研究利用材料非线性所表现出的超声特征，对其损伤进行探测和定量化的 表征，无疑具有重要的理论意义，对在役结构材料的定量化评估也具有较高的 实用价值。 本文从材料细观损伤力学角度出发，以波动理论为基础，通过混凝土材料 损伤后表现出的非线性超声特征，对材料裂纹的出现、发展进行表征，从而实 现对混凝土材料初始损伤的探测和累计损伤的定量评估。主要的工作和成果如 下： 总结提出了基于相对非线性系数的超声高阶谐波和超声调制两种方法。即 利用基频谐波幅值平方和二阶谐波幅值的比值作为相对非线性系数；和在两个 谐波输入情况下，利用非线性超声旁频幅值和两个谐波输入幅值积比值的作为 相对非线性调制参数，表征材料内部结构改变的信息。两者可以作为相互间的 印证。 探讨了裂缝开合产生的非线性超声调幅机理，采用弹簧模型模拟裂缝裂隙 上的力学行为，提出了针对开裂材料的非线性超声调制方法。指出了裂缝在多 个位移场下产生的非线性超声高阶谐波和超声调幅特征，与按照经典非线性理 论所得到的结果相似。 提出了改进的非线性超声调制测试方法。该方法利用材料非线性超声特性 所产生的旁频能量代替旁频幅值，作为描述材料非线性程度的定量指标。采用 基于相对非线性超声调幅参数的方法，消除了由于混凝土衰减等不利因素的影 响，使得测试方法更为实用。并设计了一种非线性超声调制测试方案。总结了 武汉理工大学博士学位论文 非线性超声数值信号处理的关键技术。 对在碱骨料反应下混凝土试件的累积损伤进行了跟踪试验研究，首次通过 非线性超声特征定量观测到了碱骨料反应下试件从初始微裂出现、发展和连通 等不同阶段的全过程损伤演化的过程。表明本文提出的非线性高阶谐波方法和 非线性超声调制方法均能表征材料内部裂缝的产生和发展的演变过程，且对裂 缝的产生十分敏感。证明所提出的方法和测试技术是十分有效的，为利用非线 性超声方法检测材料的损伤程度奠定了基础。 最后探讨了材料非线性系数与损伤变量之间的内在联系。利用材料退化后 表现出的非线性超声特性，定量表征材料的损伤程度，为损伤评估建立起了一 条较为合理的路线。探讨了利用混凝土弹性参数反演其强度的可行性，初步推 导了混凝土强度退化与非线性系数变化的关系式。 关键词：非线性超声特性；非线性超声技术；初始损伤识别；碱骨料反应； 混凝土材料评价 l i 武汉理工大学博+ 学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r ee n o r m o u sa p p l i c a t i o n so fc o n c r e t ei nt h ei n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o n a n di t st e c h n i q u ec o n d i t i o na t t r a c t sm u c hc o n c e m e da si tb e c o m e sa g i n g m o s to ft h e s t r u c t u r a lc o n c r e t em a t e r i a li ns e r v i c ei se x p e r i e n c i n gi t si n i t i a la n dc u m u l a t i v e d a m a g e ，i ti sv e r yb e n e f i c i a lt oi d e n t i f ya n dq u a n t i f yi t st e c h n i c a ls t a t e u l t r a s o n i c s c a n n i n gt e c h n i q u e i sa b l et os e n s et h ei n n e rc h a n g eo ft h em a t e r i a l s ，b u tt h e f e a s i b i l i t yu s i n gt r a d i t i o n a lm e t h o d sb a s e do nl i n e a ra c o u s t i ct h e o r yi sl i m i t e df o r c o n c r e t em a t e r i a l t h ed e v e l o p m e n to faq u a n t i t a t i v en o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n p r o c e d u r et ot r a c ka n dq u a n t i f yd a m a g ei nc o n c r e t e ，i ss t i l lac h a l l e n g i n gp r o b l e m d u et ot h ec o m p l e xs t r u c t u r ea n dm u l t i p l ec o n s t i t u e n t sw i t hd i f f e r e n tm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，c o n c r e t em a t e r i a l sa l ei n h e r e n t l yn o n l i n e a r i ng e n e r a l ，w h e nd a m a g e d , t h e yb e c o m ee v e nm o r en o n l i n e a r t h u si t i sv e r yi m p o r t a n ta n dv a l u a b l eo nt h e t h e o r ya n da p p l i c a t i o nt oi n v e s t i g a t et h en o n l i n e a ra c o u s t i cf e a t u r e so f t h em a t e r i a l s oa st oq u a n t i t a t i v e l ye v a l u a t et h em a t e r i a li ni t ss e r v i c e t h i st h e s i si st od e v e l o pam e t h o df o ri n i t i a ld a m a g ed e t e c t i o na n dq u a n t i t a t i v e e v a l u a t i o no ft h ec o n c r e t em a t e r i a lb a s e d o ni t sn o n l i n e a ra c o u s t i cf e a t u r e s ， i n c l u d i n g ： t w om e t h o d so fb o t han o n l i n e a rh a r m o n i cg e n e r a t i o na n dan o n l i n e a ra c o u s t i c m o d u l a t i o nu s i n gt h er e l a t i v en o n l i n e a rc o e f f i c i e n ta r ep r e s e n t e d ，w h i c hr e s p e c t i v e l y u s et h er a t i oc h a n g eo ft h es q u a r e df u n d a m e n t a la m p l i t u d et ot h es e c o n dh a r m o n i c a m p l i t u d e ，a n da l s ot h er a t i oc h a n g eo f t h es i d e b a n da m p l i t u d et ot h ep r o d u c to ft h e t w oh a r m o n i cw a v ei n p u t sa sam e a s n r et od e s c r i b et h ei n n e rs t r u c t u r ec h a n g e e i t h e r m e t h o dc a l lb et h ev e r i f i c a t i o nf o rt h eo t h e r t h em e c h a n i s mo ft h en o n l i n e a ra c o u s t i cm o d u l a t i o nf o rc r a c k i n gm a t e r i a li s d i s c u s s e da n dam o d u l a t i o nn o n l i n e a r i t yp a r a m e t e rm e t h o di sp r e s e n t e dw i t ht h e a s s u m p t i o nt h a tt h ec r a c ka s p e r i t yb e h a v i o r sa sas p r i n gm o d e l w h e nt w o w a v e sa ta 1 1 i g l la n da l o wf r e q u e n c yv a r yt h ec o n t a c tw i t h i nt h ei n t e r f a c e ，n o n l i n e a rh a r m o n i c g e n e r a t i o na n dan o n l i n e a ra c o u s t i cm o d u l a t i o no c c u r t h e s ef e a t u r e sc h a r a c t e r i z e i i i t h ec r a c k sd u et ot h ed a m a g e i ts h o w st h a tt h en o n l i n e a rf e a t u r e sf o rt h em a t e r i a l w i t hc r a c ka r es i m i l a rt ot h o s ei nt h ec l a s s i c a ln o n l i n e a ra c o u s t i ct h e o r y at e s t c o n f i g u r a t i o n i s p r e s e n t e df o r t h en o n l i n e a ra c o u s t i cm o d u l a t i o n e x p e r i m e n t t h i sr e s e a r c hu s e st h ee n e r g yo ft h es i d e b a n d ( i n t e g r a t i o ni nt h ep o w e r s p e c t r u m ) i n s t e a do ft h ea m p l i t u d e so ft h em o d u l a t i o np e a k s 嬲aq u a n t i t a t i v e m e a s u r eo fn o n l i n e a r i t y t h ei n h e r e n th i g ha t t e n u a t i o no fc e m e m b a s e dm a t e r i a l si s o v e r c o m ew i t hap r o c e d u r et h a tu s e st h er e l a t i v en o n l i n e a rm o d u l a t i o np a r a m e t e ra n d t h es i d e b a n de n e r g yi n s t e a do fm e a s u r i n gp e a ka m p l i t u d e s i ti sd e m o n s t r a t e dt h a t t h i ss i d e b a n de n e r g yi sr e l i a b l ef o rc o n c r e t em a t e r i a lw i t hh i g ha t t e n u a t i o n d e t a i l e d t e s ts e t u pi sd e s i g n e da n ds o m en o n l i n e a rs i g n a lp r o c e s st e c h n i q u e sa r es u m m a r i z e d e x p e r i m e n t so nt h ec o n c r e t es p e c i m e n su n d e rt h ep r o g r e s s i v ed a m a g ed u et o t h ea l k a l i - s i l i c ar e a c t i o na r ep r e f o r m e d t h ep r e s e n t e dm e t h o d s ，n o n l i n e a ra c o u s t i c m o d u l a t i o na n dh a r m o n i cg e n e r a t i o n ，a r ev e r ys e n s i t i v et ot h ei n i t i a t i o no ft h e m i c r o c r a c k , d e m o n s t r a t i n g as u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n o ft h et w om e t h o d st o q u a n t i t a t i v e l yt r a c kt h ed a m a g es t a t et h r o u g h o u ta ne n t i r e l i f e 。c y c l ea n dt o n o n d e s t r u c t i v e l yi d e n t i f yt h ei n i t i a t i o nt i m ea n dt h ee x t e n to fm i c r o c r a c k i n gi n s p e c i m e n sf o r t h e f i r s tt i m e t h em e t h o d sc a nb eu s e df o rc h a r a c t e r i z i n gt h e p r o g r e s s i v em i c r o c r a c k i n ga n df o rq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o no ft h ec o n c r e t em a t e r i a l s f i n a l l yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h en o n l i n e a rc o e f f i c i e n ta n dt h ed a m a g e v a r i a b l ei si n v e s t i g a t e d am e t h o d o l o g yi s r e a s o n a b l yp r e s e m e dt oq u a n t i t a t i v e l y e v a l u a t et h ed a m a g eb a s e do nt h en o n l i n e a ra c o u s t i cf e a t u r e s t h ef e a s i b i l i t yu s i n g t h ee l a s t i cm o d u l u st oi n v e r s e l yd e d u c et h es t r e n g t ho fc o n c r e t ei sd i s c u s s e d , i n i t i a l l y e s t a b l i s h i n gab r i d g eb e t w e e nt h ed e g r a d a t i o no nt h es t r e n g t ho fc o n c r e t ea n di t s n o n l i n e a rt o e f t i c i e n t k e y w o r d s ：n o i l l i n e a ra c o u s t i cf e a t u r e s ；n o n l i n e a ra c o u s t i ct e c h n i q u e s ；i n i t i a l d a m a g ed e t e c t i o n ；a l k a l i s i l i c ar e a c t i o n ；e v a l u a t i o no fc o n c r e t e i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：庄盎! ： 生日 期：兰竺z 丝：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：l 堕! 笙导师签名糊 日 期：圣望! ! ：! ： 武汉理1 二大学博士学位论文 第1 章前言 1 1 研究的目的和研究意义 结构的损伤形成过程分为两大类，一种是受到巨大的外部作用效用短时间 作用于结构造成结构损伤，如地震、飓风、人为撞击或爆破等作用；另一类是 受各种因素影响，结构出现缓慢的损伤累积，结构最终出现可见的损伤。前者 出现的损伤，有明显的外部因素特征，因此一般能引起人们的注意，而后者容 易被忽视。混凝土结构由于长期损伤的积累、老化和各种化学物质的侵蚀，导 致力学性能退化。旦结构出现明显损伤，则结构的安全可靠性和使用功能已 经受到影响。虽然结构的损伤可以从某种程度上加以修复，但首要的工作是对 结构的剩余强度和寿命做出评估，才能对结构做出诸如维护、维修、加固或补 强等正确的决策。对结构的评估应该以防患于未然作为基本原则，也就是应当 在结构出现可见的损伤，存在明显安全隐患之前，发现结构中存在的问题。由 于累积损伤的过程占据了结构服役期间的绝大部分的时间，因此早期的结构损 伤评估更为重要。 现在对结构的评估还停留在经验和定性分析的层面上，并且主要是将结构 构件作为评估对象，评估方法主要采用表观检查，辅助以材料表面强度、硬度 以及钢筋锈蚀等局部检查，结合动、静力试验等手段，为结构给出综合评价。 当结构表面出现明显缺陷，或存在对刚度影响较大的裂缝时，这些方法尚有效。 但是一旦结构出现表观明显的损伤时，结构的承载能力已经发生很大改变，此 时已经错过了最佳的维护时期。从整个结构使用过程来看，其承载能力的下降 经历了渐变、衰变和聚变三个阶段。如何能在结构的早期阶段，即承载能力下 降的渐变阶段发现其内部的变化，具有非常重要的理论价值和现实意义。 从理论上看，解决这一问题的合理途径是从材料内部着手，即从微观或亚 微观( 细观) 的角度探讨材料性能的退化。材料性能的退化对影响结构安全和 耐久性能至关重要，已引起越来越多的研究人员的关注。材料性能的退化始于 其内部结构的改变，虽然引起这种改变的因素很多，化学的如碳化、碱骨料反 应，物理的如内部应力超过强度极限等，但带来的结果是材料整体性( i n t e g r i t y ) 武汉理工大学博十学位论文 的降低。对混凝土材料而言，一般均伴随着内部微裂缝的出现。采用什么样的 方法以及如何发现内部细微的变化，即微裂缝是否出现及发展程度，是一个具 有挑战性的科研课题。 在无损检测评估领域，使用声、光、电磁等手段探测材料内部结构是比较 常见的手段，特别在工程界，超声无损检测应用十分普遍。对混凝土材料而言， 现有的超声探测技术主要利用声时和声速等参数探测内部较大的缺陷( 如空 洞) ，还不能运用于混凝土材料的早期损伤检测。由于混凝土材料是由砂、石和 水泥浆混合而成的，其内部结构十分复杂，微观上呈现各向异性。即使没有外 晃作用，其力学性能上也存在一定的非线性特性。这也是给常规超声探测带来 较大局限性的原因。因此有必要寻找一种行之有效的方法，来实现对混凝土材 料的初始损伤探测。 利用材料损伤后所表现出的非线性超声特性，运用非线性理论实现对材料 损伤的早期探测，已经引起科技界的关注，文献n 1 对非线性声学的进展与应用做 了介绍。大量的实验研究表明瞳以，即使对整体上表现为弹性的材料，由于材料 内部结构局部的软化、或裂缝的出现，都会导致非线性超声特性的极大改变， 与基于线性理论，通过声时、声速等参数的传统方法相比较，非线性所表现出 的超声特性对细微的损伤更为敏感n 扣1 5 1 。从材料内部结构的改变导致非线性超 声特性的变化，用于表征材料初始阶段的退化，理论上不失为一种有效的方法。 因此开展材料退化与其所引起的非线性超声机理研究，为实现材料的早期损伤 探测提供理论基础，已成为国际定量无损检测领域的研究热点之一。目前在这 一领域仍有大量的研究工作需要展开，表现为理论上还存在局限，难以定量解 释部分非线性超声现象，同时试验的测试技术和方法还值得进一步的探索。 1 2 材料的非线性超声特征与损伤关系研究现状 材料出现损伤后，内部结构发生改变，会导致产生非线性超声现象。利用 这一特征，可以用于判明材料内部是否出现细小的损伤。借助非线性超声特征 探讨材料内部微观结构的改变，最早开始于对单晶和多晶金属材料的研究。人 们发现，金属材料因为内部缺陷，会引起超声波传播的非线性，如高频谐波的 产生n 刳。实验表明，金属材料的疲劳循环次数与高频谐波之间有关联；c a n t r e l l 1 和n a z a r o v n 棚等的研究表明，金属材料疲劳后表现出的材料性能退化，均可以用 武汉理工大学博士学位论文 材料的非线性系数来表征n 钔。国内外对金属疲劳啪1 、拉伸乜1 嘲和高温蠕变乜3 1 等条 件下金属材料性能退化等做了大量实验研究，并且在理论上取得了定进展， 如位错理论模型，从金属微观结构尺度上解释了材料的非线性超声特性瞳4 2 5 1 。这 些理论和试验，构成了固体材料经典非线性超声波动理论，这方面的综述详见 文献汹1 。近些年来研究热点开始转向各种复合材料的非线性超声特性，在研究 的尺度上更广泛( 1 0 弋1 0 一m ) ，如文献乜7 1 实验研究了超声波在岩石材料中产生 的基波、二次、三次谐波随声源幅度的依赖关系，研究了岩石的超声衰减，并与 金属材料的进行了对比。表明岩石、混凝土等非线性介观弹性固体材料显示出 与经典的非线性声学不同的非经典非线性声学现象。 对于岩石和由骨料和胶结料组成的水泥砂浆材料，宏观上虽表现出弹性， 但在1pm 尺度上却是典型的各向异性材料。由骨料和胶结料组成的一类材料， 有文献啪称之为非线性细观弹性( n o n l i n e a rm e s o s c o p i ce l a s t i c ) 材料，以 区别于原子弹性( a t o m i ce l a s t i c ) 材料，后者可以用固体材料经典非线性超 声波动理论加以描述。非线性细观弹性材料的主要力学特征是明显的非线性、 滞回效应和离散记忆( d i s c r e t em e m o r y ，或端点记忆，e n d p o i n tm e m o r y ) 。超 声试验所观察到的现象表明，非线性细观弹性材料的非线性超声现象，除高阶 谐波以外，还有其独特的一面，如混频调幅下的旁频( s i d e b a n d ) 睁嘲、声共 振频率飘移( r e s o n a n c ef r e q u e n c ys h i f t ) 附蚓、缓慢动力特性( s l o wd y n a m i c s ) 附矧等。分述如下： ( 1 ) 混频调幅下的旁频。当两个不同频率。( 高频) 和。( 低频) 波， 以，和。的幅值穿过有损伤的材料时，由于材料的非线性，频谱会产生变化， 在高频两侧出现。：频率成分，称为旁频。在高、低频波同向的情况下，旁 频幅值与e 。和：的乘积成正比。通过测量旁频成分，可以反映出材料的非线 性的程度。对于存在裂缝的受损材料，由于裂缝的开合，高、低频位移场发生 叠合，导致旁频的产生，这已经被学术界认可，但更深入的机理还有待研究。 ( 2 ) 声共振频率飘移。通过超声扫描找出材料的声共振基频，在同一个加 速度激励水平上，在声共振基频范围内从低到高输入不同频率超声波，可以得 到材料的超声响应曲线；变换超声幅值，则绘得不同加速度激励水平与材料超 声响应的关系曲线族。对于无损材料，超声响应曲线族上的声共振基频没有改 变，而有缺陷或受损伤材料，声共振基频会随着激励水平的增大而发生飘移， 该现象也被称为非线性快速动力特性( n o n l i n e a rf a s td y n a m i c s ) 。理论上认 武汉理工大学博士学位论文 为声共振基频的飘移与非线性滞回效应和不连续记忆有关。 ( 3 ) 缓慢动力特性。与声共振基频会随着激励水平的增大而发生飘移相反， 当材料受到的外部扰动消失后，其力学性能，包括弹性模量、声共振频率，并 不随着扰动的消失很快恢复到原有状态，而是有一个1 0 3 1 0 4 秒的时间过程脚3 ， 称之为非线性缓慢动力特性( n o n l i n e a rs l o wd y n a m i c s ) 。文献啪3 认为外部扰 动( 如应力波) 使得材料内部处于不平衡状态，缓慢动力特性表现为材料恢复 到原来状态的一种松弛过程，同样也与材料的非线性滞回效应和不连续记忆有 关。 r a g u y e r 和p a j o h n s o n 1 对非线性细观弹性材料的非线性超声现象做 了详尽的描述。研究由于材料退化所引起的各种非线性特征的机理，成为表征 材料细观结构发生变化和定量描述材料退化的有效途径。在衡量材料由于退化 或损伤所表现出的非线性程度方面，国内外学者提出了许多理论模型，经典的 有以高阶弹性常数表示的材料非线性系数理论h 。g u y e r 和m c c a l l h 2 1 描述的岩 石的具有滞回特性的应力应变力学模型为， 仃= 弘( ，垂) d 其中k 是与应变大小g ( t ) 和应变速率变化香( f ) 有关的模量，表示为： k ( ( f ) ，窖( f ) ) = k o ( 1 一p e ( t ) 一昆( f ) 2 一a ( a e + ( f ) s 趣即( 叠( f ) ) ) + ) 式中是线性模量；a e 是相对于前一时间段的局部应变变化幅度，对于连续 正弦波= ( 一) 2 ；应变速率变化舌( f ) = d e d t 大于零时，符号 s 劬( 舍( r ) ) = 1 ，反之s i g n ( e ( t ) ) = - i 。、万为经典非线性系数；1 2 则反映了材 料的滞回效应。 在经典非线性系统中，频率为 应变幅度为的超声谐波传播一段距离 后，非线性的影响会使频率的分布产生变化，导致高阶谐波的产生，即会产生 频率为可和矽高频成分，对应的应变幅度分别为( a e ) 2 和( a e ) 3 。对于具有纯粹 滞回效应的材料，不会出现二阶谐波，而三阶谐波的幅值与( a e ) 2 成j - e e l t 4 3 - 4 6 。 可见滞回效应表现为二次效应。调幅试验中，当有频率为而和压、对应应变幅 度分别为毛、岛的波时，旁频正彳的幅值将与( q ) ( 岛) 成正比，当滞回 效应明显时，旁频以2 z 处会出现峰值，其幅值大小与a ( a e , ) ( a e 2 ) 成正比。 测量该谐波和高阶谐波的超声幅值，可得到材料的非线性系数，这已经为众多 金属材料试验所证实。该系数可以用来评价金属材料的早期性能退化。对于非 线性细观弹性材料，如混凝土材料，除高阶谐波以外，研究其退化所引起的其 4 武汉理1 二大学博士学位论文 他非线性超声现象，更能反映其材料退化特性。国内外对混频调幅下的旁频、 声共振频率飘移和缓慢动力特性等非线性的超声机理研究也在进行中，包括： ( 1 ) 研究混频调幅机理来探测材料的损伤受到众多科技工作者的青睐。基 于混频调幅的方法是通过不同频率的混叠所产生的旁频，作为非线性超声特征。 v a nd e na b e e l e 等啪3 提出了非线性调幅波谱方法( n o n l i n e a rw a v em o d u l a t i o n s p e c t r o s c o p y ，n w m s ) 的基本思路，j 一y k i m 等h 铂通过表面声波穿过部分闭合 的金属疲劳裂缝，认为调幅机理与裂缝的闭合以及在荷载下裂缝开启长度的综 合作用有关，表明非线性调幅方法对裂缝一类材料退化或损伤是十分敏感的。 d d o n s k o y 等m 1 对非线性调幅测试技术进行了研究，提出了振动一调幅 ( v i b r a - m o d u l a t i o n ) 和冲击一调幅( i m p a c t m o d u l a t i o n ) 两种方法来产生低 频应力波信号和高频超声载波信号，为该方法的实际应用指明了一个方向。文 献h 钔利用冲击一调幅方法对混凝土棱柱体进行了尝试。 ( 2 ) 根据声共振频率飘移现象，v a nd e na b e e l e 等啪3 提出了非线性共振 超声波谱方法( n o n li n e a rr e s o n a n tu l t r a s o u n ds p e c t r o s c o p y ，n r u s ) ，该方 法基于试验现象的模型，建立起频率的飘移相对值与非线性参数的关系。应当 指出，视材料的损伤程度情况，需要一个相对较高的激励水平才会导致声共振 基频的飘移，这在非试验室条件下有时是难以达到的。 ( 3 ) 对于材料缓慢动力现象的发现始于近几年。文献嘞3 采用滞回弹性单元 模型，进行数值模拟计算，并与试验做了对比。对非线性快速动力特性和非线 性缓慢动力特性的研究还仅限于现象的观测，p a u lj o h n s o n 晦从多种材料试验 中发现两者之间存在联系，但对引起该现象的物理原因仍然缺乏理论基础，尚 待系统地研究。 总的来说，对非线性细观弹性材料的研究还停留在试验研究和初步的理论 模型研究阶段。尽管如此，由于非线性超声特征对材料损伤或退化表现极为敏 感，利用材料退化所引起非线性超声现象作为媒介，表征材料退化的出现及程 度，已成为评估材料力学性能的一个研究方向。 综合目前的研究可以看出，研究材料的声共振谱漂移和缓慢动力特性可以 从较深层次剖析具有滞回效应和不连续记忆材料的细观力学行为，这方面仍有 大量的基础研究工作亟待开展；而材料的非线性超声调制现象与裂缝的开合具 有相对明确的物理意义。从材料退化的表现形式来看，其退化过程伴随着内部 微裂缝的出现。因此研究非线性超声调制机理对材料的退化评估方面最具实际 武汉理工大学博+ 学位论文 应用前景，也较容易取得突破。调幅的概念最先从信号分析理论中产生，被借 喻在非线性超声特性上，高频超声作为载波信号，而材料在低频振动激励下， 裂缝发生开合，使得高频和低频波位移场发生混叠，产生非线性超声调制现象。 因此利用非线性超声调制特征特别适合于对材料( 微) 裂缝的探测，具有快速 检测材料退化的潜力。当然，现阶段对非线性超声调制机理的研究，距实现材 料退化的定量评价这一目标，还存在一定差距。表现为如下几个方面： ( 1 ) 缺乏比较完善的理论模型。虽然经典非线性波动理论能够解释旁频现 象，但对存在裂缝一类损伤，其机理仍不完全明确，也缺乏合理和实用的理论 模型。特别是对裂缝裂隙的力学理论模型，还没有明确的认识。这方面的工作 最近在展开，a l e s h i n ( 2 0 0 7 ) 啼2 1 对微观损伤材料裂缝接触机理，提出了一个较 通用的物理模型，在这方面做出了探索，但仍有待试验的验证和完善；特别是 对于细观复合材料( 如混凝土、岩石等) 的从初始裂缝出现到进一步演化过程 中，其非线性超声特性的表现与经典非线性材料有何差异，机理如何，目前未 见文献报道。 ( 2 ) 缺乏定量评价材料退化的损伤指标。材料的非线性超声特征可以用来 反映材料的退化，但对其定量化的描述，尚缺乏足够的理论基础。文献哺踟研究 用非线性超声波去定量地检测和表征金属中疲劳损伤的程度，实验跟踪疲劳损 伤的进展，发现非线性系数与维持疲劳寿命之间存在有明确的关系，可用作对 寿命预测。表明材料的细观结构与其宏观力学性能之间有着必然的联系，从细 微损伤力学理论嘲1 研究搭起两者之间的桥梁，可以作为材料退化评估的理论基 础。国内外学者在材料的准静态特征方面，对基于细观损伤的混凝土材料的本构 模型开展了较多研究，但材料退化却是一种典型的动力学过程，需要建立基于细 观损伤的动态本构模型晦朝，目前的研究还处于探索阶段，且未见有结合材料非 线性超声特征方面的报道。 ( 3 ) 缺乏可信度较高的测试技术。测试技术上需要低频和高频波两个位移 场同向，以产生最大的位移场混叠，对非线性超声探测带来一定的使用局限性； 同时测试信号数据处理方面要求实现对旁频的获取和外部噪音的处理。在通过 对时域信号的f f t 变换，获得的频域功率谱后，一种办法是直接获取旁频的功 率谱幅值，其次可以通过功率谱能量来表示，但存在与高频功率谱能量混淆的 可能，其定量化需要进一步研究。 ( 4 ) 缺乏对混凝土一类的细观材料特殊性的研究。混凝土材料由于其内部 6 武汉理工大学博士学位论文 结构的复杂性，使得采用非线性超声技术探测器内部结构成为一项具有挑战性 的工作。由于高频超声在混凝土中传播存在较大衰减，使得在混凝土结构中只 能采用较低频率的超声波，导致非线性超声的某些特征不明显。另外混凝土材 料性能具有较大的随机性，各种类型缺陷，如空隙、空洞、裂缝等共存，要区 分尚在发展中的裂缝，就需要提出灵敏度较高和鲁棒性较好的方法。 1 3 研究内容和研究方法 本文从材料损伤描述和非线性波动理论着手，针对混凝土材料力学性能退 化，采用超声波对混凝土微观结构进行研究，旨在探讨混凝土材料微裂缝损伤 与超声特性之间的联系。利用材料产生微裂缝后表现出的非线性特征，研究混 凝土材料退化引起非线性超声特征的机理，有利于对其早期微裂缝形成和发展 做出定量的描述，进而建立起混凝土材料退化评估的方法，是本文研究的主要 内容。考虑混凝土材料的尺寸效应，可能在非线性超声特征的表现程度上会有 所不同，在研究内容上需结合混凝土材料的特殊性。研究内容和相应的研究方 法主要包括如下四个方面： ( 1 ) 材料微裂缝与其非线性超声特征关系的理论模型研究。非线性超声特 征与材料内部结构有关，当材料出现微裂缝导致内部结构发生细微变化时，其 非线性超声特征会发生改变。其中非线性超声调制现象与裂缝的开合有关，金 属材料试验表明，在压应力作用下裂缝闭合的长度，与旁频功率谱幅值存在密 切关系。基于对混凝土材料微裂缝的观测，分析裂缝裂隙处力学行为，建立能 够描述裂隙力一位移本构关系的模型，继而研究建立微裂缝力学行为和非线性超 声特征参数关系的定量化理论模型。 ( 2 ) 混凝土材料退化过程与非线性特征变化规律试验研究。混凝土退化以 微裂缝的形式存在，其过程伴随着微裂缝的形成、扩展、连通等一系列损伤积 累过程。受混凝土组成、级配等影响，在应力作用下，其裂缝的闭合形式可能 存在差异。在理论模型研究的基础上，首先通过对开级配细骨料混凝土试件的 试验研究，探寻从微裂缝的形成、扩展、连通等不同发展阶段的非线性超声高 阶谐波和非线性超声调制特征变化规律，可以进一步完善所提出的理论模型， 也为利用非线性超声高阶谐波和非线性超声调制特性方法，实现对混凝土材料 的无损定量评价提供理论基础； 武汉理工大学博十学位论文 ( 3 ) 测试关键技术研究。尽管混凝土材料表现出的非线性十分明显，但由 于混凝土材料的复杂性，其非线性超声信号较难以探测，具有一定的离散性。 同时由于高频超声波在混凝土材料中衰减很快，混凝土材料的超声测试所用频 率一般较低。而采用频率较低的超声波虽然声透射性好，但非线性特征不明显， 容易被噪音淹没。故需要综合国内外对非线性超声试验的方式和方法，探索测 试的最合理布置方案，研究提高信噪比的方法，在超声数字信号的处理技术、 非线性超声特征的信号提取和降噪技术、低频扰动信号的输入问题等方面开展 研究； ( 4 ) 在役结构混凝土材料强度评估方法研究。由于现场环境条件和混凝土 材料本身的复杂性，利用混凝土材料非线性超声特征对微裂缝等材料退化现象 十分敏感的特点，通过测试获得的非线性超声参数，推算混凝土强度，有助于 对混凝土材料无损定量评估方法的深入开展。结合该领域在混凝土损伤力学和 混凝土材料性能关系的研究成果，研究材料退化一非线性超声特征一宏观力学性 能之间的关系，以非线性超声特征为媒介，初步提出材料强度定量评估的方法。 1 4 本文的结构 首先明确了本文的研究目标。由于累积损伤的过程占据了结构服役期间的 绝大部分的时间，因此早期的结构损伤识别和评估更为重要。解决这一问题的 合理途径是从材料内部着手，即从微观或亚微观( 细观) 的角度探讨材料性能 的退化，而非线性超声理论为探究材料内部结构变化指明了一条方向，是目前 无损检测中令人关注的重点领域。本文各章节按照如下几部分展开： 第一章回顾了非线性超声无损检测领域的发展现状，在此基础上，确定了 本文的研究内容，即研究混凝土材料退化引起非线性超声特征的机理，有利于 对其早期微裂缝形成和发展做出定量的描述，进而提出对混凝土材料退化的定 量评价方法。 第二章从细观角度研究混凝土材料内部结构的特点，探讨混凝土内部裂缝 形成及扩展过程和混凝土裂缝发展的若干阶段，总结混凝土在损伤的早期和积 累阶段的特点，结合损伤力学理论，运用损伤变量对损伤加以描述。 第三章简要叙述非线性超声波动基本理论，重点针对一维波动方程，给出 非线性波动方程的解，明确材料非线性与非线性超声特征的关系，即材料非线 8 武汉理工大学博士学位论文 性系数与非线性超声中基频谐波幅值与高阶谐波幅值的关系。探讨非线性系数 的物理含义和与损伤变量之间的关系。为利用非线性系数对材料损伤进行定量 描述提供基础。 第四章对材料非线性引起的非线性调制现象进行理论解释，指出非线性调 制现象是材料非线性的一种表现形式，重点对开裂材料的非线性超声调制机理 展开研究。 第五章提出相应的非线性超声方法，探讨对材料内部结构变化情况的识别 技术，以实现对材料早期裂缝的探测和损伤累计的跟踪。针对混凝土一类细观 材料的特殊性，研究衡量相对非线性参数的实用方法，提出改进的敲击超声调 制测试方法。 第六章对非线性超声信号处理技术展开讨论。材料非线性特征在超声信号 中表现为功率谱能量的重分布，需要在频域里对信号进行分析。为了提高超声 信号频谱分析的精度，需要探讨非线性超声测试中有关的信号处理技术以及运 用离散信号对材料非线性特征的表达方法。 第七章为试验研究部分。为了验证利用材料的非线性超声特征，定量描述 混凝土材料早期性能退化的有效性，开展试验研究，包括高阶谐波试验和调幅 试验。探寻采用非线性超声方法实现对混凝土材料微裂缝识别和裂缝发展描述 的可行性。研究混凝土材料非线性超声特性，需要对试验进行设计，包括试件 的制作，超声试验方案的布置等，最后试验数据进行处理和分析，得出结论。 第八章探讨了结合材料非线性系数或非线性参数与材料的损伤退化之间的 关系。材料的非线性系数或非线性参数从一个方面代表了材料的力学行为，与 代表材料力学性能指标强度应当有着内在的联系。通过非线性超声特征表 现的材料退化量化指标作为桥梁，建立起材料退化与材料强度指标之间的联系。 第九章对全文进行总结，给出研究结论，并就现阶段研究的不足，对未来 的研究工作进行展望。 9 武汉理工大学博十学竹论文 第2 章混凝土材料损伤及其描述 2 1 混凝土材料细观结构和损伤过程 211 混凝土材料细观结构 借助于现代科学技术，人们可以观测到混凝土细观结构的形态，臣21 为普 通波特兰水泥混凝土的电子扫描图片知。 图2 - 1 龄期3 天的混凝土( 水灰比为0 4 5 ) 屯镜扫描图像，显示出其 微结构与不含骨料的水泥浆类似m 3 f i g2 - 1i m a g ew i t hs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p yi na3 - d a yo l dw ：c0 4 5 c o n c r e t e 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