水泥声发射研究绪论

1 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 混凝土材料问世已经有一百多年的历史了 从十九世纪波特兰水泥问世至今 有许多桥梁 隧道 大坝 核电站 超高层建筑等都是使用混凝土材料建造而 成的 混凝土材料经济适用 易于成型的优点 使其成为当今世界上用途最广 用量最大的建筑材料 并在水利 交通 工业等国民经济基础性设施和国防工程 中发挥了重要作用 成为一种不可或缺的建筑材料 例如世界当代十大巨型水利 工程之一的三峡水利工程 其主体建筑物大坝 船闸 电站等均为混凝土结构 整 个工程混凝土绕筑量约为 2941 万方 我国是世界上混凝土生产和消耗最大的国 家 有数据显示 2010 全国混凝土产量达 9 6 亿立方米 相比 2009 年的 7 9 亿立方 米增长了 21 5 预计在未来更长的时间内 混凝土材料仍将是主要的建筑材料 混凝土结构仍有着广阔的发展应用前景 然而 随着混凝土结构广泛使用的同时 很多结构由于设计缺陷 施工质量不达标 自然灾害 化学侵蚀 应力疲劳等 各方面的原因而产生损伤或开裂 性能发生退化 承载力和使用寿命大幅度下降 甚至引起建筑物的倒塌 给人们生命和财产带来重大损失 目前 发达国家对这一问题非常重视 投入了大量的人力 物力和财力用于该 领域的研究 以桥梁为例据美国交通部的统计 每年约有 200 000 座桥梁会发生性 能退化或失效 政府每年以 70 亿美元的投入用于这些桥梁的检测和评估 而加拿 大则每年有这样的桥梁 30 000 座 日本预计到 2020 年因结构损伤需要维修的桥 梁将占到总数的 1 2 在我国 混凝土结构损伤与破坏的检测 鉴定 评估等工 作起步较晚 已有结构的安全性评定标准还不完善 因此 对混凝土结构的损伤检 测 安全评价作进一步的研究十分有必要 为了弄清既有钢筋混凝土结构的力 学性能 工作状态以及损伤状况 保证结构安全运行 需要对结构进行各种各样的 性能检测 无损检测技术以其方便快捷 适应性强 对结构不造成破坏等优点 被广泛应用在混凝土结构检测中 无损检测技术是指在不改变结构的受力性能 及使用功能的前提下通过在结构上测取一定的物理指标从而推定混凝土的强度 连续性 耐久性 适用性的方法 无损检测技术能够简便而又快捷地估计钢筋 混凝土结构的性质及力学性能 同时实现其内部缺陷的定位与测量 同时 无损检 测技术还有助于评估新旧建筑物的安全性和稳定性 能够对建筑物的整体或局部 作质量监视 从而对混凝土结构的诊断 养护和维修起到重要作用 根据检测目 的不同 混凝土无损检测方法可分为以下几类 1 以检测混凝土强度为目的 有半 破损法 如钻芯法 拔出法和射击法等 和非破损法 如回弹法 超声法 振动法 和射线法等 以及以上两种方法的综合 2 以检测混凝土内部缺陷及裂缝为目的 有 超声脉冲法 冲击回波法 射线法 声发射法 雷达法 红外热像法及电磁法 等 3 以检测混凝土结构受力历史和损伤程度为目的 检测方法有超声法 声发 射法及模态检测法等 4 以检测结构混凝土的弹性模量 密实度 碳化层深度 等为目的 检测方法有振动法 超声法 射线法和钻芯法等 5 以检测结构损伤 位置及损伤程度为目的有声发射法 模态检测法 神经网络检测方法等 回弹法 是用回弹仪测定混凝土表面硬度 利用混凝土强度不同其回弹硬度 也随之变化的原理来推算混凝土强度的 利用回弹法测定混凝土的强度到目前 己有四十多年的历史 虽然近 20 年不少国家先后研制出了各种新型的混凝土非 破损检测仪器和测试方法 但传统的回弹检测法仍然不失其在现场应用的优越性 回弹法的主要优点包括 设备轻便 测试方法简单 效率高 费用低廉 受客观因 素影响小 因而特别适用于施工现场大量的 随机的检验 回弹法被国际学术界 公认为是混凝土无损检测的基本方法之一 但是回弹法只适用于混凝土强度检 测 不能用于混凝土缺陷检测 超声检测法 是利用超声波在不同密度和不同弹性模量的混凝土中传播速 度也不同的原理 根据波速与混凝土强度的相关关系来推定混凝土的强度 但是 国内外大量的研究表明 超声波波速与混凝土强度的相关性并不高 所以用超声检 测法测定混凝土强度时 将受到一定的限制 由于波速与强度的相关关系往往受 许多因素的影响 所以测试精度也受到很大影响 在实际检测应用中 要根据实际 条件的变化对其进行修正 以保证检测结果的可靠性 近年来 随着超声层析成像 技术的发展 超声法在混凝土缺陷检测方面的应用越来越多 雷达探测法 是用天线发射高频电磁波 利用电磁波传播的路径 电磁场分 布 波形随传播介质的电性质及几何形状而改变的原理 根据接收到的波的相位 波幅与波形信息的分析推断介质内部结构 随着现代应用电子技术的发展和人 们对电磁波认识进一步加深 雷达探测应用范围从低耗介质扩展到土层 岩层 混凝土等有损耗介质中 如 地质勘探 考古 无损检测等 雷达探测法由于图像 相对直观 使用方便 所以很受工程界欢迎 在混凝土缺陷的检测 桥梁腐蚀定量 分析 管道无损检测 砌体结构的完整性探测等方面都有应用 但雷达法的穿 透能力较差 一般在 300mm 左右 红外热像检测 是指运用红外热像仪探测物体辐射出来的红外线能量 根据 物体表面的温度场分布形成的热像图 直观地显示材料 结构及结合处不连续缺 陷的检测技术 红外热像检测是非接触的无损检测技术 可作上下 左右等全方 位的连续扫测 因此也称红外扫描技术 红外热像检测技术具有广视域的快速扫 测和遥感检测的功能 对已有无损检测技术的功能和效果具有很好的互补性 冲击回波法 是指利用机械冲击器向物体表面发送短周期应力脉冲波 当压 缩波 p 波 在物体内传播遇到缺陷 如裂缝宽度 0 03mm 时 波便不能穿透而产生 反射 而遇到表面边界时则会发生反射 一旦波速确定 且选择正确的冲击器 就 可以准确地测得缺陷的位置和深度 当构件不存在缺陷时则可测得其厚度 17 冲击回波法测试方便 快速 直观 可用于各类混凝土和沥青混凝土结构的内部 缺陷探测和厚度测量 其不足之处是单点检测 测试结果不能全面反映混凝土构 件的缺陷 振动模态法 是指通过监测混凝土结构的动力响应 固有频率 振型与阻尼 等 从监测数据中提取结构不同部位动力参数信息及其衍生信息 并将结构有损 和无损状态下的相应动力信息进行比对 从而实现结构的健康监测和评估 理论 上 这一概念可用于桥梁等混凝土结构的损伤与老化的诊断 但是实际操作起来却 存在相当大的技术挑战 如激励源的选择 传感器类型 数目和位置的选择 误差 与不确定问题的处理等 其最基本的问题在于 大型土木工程结构的局部损伤对 结构的低频响应不敏感 而据目前的技术条件 仅结构的低频响应能够较准确的测 得 这也就意味着通过结构的低阶模态对结构局部损伤的识别效果不是很好 另 外 该方法只能对己存在损伤的情况进行诊断 而对于实际的破坏过程则无能为力 声发射检测法 是指借助专用检测仪器采集材料变形或开裂过程产生的声 发射信号 经过计算机处理 从而得到表征缺陷特征的参数 以此来分析和判断材 料损伤的大小 位置 状态及发展趋势 声发射是一种常见的物理现象 几乎所 有的材料在变形和损伤时均伴有声发射产生 且信号来自于材料本身 因此声发射 能够反映材料本身的性质和缺陷程度 同时 声发射技术是一种动态的无损检测 方法 可以实时地反映材料内部微观结构的变化 与其他检测手段相比 具有动态 实时 灵敏的特点 声发射 Acoustic Emission 简称 AE 是指材料在温度或应力作用下 在产生变 形或开裂的同时 以应力波的形式释放应变能的现象 是材料内部由不稳定的高能 态向稳定的低能态过渡的应力松弛过程 声发射技术就是借助专门的采集仪器 将声发射信号检测出来 通过对检测信号波形或参数加以分析来推断材料内部产 生的变 声发射技术从其应用和研究的范围来看 已从最初的压力容器检测 金 属疲劳和断裂研究 发展到目前的航空 航天 铁路运输 船舶制造 工业过程 建筑 石油化工 电力等几乎所有工业领域 其优点主要表现在三个方面 1 动 态检测 能够实时监测材料内部微观结构的变化 对材料或结构缺陷的状态进行实 时探测和评价 因此特别适用于工业过程的在线监控和基础项目的在线监测 2 灵敏度高 能探测到外加应力下微小缺陷的活动情况 3 对被检测对象的接近程 度要求不高 适用于其它方法难以或无法接近情况下的检测 如高低温 核辐射 易燃 易爆及剧毒等 由此看来 声发射检测技术是一种颇具活力和发展前景的新方法 对材料以及 结构性能的研究具有很大的促进作用 声发射技术的完善可以作为对其他无损检 测方法的有益补充 对于混凝土结构的安全 健康监控有着非常重要的意义 1 2 混凝土声发射技术研究现状 1 2 1 国外研究现状 声发射技术是无损检测技术中的一个重要分支 作为一种结构材料性能研究 的有力手段 声发射在混凝土领域的应用已具有悠久的历史 由于声发射技术起 源于国外 因此国外在这方面的研究和应用也一直处于领先地位 最早将声发射 技术应用于工程材料研究的是 Obert 1941 和 Hodgson 1942 他们不仅提出了声 发射检测的基本思想 而且对材料的破裂点进行了定位研究 并想据此确定出岩石 中的最大应力区 而将声发射技术作为一门新型的技术方法和科学研究工作 则 是德国的 Kaiser 于 1950 年开始进行的 Kaiser 通过研究发现 几乎所有的金属材 料在形变过程中都具有声发射现象 并且发现了声发射现象的不可逆效应 即凯瑟 效应 Kaiser effect 在此之后 声发射技术才逐渐被应用于其他研究领域 1 2 2 国内硏究现状 声发射技术在 1973 年引入我国 当时正是我国断裂力学发展的高峰 人们希 望利用声发射预报和测量裂纹的开裂点 随后中科院沈阳金属研究所 航天部 621 所 机械部合肥通用机械研究所 武汉大学等一些科研院所和高校开展了 金属和复合材料的声发射特性研究 而将声发射技术应用于混凝土领域则是从 上世纪 90 年代开始的 1995 年 董毓利等对混凝土受压全过程声发射特性进行了研究 指出 当应变 较小即混凝土试件刚受力时便曲现声发射信号 但信号的强度和密度相对较小 当 载荷接近 80 极限荷载时 声发射信号的强度和密度不断增加 峰值荷载时尤甚 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 但仍有相当的 强度 直至残余混凝土损伤检测声发射技术应用研究强度阶段 此时已形成的裂缝 相互作用并彼此连通 致使混凝土试件破坏 之后 北京科技大学的纪洪广等对混凝土材料的声发射特性进行了全面的研 究 他不仅对混凝土损伤的声发射机理进行了探讨 而且给出了定量描述声发射 活性的特征函数 导出了声发射参数同损伤参量之间的关系及用声发射参数表示 的损伤演化过程和本构方程 另外 他还通过混凝土试块的三点弯曲试验分析混 凝土材料断裂过程中声发射关联分维数的变化规律 指出 混凝土材料的声发射过 程不仅具有明显的分形特征 而且在临界状态下 各声发射分形特征参数都表现出 一定的异常模式 可以作为混凝土材料出现临界断裂的识别特征 1 3 目前存在的不足 尽管声发射技术在混凝土领域的应用已经有几十年的历史了 但是由于混 凝土本身的复杂性 声发射在混凝土领域的发展一直落后于金属 岩石等领域 目前 声发射技术在混凝土材料 结构损伤检测及评价中的应用还存在许多不 足之处 主要表现在以下几个方面 关于混凝土材料损伤过程声发射产生机理的研究还很不充分 对混凝土材 料损伤机理与声发射机理的认识还不是很全面 关于混凝土受压条件下声发射特征的研究较多 而混凝土在受拉 剪切等 应力条件下的破坏特征及声发射特征研究较少 如何通过混凝土声发射特征识 别材料不同破坏机制和破坏程度仍是一个技术难题 目前声发射在混凝土断裂过程方面的研究大多是定性的分析 缺乏定量的 数学表达 因