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1、混凝土梁三点弯曲负荷下声发射特性研究 陈 兵 张立新3 刘娟育 (同济大学混凝土材料研究国家重点实验室,上海 200092) 摘 要 研究混凝土梁受三点弯曲负荷时的声发射(A E)特性。 结果表明在加载初期裂缝在混 凝土中的形成和扩展是间歇的,达到临界状态后裂缝的扩展呈失稳;切口相对深度对混凝土梁声发 射特性有着显著影响,切口相对深度增大,声发射事件突发性明显减小,表明其材料的脆性程度降 低。利用声发射可以对内部裂缝进行定位。 主题词 声发射特性 弯曲负荷 混凝土 裂纹 STUDY ON THE ACOUSTIC EM ISSI ON CHARACTERISTICSOF THE CONCRET
2、E BEAM S UNDER THREE-PO INT BEND INGLOAD Chen Bing Zhang L ixin3 L iu Juanyu (State Key L aboratory of ConcreteM aterial Research, TongjiU niversity, Shanghai) Abstract The acoustic em ission(A E)characteristics of the three2point2bended concrete beam sw ith notches of different relative depthswere
3、studied during the entire loading period.It was shown that the cracks formed and extended discontinuously at the inception of loading and the extension was out of stable in the state of critical loading.The relative depths of the notches affected A E characteristics obviously. The occurrence of A E
4、events decreased greatlyw ith the increasing of the relative depths of the notches .It meant that the brittleness of concrete decreased. The inner cracks could be located by means of A E technology. Keywords A coustic em ission characteristic Bending load Concrete Crack 混凝土是一种多相复合材料,由于多种原因,硬 化后在骨料与硬
5、化水泥浆体的界面处形成微缺陷, 当混凝土承受外部荷载时,随着荷载的增大,在这些 微缺陷的尖端处形成应力集中,引发微裂缝,微裂缝 沿骨料界面进一步扩展,并逐渐向浆体内部发展。 在 微裂缝不断发展变化的过程中,产生弹性波向周围 辐射,即声发射(A E)。 混凝土材料受力变形和开裂释放应变能产生的 应变波,在声发射技术中常以事件、 振铃的计数、 计 数率、 能量及振幅分布等参数来表示。 在受力过程中 产生的A E信号常通过以下途径来分析1: (1)利用声发射事件发生率,判断混凝土材料 内部破坏程度。 (2)利用声发射能量确定临界能量释放。 (3)利用声发射信号的频率、 振幅和上升时间 辨别不同加载水
6、平和材料的不同破坏机理。 3同济大学道路与交通工程系 (4)利用声发射信号到达不同探头的不同时 间,确定裂缝出现的位置。 声发射技术在混凝土中的研究应用,最初由 Rsch 2提出, 主要集中于无损检测和混凝土受压 过程的声发射特性3。本文研究了混凝土材料在三 点弯曲受载过程中,匀速加载时的声发射特征以及 混凝土力学性能与声发射参数间的关系,探讨了用 声发射技术研究混凝土断裂行为的可能性。 1 实验器材和方法 1. 1 实验装置 实验装置示意图见图1。试样在万能试验机上 进行三点弯曲实验,通过跨中挠度控制对试样进行 加载。 声 发 射 仪 采 用 美 国Physical A coustic Co
7、rporation生产的SPARTAN A T2000系列。6个 谐振频率为150kHz的压电换能器分别与梁的相应 位置耦合(图2),耦合剂为凡士林。信号经前置放大 901 第22卷第3期 2 0 0 0年3月 无损检测 NDT Vol . 22 No. 3 M arch 2000 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 图1 声发射检测系统 图2 试件尺寸和探头分布 器(增益40dB)后进入鉴别单元,处理后同时输入定 区检测单元,此单元在试验前已
8、校正,使本系统只接 收中心加载点周围10cm区域内的声发射信号,这 样较有效地排除了外界噪声干扰。最后用电脑软件 处理数据并绘图。 1. 2 试件及其制备 实验采用的混凝土为高强混凝土,实测抗压强 度为85. 6 M Pa。混凝土配比为CWGS= 1 0. 32. 31. 41,掺加1. 5%的UN F22高效减水 剂。粗骨料粒径为520mm ,砂子细度模数为2. 4, 含泥量 0. 1%。试件为10cm10cm51. 5cm的 成型梁(图2),龄期为28d,测试前两天用切割机切 口,其切口深度分别为2, 5和8cm(每种切口试件各 3块)。 2 实验结果与讨论 2. 1 声发射振铃数与裂缝扩
9、展关系 图3, 4分别作出了加载初期和后期声发射振铃 累计数与时间的关系曲线。图3中既有较平缓的阶 段,又有较陡的上升阶段,说明声发射事件是间歇 的,反应出裂纹的扩展也是间歇的;而图4中振铃累 计数随时间迅速增长,表明裂纹的扩展呈失稳状态。 混凝土作为一种多相复合材料,内部通常存在 图3 加载初期振铃累计数与时间关系曲线 图4 加载后期振铃累计数与时间关系曲线 许多缺陷。 当施加荷载时,这些缺陷由于局部应力集 中而起裂,释放应变能使原有的应力集中消弛,结构 调整,使裂缝止裂;更主要的是,混凝土中含有骨料, 当裂缝扩展遇到骨料时,由于骨料的力学性能一般 优于水泥基体,故能起到阻裂作用(图5),使
10、裂缝停 止扩展,积聚能量。以上两种机理使得在加载初期, 混凝土内部裂缝扩展具有间歇特性。 然而,荷载进一 步增大,发展到混凝土内部没有更多的能量储存时, 即临界状态,此时由荷载引起的任何附加能均因裂 纹的扩展而立即释放,使材料呈现失稳状态。 图5 骨料阻挡裂缝示意图 2. 2 三点弯曲梁声发射特性 在荷载作用下,混凝土梁将产生损伤,进而发生 失稳破坏,其宏观的破坏现象是许多微观破坏的综 合表现。混凝土中裂缝的发展过程是4 微裂纹的 形成。 微裂纹的稳定扩展。 裂纹失稳慢速扩 展。 裂纹失稳快速扩展。 声发射技术作为一种测试混凝土内部状态变化 的手段,其测量结果直接反映了混凝土内部缺陷的 发展变
11、化过程。 在匀速加载下,不同切口深度混凝土 梁的荷载2挠度曲线与声发射关系见图6。观察具有 三种切口相对深度试件的声发射事件测量结果可以 发现,声发射事件的出现与荷载2挠度曲线之间具有 011 陈 兵等:混凝土梁三点弯曲负荷下声发射特性研究 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 图6 不同深度切口混凝土梁荷载2挠度 曲线与声发射的关系 1.荷载 2.声发射事件数 3.声发射事件累积数 明显的对应关系。 在荷载2挠度曲线上升段,切口相对深度不同的
12、试件的声发射特性基本相似: 在加载的初始阶段 基本没有声发射信号。 在荷载达到最大荷载的 80%左右时开始出现明显的声发射事件。 当荷载 达到极值时声发射事件迅速增加。 在荷载2挠度曲线下降段,切口相对深度对声发 射特性具有明显的影响。主要表现在: 声发射事 件数的峰的位置发生变化,切口相对深度为0. 2时, 峰的位置出现在荷载2挠度曲线下降段的85% 95%最大荷载处;切口相对深度为0. 5时,峰的位置 出现在荷载2挠度曲线下降段的60%80%最大荷 载处;切口相对深度为0. 8时,基本上没有峰。 声 发射事件数的峰的宽度随切口相对深度增大而增 大。 在荷载2挠度曲线下降段,随切口相对深度增
13、大, 声发射事件数的峰向后移动,峰宽增大,峰高降低。 在切口相对深度很大时,基本上没有明显的声发射 事件数的峰出现。 关于切口深度对水泥基复合材料力学行为的影 响,不少研究者做过此方面的工作。 张东5利用非线 性断裂模型模拟了切口深度对三点弯曲梁的荷载2 挠度曲线的影响,并采用R曲线和断裂过程区等参 数分析切口深度对断裂行为的脆性程度的影响。结 果表明,随切口深度增加,饱和断裂过程区相对长度 和亚临界裂缝扩展相对长度增加,从而在试件的破 坏过程中,其韧带中非线性区域,即断裂过程区所占 比例增大。表现在材料性能上则随着试件切口深度 增大,混凝土脆性降低、 韧性增大。 2. 3 断裂过程区的定位
14、混凝土断裂力学的核心是对断裂过程区的研 究。已有不少人对此进行过研究。我们利用声发射 信号到达不同换能器的时间差对裂缝进行定位;同 时在加载前将少量染色液加到裂缝的尖端,当裂纹 扩展时,染色液渗入裂纹扩展区域,使断裂面染色, 从而观察验证。图7中的黑点是声发射仪内部所配 软件根据分布在试件不同位置的换能器接收到的声 发射信号经处理得到的声发射事件定位标记,测试 精度为5mm。由测试结果发现在不同的加载段,声 发射事件的分布有很大区别,加载初始阶段声发射 事件分布区域较广且较零乱(图 7a ) , 当荷载达到峰 图7 不同加载阶段声发射定位 (下转第118页) 111 陈 兵等:混凝土梁三点弯曲
15、负荷下声发射特性研究 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 图5 方钢纵向磁化时的有效磁场 图6 两个相连的同x轴体积元 由图6可见 , d V1在P点激励出+qm1,而dV2 在P点却激励出了-qm2,而 qm=qm1-qm2 0(8) 即P点出现了净磁荷qm或dqm。 故纵向磁化的初瞬间垂直于磁化场的方钢各个 截面上将激励出各不相同的净磁荷dqm。 由式 (6 )微分可得 dqm=mdS=0mdHd(x,y,z)dS(9) 由式(1)可求出d
16、Hd(x,y,z) (因公式过繁,从 略 ), 从而画出净磁荷qm沿x轴的分布示意图(图 7由图5曲线的导数绘出)。 图7 方钢纵向磁化时的净磁荷 但是,每个截面上的净磁荷间必然要互相排斥, 而它们的大小又不相等,所以方钢纵向磁化初瞬间 的这种磁荷分布肯定是不稳定的,或者说,是转瞬即 逝的。 参考文献 1 仲维畅.棒材纵向磁化的磁偶极子理论.中国机械工程学 会无损检测学会第六届年会论文集,上海: 1995. 268 2 仲维畅.方钢纵向磁化的磁偶极子理论基础.无损检测, 1997, 19(4): 95- 98 3 赵凯华,陈熙谋.电磁学.北京:高等教育出版社, 1978. 4 Edwards
17、C, Palmer SB.The magnetic leakage field of surface2breaking cracks .Journal of Physics: Applied Physics, 1986, 19(4): 657- 673 5 仲维畅.有限长磁偶极带和磁粉探伤磁粉探伤原理 之四.第六届全国磁粉、 渗透探伤年会论文集, 1993. 6 汽轮机技术 编辑部编译.美国无损检测教程.哈尔滨: 1985. 收稿日期: 1999209208 (上接第111页) 值和下降段时,声发射事件分布较集中且分布于裂 纹尖端,具有一定阶梯性(图 7) 。图7d描绘出裂缝 发展(染色得到的
18、)与声发射定位间的关系,可见表 面观测到的裂缝发展比内部实际的快和长。以上初 步的实验结果可推断声发射定位技术应用于断裂过 程区的研究是可行的。 3 结论 (1)三点弯曲受载的混凝土梁,在加载初始阶 段,由于混凝土内部粗骨料的阻裂作用,使得混凝土 内部裂缝呈间歇发展;但达到临界状态后,由于没有 更多的能量储存,使得裂缝扩展呈失稳状态,出现连 续和迅速的声发射。 (2)三点弯曲受载的混凝土梁随切口深度增 大,声发射峰值向对应的荷载2挠度曲线下降段移 动,且峰宽变宽。表明这时的混凝土脆性降低、 韧性 增大。 (3)实验证明,利用6个换能器进行空间定位 可确定声发射源,对内部裂纹定位,并可发现表面观
19、 测到的裂纹发展比内部实际的快和长。 综上所述,声 发射定位技术应用于断裂过程区的研究是可行的。 参考文献 1 M aji A , Shap SP.Process zone and acoustic em ission measurements in concrete.Experi mental M echanics, 1988(3): 27- 32 2 R sch.Physical problem s in the testing of concrete. Zement2Kalk2Gips, 1959, 12(1): 5- 7 3 董毓利等.砼受压全过程声发射特性及其损伤本构模型. 力学与实践, 1995, 17(4): 25- 28 4 M azars J.混凝土中微裂纹的演变:宏观裂纹的形成.岩 石、 混凝土断裂与强度, 1984(2): 31- 45 5 张 东.水泥基复合材料断裂模型及断裂行为的研究: 博士学位论文.上海:同济大学, 1996 收稿日期: 1999204227 811 仲维畅:方钢纵向磁化初瞬间各截面的退磁场和净磁荷 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载