DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.04.040

混凝土声发射信号频率特征与强度参数的相关性试验研究

郭庆华^{1, 2}，郤保平¹，李志伟¹，郑晓琛¹，田俊斌¹，朱合华²

(1. 太原理工大学 地下工程系，山西 太原，030024；

2. 同济大学 地下建筑与工程系，上海，200092)

摘要：对不同强度指标的混凝土试块进行抗压试验，应用声发射及其定位技术对抗压试验全过程进行同步监测，分析混凝土受载破坏过程中声发射频率特征参数与混凝土强度指标的关系，研究混凝土受载破坏过程中内部裂纹的三维空间演化规律。研究结果表明：混凝土强度指标影响混凝土声发射信号频率特征参数。结合荷载-位移曲线对声发射振铃计数率和能率进行分析，发现C10和C20混凝土(低强度混凝土)声发射信号主要集中于弹性阶段初期和中期；C30和C40混凝土(中等强度混凝土)声发射信号处于受压全过程，声发射活跃期处于极限荷载处。通过对混凝土声发射事件进行空间三维定位，从微观上探明受载混凝土裂纹的萌生、发展和贯通的演化规律，对受载混凝土内部结构的变化有了直观的认识。

关键词：混凝土；声发射；强度指标；裂纹；空间演化

中图分类号：TU528.31             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)04-1482-07

Experimental research on relationship between frequency characteristics of acoustic emission and strength parameter in concrete

GUO Qinghua^{1, 2}, XI Baoping¹, LI Zhiwei¹, ZHENG Xiachen¹, TIAN Junbin¹, ZHU Hehua²

(1. Department of Underground Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;

2. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract: The concrete samples with different strength parameters were tested under uniaxial load. During the whole testing process was monitored synchronously through the acoustic emission (AE) system. The relationship between frequency characteristics parameters of acoustic emission signals and the strength parameters of concrete samples was analyzed. The three-dimensional space evolution of inner crack of concretes was researched in the failure process. The experimental results show that the AE frequency characteristic parameters are affected by the strength parameters of concrete. The AE ring count rate and energy rate are analyzed on the basis of the load-displacement curve and the results show that the AE signals of C10 and C20 concrete (low strength concrete) mainly concentrate on the initial and mid-term stage of elastic domains while the AE signals of C30 and C40 concrete (medium strength concrete) are in the whole failure process and the active stage is at the ultimate load. The test on the 3D-distribution of AE signals, the evolution from generation and growth to connectivity of cracks is proved from the microcosmic point. The experimental study provides an intuitive understanding of the inner structural changes of concrete in the failure process.

Key words: concrete; acoustic emission (AE); strength parameter; crack; space evolution

混凝土在受载破坏过程中，其材料晶体间的错位和滑移、原生裂纹的扩展和连通、新生裂纹的萌生和演化等原因最终导致混凝土的宏观破坏。裂纹在发展演化过程中集聚的能量会以弹性波的形式释放，人们称这种现象为混凝土的声发射现象(AE)。声发射信号以弹性波的形式从信号源到达混凝土表面，通过对此弹性波的检测分析，从而了解到混凝土在受载过程中裂纹的发展和演化规律，为现场检测和预测预报提供理论依据^[1]。20世纪30 年代，美国的Obert和Duvall发现受压作用的岩石内部有声发射活动存在，并于1940年在阿迷克铜矿检测到爆发性声发射，预测岩爆的来临^[2-4]。而对混凝土材料的声发射特征研究要追溯到20世纪50—60年代：Rusch^[5]对混凝土受力后声发射特征进行了研究，并指出其凯赛效应产生的应力范围；1965年Robinson^[6]对砂浆体及不同骨料掺量、不同骨料粒径的混凝土的声发射特征进行了研究，指出混凝土声发射信号的2个主频及产生的应力水平。自此以后，声发射技术运用到了混凝土的研究中，并取得了大量的成就：纪洪广等^[7]在试验的基础上，定量的描述了混凝土材料在受载破坏过程中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述的损伤演化方程及本构方程；尹贤刚^[8]通过实验的方法对岩石及混凝土2种材料受力变形破坏的声发射特征进行了对比研究；欧阳利军  等^[9]通过断铅试验对混凝土结构声发射检测参数进行了系统的研究设置。本文作者通过试验，对C10和C20混凝土(低强度混凝土)和C30和C40混凝土(中等强度混凝土)在单轴受压过程中声发射信号频率特征进行研究与分析，即混凝土的强度指标对声发射信号频率特征的影响^[10]。结合混凝土荷载-位移关系曲线，通过对声发射信号频率特征参数的分析，得到荷载-时间-振铃计数率及荷载-时间-能率的关系曲线，从而反映受载混凝土声发射信号的频度和强度，为声发射活动性进行评价。为进一步阐明混凝土试件在随荷载-位移变化过程中内部结构的变化规律，本文作者利用声发射定位技术研究混凝土试件在整个加载过程中内部裂纹的萌生、扩展、贯通的三维空间演化过程，为混凝土破坏过程内部裂纹的发展演化提供直观的认知。

1  试验方案及内容

1.1  混凝土试件制作

为研究混凝土强度与声发射信号频率特征之间的关系，试验采用了4种不同强度等级的混凝土(C10，C20，C30和C40)，混凝土试件的长×宽×高为100 mm×100 mm×100 mm。C10混凝土采用标号为32.5的普通硅酸盐水泥，C20，C30和C40均采用42.5的普通硅酸盐水泥；粗骨料为石灰石碎石，粒径为5.0~31.5 mm；细骨料为中砂。表1给出了各强度等级混凝土的配合比^[11]。试块采用钢模水平浇注，人工振捣，48 h后拆模，洒水养护，28 d后进行抗压及声发射试验。

表1  混凝土材料配合比

Table 1  Mix proportion of concrete

1.2  试验设备

试验在太原理工大学采矿工艺研究所进行。加载设备采用微机控制电液伺服万能试验机型号为WAW-600，最大试验力为600 kN。立方体抗压试验加载过程采用位移控制，速率为0.002 mm/s，直至试块破坏。系统会自动记录加载过程中荷载-位移曲线及数据。

声发射测试系统采用了美国物理声学公司(PAC)生产的PCI-2声发射测试系统，该系统是PAC公司最新研制适用于大学等高端声发射研究用的高性能/低价位4通道声发射系统，能够对声发射特征参数/波形进行实时处理。本试验中设定的声发射测试系统的前置放大为40 dB，门槛值为40 dB，探头谐振频率为20~100 kHz，采样率为1MSPS。声发射探头与混凝土表面接触处采用凡士林耦合，并用胶带固定，以保证信号良好的接收效果^[9]。为保证抗压试验与声发射实验有共同的时间参数，以便进行数据的处理分析，加载系统与声发射测试系统必须保证同步进行。试验装置示意图见图1。

1.3  试验内容

本文主要从2方面对混凝土在抗压过程中的声发射现象进行研究：不同强度指标的混凝土立方试块在抗压过程中声发射信号频率特征的差别，即各试块荷载-时间-振铃计数率及荷载-时间-能率的关系的差异；以及利用声发射定位技术对所产生声发射事件进行三维空间的定位研究。

图1  试验装置示意图

Fig. 1  Sketch map of experimental equipment

2  受载混凝土声发射信号频率特征

对混凝土试块加载破坏的全过程中，电液万能伺服试验机系统自动采集加载过程中的荷载-位移曲线，PCI-2声发射仪全程进行声发射信号的采集和显示。试验发现，混凝土试件在加载全过程中都经历了压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和峰后破坏阶段。但是不同强度指标的混凝土(C10，C20，C30和C40)声发射特性有存在很大的差异。通过分析声发射信号特征参数和不同强度指标的混凝土试块荷载-位移曲线之间的相关关系，即可获得声发射振铃计数率和能率随强度参数的变化规律。声发射振铃计数率是指声发射信号单位时间越过门槛值的振荡次数，可粗略反映声发射信号的强度和频度，用于声发射活动性的评价；能率反映了声发射信号相对能量和信号的强度。

图2~5所示分别表示以时间为共同参数C10，C20，C30和C40混凝土试块在受压过程中声发射信号频率特征与所承受荷载之间的关系曲线。从图2~5可以看到混凝土在受压破坏过程中表现出一些相同的特征，即：1) 不同强度等级的混凝土试块都经历了压密阶段、弹性阶段、塑性变形阶段和峰后破坏阶段；2) 整个受压过程中都有声发射信号的产生，声发射振铃计数率和能率同步增加或减少；3) 在受压过程中，声发射振铃计数率和能率都有不同程度的突变，并且主要集中在弹性阶段和塑性变形阶段，分析其原因主要是由于本试验采用了位移控制加载，导致试块在受压过程中受到试验机的冲击作用，试块内部突然产生较大的裂纹；或是由于随着荷载的增加，原生裂纹或新生裂纹逐步扩展演化，试件内所集聚的能量突然释放^[12]。

虽然混凝土试块在受压过程中表现出一些相同的特征，但从图2~5中荷载曲线及声发射信号特征曲线可以明显的发现，混凝土强度指标对混凝土受压破坏及声发射信号频率参数的影响存在很大差异。

由图2及图3可见：C10和C20混凝土在受载过程中，塑性阶段历时较短，当到达峰值后，试块的承载力就开始下降。受压过程中，低强度混凝土声发射信号主要集中在初始加载阶段和弹性阶段的初期和中期，即峰值荷载的10%~75%。由图2和图3可见：当C10和C20混凝土进入弹性阶段后期及塑性阶段，声发射信号并没有增加，反而一直处于较低的水平。峰值破坏以后，C10混凝土基本上已没有声发射振铃计数率和能率，即声发射信号已经很弱。C20混凝土在峰值荷载的时候，振铃计数率有了1个小幅度的增加，峰后的声发射信号同样很弱。

图2  C10混凝土声发射振铃计数率、能率与荷载的关系

Fig. 2  Relationship among AE ring count rate, energy rate and load for C10 concrete

图3  C20混凝土声发射振铃计数率、能率与荷载的关系

Fig. 3  Relationship among AE ring count rate, energy rate and load for C20 concrete

图4  C30混凝土声发射信号频率特性

Fig. 4  Relationship among AE ring count rate, energy rate and load for C30 concrete

图5  C40混凝土声发射信号频率特性

Fig. 5  Relationship among AE ring count rate, energy rate and load for C40 concrete

分析其原因，主要是因为低强度的混凝土内部结构相对粗疏，水泥石的内聚力以及水泥石与粗骨料的黏结力都相对较小，从而导致混凝土内部存在较多的原生裂纹和相对不稳定的界面。在受压初期，试块内部原生裂纹和缺陷被压密，即产生了声发射信号^[10]。当试件被压密后，由于强度相对较低，随着荷载的增加，试块内部水泥砂浆颗粒就会产生相对的错位和滑移，进一步产生裂纹裂缝，并且在此阶段大量发展，从而导致此时声发射信号较为频繁，强度较大。在试验过程中，观察到当达到弹性阶段的后期，试块已经开始产生宏观的裂缝，而声发射信号却很低，充分说明低强度混凝土在弹性阶段初期和中期，试块内部已经产生了大量裂纹并开始扩展贯通。

由图4和图5可见：随着强度的增加，混凝土在破坏过程中，塑性变形阶段历时较长，出现很明显的“耗时”现象^[12]。C30和C40混凝土的声发射在初始压密阶段与C10和C20混凝土差异不大，但C30和C40混凝土出现了声发射信号稳定发展阶段，而且声发射活跃期有了明显的后移。声发射信号主要集中在弹性阶段和塑性破坏阶段，甚至峰后的声发射信号也较强。

分析原因，主要是中等强度的混凝土试块被压密进入弹性阶段后，由于强度相对较高，内部结构相对较致密，随着荷载的增加，水泥砂浆颗粒错位滑移，试块内部并没有立刻产生大量的裂纹，而是在荷载作用下，裂纹裂隙较为平稳的发展，所以此阶段声发射信号也相对较为平稳。进入塑性变形阶段，混凝土试块即将到达其抗压强度，内部裂纹大量发展并连通，并形成裂纹带，产生宏观的裂缝，产生较为强烈的声发射信号，形成声发射活跃期^[13]。在峰后，由于混凝土强度较高，试块核心部分并未完全破坏，因此在荷载作用下依然会有大量的声发射信号产生。

3  受载混凝土声发射空间定位研究

如上所述，混凝土在受载破坏过程中裂纹的发展演化最终导致混凝土试块的宏观破坏。但是在试验过程中，最终只能观察到试件的宏观破坏，而对试件内部的结构发展并没有直观的认识。为了进一步了解混凝土在各阶段裂纹的发展演化规律，从直观上了解和认识混凝土内部结构的变化，对混凝土受载破坏过程中裂纹演化的声发射事件定位的研究就尤为重要。鉴于篇幅所限，本文选取了较为典型的C20混凝土试验结果进行分析，主要分析声发射事件计数率及声发射信号源的三维空间。

图6所示为C20混凝土受载破坏全过程声发射事件计数率与试块所承受荷载之间的关系曲线。由图6可见：在加载初期峰值荷载的20%左右，声发射事件处于一个较低水平。该阶段混凝土被压密，但声发射事件较少。进入弹性阶段的前期和中期，即峰值荷载的20%~75%声发射事件率显著增加，声发射事件主要集中在这一阶段，并且在峰值的60%左右达到最大(35次/10 s)，此阶段混凝土试块在荷载作用下裂纹发展较活跃。而后声发射事件率逐渐降低，进入塑性阶段，声发射事件率已处于很低的一个水平了(3~5次/10 s)。这一结论与上述C20混凝土声发射振铃计数率和能率相吻合。

下面从三维空间图进一步直观的了解裂纹裂隙的发展演化过程^[14-15]。图7所示为混凝土试块在应力增量为△f=0.2f_cu(f_cu为混凝土抗压强度)各阶段的声发射事件源的空间分布图，在图7可以看到每个荷载水平阶段内声发射事件的数量和集中程度，从而直观地了解在各荷载水平阶段内混凝土试块内部裂纹的发展程度。由图7可见：混凝土在0.2f_cu各阶段内，产生的声发射事件数较少，声发射信号活跃阶段主要处于(0.2~0.8)f_cu内，并且可以看出声发射事件在试块的左右两侧(即破裂面)有集聚的趋势。在0.8f_cu之后，即进入塑形阶段，混凝土声发射开始减少。

图6  荷载-时间-声发射事件率关系

Fig. 6  Relationship among load, time and AE event rate

图7  不同荷载水平内混凝土声发射信号源空间分布

Fig. 7  3D distribution of AE signals sources of concrete under different load levels

图8  声发射信号源累计空间分布

Fig. 8  Cumulative 3D distribution of AE signals sources

图8所示为当应力增量△f=0.2f_cu时，混凝土内部声发射事件源的累计分布三维空间图，形象的展现了受压过程中试块内部裂纹裂隙的产生、扩展、贯通的演化进程^[15]。

由图8可知：混凝土试块在0.4f_cu时，声发射事件就开始有明显的集聚现象，左右两侧的声发射事件数相对较多，上部较下部多，并且随着荷载的继续增加，集聚现象越明显。充分说明在0.4f_cu时，混凝土内部裂纹就已经开始发展演化，荷载的增加即会加强裂纹裂隙的扩展贯通，最终导致宏观破坏。图8所示的声发射事件累计分布图与抗压试验中混凝土试块倒锥形破坏形态相符。

4  结论

1) 随着强度的增加，混凝土塑性破坏阶段越明显，耗时越长。

2) 受载混凝土声发射现象受混凝土强度指标影响。C10和C20混凝土(低强度混凝土)声发射活跃期主要集中在弹性阶段，C30和C40混凝土(中等强度混凝土)声发射现象在弹性阶段较平稳，活跃期处于塑性破坏阶段，即随强度的增加，声发射活跃期后移。

3) 混凝土受压过程中声发射信号频率特征参数-振铃计数率和能率会出现少数突增现象，表明在荷载作用下混凝土内既有萌生扩展产生的裂纹，也有冲击断裂产生的裂纹。

4) 受载混凝土声发射事件三维空间定位体现了混凝土受载过程中的损伤特征，从微观上重现了混凝土内部结构的变化。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2014-04-14；修回日期：2014-06-13

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目（51478345）；山西省青年科学基金资助项目(2011021023-2)；山西省高校科研开发项目(20111004) (Project (51478345) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2011021023-2) supported by the Shanxi Province science Foundation for Youth; Project (20111004) supported by the Research and development Program of Higher Education of Shanxi)

通信作者：郤保平，博士，副教授，硕士生导师，从事岩石力学及地下工程防灾方面研究；E-mail：xibaoping@163.com