CN104964882A - 一种基于声发射技术的混凝土断裂试验起裂荷载确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声发射技术的混凝土断裂试验起裂荷载确定方法，对混凝土三点弯曲梁进行测量，采用声发射传感器和荷载传感器，声发射传感器连接声发射采集装置，荷载传感器连接荷载应变采集装置，包括以下步骤：将声发射传感器粘贴在混凝土三点弯曲梁的表面，荷载传感器设置在对混凝土三点弯曲梁施加荷载的位置，声发射传感器与混凝土三点弯曲梁的表面垂直；对混凝土三点弯曲梁施加荷载，当混凝土三点弯曲梁由内部开始起裂时，记录此时的荷载，即为混凝土三点弯曲梁的起裂荷载。本发明的基于声发射技术的混凝土断裂试验起裂荷载确定方法能更精确的确定混凝土断裂试验起裂荷载。

Description

一种基于声发射技术的混凝土断裂试验起裂荷载确定方法

技术领域

本发明涉及一种基于声发射技术的混凝土断裂试验起裂荷载确定方法。

背景技术

在对水工混凝土建筑物裂缝扩展的稳定性进行评价和水工混凝土建筑物的抗裂、防裂设计中，均需提供混凝土断裂韧度参数，为了统一测定混凝土断裂韧度测试方法，国家发展和改革委员会发布了《国家发改委办公厅关于印发2005年行业标准项目计划的通知》(发改办工业[2005]739号文)。在广泛收集国内外混凝土断裂试验资料，参考国际上发达国家断裂试验标准，进行大批量平行试验，多次召开专家组专题讨论和理论计算分析的基础上，中华人民共和国国家发展和改革委员会于2005年11月28日发布了中华人民共和国电力行业标准《水工混凝土断裂试验规程》(DL/T5332-2005)。规程中给出了标准混凝土三点弯曲梁起裂断裂韧度的计算公式，如式(1)所示：

$K_{IC}^{ini}=\frac{1.5(F_{ini}+\frac{mg}{2}\×{10}^{-3})\×{10}^{-3}\·S\·{a_0}^{1/2}}{{\mathrm{th}}^2}f\left({\mathrm{\α}}_1\right)---\left(1\right)$

$f\left({\mathrm{\α}}_1\right)=\frac{1.99-{\mathrm{\α}}_1(1-{\mathrm{\α}}_1)(2.15-3.93{\mathrm{\α}}_1+2.7{{\mathrm{\α}}_1}^2)}{(1+2{\mathrm{\α}}_1){(1-{\mathrm{\α}}_1)}^{3/2}}---\left(2\right)$

式中，为混凝土三点弯曲梁起裂断裂韧度(MPa m^1/2)，F_ini为起裂荷载(kN)，m为试件支座间的质量(单位kg，用试件总质量按S/L比折算)，L为试件设计总长(m)，g为重力加速度(取9.81m/s²)，S为试件两支座间的跨度(m)，t为试件厚度(m)，h为试件高度(m)，a₀为初始预制裂缝长度(m)，α₁为初始缝高比，初始预制裂缝长度与试件高度之比，即

式(1)和式(2)中，除起裂荷载F_ini未知外，其余参数均为初始值，因此混凝土三点弯曲梁起裂断裂韧度计算的关键在于确定起裂荷载F_ini。

请参阅图1和图2所示，混凝土断裂试验中，有关起裂荷载的确定方法，我国《水工混凝土断裂试验规程》(DL/T5332-2005)中建议起裂点由试件的荷载—裂缝张口位移曲线(F-CMOD)曲线上升段的非线性起点来确定，然而，通过试验给出混凝土试件的F-CMOD曲线原始图和局部放大图。F-CMOD曲线上升段非线性起点很难确定，即使通过局部放大进行确定，其判断误差依然较大，因此采用该方法进行起裂荷载的判断具有一定难度。

专利“一种钢纤维混凝土断裂试验起裂荷载的测试方法”，采用测试切口梁位移变化达到测试起裂载荷的办法；专利“混凝土断裂试验起裂荷载测试方法”，采用应变片测试起裂载荷的办法，两种方法均可以很好地测试混凝土断裂试验起裂荷载，但是两种方法存在同样的不足之处，即两种方法仅仅测试出混凝土试件表面开裂时的起裂荷载值，实际试验过程中，多数情况下，混凝土试件的开裂是先由内部开裂，之后再扩展的混凝土试件表面，因此，采用上述两种方法测得的起裂荷载结果相对比较滞后，测试荷载值也相对偏大。

因此，需要一种新的方法对起裂荷载确定方法以解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明对现有技术中的问题，提供一种更加精确地基于声发射技术的混凝土断裂试验起裂荷载确定方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于声发射技术的混凝土断裂试验起裂荷载确定方法，对混凝土三点弯曲梁进行测量，采用声发射传感器和荷载传感器，所述声发射传感器连接声发射采集装置，所述荷载传感器连接应变荷载采集装置，包括以下步骤：

(1)、将所述声发射传感器粘贴在所述混凝土三点弯曲梁的表面，所述荷载传感器设置在对所述混凝土三点弯曲梁施加荷载的位置，所述声发射传感器与所述混凝土三点弯曲梁的表面垂直；

(2)、对所述混凝土三点弯曲梁施加荷载，当混凝土三点弯曲梁由内部开始起裂时，记录此时的荷载，即为混凝土三点弯曲梁的起裂荷载。

更进一步的，所述声发射传感器与所述混凝土三点弯曲梁的粘贴位置处涂有凡士林，凡士林作为耦合剂。

更进一步的，步骤(2)中对所述混凝土三点弯曲梁施加荷载，利用所述声发射采集装置记录声发射振铃计数时间曲线和/或声发射能量时间曲线，同时利用所述应变荷载采集装置记录荷载时间曲线。

更进一步的，步骤(2)中设定声发射振铃计数门槛值和/或声发射能量门槛值，当声发射振铃计数大于声发射振铃计数门槛值和/或声发射能量大于声发射能量门槛值时，则判定混凝土三点弯曲梁开始起裂，然后利用荷载时间曲线得到此时的开裂荷载。基于声发射技术的振铃计数时间曲线和能量时间曲线，均能精确地确定混凝土断裂试验中的起裂时刻，然后通过该时刻对应的荷载值可以精确地确定混凝土断裂试验中的起裂荷载值。

有益效果：本发明的基于声发射技术的混凝土断裂试验起裂荷载确定方法相对于现有技术能更精确的确定混凝土断裂试验起裂荷载。

附图说明

图1为F-CMOD曲线确定起裂荷载的原始图；

图2为F-CMOD曲线确定起裂荷载的放大图；

图3为声发射振铃计数确定混凝土起裂荷载的示意图；

图4为声发射能量确定混凝土起裂荷载的示意图；

图5为混凝土断裂试验荷载时间曲线；

图6为混凝土断裂声发射试验声发射传感器粘贴与荷载加载外载示意图；

图7为混凝土断裂声发射试验装置图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

请参阅图6和图7所示，本发明的基于声发射技术的混凝土断裂试验起裂荷载确定方法，对混凝土三点弯曲梁进行测量，采用声发射传感器、应变片和荷载传感器，声发射传感器连接声发射采集装置，应变片和荷载传感器均连接应变荷载采集装置，包括以下步骤：

(1)、将应变片、荷载传感器和声发射传感器均粘帖在混凝土三点弯曲梁的表面，应变片和荷载传感器设置在对混凝土三点弯曲梁施加荷载的位置，声发射传感器与混凝土三点弯曲梁的表面垂直。声发射传感器与混凝土三点弯曲梁的粘贴位置处涂有凡士林用作耦合剂。

(2)、对混凝土三点弯曲梁施加荷载，当混凝土三点弯曲梁由内部开始起裂时，记录此时的荷载，即为混凝土三点弯曲梁的起裂荷载。

请参阅图3和图4所示，其中，对混凝土三点弯曲梁施加荷载，利用声发射采集装置记录声发射振铃计数时间曲线和/或声发射能量时间曲线，同时利用应变荷载采集装置记录荷载时间曲线。

设定声发射振铃计数门槛值和/或声发射能量门槛值，当声发射振铃计数大于声发射振铃计数门槛值和/或声发射能量大于声发射能量门槛值时，则判定混凝土三点弯曲梁开始起裂，然后利用荷载时间曲线得到此时的开裂荷载。基于声发射技术的振铃计数时间曲线和能量时间曲线，均能精确地确定混凝土断裂试验中的起裂时刻，然后通过该时刻对应的荷载值可以精确地确定混凝土断裂试验中的起裂荷载值。

本发明的基于声发射技术的混凝土断裂试验起裂荷载确定方法相对于现有技术能更精确的确定混凝土断裂试验起裂荷载。

实施例1

混凝土断裂试验起裂荷载声发射试验过程

请参阅图6和图7所示，由于三点弯曲试验的载荷作用点固定，损伤破坏形成和发展的区域相对集中，损伤模式和破坏机理均相对简单，得到的声发射信号比较单纯，是利用声发射技术研究材料损伤与断裂的首选加载方式。为了适时监控混凝土损伤断裂发展过程，并与混凝土三点弯曲梁断裂试验进行对比，声发射试验采用与断裂试验相同尺寸的带预制裂缝的混凝土三点弯曲梁，试件长为1000mm，宽120mm，高200mm；设计强度等级有25MPa和60MPa；配置钢筋直径大小有6mm和10mm，每组试件设计4个。试件浇筑过程中采用厚度为2mm，一侧带有尖角的钢板预埋生成预制裂缝，初始预制裂缝长度值设计为80mm，即保证混凝土三点弯曲梁的初始缝高比为0.4。

试验所用声发射为美国声学物理公司研制的SAMOSTM八通道声发射测试系统，该系统采用现代数字信号处理技术，是目前国际上先进的声发射处理系统。它的基本工作原理是材料或结构在受到外部或内部作用时会发生变形或断裂，释放出应变能，以弹性波的形式在材料中传播，引起被检测试件表面的振动，当这些振动传播到耦合在试件上的传感器时，传感器表面晶体因此产生变形，同时其表面会出现电荷，然而在电场的作用下，芯片会产生弹性变形，发生压电效应。该压电效应将试件表面的振动转换成电压信号，再通过仪器放大处理后以参数或者波形的形式表现出来，便于信号处理。声发射仪器工作范围包括声电转换、信号放大、信号处理、数据的记录、显示、解释与评定等。

为了使传感器接收更加优质的声发射信号，并避免外界干扰，在声发射传感器布置前，用砂纸在传感器布置的地方打磨光滑，并涂上凡士林作为耦合剂，按照图6所示的布置方式在试件两侧布置8个传感器(括号数字代表声发射传感器布置在试件对面)，每个声发射传感器距离试件上下表面20mm，距离左右表面150mm，形成三维空间定位，并用胶带将声发射传感器固定在试件表面以防脱落。试验过程中的加载装置图如图7所示。

试验过程，除了通过图6中布置的8个声发射传感器测试三点弯曲梁试件的3维空间内声发射信号外，还测试出沿加载方向应变片的应变值以及试件荷载值。其中，试件荷载值和混凝土的应变值通过DH-3817型动态应变测试系统进行采集，采用连续采集模式，每3秒钟记录并采集一次荷载数据。在试验过程中，不可避免会出现噪声。可以通过两种办法去除环境噪声，一种是设置门槛值，另一种是设置滤波频率。对于本次的三点弯曲梁声发射试验，由于受力状态单一，破坏特征明显，故采用高灵敏度的门槛值来排除内部缺陷的干扰，通过空采和混凝土损伤声发射频率段，本次声发射试验门槛值设置为40dB，滤波频率为20kHz～100kHz。在试件的初始损伤阶段，声发射信号比较微弱，通过设置增益来提高信号的强度。

混凝土断裂试验起裂荷载声发射试验步骤

(1)按照混凝土试件成型和养护方法的有关规定对混凝土三点弯曲梁进行制作和养护，并对试件进行编号，混凝土三点弯曲梁进行声发射测试时其养护龄期不小于60天；

(2)试验前，将带预制裂缝的混凝土和钢筋混凝土三点弯曲梁擦拭干净，并将粘贴应变片和声发射传感器的位置打磨干净，连接好声发射仪和应变，荷载采集系统；

(3)按照规范要求粘贴混凝土应变片，在声发射传感器粘贴位置处涂上凡士林做耦合剂，并将声发射传感器粘贴到试件表面，且保证声发射传感器和混凝土试件表面垂直；

(4)将声发射传感器、荷载传感器，电阻应变片分别连接到对应的采集系统，进行声发射传感器“断铅”标定，确保声发射传感器可以采集到信号，以验证声发射系统的门槛值和波速值；

(5)启动加载装置，开始试验，在试件刚刚出现肉眼可见裂纹时，用高分辨率摄像机进行录像，记录整个混凝土三点弯曲梁损伤，断裂破坏过程，结束试验。

声发射确定混凝土断裂试验起裂荷载的优点

专利“一种钢纤维混凝土断裂试验起裂荷载的测试方法”，采用测试切口梁位移变化达到测试起裂载荷的办法；专利“混凝土断裂试验起裂荷载测试方法”，采用应变片测试起裂载荷的办法，两种方法均可以很好地测试混凝土断裂试验起裂荷载，但是两种方法存在同样的不足之处，即两种方法仅仅测试出混凝土试件表面开裂时的起裂荷载值，且两种方法测试混凝土断裂试验起裂荷载误差均较大，由于实际试验过程中，多数情况下，混凝土试件的开裂是先由内部开裂，之后再扩展的混凝土试件表面，因此，采用上述两种方法测得的起裂荷载结果相对比较滞后，测试荷载值也相对偏大。

声发射(Acoustic Emission,简称AE)是材料或者结构在外力或者内力作用下，产生变形或损伤的同时，以弹性波的形式释放出部分应变能的一种自然现象，是材料内部由于不均匀的应力分布所导致的由不稳定的高能态向稳定的低能态过渡时产生的松弛过程，声发射技术是根据材料或者结构内部发出的这种弹性波来判断材料或者结构内部损伤程度变化的一种无损检测方法。因此，在混凝土断裂试验过程中，声发射技术可以通过准确定位混凝土试件内部的损伤情况，第一时间测试出试件内部的损伤情况，当混凝土试件由内部开始起裂时，声发射技术可以更加精确地确定混凝土断裂试验的起裂荷载，相对于专利“一种钢纤维混凝土断裂试验起裂荷载的测试方法”和专利“混凝土断裂试验起裂荷载测试方法”提到的两种方法来说，更加简便，更加直接，也更加精确。

声发射确定混凝土断裂试验起裂荷载的精度

本发明专利中声发射确定混凝土起裂荷载与专利“混凝土断裂试验起裂荷载测试方法”采用应变片测试起裂载荷的办法对比结果如下表所示：

表1不同方法确定混凝土断裂试验起裂荷载对比结果

Claims (4)

1.一种基于声发射技术的混凝土断裂试验起裂荷载确定方法，对混凝土三点弯曲梁进行测量，特征在于：采用声发射传感器和荷载传感器，所述声发射传感器连接声发射采集装置，所述荷载传感器连接应变荷载采集装置，包括以下步骤：

(1)、将所述声发射传感器粘贴在所述混凝土三点弯曲梁的表面，所述荷载传感器设置在对所述混凝土三点弯曲梁施加荷载的位置，所述声发射传感器与所述混凝土三点弯曲梁的表面垂直；

(2)、对所述混凝土三点弯曲梁施加荷载，当混凝土三点弯曲梁由内部开始起裂时，记录此时的荷载，即为混凝土三点弯曲梁的起裂荷载。

2.根据权利要求1所述的基于声发射技术的混凝土断裂试验起裂荷载确定方法，其特征在于：所述声发射传感器与所述混凝土三点弯曲梁的粘贴位置处涂有凡士林。

3.根据权利要求1所述的基于声发射技术的混凝土断裂试验起裂荷载确定方法，其特征在于：步骤(2)中对所述混凝土三点弯曲梁施加荷载，利用所述声发射采集装置记录声发射振铃计数时间曲线和/或声发射能量时间曲线，同时利用所述应变荷载采集装置记录荷载时间曲线。

4.根据权利要求3所述的基于声发射技术的混凝土断裂试验起裂荷载确定方法，其特征在于：步骤(2)中设定声发射振铃计数门槛值和/或声发射能量门槛值，当声发射振铃计数大于声发射振铃计数门槛值和/或声发射能量大于声发射能量门槛值时，则判定混凝土三点弯曲梁开始起裂，然后利用荷载时间曲线得到此时的开裂荷载。