CN113030278B - 一种基于声发射技术的腐蚀混凝土断裂分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于声发射技术的腐蚀混凝土断裂分析方法，首先，采集腐蚀混凝土的声发射监测数据；根据声发射监测数据，使用灰色多项式拟合的方式建立声发射灰色尖点突变模型；根据声发射监测数据计算声发射灰色尖点突变模型的控制变量，并根据突变判定法则Δ判断腐蚀混凝土是否发生不稳定状态。本发明提供的基于声发射技术的腐蚀混凝土断裂分析方法，建立了声发射灰色尖点突变模型，能够对腐蚀混凝土断裂过程的声发射参数进行突变分析，确定突变状态，为腐蚀混凝土的断裂失稳预报提供了重要依据。

Description

一种基于声发射技术的腐蚀混凝土断裂分析方法

技术领域

本发明涉及混凝土结构检测技术领域，特别是涉及一种基于声发射技术的腐蚀混凝土断裂分析方法。

背景技术

混凝土在土木工程中的应用非常广泛，我国国家建设中重要结构如高坝、桥梁、核电基础设施、高层建筑等均使用到混凝土结构，但是混凝土结构在运行过程中，会不可避免地受到外界作用的影响。因此，及时、准确地监测和评价混凝土结构损伤程度以便及时采取措施确保安全，对于保障人民生产、生活的顺利进行具有重要意义。

声发射技术(Acoustic Emission Technique)是一种无损检测技术，与其他无损检测方法相比，声发射检测是一种动态的检测方法，接收的信号是材料内部缺陷的活动信息，直接反映材料或构件内部缺陷的诱发、产生和发展状况，因其具有实时、动态和灵敏度高等优点。目前，声发射技术尚未成熟的应用在腐蚀混凝土断裂分析技术方面，因此，设计一种基于声发射技术的腐蚀混凝土断裂分析方法是十分有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于声发射技术的腐蚀混凝土断裂分析方法，建立了声发射灰色尖点突变模型，能够对腐蚀混凝土断裂过程的声发射参数进行突变分析，确定突变状态，为腐蚀混凝土的断裂失稳预报提供了重要依据。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于声发射技术的腐蚀混凝土断裂分析方法，包括如下步骤：

步骤1：采集腐蚀混凝土的声发射监测数据；

步骤2：根据声发射监测数据，使用灰色多项式拟合的方式建立声发射灰色尖点突变模型；

步骤3：计算声发射灰色尖点突变模型的控制变量，并根据突变判定法则Δ判断腐蚀混凝土是否发生不稳定状态。

可选的，步骤1中所述声发射监测数据为声发射振铃计数率。

可选的，步骤2中所述根据声发射监测数据，使用灰色多项式拟合的方式建立声发射灰色尖点突变模型，具体为：

将监测得到的声发射振铃计数率与时间t的关系描述为x⁽⁰⁾(t)，对其进行累加生成AGO序列x⁽¹⁾(t)，将生成序列利用泰勒级数展开，得到：

x⁽¹⁾(t)＝A₀+A₁t+A₂t²+···+A_ntⁿ (1)

式中A₀、A₁、A₂...A_n为待确定的系数，通过多项式拟合的方式确定，截取前五项，得到：

x⁽¹⁾(t)＝A₀+A₁t+A₂t²+A₃t³+A₄t⁴+A₅t⁵ (2)

对公式(2)进行求导变换得到以t为状态变量，u、v为控制变量的声发射灰色尖点突变模型为：

式中，

式中，

可选的，步骤3中所述计算声发射灰色尖点突变模型的控制变量，并根据突变判定法则Δ判断腐蚀混凝土是否发生不稳定状态，具体为：

根据公式(4)-(7)计算控制变量u和v，通过控制变量u和v计算突变判定法则Δ为：

Δ＝4u³+27v² (9)

若Δ＞0，则腐蚀混凝土为稳定状态，若Δ≤0，则腐蚀混凝土为不稳定状态。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于声发射技术的腐蚀混凝土断裂分析方法，根据声发射过程参数的特点，使用灰色多项式拟合的方法建立声发射参数的尖点突变模型，并计算出控制变量，根据控制变量计算突变判定法则，判定腐蚀混凝土是否发生不稳定状态，进行多次试验，对比不同条件下腐蚀混凝土的失稳破坏；利用灰色理论和突变理论，建立了声发射参数的灰色尖点突变模型，为声发射信号的处理提供了一条新途径；声发射信号是关于材料变形和开裂的信息，能够反映出材料内部结构的变化特征；建立的声发射参数的灰色尖点突变模型既可以对某一过程的声发射参数进行分析，确定突变状态，也可以确定出材料发生宏观破坏的临界点，为混凝土的断裂失稳预报提供了重要依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例基于声发射技术的腐蚀混凝土断裂分析方法流程示意图；

图2a为相对应力水平为0.2时9％浓度硫酸盐溶液中浸泡一个月的混凝土试件声发射能量幅度分布图；

图2b为相对应力水平为0.2时9％浓度硫酸盐溶液中浸泡七个月的混凝土试件声发射能量幅度分布图；

图3a为相对应力水平为0.5时9％浓度硫酸盐溶液中浸泡一个月的混凝土试件声发射能量幅度分布图；

图3b为相对应力水平为0.5时9％浓度硫酸盐溶液中浸泡七个月的混凝土试件声发射能量幅度分布图；

图4a为相对应力水平为0.7时9％浓度硫酸盐溶液中浸泡一个月的混凝土试件声发射能量幅度分布图；

图4b为相对应力水平为0.7时9％浓度硫酸盐溶液中浸泡七个月的混凝土试件声发射能量幅度分布图；

图5a为相对应力水平为0.2时9％浓度硫酸盐溶液中浸泡一个月的混凝土试件声发射能量持续时间分布图；

图5b为相对应力水平为0.2时9％浓度硫酸盐溶液中浸泡七个月的混凝土试件声发射能量持续时间分布图；

图6a为相对应力水平为0.5时9％浓度硫酸盐溶液中浸泡一个月的混凝土试件声发射能量持续时间分布图；

图6b为相对应力水平为0.5时9％浓度硫酸盐溶液中浸泡七个月的混凝土试件声发射能量持续时间分布图；

图7a为相对应力水平为0.7时9％浓度硫酸盐溶液中浸泡一个月的混凝土试件声发射能量持续时间分布图；

图7b为相对应力水平为0.7时9％浓度硫酸盐溶液中浸泡七个月的混凝土试件声发射能量持续时间分布图；

图8a为相对应力水平为0.2时9％浓度硫酸盐溶液中浸泡一个月的混凝土试件声发射能量频率分布图；

图8b为相对应力水平为0.2时9％浓度硫酸盐溶液中浸泡七个月的混凝土试件声发射能量频率分布图；

图9a为相对应力水平为0.5时9％浓度硫酸盐溶液中浸泡一个月的混凝土试件声发射能量频率分布图；

图9b为相对应力水平为0.5时9％浓度硫酸盐溶液中浸泡七个月的混凝土试件声发射能量频率分布图；

图10a为相对应力水平为0.7时9％浓度硫酸盐溶液中浸泡一个月的混凝土试件声发射能量频率分布图；

图10b为相对应力水平为0.7时9％浓度硫酸盐溶液中浸泡七个月的混凝土试件声发射能量频率分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于声发射技术的腐蚀混凝土断裂分析方法，建立了声发射灰色尖点突变模型，能够对腐蚀混凝土断裂过程的声发射参数进行突变分析，确定突变状态，为腐蚀混凝土的断裂失稳预报提供了重要依据。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为发明实施例基于声发射技术的腐蚀混凝土断裂分析方法流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供的基于声发射技术的腐蚀混凝土断裂分析方法，包括如下步骤：

步骤1：采集腐蚀混凝土的声发射监测数据；

步骤2：根据声发射监测数据，使用灰色多项式拟合的方式建立声发射灰色尖点突变模型；

步骤3：计算声发射灰色尖点突变模型的控制变量，并根据突变判定法则Δ判断腐蚀混凝土是否发生不稳定状态。

步骤1中所述声发射监测数据为声发射振铃计数率。

步骤2中所述根据声发射监测数据，使用灰色多项式拟合的方式建立声发射灰色尖点突变模型，具体为：

将监测得到的声发射振铃计数率与时间t的关系描述为x⁽⁰⁾(t)，对其进行累加生成AGO序列x⁽¹⁾(t)，将生成序列利用泰勒级数展开，得到：

x⁽¹⁾(t)＝A₀+A₁t+A₂t²+···+A_ntⁿ (1)

式中A₀、A₁、A₂...A_n为待确定的系数，通过多项式拟合的方式确定，经分析发现，对具有一定趋势规律的序列过程，截取前五项精度已经足够，得到：

x⁽¹⁾(t)＝A₀+A₁t+A₂t²+A₃t³+A₄t⁴+A₅t⁵ (2)

对公式(2)进行求导变换得到以t为状态变量，u、v为控制变量的声发射灰色尖点突变模型为：

式中，

式中，

步骤3中所述计算声发射灰色尖点突变模型的控制变量，并根据突变判定法则Δ判断腐蚀混凝土是否发生不稳定状态，具体为：

根据公式(4)-(7)计算控制变量u和v，通过控制变量u和v计算突变判定法则Δ为：

Δ＝4u³+27v² (9)

若Δ＞0，则腐蚀混凝土为稳定状态，若Δ≤0，则腐蚀混凝土为不稳定状态。

以添加仿钢纤维后的混凝土为试件，将试件置于不同状态下进行实验，得到下表，

表1仿钢纤维混凝土梁声发射监测结果

时间(s)	77	78	79	80	81	82	83	84	85	86
											振铃计数率	72	108	296	61	86	28	239	74	78	1029

表2仿钢纤维混凝土梁失稳破坏预测结果

表3 15％浓度硫酸盐浸泡4个月试件声发射监测结果

时间(s)	48	49	50	51	52	53	54	55
									振铃计数率	18	83	34	133	368	712	9791	2643

表4 15％浓度硫酸盐浸泡4个月试件失稳破坏预测结果

表5试件干湿循环2个月声发射监测结果

时间(s)	47	48	49	50	51	52	53	54
									振铃计数率	7	35	33	35	17	10	45	178

表6试件干湿循环2个月失稳破坏预测结果

表7试件干湿循环4个月声发射监测结果

时间(s)	39	40	41	42	43	44	45	46
									振铃计数率	21	79	17	15	13	18	42	408

表8试件干湿循环4个月失稳破坏预测结果

表9试件放置2个月声发射监测结果

时间(s)	67	68	69	70	71	72	73	74	75	76
											振铃计数率	13	3	1	20	4	12	2	10	20	302

表10试件放置2个月开裂点预测结果

表11 15％浓度硫酸盐浸泡4个月试件声发射监测结果

时间(s)	37	38	39	40	41	42	43	44	45	46	47
												振铃计数率	5	7	14	13	10	14	25	7	8	3	110

表12 15％浓度硫酸盐浸泡4个月试件开裂点预测结果

根据上述表格得到，添加仿钢纤维后的混凝土试件在76s处系统出现不稳定状态，这说明声发射参数在该点发生了突变现象，这一点的应力水平约为极限载荷的82％；浸泡在15％硫酸盐溶液中四个月的试件在47s处系统出现不稳定状态，这一点的应力水平约为极限载荷的75％，而失稳破坏的突变点发生在应力-应变曲线的峰值附近；这表明混凝土材料受力以后裂纹先是随机出现，由微观开裂到宏观断裂，这不仅是表面上的差异，而是混凝土结构内部裂纹由量变到质变，由渐变到突变的结果，声发射的突变正是这种飞跃和不稳定扩展的外部表现，声发射参数的突变点是混凝土临界状态的判别特征。

以在9％浓度硫酸盐溶液中浸泡的混凝土试件为例，声发射信号的其他参数特征为，如图2-4所示，对于在9％浓度硫酸盐溶液中浸泡一个月的混凝土试件，在相对应力水平为0.2时，声发射信号的幅度主要集中在40dB-70dB的范围内，能量值不高；相对应力水平为0.5时，声发射信号的幅度主要集中在40dB-65dB的范围内，能量值很低；当应力达到极限应力时，出现了幅度在90dB-100dB范围内的信号，且信号的能量较高，呈突然增大趋势；对于在9％浓度硫酸盐溶液中浸泡七个月的混凝土试件，在相对应力水平为0.2时，声发射信号的幅度主要集中在40dB-60dB的范围内，能量值非常低；相对应力水平为0.5时，出现了少量幅度在70dB-75dB的信号，能量值升高；当相对应力水平为0.7时，出现了幅度在90dB-100dB范围内的信号，且信号的能量较高，呈突然增大趋势。在初始加载的时候，腐蚀时间较短的混凝土试块声发射信号较多，能量较大，这是由于混凝土内部原有的孔隙、微裂纹等逐步压实，微缺陷逐渐闭合而产生的声发射现象。腐蚀七个月的试件，这些孔隙、微裂纹等被反应生成的腐蚀产物填满并扩充，而此时的荷载并不足以使原有的裂纹延伸和产生新的裂纹，所以此时的声发射信号非常少，能量很小。腐蚀七个月的试件，在相对应力达到70％左右时，开始出现幅值比较高、能量比较大的声发射信号，说明此时已经开始出现比较大的裂纹，进入不稳定扩展阶段。

如图5-7所示，对于在9％浓度硫酸盐溶液中浸泡一个月的混凝土试件，在相对应力水平为0.2时，声发射信号的持续时间主要集中在0-5000μs的范围内，能量值不高；相对应力水平为0.5时，持续时间主要集中在0-2500μs的范围内，能量值很低；当应力达到极限应力时，出现了持续时间在10000μs以上的信号，且信号的能量较高，呈突然增大趋势；对于在9％浓度硫酸盐溶液中浸泡七个月的混凝土试件，在相对应力水平为0.2时，声发射信号的持续时间主要集中在0-600μs的范围内，能量值非常低；相对应力水平为0.5时，出现了持续时间在1000-3000μs的信号，能量值升高；当相对应力水平为0.7时，出现了持续时间在6000μs左右的信号，且信号的能量较高，呈突然增大趋势。

通过声发射信号能量的幅度和持续时间分布特征分析，结合混凝土受力破坏的三个发展阶段，可以判断：幅度较低，持续时间和能量计数较小的声发射信号归属于微裂纹和微缺陷的变形、发展以及界面的扩展开裂；而幅度较高、持续时间和能量计数较大的声发射信号归属于水泥石和骨料的开裂和破坏。当声发射信号的幅度超过80dB，持续时间超过6000μs时，声发射能量具有突变增大的趋势，需要注意的是，腐蚀七个月的混凝土试件，在峰值荷载处声发射信号的持续时间也没有超过15000μs，与腐蚀时间较短的试块相比，判断失稳破坏难度增大。

如图8-10所示，混凝土声发射信号的频率分布特征随着应力水平的不同而变化，对于在9％浓度硫酸盐溶液中浸泡一个月的混凝土试件，在相对应力水平为0.2时，声发射信号具有一个能量峰值，频率分布在40kHz-45kHz左右；相对应力水平为0.5时，出现了三个能量峰值，频率分别为40kHz、50kHz和90kHz；当应力达到极限应力时，峰值频率为35kHz和90kHz的声发射信号含有的能量较大；混凝土的破坏过程存在界面开裂、水泥石开裂以及骨料断裂等不同的破坏形式和破坏机制，而且这几种破坏机制与应力水平的变化具有很大的相关性，从整个过程中声发射信号频率分布的变化来看，40kHz左右的信号整个过程都有出现，而且能量较高，认为是水泥和骨料界面开裂引起的。

对于在9％浓度硫酸盐溶液中浸泡七个月的混凝土试件，在相对应力水平为0.2时，声发射信号具有一个能量峰值，频率分布在50kHz左右；相对应力水平为0.5时，出现了两个能量峰值，频率分别为40kHz和50kHz；当应力达到极限应力时，峰值频率为20kHz和40kHz的声发射信号含有的能量较大；从整个过程中声发射信号频率分布的变化来看，临近峰值荷载处开始出现频率较低的声发射信号，且信号的能量较高。

本发明提供的基于声发射技术的腐蚀混凝土断裂分析方法，根据声发射过程参数的特点，使用灰色多项式拟合的方法建立声发射参数的尖点突变模型，并计算出控制变量，根据控制变量计算突变判定法则，判定腐蚀混凝土是否发生不稳定状态，进行多次试验，对比不同条件下腐蚀混凝土的失稳破坏；利用灰色理论和突变理论，建立了声发射参数的灰色尖点突变模型，为声发射信号的处理提供了一条新途径；声发射信号是关于材料变形和开裂的信息，能够反映出材料内部结构的变化特征；建立的声发射参数的灰色尖点突变模型既可以对某一过程的声发射参数进行分析，确定突变状态，也可以确定出材料发生宏观破坏的临界点，为混凝土的断裂失稳预报提供了重要依据。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种基于声发射技术的腐蚀混凝土断裂分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：采集腐蚀混凝土的声发射监测数据；

步骤2：根据声发射监测数据，使用灰色多项式拟合的方式建立声发射灰色尖点突变模型；

步骤3：计算声发射灰色尖点突变模型的控制变量，并根据突变判定法则Δ判断腐蚀混凝土是否发生不稳定状态；

步骤1中所述声发射监测数据为声发射振铃计数率；

步骤2中所述根据声发射监测数据，使用灰色多项式拟合的方式建立声发射灰色尖点突变模型，具体为：

将监测得到的声发射振铃计数率与时间t的关系描述为x⁽⁰⁾(t)，对其进行累加生成AGO序列x⁽¹⁾(t)，将生成序列利用泰勒级数展开，得到：

x⁽¹⁾(t)＝A₀+A₁t+A₂t²+···+A_ntⁿ (1)

式中A₀、A₁、A₂...A_n为待确定的系数，通过多项式拟合的方式确定，截取前五项，得到：

x⁽¹⁾(t)＝A₀+A₁t+A₂t²+A₃t³+A₄t⁴+A₅t⁵ (2)

对公式(2)进行求导变换得到以t为状态变量，u、v为控制变量的声发射灰色尖点突变模型为：

式中，

式中，

步骤3中所述计算声发射灰色尖点突变模型的控制变量，并根据突变判定法则Δ判断腐蚀混凝土是否发生不稳定状态，具体为：

根据公式(4)-(7)计算控制变量u和v，通过控制变量u和v计算突变判定法则Δ为：

Δ＝4u³+27v² (9)

若Δ＞0，则腐蚀混凝土为稳定状态，若Δ≤0，则腐蚀混凝土为不稳定状态；

幅度较低，持续时间和能量计数较小的声发射信号归属于微裂纹和微缺陷的变形、发展以及界面的扩展开裂；幅度较高、持续时间和能量计数较大的声发射信号归属于水泥石和骨料的开裂和破坏。

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