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聲發(fā)射技術(shù)在混凝土領(lǐng)域中的應(yīng)用研究
聲發(fā)射（acoustic emission）是材料中局域能量快速釋放而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象[1]。聲發(fā)射檢測是通過接收和分析材料的聲發(fā)射信號來評定材料性能或結(jié)構(gòu)完整性的無損檢測方法，早期主要應(yīng)用于金屬檢測。自上個世紀(jì)以來，隨著科技發(fā)展，聲發(fā)射技術(shù)被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。近年來，聲發(fā)射技術(shù)由于其獨(dú)特的優(yōu)越性在混凝土材料的研究中得到了很好的應(yīng)用。通過聲發(fā)射檢測設(shè)備，可以得到各種聲發(fā)射特征參數(shù)，利用這些參數(shù)可以對混凝土內(nèi)部情況進(jìn)行表征。
引言料性能或結(jié)構(gòu)完整性的無損檢測方法，早期主要應(yīng)用于金屬檢測。與其他無損檢測方法不太相同，聲發(fā)射檢測中被檢測到的能量來自物體本身。聲發(fā)射檢測對線性缺陷較為敏感，可以實(shí)時監(jiān)測到外加應(yīng)力下結(jié)構(gòu)缺陷的變化，檢測和評價整個結(jié)構(gòu)中缺陷的狀態(tài)，因此廣泛應(yīng)用于材料、石油化工、航空航天、金屬加工等領(lǐng)域。1959年，Rusch對混凝土受力后的聲發(fā)射信號進(jìn)行了研究。隨著科技的發(fā)展，研究人員對混凝土的聲發(fā)射研究也日趨深入。
1. 水泥水化研究
水泥水化對混凝土的各項(xiàng)物理性能發(fā)展至關(guān)重要。Chotard等[2]應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)研究了水泥早期的水化作用，并據(jù)此對其力學(xué)性能進(jìn)行了預(yù)
測。他們發(fā)現(xiàn)凝結(jié)過程中記錄到的聲發(fā)射事件可以反映漿體內(nèi)部凝結(jié)的機(jī)制。K. Van Den Abeele等[3]利用聲發(fā)射技術(shù)實(shí)時記錄了早齡期混凝土水
化過程中內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的活動。結(jié)果表明在養(yǎng)護(hù)期的前三天，對不同的原始組分來說，聲發(fā)射事件的數(shù)量與水化程度有關(guān)。Lateef Assi等[4]利用聲
發(fā)射技術(shù)研究了水泥水化過程并研究了記錄到的聲發(fā)射信號與不同水化機(jī)制之間的潛在聯(lián)系，他們發(fā)現(xiàn)持續(xù)時間、幅值與水泥水化時的溫度變化有
關(guān)，并認(rèn)為早期水化中反復(fù)出現(xiàn)的聲發(fā)射信號來源于C-S-H的形成以及毛細(xì)孔的干燥。Evin Dzaye等[5]成功從水泥漿體凝結(jié)硬化時產(chǎn)生的聲發(fā)射信
號中分辨出了其中兩種來源：漿體中骨料和氣泡的運(yùn)動。他們[6]還研究了水泥漿體早期水化過程中聲發(fā)射源的演化規(guī)律。研究表明，水泥漿體混合
后前幾個小時的大部分聲發(fā)射信號來源于水泥顆粒沉降，且對粒徑分布十分敏感。
2. 混凝土破壞機(jī)理分析
混凝土的最終破壞是其內(nèi)部發(fā)生的細(xì)微裂紋逐漸發(fā)展的結(jié)果，材料的宏觀破壞僅是裂紋演化的最終表現(xiàn)形式。材料裂紋產(chǎn)生擴(kuò)展會產(chǎn)生聲信
號，研究聲發(fā)射信號與材料斷裂過程之間的關(guān)系有助于進(jìn)一步從細(xì)觀層次上分析混凝土的破壞機(jī)理。S. Muralidhara等[7]利用聲發(fā)射事件的能量來
估計(jì)斷裂過程區(qū)的大小。研究表明，聲發(fā)射事件累積能量隨時間急劇上升的現(xiàn)象，與斷裂過程區(qū)的形成有關(guān)。累積能量-時間曲線的斜率突然增大表
明微裂縫合并成為宏觀裂縫。Ninel Alver等[8]利用聲發(fā)射技術(shù)檢測循環(huán)荷載下全覆蓋CFRP的鋼筋梁在不同加載階段產(chǎn)生的裂縫類型和位置，并對
其斷裂機(jī)理進(jìn)行了研究。結(jié)果表明聲發(fā)射參數(shù)，如平均頻率、持續(xù)時間、能量可以用于確定加載過程中混凝土梁的斷裂機(jī)理。J. Saliba等[9]為了
監(jiān)測有缺口和無缺口的混凝土梁在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中的斷裂擴(kuò)展，使用聲發(fā)射技術(shù)和細(xì)觀非線性模型對損傷演變過程以及斷裂過程區(qū)進(jìn)行研究。結(jié)果
表明聲發(fā)射撞擊計(jì)數(shù)隨相對缺口深度減小而增大，并與數(shù)值模型中高斯點(diǎn)的變化呈線性相關(guān)。隨缺口深度增加，聲發(fā)射峰變得更低更矮，并沿水平
軸向左移動。
3. 混凝土損傷結(jié)構(gòu)檢測
聲發(fā)射具有對損傷敏感度高、受幾何構(gòu)造影響小、探測距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢，能夠準(zhǔn)確反映出結(jié)構(gòu)內(nèi)部的變化。利用聲發(fā)射技術(shù)能有效對混凝土結(jié)
構(gòu)和安全性進(jìn)行評估，以期達(dá)到指導(dǎo)維修，提供預(yù)警的目的。通過研究混凝土破壞過程中的聲發(fā)射ｂ值可有效測量混凝土的損傷程度。Suzuki等
[10]使用AE和x射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(X-ray Computed Tomography)對運(yùn)河上鋼筋混凝土柱中取下的經(jīng)受凍融的混凝土芯樣的損傷程度進(jìn)行了定量評
估。R. Vidya Sagar等[11]對素混凝土和水泥砂漿在裂縫開口位移控制下的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中獲得的聲信號進(jìn)行了研究和討論，通過GBR法和Aki法對
b值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明后者對b值的計(jì)算更為可靠，而混凝土斷裂的各階段可以通過b值進(jìn)行區(qū)分。Chen等[12]通過b值的變化分析了不同加載速率
下的破壞形式，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射b值能夠反映低加載速率下混凝土裂紋擴(kuò)展的不同階段，進(jìn)而對混凝土的損傷進(jìn)行評估。
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