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声发射技术在混凝土领域中的应用研究
自上个世纪以来，随着科技发展，声发射技术被广泛应用于许多领域。近年来，声发射技术由于其独特的优越性在混凝土材料的研究中得到了很好的应用。通过声发射检测设备，可以得到各种声发射特征参数，利用这些参数可以对混凝土内部情况进行表征。
引言
声发射（acoustic emission）是材料中局域能量快速释放而产生瞬态弹性波的现象[1]。声发射检测是通过接收和分析材料的声发射信号来评定材料性能或结构完整性的无损检测方法，早期主要应用于金属检测。与其他无损检测方法不太相同，声发射检测中被检测到的能量来自物体本身。声发射检测对线性缺陷较为敏感，可以实时监测到外加应力下结构缺陷的变化，检测和评价整个结构中缺陷的状态，因此广泛应用于材料、石油化工、航空航天、金属加工等领域。1959年，Rusch对混凝土受力后的声发射信号进行了研究。随着科技的发展，研究人员对混凝土的声发射研究也日趋深入。
1. 水泥水化研究
水泥水化对混凝土的各项物理性能发展至关重要。Chotard等[2]应用声发射技术研究了水泥早期的水化作用，并据此对其力学性能进行了预测。他们发现凝结过程中记录到的声发射事件可以反映浆体内部凝结的机制。K. Van Den Abeele等[3]利用声发射技术实时记录了早龄期混凝土水化过程中内部微结构的活动。结果表明在养护期的前三天，对不同的原始组分来说，声发射事件的数量与水化程度有关。Lateef Assi等[4]利用声发射技术研究了水泥水化过程并研究了记录到的声发射信号与不同水化机制之间的潜在联系，他们发现持续时间、幅值与水泥水化时的温度变化有关，并认为早期水化中反复出现的声发射信号来源于C-S-H的形成以及毛细孔的干燥。Evin Dzaye等[5]成功从水泥浆体凝结硬化时产生的声发射信号中分辨出了其中两种来源：浆体中骨料和气泡的运动。他们[6]还研究了水泥浆体早期水化过程中声发射源的演化规律。研究表明，水泥浆体混合后前几个小时的大部分声发射信号来源于水泥颗粒沉降，且对粒径分布十分敏感。
2. 混凝土破坏机理分析
混凝土的最终破坏是其内部发生的细微裂纹逐渐发展的结果，材料的宏观破坏仅是裂纹演化的最终表现形式。材料裂纹产生扩展会产生声信号，研究声发射信号与材料断裂过程之间的关系有助于进一步从细观层次上分析混凝土的破坏机理。S. Muralidhara等[7]利用声发射事件的能量来估计断裂过程区的大小。研究表明，声发射事件累积能量随时间急剧上升的现象，与断裂过程区的形成有关。累积能量-时间曲线的斜率突然增大表明微裂缝合并成为宏观裂缝。Ninel Alver等[8]利用声发射技术检测循环荷载下全覆盖CFRP的钢筋梁在不同加载阶段产生的裂缝类型和位置，并对其断裂机理进行了研究。结果表明声发射参数，如平均频率、持续时间、能量可以用于确定加载过程中混凝土梁的断裂机理。J. Saliba等[9]为了监测有缺口和无缺口的混凝土梁在三点弯曲试验中的断裂扩展，使用声发射技术和细观非线性模型对损伤演变过程以及断裂过程区进行研究。结果表明声发射撞击计数随相对缺口深度减小而增大，并与数值模型中高斯点的变化呈线性相关。随缺口深度增加，声发射峰变得更低更矮，并沿水平轴向左移动。
图2 典型声发射特征参数
3. 混凝土损伤结构检测
声发射具有对损伤敏感度高、受几何构造影响小、探测距离远的优势，能够准确反映出结构内部的变化。利用声发射技术能有效对混凝土结构和安全性进行评估，以期达到指导维修，提供预警的目的。通过研究混凝土破坏过程中的声发射ｂ值可有效测量混凝土的损伤程度。Suzuki等[10]使用AE和x射线计算机断层扫描(X-ray Computed Tomography)对运河上钢筋混凝土柱中取下的经受冻融的混凝土芯样的损伤程度进行了定量评估。R. Vidya Sagar等[11]对素混凝土和水泥砂浆在裂缝开口位移控制下的三点弯曲试验中获得的声信号进行了研究和讨论，通过GBR法和Aki法对b值进行计算，结果表明后者对b值的计算更为可靠，而混凝土断裂的各阶段可以通过b值进行区分。Chen等[12]通过b值的变化分析了不同加载速率下的破坏形式，发现声发射b值能够反映低加载速率下混凝土裂纹扩展的不同阶段，进而对混凝土的损伤进行评估。
4. 定位
当材料出现裂纹时会释放能量，产生的弹性波被声发射传感器探测到后可以通过分析数据检测出裂纹的位置。Barbara Schechinger和Thomas Vogel [13]讨论了声发射定位法的准确性。他们通过压缩波到达的时间对声发射源进行三维定位。定位结果显示，对于传感器分布范围可以良好覆盖的区域，定位精度很高。但随试件损伤程度的增加，在实验后期很难以同样的精度跟踪试件的劣化过程。
图4 声发射定位示意图
5. 混凝土自修复效果评价及机理研究
Kaiser 效应是指在固定的灵敏度水平下，在超过先前所施加的应力水平之前不出现可探测到的声发射[1]。基于Kaiser效应，可以通过声发射技术得到关于混凝土自愈合机制的有效信息。S. Granger等[14]利用声发射技术对超高性能混凝土的自修复机理进行了研究。证明裂纹的力学响应是由于裂缝中新晶体的形成引起的。Li W.[15]等对修复后的掺了微胶囊的损伤水泥基试件进行二次加载，发现在低于先前所施加的应力水平时出现了大量声信号，表明裂缝发生了闭合。
尽管研究者们已经对混凝土中的声发射信号展开了一定的研究并取得了可喜的成果。但目前无论是实验室中还是工程上，研究人员对采集到声发射信号的利用仍然不够充分，大量有用信息受限于分析手段难以充分地展示出来。随着研究的进一步深入，相信未来在混凝土领域对声发射信息的解读会更加充分有效。
（部分图片来源于网络）
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