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    锈蚀钢筋混凝土梁加载过程中声发射信号特征.pdf

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    锈蚀钢筋混凝土梁加载过程中声发射信号特征.pdf

    第19卷第4期 2016年8月 建筑材料学报 JOURNAL OF BUILDING MATERIALS Vo1.19.NO.4 Aug.,2016 文章编号10079629201604068206 锈蚀钢筋混凝土梁加载过程中声发射信号特征 王 磊 , 钟立恒 , 夏海龙 , 1.广西建筑新能源与节能重点实验室,广西 2.桂林理工大学土木与建筑工程学院,广西 张 鑫 桂林541004; 桂林541004 摘要对不同锈蚀率下钢筋混凝土梁的加载破坏过程进行了声发射试验,研究了声发射事件定位 结果与梁构件裂缝开展位置的对应关系及声发射信号特征.结果表明对于不同锈蚀率下的钢筋 混凝土梁,声发射事件定位结果与裂缝位置具有较好的对应性,利用声发射技术对缺陷源进行定 位是可行的,并且可根据声发射事件数量的增长情况来判断梁构件的受力阶段;随着应力水平的 增大,钢筋混凝土梁声发射信号频段中心由低频向高频转移;随着钢筋锈蚀率的增大,钢筋混凝土 梁在破坏过程中的声发射事件数量减少,其释放的总能量降低. 关键词声发射;钢筋混凝土;锈蚀率;平均频率;能量 中图分类号TU528.571 文献标志码A doi10.3969/j.issn.10079629.2016.04.013 Acoustic EmissionAECharacteristics of Corroded Reinforced Concrete Beams in Loading Process W NG Lei , ZH0NG Liheng , X A Hailong。, ZHANG Xin。 1.Guangxi Key Laboratory of New Energy and Building Energy Saving,Guilin 541004,China s 2.Colllege of Civil Engineering and Architecture,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China AbstractAcoustic emissionAEanalysis on loading process of corroded reinforced concrete beams with different corrosion ratios was carried out at different stress levels.The characteristics of AE signal and the relationship between the AE event location and crack location of the specimens were studied.Results show that the AE event location has good coHespondence with the crack location for all the specimens. Therefore it iS feasible to determine defect 1ocation of corroded reinforced concrete beams by AE tech nique.Meanwhile,the stress stage of the specimens can be judged based on the growth for number of AE events.With the increase of stress level。the average frequency center of the specimens will be shif ted from low frequency to high frequency.With the increase of the corrosion ratio,the number of AE e vents in the damage process of the specimens will decrease and the total energy of the specimens will de Crease. Key wordsacoustic emission;reinforced concrete;corrosion ratio;average frequency;energy 混凝土结构在荷载和环境因素的作用下,所产 生的损伤及破坏大多以微观和宏观裂缝的形式表现 出来,而裂缝在扩展的过程中往往伴随着应力波的 产生,因此采用声发射acoustic emission,AE技术 来监测混凝土结构中裂缝的形成和发展在一定程度 上是可行的[ .声发射技术在混凝土中的应用最初 由RiischE 提出.近年来,声发射技术被引进混凝土 力学领域,应用于混凝土破坏过程中的裂缝扩展和 断裂特性等研究 引.由于钢筋锈蚀后的性能变化以 及钢筋与混凝土之间黏结关系的变化,使得锈蚀钢 收稿日期20150923;修订日期2015 12-I8 基金项目国家自然科学基金资助项目51268009;广西矿冶与环境科学实验室中心项EtKH2011ZD007 第一作者王磊1977一,男,山东兖州人,桂林理工大学教授,硕士生导师,博士.Emailtianmu77163.corn 第4期 王磊,等锈蚀钢筋混凝土粱加载过程中声发射信号特征 683 筋混凝土梁受力破坏过程更加复杂,将声发射技术 与传统的检测方法结合起来,对于准确判定锈蚀钢 筋混凝土结构的损伤及力学状态具有积极意义. 本文利用声发射技术对不同锈蚀率下钢筋混凝 土梁的加载过程进行在线监测,对声发射定位信号、 频率特征信号、能量信号,以及梁在受力过程中裂缝 形成及开展情况进行了对比分析,重点研究了不同 锈蚀率下钢筋混凝土梁在不同受荷阶段的声发射特 征和受力状态. 1 试验 1.1原材料及配合比 水泥采用海螺牌PO 42。5普通硅酸盐水泥; 细骨料为天然中砂,细度模数2.5;粗骨料为普通碎 石,最大粒径为20 mm;为了在加速锈蚀试验中增加 混凝土的导电能力,本试验采用质量分数为5 的 NaCI溶液代替水来配制混凝土.混凝土配合比见表 1,其中水灰比指NaC1溶液与水泥的质量比. 表1混凝土配合比 Table 1 Mix proportion of concrete 1.2梁构件的设计与制作 制作钢筋锈蚀率质量分数,下同分别为6 , 9 ,12 ,15 ,18 的钢筋混凝土梁构件,分别标 记为构件A,B,C,D,E,另将未锈蚀钢筋混凝土梁 作为对比梁构件F.考虑到声发射二维平面定位监 测时,构件平面外尺寸越大,对声发射信号的准确性 影响越大,为了减小试验误差,梁构件采用尺寸为 70 FilmX150 mmX1 300 mm的单筋矩形截面梁,其 尺寸及配筋如图1所示. 醴 oo f圆 图1梁构件尺寸及配筋示意图 Fig.1 Dimension figure and reinforcement figure of specimensizemm 采用木模水平浇筑钢筋混凝土梁,浇筑前在纵筋 上接好导线,以便后期对梁构件中钢筋进行加速锈蚀 试验.1 d后拆模,标准养护28 d后,将梁构件置于质量 筋进行加速锈蚀,钢筋的理论锈蚀率根据法拉第定律嘲 来计算,并控制电流大小和通电时间以使钢筋达到理论 锈蚀率.待加载试验完成后,将梁构件中钢筋取出,采用 分数为5 的NaC1溶液中,采用直流电对梁构件中钢 称重法测定钢筋的实际锈蚀率,结果见表2. 表2钢筋的锈蚀率 Table 2 Corrosion ratio of steel in reinforced concrete 1.3试验装置及加载方式 采用简支梁形式,利用油压千斤顶和分配梁对 梁构件进行三分点分级加载,应力水平 取0.2, 0.4,0.6,0.8和1.0,通过压力传感器读取荷载数 值.采用美国物理声学公司PAC生产的SAMOS_ 48型声发射仪,以二维平面定位方式布置传感器, 获取加载过程中采集区域范围内的声发射信号,试 验装置及AE传感器11~16布置如图2所示.将 声发射测试系统的前置放大器设定为40 dB,f-1槛 值为35 dB,探头谐振频率为2O~100 kHz,传感器 与混凝土表面接触处使用凡士林耦合,并用绝缘胶 带将传感器固定在梁侧面的正确位置上.以梁侧面 左下角为原点,各传感器所在梁侧面的位置坐标分 别为1l200 mm,75 ram,12500 mm,30 ram, 684 建筑材料学报 第19卷 13800 mn1,30 mm,141 100 n1m,75 mm,155O0 nlrn, 120 ram,16800 mm,120 ram,在梁支座和跨中位 置放置位移百分表. Reaction frame I/d ial 撇 ga 眦 ugem l l I I 一厂。I_一 l l l I I ● 1 lrSens0r l5。Te st be锄 16. 14. 12. 13’ r 1 vvo0 ’ I upp呲 。 1 300 ’ 图2试验装置及AE传感器布置图 Fig.2 Test apparatus and the arrangement of AE sensorssizeram 2试验结果及分析 2.1声发射事件定位结果分析 本次试验中信号波主要为混凝土开裂过程中产 生的应力波,由不同传感器组合获取信号后_9],经过 放大和滤波处理后在对应的声发射特征信号图中显 示.声发射事件定位图由声发射仪在梁受压破坏过 l 萋 蓍 l 蓍 Length/mm a20.2 Length/ram c20.6 15O 目120 善90 . 6O 雹 30 程中采集得出;同时,记录梁破坏过程中裂缝的形成 与扩展,得出裂缝的定位图,并通过绘图软件将其与 声发射事件图相结合,得到图3.图3中横坐标为沿 梁长方向的坐标值,纵坐标为沿梁高方向的坐标值. 由图3可见,声发射事件与钢筋混凝土试验梁在不 同受荷阶段的裂缝发展吻合较好,在裂缝形成和扩 展的地方,声发射事件较为密集.试验梁在应力水平 为0~O.2时产生的声发射事件较少,裂缝数量也 较少,此阶段为裂缝开始形成的阶段,对应梁破坏过 程中的第1阶段,即截面开裂前的阶段; 为0.2~ 0.8时梁底部声发射事件数量增长迅速,裂缝数量 增加,此阶段为裂缝的稳定扩展及贯通阶段,对应梁 破坏过程中的第2阶段,即梁从截面开裂到受拉区 钢筋开始屈服的阶段; 为0.8~1.0时梁钢筋屈 服,此阶段无新裂缝产生,主要为裂缝的扩展贯通阶 段,声发射事件数量在梁顶部位置骤增,混凝土发生 受压破坏,梁顶部混凝土压碎并剥落,主裂缝宽度增 大,梁进人第3阶段,即破坏阶段. 由图3还可以发现,依然有相当部分的声发射 罾 雹 墨 誊 Length/mm b20.4 Length/mrn d20.8 ‘ Length/mlTl e21.0 图3梁构件C的声发射事件与裂缝定位图 Fig.3 Figures of AE events and crack location of specimen C 第4期 王磊,等锈蚀钢筋混凝土梁加载过程中声发射信号特征 事件定位不在记录的梁构件的裂缝位置,这主要有 以下3个原因1声发射信号在从梁构件传播至传 感器的过程中可能要经过反射、模式转换以及波的 衰减,这些过程都会使实际缺陷源发出的信号和最 终被接收到的信号存在一定的差异,对源信号位置 的判别造成了干扰;2加载过程中形成的裂缝以及 锈胀裂缝的存在均会对新裂缝声发射信号的传播产 生一定影响,如图4所示.图4中,裂缝A发展产生的 声发射信号在传播过程中遇到裂缝B后会发生绕缝 传播现象,信号实际传播路线沿图中实线传播,这就 使得传感器接收到的定位信号不准确或存在部分声 发射信号未被接收到的现象;3本试验采用二维平 面定位,裂缝在平面外的三维空间发出的信号以二维 空间的形式表现出来时也会产生较大的偏差. 与二维定位相比,采取三维定位或许能够更加 精确地定位裂缝的开展情况,但实际传感器布置和 数据分析难度会大大增加,工程中,可根据实际要求 选择最优的定位方式来提高缺陷源定位的准确性. 2.2声发射频率信号特征 声发射是指材料局部因能量的快速释放而发出 瞬态弹性波的现象,频率为波的主要特征之一.对于 混凝土材料开裂时发出的声发射信号,影响其信号 Average frequency/kHz a20.2 Average frequency/kHz c 0.6 图4声发射波的传播图 Fig.4 Propagation of the AE waves 频率的因素较多[1 ,除了配合比、水灰比、龄期、强度、 骨料性能、孔隙率、试件尺寸等内部因素外,加载方式、 加载设备的刚度及环境温度也显著影响声发射信号频 率,因此不同试验对象的频率分布呈现出较大差异. 本文利用声发射系统分析了不同钢筋锈蚀率下 钢筋混凝土梁声发射信号的平均频率变化Cl1-12],以 梁构件C为例,对声发射信号平均频率进行分析, 发现信号平均频率主要集中于7O~1O0 kHz,锈蚀 率对其影响不明显,这是因为试验中采集的声发射 信号主要是混凝土裂缝开展过程中发出的,与钢筋 是否锈蚀以及锈蚀程度的关联并不显著.图5为梁 构件C在不同应力水平下的能量一平均频率关联 图.由图5可知,随着应力水平的增大,信号频段中 Average frequencyfkHz b---0.4 Average frequency/kHz d.---0.8 Average frequency/kHz e l_0 图5梁构件C的能量一平均频率关联图 Fig.5 Energy-average frequency curves of specimen C 建筑材料学报 第19卷 心从低频向高频转移.应力水平 一0.2时,信号能 量主要集中在70 kHz;随着 的增大,信号频段中 心从70 kHz向80 kHz移动; 一1.0时,信号频段 中心达到90 kHz. 2.3钢筋锈蚀率与声发射特征的关系 声发射信号的形成是材料内部发生细微变化的 l 姜 寻 15O 目120 鲁90 6o 山30 1 耋 詈 Length/mm aSpecimen F Len h/mm cSpecimen B 反映,与梁构件力学性能相关性较大.图6为 一 1.0时不同钢筋锈蚀率下梁构件的声发射事件与裂 缝定位图.由图6可见,声发射事件与裂缝位置的拟 合度较高,声发射事件主要集中在裂缝扩展处;且随 着钢筋锈蚀率的增加,梁构件在加载过程中产生的 裂缝数量逐渐减少. 1 萋 1 喜 詈 l 萋 蚤 鲞 Length/mm bSpecimen A Length/mm dSpecimen C Length/mm Length/mm eSpecimen D fSpecimen E 图6不同钢筋锈蚀率下梁构件的声发射事件与裂缝定位图 Fig.6 Figures of AE events and crack location of specimens with different corrosion ratios21.O 图7为不同应力水平下梁构件声发射事件数量图. 由图7可知,梁构件声发射事件数量随着钢筋锈蚀率的 增加而大幅降低,声发射事件数量增长速率随着钢筋锈 蚀率的增加而减小,钢筋锈蚀率越高,曲线越平缓. 3 000 2 500 蔷2 000 【工】 ≤l 500 名1 o00 Z 500 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Stress 1evel 图7不同应力水平下声发射事件数量图 Fig.7 Number of AE events at different stress levels 图8为梁构件在不同应力水平下声发射事件数 量增长趋势图.由图8可知,A,B,C,F组试验梁的 声发射事件数量增长曲线都有明显的拐点,声发 兽 爱 立 互 三 盘 善 2 0 Stress level 图8不同应力水平下声发射事件数量增长趋势图 Fig.8 Growth for number of AE events at different stress levels 第4期 王磊,等锈蚀钢筋混凝土梁加载过程中声发射信号特征 687 射事件数量增长峰值与试验梁的屈服阶段相匹配; 锈蚀率较高的D,E组试验梁在加载破坏过程中没 有表现出明显的屈服荷载,在声发射事件数量增长 曲线中也无明显拐点出现. 图9给出了不同钢筋锈蚀率下梁构件在受力过程 中释放的总能量与承载力.由图9可知,梁构件在受荷 过程中释放的总能量和承载力均随着钢筋锈蚀率的增 加而减小.随着钢筋锈蚀率的增加,梁构件的承载力下 降,声发射事件数量随之减少,在受力过程中所形成的 裂缝数量也相应减少.从微观角度分析,由于裂缝数量 的减少,梁构件在受力过程中所释放的弹性波的数量 减少,弹性波所携带的总能量也随之减少,故而裂缝开 展过程中所释放的总能量也会随之下降. [2] [3] [4] [5] [6] [7] 0 6 9 12 l5 l8 Corrosion ratioPA 图9 不同锈蚀率下梁构件的总能量与承载力 [8] Fig.9 Energy and load capacity of specimens with different corrosion ratios 3 结论 1声发射事件定位结果与锈蚀钢筋混凝土梁 裂缝开展位置相对应,说明利用声发射技术对锈蚀 钢筋混凝土粱破坏过程中缺陷源进行监测是可行 的,但对于实际工程中因钢筋锈蚀导致的混凝土开 裂,由于其破坏过程漫长且环境复杂,声发射技术的 应用仍需进一步研究. 2声发射信号平均频率的分布情况与梁在受荷 过程中各阶段的特征相匹配,因此可以利用声发射信 号判断出梁的受力阶段.不同钢筋锈蚀率下钢筋混凝 土梁在受力过程中声发射信号平均频率基本相同,随 着应力水平的增大,信号频段中心由低频向高频转移. 3锈蚀钢筋混凝土梁在受荷破坏过程中,其承 载力、声发射事件数量和释放的总能量都随着钢筋 锈蚀率的增大而减小,不同锈蚀率下梁构件释放的 总能量与其承载力的变化趋势一致. 参考文献 [1]CHEN H L,CHENG C T,CHEN S E.Determination of frac一 [9] [1O] [11] [12] ture parameters of mortar and concrete beams by using acous tic emission[J].Materials uation,1992,507888894. MIHASHI H,NOMURA N,NIISEKI S.Influence of aggre gate size on fracture process zone of concrete detected with three dimensional acoustic emission technique[J].Cement and Concrete Research,1991,215737744. 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