声发射技术在混凝土结构检测中的应用

第07卷 第08期 中 国 水 运 Vol.7 No.08 2007年 08月 China Water Transport August 2007

声发射技术在混凝土结构检测中的应用

陈 洋

摘 要：声发射技术是新型的无损检测技术，是通过对结构自身在外力作用下所发出的声发射信号进行接收和识别，具有感应敏感，检测精度高等优点，可以对混凝土结构进行动态、全程、实时的监测。 关键词：声发射 混凝土 无损检测

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2007）08-0074-02

近年来，随着我国社会经济的迅速发展，建设的规模也日渐庞大，混凝土成为当今应用最为广泛的建筑材料之一。混凝土结构的质量检测和性能评估是目前土木工程界迫切需要解决的问题。声发射检测技术能简便而又快捷地估计混凝土的结构性质及力学性能，同时实现其内部缺陷的定位与测量，对结构的诊断、保养和维修起到重要作用。

一、声发射技术研究的历史与现状

声发射（Acoustic Emission，简称AE）是指材料中局域源快速释放能量而产生瞬态弹性波的现象。各种材料声发射的频率范围很宽，从次声频、声频到超声频，所以声发射也称为应力波发射。利用仪器检测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术，称为声发射技术。

声发射作为一门技术，从诞生到现在已经经历了半个多世纪的发展了。1950年，德国人Kaiser[1]将声发射同材料的力学过程联系起来，对多种金属的声发射现象进行了详细的研究并发现凯塞效应, 开创了现代声发射技术的研究。

声发射技术首次应用于混凝土的无损检测，是Rusch[2]

于1959年证实了在混凝土材料中，凯塞效应仅存在于极限应力的70%~85%以下的范围内。1970年，Wells[3]制造了一个用来记录混凝土变形状态下产生声发射的仪器，成功记录下了检测到的“噪音”的波形。1979年，Green[4]指出：产生自混凝土内部的声发射信号是混凝土破坏的先兆，声发射技术可以用来对混凝土破坏的全过程实施监测。1991年，Mihashi [5]等利用三维声发射技术，研究了集料尺寸对混凝土断裂过程区的影响。

我国从1973年起开始有关声发射的研究工作，然而由于信号处理能力的限制以及对声发射源性质缺乏认识，声发射技术一直发展缓慢。二十世纪九十年代以后，随着声发射基础理论研究的深入开展以及现场、实验数据和经验的大量积累，计算机技术、集成电路，尤其是数字信号处理技术及模式识别技术的发展，加之日益扩大的应用领域对声发射技术的发展提出了新的要求等，促进了以神经网络和小波分析为基础的声发射技术的稳步高速发展。

1996年，纪洪广，李造鼎[6]对混凝土材料的凯塞效应与Felicity效应做了研究。2001年，陈兵、姚武、张东、吴科如[7]进行了混凝土梁破坏机制的声发射特性实验研究。2004年，吴胜兴、沈德建、姚武、陈厚群[8]研究了静、动态荷载作用下全级配混凝土三分点加载梁的声发射特性。通过分析声发射信号的幅值、能量、振铃数和事件数研究了全级配混凝土的破坏过程和损伤机理。

综上所述，声发射技术的发展，其实就是声发射检测技术和分析声发射信号基础理论的发展。

二、混凝土结构的声发射检测技术的应用

混凝土是一种多相复合材料，由于各种原因，成型后即在骨料与砂浆表面存在许多界面裂缝。这些微裂缝是混凝土内部的薄弱部分。随着外荷载的增加，在这些微裂缝的尖端形成应力集中，使这些微裂缝沿骨料界面进一步扩展，并逐渐向砂浆内部发展。在这些微裂缝不断发展变化的同时，产生一种弹性波而向周围辐射，这种现象就是声发射现象。

目前，在混凝土性能的研究中，声发射可用来测定混凝土的初裂应力，确定断裂参数，以及用声发射技术分析混凝土的破坏过程，以确定各种不同混凝土在整个受力过程中的力学行为。主要内容包括单轴压缩应力、弯曲应力、拉伸应力以及受温压作用时的混凝土的声发射特性；探讨和研究应力水平与声发射发生频率的关系；破坏过程中的振幅与频率分布变化；声发射发生的位置；声发射的分形特征；劣化混凝土的声发射特性等。

董毓利等[9]对混凝土受压全过程声发射特性进行了研究，指出：当应变较小即混凝土试件刚受力时便出现声发射信号，但信号的强度和密度相对较小；当载荷接近80%极限荷载时，声发射信号的强度和密度不断增加，峰值荷载时尤甚；峰值后应力~应变曲线下降段的声发射信号较峰值处的密度稍稀疏些，但仍有相当的强度，直至残余强度阶段此时已形成的裂缝相互作用并彼此连通，以致使混凝土试件破坏。

同济大学的陈兵等人[10]通过对声发射信号的持续时间设置滤值，按照声发射信号振幅分布特性，将声发射信号划分

收稿日期：2007-5-5

作者简介：陈 洋 （1971—） 河海大学结构工程 在读硕士研究生 （210098） 研究方向：港航

第08期 陈 洋：声发射技术在混凝土结构检测中的应用 75 为不同的区段，并与混凝土内部不同破坏机理建立一一对应的联系。

Joseph F. Labuz, Sara Cattaneo, Li-Hsien Chen[11]

利用声发射技术对准脆性材料的多种试件——轴心压缩、弯曲、劈拉、带缺口试件进行了研究，对试验过程中的裂缝进行了定位，并用声发射装置监视各个荷载阶段裂缝的开展和损伤的演化。

声发射在工程监测中的应用也越来越受到人们的重视，已经成功应用于建筑、桥梁等混凝土结构的动态检测和完整性评价。例如用于核电站混凝土结构运行中的安全性监控，通过预埋的传感器，对有可能发生的损伤进行检测、定位、分析和监视，以便及时发现问题，并评估其在规定运行年限内对结构安全性的影响程度。在市政工程、桥梁、房屋建筑等工程中，声发射技术也已成功地应用于混凝土框架和板的检测。

与传统的检测技术相比，声发射技术具有动态、实时、可测、方便等特点；与其他无损检测方法相比，声发射信号是在外部作用下产生的而发自内部自身的信号，对缺陷的变化极为敏感，检测灵敏度高，可以检测到微米数量级的显微裂纹变化，可以长期连续地监视缺陷的安全性和超限报警。

三、声发射检测技术发展与展望

纵观声发射技术的发展历程，声发射技术经历了从试验室研究到目前在许多领域的成功应用，从最初的模拟式单通道声发射仪到目前全数字化全波形的多通道声发射仪，都取得了显著的成就。

但是，声发射技术的研究和发展也有很多亟待解决的问题，如：声发射信号受材料性能、形变特征、损伤衍生等多种因素的共同影响，因此造成声发射信号最根本的特性就是它的非线性和随机性；声发射参数的表示方法尚没有统一的物理量，不同的研究者在参数的取舍上存有很大的随意性，因而使得试验结果缺少可比性；基础理论研究的滞后，越来越迫切需要寻求新的理论依据、探求新的研究方法。

声发射技术是理论落后于实践的少数学科之一，其主要原因就在于迄今尚没建立起力学参数同声发射参数间的关系，因而在实际应用上缺少理论依据，而且，声发射参数的获得同时与仪器的性能、人为的操作及材料的性能有关。因此，若欲建立力学参量同声发射参数间的关系，必须同时将

这众多因素考虑在内，这还有大量问题有待进一步研究。

参考文献

[1] Kaiser J. An investigation into the occurrence of noises in

tensile tests or a study of acoustic phenomena in tensile tests[D].Munich:Tech. Hosch. Munchen,1950

[2] Rusch H. Physical Problems in Testing of Concrete[M].

Zement-Kalk-Gips(Wiesbaden), 1959, 12(1)

[3] D.Wells. An Acoustic Apparatus to Record Emissions from

Concrete under Strain,Nuclear Engineering and Design V.12,1970

[4] A.T.Green, Stress Wave Emission and Fracture of Prostressed

Concrete Reactor Vessel Material[J], Second Interamerican Conference on Materials Technology, American Society of Mechanical Engineers,1970, 1(8):635-649

[5] Mihashi H , Nomura N , Niiseki S. Influence of aggregate size

on fracture process zone of concrete detected with three dimensional acoustic emission technique. Cement and Concrete Research , 1991 ,21 (5) :737～744

[6] 纪洪广,李造鼎. 混凝土材料凯塞效应与Felicity效应关系

的实验研究[J].应用声学,16卷6期:30~33

[7] 陈兵、姚武、张东、吴科如.混凝土梁破坏机制的声发射

特性实验研究[J]. 建筑材料学报，第4卷第4期:332-338 [8] Wu Shengxing、Shen Dejian、YaoWu、Chen

Houqun.Experimental study on the acoustic emission characteristics of fully-graded concrete under static and dynamic loading. Proceedings of the Third International Conference on Earthquake Engineering. Intellectual Property publishing House,2004,10

[9] 董毓利,谢和平,李玉寿. 砼受压全过程声发射特性及其损

伤本构模型[J]. 力学与实践, Vol17,No4,1995:25-28 [10] 陈兵,姚武,吴科如. 声发射技术在混凝土研究中的应用

[J].无损检测,Vol.22,No9,2000:387-396

[11] Joseph F. Labuz, Sara Cattaneo, Li-Hsien Chen. Acoustic

emission at failure in quasi-Britt1e materials. Construction and Building Materials 15 2001 225-233

AE appliance in concrete configuration check

Chen Yang

Abstract：AE is a new non-destructive inspection technique. AE receives and identifies the

accoustic emission emitting from the structure by outside force. AE technique has good sensitivity and high precision. AE is often used to inspect the concrete structure dynamically and real-timely.

Keywords：AE, concrete, non-destructive inspection

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0aa1.html