混凝土特性声发射研究进展

1. 引言

混凝土作为现代建筑工程中应用最为广泛的材料之一，其性能的优劣直接关乎结构的安全与稳定。声发射技术作为一种高效的无损检测手段，能够实时监测混凝土内部损伤的发生与发展过程，在混凝土结构健康监测领域备受关注。混凝土自身具有多种特性，如常见的水灰比、浆骨比、砂率、初始损伤、裂缝、含水率等，这些特性的差异会显著影响混凝土的声发射特性，进而对声发射技术在混凝土结构检测中的应用效果产生作用。深入研究这些影响，对于准确把握混凝土结构的内部状态，提升结构安全性评估水平具有重要意义。

2. 混凝土特性对声发射特性的影响

2.1 水灰比的影响

水灰比是影响混凝土性能的关键因素之一，对声发射特性也有着显著作用。水灰比直接决定了混凝土内部的孔隙结构和微观形貌。当水灰比较高时，混凝土内部会形成较多连通孔隙，这为声发射波的传播提供了更多的散射和反射界面，导致声发射信号在传播过程中能量损失增大，波速降低。同时，较高水灰比使混凝土强度降低，在受力时更容易产生微裂纹，这些微裂纹的产生和扩展会引发更多的声发射事件，但由于材料本身结构疏松，声发射信号的幅值可能相对较低。李冬雪 [1] 实验证明保持砂率和骨料最大粒径相同时，当水灰比为 0.3、0.33 和 0.36 时，波速衰减率 Ra 的范围分别为 −1% ＼～ - 5 4 % 、 - 8 % ＼～- 5 4 % 和 5 % ～ - 3 4 % ，变异系数分别为 0.57、0.35 和 0.09，即水灰比越大，AE 波速随距离的衰减越少。混凝土强度等级主要通过控制水灰比实现，虞爱平 [2] 实验证明混凝土强度越高衰减越小，波速越快。频率分布随传播距离的增大呈现由高频向低频偏移的趋势，但强度高的混凝土，信号衰减和频率偏移的趋势更缓慢。郭庆华 [3] 发现低强度混凝土声发射信号主要集中于弹性阶段初期和中期，中等强度混凝土声发射信号处于受压全过程，声发射活跃期处于极限荷载处。这表明水灰比的增大促进了混凝土内部损伤的产生，但削弱了声发射信号的传播能力。

2.2 浆骨比的影响

浆骨比的变化改变了混凝土中浆体与骨料的相对含量，进而影响其声发射特性。当浆骨比较高时，混凝土内部浆体较多，骨料间的粘结相对增强，在受力初期，声发射信号主要源于浆体的变形和微裂纹产生，信号相对较弱且事件数较少。随着荷载增加，浆体与骨料间的界面可能出现脱粘现象，引发声发射事件增多。由于浆体的弹性模量相对较低，声发射波在其中传播速度较慢，导致整体声发射波速降低。虞爱平 [4] 通过设计 3 组不同浆骨比混凝土梁，提取模拟断铅声发射信号，进行声发射信号特征参数分析及频谱分析。发现3 组试件的幅值、能量、信号强度均会随传播距离的增加而呈现指数函数衰减，且衰减系数 b 因浆骨比的提高均有所下降；能量参数对于浆骨比变化的敏感程度最大，信号强度和幅值依次降低。

2.3 砂率的影响

砂率对混凝土声发射特性的影响较为复杂。虞爱平 [5] 研究发现，随着砂率增大，混凝土试件 AE 波速增大。这是因为适量增加砂率可使混凝土内部结构更加密实，减少大孔隙，有利于声发射波的传播。从能量角度分析，砂率越高，混凝土试件声发射振铃计数更加活跃、累积能量更多。在单轴压缩试验中，砂率较高的试件在临近破坏时，声发射信号的幅值和频率都明显增加。Lee[6] 认为声发射参数与混凝土试件的目标材料特性（即含砂量比）有关。通过制备不同含砂比的混凝土试件，对声发射监测的试件进行单轴压缩试验，研究声发射参数在时域（即计数、能量和振幅）和频域（即初始频率和峰值频率）的特性。

2.4 初始损伤的影响

混凝土的初始损伤包括微裂纹、孔隙、含气量等缺陷，这些初始缺陷为声发射源的产生提供了基础。不同初始损伤下的立方体试块在受载破坏中均经历初始压密、线性扩展、稳定增长以及失稳破坏四个阶段。随着初始损伤的逐渐提高，压密阶段时间不断增长，“双峰” 特征越趋于不明显，立方体抗压强度显著降低 [7]。这说明初始损伤为混凝土在受力初期提供了更多的损伤源，使声发射信号能更快速地反映内部损伤变化。不同初始孔隙率混凝土试块声发射能量和声发射能量关联维数随加载进程的变化趋势基本相同，声发射能量关联维数随加载进程下降表明出现损伤，持续下降后并呈水平趋势，标志混凝土结构临近极限承载力 [8]。不同初始损伤的试块随着初始损伤的提高，声发射率关联维数曲线在临界荷载之后波动性减弱，呈现逐步下降趋势[9]。

2.5 裂缝的影响

裂缝是混凝土结构损伤的直观表现，对声发射特性影响显著。门进杰 [10] 研究钢筋混凝土板裂缝对声发射波传播特征的影响时发现，裂缝深度对声发射传播特征影响显著，声发射振幅衰减随裂缝深度增大而增大，声发射波速随裂缝深度增大而减小。当裂缝宽度和数量增加时，虽然对声发射波速和振幅衰减影响相对较小，但会增加声发射事件数。虞爱平 [11] 研究裂纹角度、裂纹距声发射源距离、裂纹数量和裂纹深度对声发射波传播特性的影响规律，表明不同形态裂纹对声发射信号传播的损伤程度不同，裂纹距声发射源距离和裂纹角度对声发射信号的损伤较大，最大损伤达到 6 6 . 4 4 % 和 4 8 . 4 3 % ；裂纹数量和裂纹深度对其的损伤相对较小，最大损伤达到 3 8 . 0 0 % 和 。吴新宇 [12] 发现在单调荷载作用下，随着初始缝高比增大，水工混凝土的断裂峰值荷载、失稳断裂韧度和断裂能逐渐减小，表现出明显的尺寸效应，而起裂断裂韧度基本不变。这是因为裂缝的存在改变了混凝土的连续性，声发射波在传播过程中遇到裂缝会发生反射、折射和散射，导致能量损耗增加，波速降低，振幅衰减增大。

2.6 含水率的影响

含水率对混凝土声发射特性的影响主要体现在对内部结构和波传播介质的改变上。当混凝土含水率较高时，水分填充在孔隙中，一方面增加了介质的阻尼，使声发射波在传播过程中能量衰减加快，信号幅值降低；另一方面，水分会影响混凝土内部的化学键和摩擦力，改变微裂纹产生和扩展的机制。在饱水状态下，混凝土内部微裂纹扩展可能受到水的润滑作用，导致声发射信号的特征与干燥状态下有明显差异。刘贤[13] 实验证明累计AE事件数随着含水率的增大而减小，泡沫混凝土的 AE 能量峰值相比于应力峰值具有一定的滞后性，且滞后时间随着含水率的增大而增大。随着含水率的减少，泡沫混凝土的声发射事件增长、能量释放更加集中剧烈，泡沫混凝土的破坏形式从延性破坏转变为脆性破坏。刘恒杰 [14] 发现随着含水率的增加，起裂前，撞击计数累计值呈现增大趋势；起裂后，声发射参数值、峰值及累计值均呈现减小趋势。损伤演化起始门槛值随含水率的增大而降低，饱和试件较干燥试件最大下降 6 4 % ；饱和试件断裂过程区宽度较干燥试件最大增大2 0 . 8 % 。

2.7 其他因素的影响

除此之外，混凝土的养护时间、骨料粒径、外部环境、混凝土试件的高细比等对声发射特性也有一定影响。养护时间越长，初始阶段声发射事件较少，声发射能量释放相对较低且稳定，混凝土声发射信号频率相对较高且集中[15-16]。这是因为养护时间长的混凝土，内部结构更加致密，应力集中现象减轻。混凝土骨料粒径越大，其传播速度越慢，波速衰减变化越大。在一定程度上，骨料粒径大小决定了混凝土的内部缺陷，直接影响了受压裂缝的长度及贯通形式，进而影响了AE 信号活跃程度以及受压破坏过程中AE 累计能量计数[17-19]。冻融作用以及应力水平变化对 AE 信号源分布有较大影响，冻融循环可降低声发射活跃度，促进泡沫混凝土张拉裂纹向剪切裂纹的转变，加速混凝土内部孔隙扩展及裂缝开展 [20-21]。张绍绮 [22] 对一种新型多尺度纤维增强橡胶混凝土不同温度下单轴压缩与单轴拉伸加载过程进行声发射损伤特征分析，表明高温后，由于热裂纹的产生，弹性阶段的声发射事件数量显著增加；随着裂纹从细观尺度向宏观尺度扩展，峰值频率趋于分布在较低频率范围，且 b 值逐渐减小，混凝土内部损伤加剧。耿志伟 [23] 实验证明随着岩石试件高径比增加，声发射的撞击数相应增加，增加趋势与试件高径比的增加呈近似线性相关关系；随着岩石试件高径比的减小，振铃计数突变期时间占比相应减小，平静期振铃计数也相应减小；岩石试件的加载破坏的峰值频率主要呈现高频和低频两个集中分布区，随着高径比减小，岩石试件加载破坏的峰值频率逐渐由低频区向高频区过渡，同时峰值频率的离散性也在增加。

3. 研究总结与展望

综合上述研究可知，混凝土的水灰比、浆骨比、砂率、初始损伤、裂缝、含水率、养护时间、骨料粒径、外部环境、高细比等特性对声发射特性均有显著影响。这些影响在混凝土结构的损伤监测中起着关键作用，通过对声发射特性的分析，可以在一定程度上推断混凝土内部的损伤状态和发展趋势。不同特性对声发射特性的影响各有特点，且相互关联。例如，水灰比的变化会影响混凝土的强度和孔隙结构，进而与初始损伤和裂缝的产生发展相互作用，共同影响声发射信号的特征。

尽管目前在该领域已取得诸多成果，但仍有进一步研究的空间。一方面，现有研究多侧重于单一因素对声发射特性的影响，而实际工程中的混凝土结构往往受到多种因素的耦合作用，未来应加强多因素耦合情况下混凝土声发射特性的研究，更真实地模拟实际工况。另一方面，目前的研究成果在实际工程中的应用还存在一定局限性，后续研究可着重于将理论研究成果与实际工程相结合，开展现场监测试验，验证理论模型的准确性和有效性。此外，随着科技的不断发展，新型传感器技术和信号处理方法不断涌现，将这些新技术应用于混凝土声发射特性研究，有望更深入地揭示混凝土内部损伤机制，提高混凝土结构损伤监测的精度和可靠性。

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