基于声发射技术的单轴受压混凝土损伤细观研究

为了从细观角度了解不同强度等级,以及不同碳化龄期的混凝土的损伤演化特征,对强度等级分别为C20、C30、C40以及碳化龄期分别为0、28、56、77、90 d的混凝土棱柱体试件进行了单轴受压试验;并利用声发射(AE)技术对试验全过程进行了动态监测,获得了表征混凝土损伤演化过程的典型声发射事件累积计数(burst line cumulate,BLC)曲线;以及声发射事件数-相对应力水平关联曲线.结果显示:①BLC曲线的三个部分分别反映出材料损伤演化过程的三个阶段,曲线的两个转折点分别对应混凝土材料内部的起裂点和失稳点;②在低应力时,不同强度等级以及不同碳化龄期的混凝土试件的声发射特征没有明显区别;随着应力的增加,高强度等级和碳化龄期长的混凝土试件的声发射事件数增长较快,并且声发射活性急剧增加点明显前移.     

不同骨料粒径混凝土声发射特性分析

通过研究3组普通混凝土轴心受压试件,以不同粗骨料最大粒径作为变量,研究其应力-应变曲线特征及损伤破坏特征.利用声发射技术,研究不同粗骨料粒径普通混凝土的声发射特性,从声发射波速、能量参数、空间定位分析、损伤演化规律等角度综合评价材料特性.结果表明:混凝土的强度指标及变形性能可通过应力-应变全阶段曲线较好地反映,随粗骨料粒径增大,强度呈下降趋势,但骨料间的咬合作用明显增强.声发射波速受材料的密实程度、骨料粒径尺寸影响较大,存在随粗骨料粒径增大、波速下降的趋势.从能量角度分析破坏的全过程,应力水平-累计能量曲线4个阶段特征分明,将事件数引入材料损伤本构方程建立不同粗骨料粒径下的损伤演化模型,对实时、定量评价材料损伤程度具有较高精度.     

锂渣再生混凝土声发射特性与损伤模型

为研究锂渣再生混凝土的动态损伤特性,基于声发射技术,对掺有不同再生粗骨料和锂渣的混凝土进行了单轴抗压试验。依据试验中获取的力学特征曲线、声发射能量数、声发射累计事件数等参数,建立混凝土的损伤演化模型,揭示损伤材料与声发射参数之间的关系。研究结果表明:再生粗骨料和锂渣作为混凝土集料是可行的,当再生粗骨料取代率为30%时,其力学性能及声发射效果较好。锂渣水化产生的胶凝物质能够有效地密实混凝土内部的孔隙结构,但锂渣掺量大于20%时,其自身的缺陷导致优势减弱。依据声发射累计事件数与应力的关系,推导出损伤演化模型,能较好地反映材料在单轴受压过程中的损伤演变规律。     

基于声发射的岩石疲劳损伤演化

通过砂岩试件疲劳破坏的声发射实验,分析了砂岩疲劳破坏过程的声发射特性,研究了岩石的疲劳损伤演化规律.按岩石整个疲劳过程的声发射特征及损伤演化规律,并参考岩石不可逆变形发展的三阶段规律可以将其分为四个阶段.岩石疲劳损伤破坏具有突发性,在岩石失稳阶段损伤加速演化.如果以声发射监测和预测岩石疲劳破坏,在损伤量0.4左右即进入失稳阶段,在损伤量0.3左右即进入失效阶段.     

声发射和分形理论的玄武岩纤维高强沙漠砂混凝土受剪梁损伤模型

以新疆地区沙漠砂作为细骨料部分替代工程用砂,并在混凝土中掺入适量玄武岩纤维,制作了9根不同剪跨比、玄武岩纤维掺量和配箍率的玄武岩纤维高强沙漠砂混凝土梁,通过两点对称加载进行受剪破坏试验。基于声发射技术与分形理论对受剪梁损伤演化过程进行研究,定量分析了受剪梁损伤演化与不同变量因素间的规律。研究结果表明：声发射累计能量的增长随梁的破坏过程呈指数趋势,能量参数及梁表面裂缝分形维数随荷载水平的增大而增大,最大分形维数达到1.206 8。在相同荷载水平下,当剪跨比为1.5、纤维体积掺量为0.4%时,试验梁损伤最小。建立了基于声发射参数和试验梁表面裂缝分形维数的受剪损伤模型。     

纤维混凝土试件拉伸损伤声发射监测

研究不同纤维长度和掺量的水泥基复合材料拉伸实验,材料内部微结构破坏的声发射特性。结果表明,加载初期,拉应力较小,试件处于弹性阶段,混凝土内部没有新增损伤,故未接收到声发射信号;加载中期,随着拉应力的增大,混凝土内部出现较少损伤,声发射信号逐渐增多;加载后期,拉应力继续增大,混凝土内部损伤程度加大,声发射信号急剧增加,至试件断裂时,声发射信号达到最大。相应的纤维混凝土断裂过程包括:弹性阶段、开裂阶段、裂缝发展阶段、断裂阶段。     

声发射监测锈蚀混凝土梁受弯的损伤与裂缝特征

钢筋锈蚀一直是钢筋混凝土结构退化的主要原因之一,识别锈蚀混凝土结构内部损伤信号,将为既有建筑物的结构健康监测提供理论依据。采用声发射（AE）技术在微观裂缝水平上研究钢筋锈蚀对钢筋混凝土（RC）梁弯曲特性的影响。声发射信号的上升时间/峰值幅值（R/A）、振铃计数/持续时间（AF）和改进后的b值分析将用以反映钢锈蚀作用下钢筋混凝土试件裂纹模式和破坏模式的变化。结果表明,随着钢筋锈蚀率的增加,锈蚀钢筋混凝土梁的极限承载力显著降低;声发射信号与混凝土损伤之间有很好的对应关系,试件的损伤过程可以分为3个损伤阶段：初始损伤阶段,损伤演化阶段、持续损伤增长阶段。b值曲线的变化趋势可以反映裂缝的形成和发展。随着荷载的增加,试件的剪切裂缝比例逐渐上升,且在持续损伤阶段,试件锈蚀程度越高,剪切裂缝比例越高。     

运用声发射技术研究橡胶混凝土疲劳损伤过程

借助声发射技术对水泥混凝土及橡胶水泥混凝土的疲劳过程进行实时监测,通过声发射信号的强度和活度等相关参数分析疲劳损伤过程.实验结果表明:疲劳循环加载过程中,0.6,0.7,0.8应力水平下水泥混凝土中声发射信号的撞击总数随时间变化均呈现近似线性增长趋势,幅度随时间变化分布密集,声发射信号连续发生,表明水泥混凝土的疲劳损伤过程是一个持续的损伤累计增长的过程;橡胶混凝土声发射信号的撞击总数随时间变化曲线分为中间阶段曲线平缓、幅度随时间变化分布松散3个阶段,疲劳损伤全过程呈现典型的裂纹引发、稳定扩展和失稳扩展3个阶段.由于在疲劳循环加载过程中橡胶的能量耗散特性以及良好的吸声性能,橡胶混凝土中声发射信号发生的强度和活度普遍低于同应力水平下的普通水泥混凝土,损伤演化速度缓慢,损伤程度降低,因此具有优异的疲劳性能.     

GSIFCON材料压敏特性及对梁构件机敏检测研究

GSIFCON(graphite slurry infiltrated steel fiber concrete,石墨水泥砂浆注浆钢纤维混凝土)是由SIFCON(slurry infiltrated fiber concrete,水泥砂浆注浆钢纤维混凝土)改性而成的一种导电机敏混凝土材料.为了利用GSIFCON材料检测梁构件内部损伤,采用3根混凝土棱柱体试件对GISFCON的压敏特性进行了研究.采用GSIFCON与钢筋混凝土梁叠合的方法,测定在不同应力作用下,梁构件破坏过程中GSIFCON的电阻相对变化,来监测梁构件内部损伤情况.试验结果表明,GSIFCON电阻相对变化可灵敏地感知压应力的变化.在不同应力作用下,梁构件受压区GSIFCON的电阻相对变化始终与梁构件损伤过程保持对应关系,可对梁构件损伤进行检测.     

不同初始孔隙率混凝土的声发射试验及损伤分形特征分析

为探索混凝土声发射信号特征参数与其损伤的演化关系,对单轴多级循环加载条件下的不同初始孔隙率混凝土试件进行了声发射试验.引入活跃系数对声发射现象发生的活跃程度进行表述,提出基于声发射能量评价混凝土服役状态的方法,分形理论分析了混凝土破坏过程中声发射能量分形维数（关联维数）的演化特征.结果表明: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,失稳破坏的临界位置相当.在混凝土破坏过程中,当声发射能量峰值下降后再次激增、能量均值超过100 m V· ms且活跃系数在20~70范围内连续放缓的现象出现时,预示混凝土材料的破坏.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.      

基于AE对预应力钢筋砼梁损伤试验分析

为了探究预应力钢筋混凝土梁损伤与其声发射信号之间的关系,利用声发射技术对预应力钢筋混凝土梁损伤过程进行监测。通过三点弯曲试验,采集到预应力钢筋混凝土梁损伤的实时声发射信号数据。分析不同荷载下声发射信号幅值与上升时间的参数分布图,并对比加载过程试件梁的裂缝变化,发现不同信号幅值分布与混凝土梁的损伤类型具有很好的相关性,可以演化试件梁的损伤过程,其中高幅值信号的集聚意味着宏观裂缝的出现。此外,通过ISA信号强度准则的计算,对预应力钢筋砼梁损伤程度做出了定性评价。     

变幅循环荷载下混凝土轴拉声发射特性试验

采用声发射技术对混凝土试件在变幅循环轴拉荷载作用下的损伤破坏过程所伴生的声发射信号进行采集，分析混凝土的凯塞效应及典型声发射特性。结果表明:声发射凯塞效应和费利希蒂效应过渡的加载阶段约有62％极限应力，此临界点可作为混凝土轴拉裂缝发展稳定与否的标志；声发射振铃数、声发射ASL平均值和声发射幅度均呈现出随着加载阶段的延续而增加的趋势。相关结果可以作为预测混凝土结构安全和损伤程度的依据。     

应力历史影响下混凝土应力的激光超声检测

为了探讨应力历史对激光超声技术检测混凝土应力状况的影响,应用声弹性技术原理,开展了基于激光超声的混凝土试件单轴循环加载试验,分析了应力历史对声弹性效应的影响。试验结果表明,多次循环荷载作用后瑞利波速度与应力在荷载循环阶段表现出稳定的正比例关系。由实测瑞利波相对波速与应力拟合得到的声弹性系数可用于计算混凝土试件绝对应力,计算误差受历史应力影响,声弹性公式的应用表现出一定的局限性。根据试件从无应力状态重新加载直至破坏状态这一阶段非绝对线性的波速—应力曲线,利用70%的极限应力定义了混凝土构件的安全系数并构建了安全系数与应力状态的模型,提出了一种基于激光超声的混凝土应力状况判别方法,对混凝土绝对应力的计算结果加以补充判断,为混凝土应力状况的检测与评价提供参考。     

干燥与饱水泥质粉砂岩破裂声发射及损伤演化

利用TAW-3000型伺服控制试验机和PCI-2型声发射监测系统,对干燥和饱水两种状态下的泥质粉砂岩进行了单轴压缩破裂声发射监测试验,研究了两种状态下岩石的力学与声发射特性的不同以及基于声发射为基础的损伤演化过程的区别.研究表明:饱水试件的强度、弹性模量及破坏程度均较干燥试件降低,干燥试件属于典型的脆性破坏,饱水试件则发生塑性破坏;监测到的饱水试件声发射事件率水平和峰值均较干燥试件降低,饱水试件在破坏前声发射事件率曲线出现特有的增长"沉寂区",可作为实际工程预警的前兆.推导和建立了基于相对累计声发射事件率为基础的损伤演化方程,且根据Weibull参数β的拟合值表明干燥试件内部微元强度分布集中程度和均质性均强于饱水试件,即水对泥质粉砂岩造成了一定程度的损伤.     

基于CT图像的混凝土损伤演化分形特性研究

以单轴压缩条件下混凝土细观结构CT图像为研究对象,运用分形几何中的差分盒维数法计算出不同扫描断面不同应力阶段的CT图像分形维数,分析了加载过程中分形维数的变化特征,提出了相应的损伤变量,并建立了混凝土材料的损伤演化方程,描述了损伤变量与应变的关系。结果表明该方程可以体现出混凝土试件经历压密、扩容、微裂纹扩展、破坏四个阶段。     

CFRP-混凝土界面的疲劳性能

为探明碳纤维增强复合材料(CFRP)-混凝土界面的抗疲劳性能,以碳纤维薄板(CFL)与混凝土的粘结界面作研究对象,设计了改进的双剪疲劳试件,在循环荷载下对CFL-混凝土界面的疲劳性能进行了实验研究;给出了CFL-混凝土界面的相对滑移演化曲线(相对滑移-疲劳寿命实验曲线),分析了界面的应变及其粘结滑移规律.实验结果表明:在疲劳荷载作用下,CFL上的应变演化主要由加载初期快速传力阶段、界面稳定传力阶段、界面失稳传力阶段构成,其中界面稳定传力阶段约占其疲劳寿命的95%左右;试件相对滑移的演化也分为初期快速增长、稳定增长、失稳增长3个阶段.在稳定增长阶段,试件的相对滑移与疲劳寿命之间呈近似的线性关系.最后,提出了基于刚度系数的CFL-混凝土界面的疲劳损伤模型.利用该模型,可较方便地推定CFL-混凝土的界面在疲劳过程中的损伤演化规律.     

沥青混凝土弯曲疲劳试验疲劳损伤分析

针对现有沥青混合料疲劳损伤试验时直接依据刚度或模量计算损伤值而无法真实反映材料微观损伤特性的不足,提出应用反分析方法以得到沥青混凝土的疲劳损伤演化规律。其步骤是：根据沥青混凝土疲劳损伤模型,得到三点弯曲梁试件疲劳损伤力学理论经典解;根据疲劳试验数据确定沥青混凝土材料疲劳损伤模型中的特征参数。应用非线性有限元方法,模拟计算并分析试件疲劳损伤过程中的弯拉应力、挠度、损伤变量、裂纹扩展速率等的变化规律,并预测沥青混凝土试件疲劳寿命及失稳断裂时的裂纹长度。研究结果表明：疲劳寿命的数值模拟结果与试验结果较吻合,证明了所提出的沥青混凝土疲劳损伤模型的合理性和有效性。     

主动约束混凝土圆柱的损伤演化规律

为了揭示主动约束混凝土圆柱的损伤演化规律,在细观层次上分析了环向预应力主动约束混凝土的破坏机理,在构件层次上基于试验研究了环向预应力纤维条带主动约束混凝土圆柱的损伤演化规律,探讨了主动约束作用对混凝土圆柱刚度的影响,研究结果表明:随着应力水平的提高,损伤应变曲线的斜率先减小后增大,体现了柱的损伤发展由缓慢到快速的渐变过程;直至试件应变达到峰值应变,损伤度达到0.4~0.6之间时试件破坏;并在试验研究和理论分析的基础上,提出了损伤演化方程,该方程反映了预应力大小和混凝土强度等级对轴压混凝土圆柱损伤演化的影响;给出了适用于环向预应力纤维条带主动约束混凝土圆柱的等效初始弹性模量的计算公式。     

高温养护条件下早龄期煤矸石混凝土单轴压缩声发射特性试验研究

为研究一种煤矸石充填混凝土在高温养护条件下早龄期的力学性能,对该煤矸石混凝土在高温50℃下分别养护1 d、3 d、7 d进行单轴压缩试验。采集单轴压缩全过程中的力学参数和声发射参数;并与常温20℃养护的情况进行对比。研究了该煤矸石混凝土在不同加载阶段的声发射特性。研究表明:高温(50℃)养护条件有利于煤矸石混凝土早期强度的提高,而且这种煤矸石混凝土的早期强度满足设计要求。在单轴压缩过程中,煤矸石混凝土声发射振铃计数的峰值出现在应力峰值的附近;这一现象可以作为煤矸石混凝土破坏失稳的预兆。声发射累计振铃计数和累计能量计数随时间变化趋势一致,声发射累计参量从缓慢增长到快速增长的现象可作为预测煤矸石混凝土加速损伤,临近失稳破坏的前兆信息。与常温养护条件相比,高温养护条件下的煤矸石混凝土声发射活动更强,利用声发射可以更有效地监测高温情况下煤矸石混凝土的破坏。     

混凝土随机损伤本构关系

结合破坏力学和统计力学的思想,研究了基于损伤随机演化观点的混凝土本构关系和混凝土受拉损伤发展随机演化规律。根据混凝土微细观材料破坏的声发射试验,确定了混凝土微单元破坏应变的随机分布特征。通过对混凝土受拉试件细观物理机制抽分析,揭示了混凝土轴心受拉应力－应变关系中的应力跌落现象,并建立了跌落后的应力表达式。