基于非线性声场调制的混凝土微裂纹检测实验研究_许颖.pdf

 振动与冲击 第 39 卷第 12 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol．39 No．12 2020 基金项目国家自然科学基金面上项目 51778191 ; 深圳市科技计划项 目 JCYJ20170307145853300 收稿日期2019 －01 －23修改稿收到日期2019 －04 －01 第一作者 许颖 女， 副教授， 博士生导师， 1977 年生 基于非线性声场调制的混凝土微裂纹检测实验研究 许颖，王青原，祖红光，张何勇 哈尔滨工业大学 深圳 深圳市城市与土木工程防灾减灾重点实验室， 广东深圳518055 摘要混凝土微裂纹的产生和发展对于核电站、 水库等特殊混凝土结构的耐久性有较大影响， 基于非线性声场 调制理论， 提出边带峰计数法及损伤指标概念， 以评估混凝土微裂纹发展。通过碱 － 骨料反应方式制备微裂纹， 对水泥砂 浆试件和混凝土试件累积微裂纹及持续性微裂纹的检测结果表明， 损伤指标随微裂纹的发展而增大， 与理论研究吻合。 证明了所提方法的可行性。对同龄期不同水灰比混凝土微裂纹的检测试验发现， 损伤指标峰值随水灰比的增加而增大， 说明适当范围水灰比内， 混凝土碱 － 骨料反应程度因水灰比的增加而增大。 关键词非线性声场调制; 混凝土; 微裂纹; 碱 － 骨料反应 中图分类号TB553文献标志码ADOI 10． 13465/j． cnki． jvs． 2020． 12． 005 An experimental study on micro crack detection of concrete based on ultrasonic nonlinear modulation XU Ying，WANG Qingyuan，ZU Hongguang，ZHANG Heyong Shenzhen Key Lab of Urban ＆ Civil Engineering Disaster Prevention ＆ Reduction，Harbin Institute of Technology Shenzhen ，Shenzhen 518055，China Abstract The generation and expansion of concrete microcracks have great influence on the durability of special concrete structures such as nuclear power plants and reservoirs．Based on the theory of non- linear acoustic field modulation，the edge- band peak counting and the concept of damage index were proposed to uate the development of concrete microcracks． Microcracks were prepared by alkali- aggregate reaction． The detection results of cumulative and persistent microcracks show that the damage index increases with the development of microcracks， which is in agreement with the theoretical study，and proves the feasibility of the proposed in this work． It was found that the peak value of damage index increases with water cement ratio，indicating that the alkali- aggregate reaction degree of concrete increases with the increase of water cement ratio in an appropriate range． Key wordsultrasonic nonlinear modulation;concrete;microcracks;alkali- aggregate reaction 混凝土作为当前基础建设广泛应用的建筑材料， 由于其本身特性及施工工艺局限， 在结构成型初期就 具有微裂纹 ［1 －2 ］。混凝土微裂纹的产生和发展对于核 电站、 水库等特殊混凝土结构的耐久性及抗疲劳破坏 特性有较大影响， 因此需要对混凝土微裂纹等进行检 测与评估， 便于控制裂纹发展。混凝土损伤检测及评 估的方法有多种 ［3 －5 ］， 传统的超声检测法通常是基于 线性波动理论对较大损伤的判定［6 －7 ］， 对微裂纹的检 测局限性较大。微裂纹对材料非线性行为有较大影 响 ［8 －9 ］， 利用该特性对混凝土微裂纹进行检测与评估 具有重要研究意义。 目前， 混凝土微裂纹检测的方法主要是基于非线 性系数的高阶谐波法。Breazeale 等 ［10 ］提出二次谐波 的幅值与基波幅值存在函数关系， 并研究了固体中应 力应变的二阶项系数。Shah 等 ［11 ］研究发现随水灰比 增加， 二阶谐波幅值与基波幅值平方的比值和三阶谐 波幅值与一阶谐波幅值平方的比值均有所增加。田玉 滨等 ［12 ］通过对不同荷载下钢筋混凝土试件的损伤进行 研究， 随配箍率和保护层厚度的增加， 二次谐波和非线 性系数的增大速率减小。刘晓宙等 ［13 ］研究了超声波在 岩石材料中产生的三次谐波、 二次谐波及基波与声源 幅度的关系， 并将岩石与金属的超声衰减进行比对。 本文基于非线性声场调制的理论， 求解宽频与单频耦 ChaoXing 合时波动方程的解， 据此提出边带峰计数法评估水泥 基类材料微裂纹。 1固体材料非线性声场调制机理分析 1． 1非线性超声波动方程的构建及其解的求取 本文弹性固体材料超声波动方程的研究基于一维 纵波， 结合弹性力学及应力 － 应变本构关系开展。当 忽略体积影响时， 可得弹性固体介质微元体的运动方 程为 σxx x σxy y σzx z ρ 2ux t 2 ， σxy x σyy y σyz z ρ 2uy t 2 ， σzx x σyz y σzz z ρ 2uz t 2 1 结合位移 － 应变、 位移 － 应力关系得到三维超声 波动方程得 G Δ 2u→ λ G ΔΔ u → ρ 2u → t 2 2 式中λ 与 G 可用杨氏模量 E 以及泊松比 μ 表示 λ Eμ 1 － 2μ 1 μ ，G E 2 1 2μ 3 对纯粹单向的平面波 纵波 ， 忽略切向应力影响， 令 σxy σ xz0 代入式 1 中， 且忽略下标， 可得各向同 性弹性固体材料中一维波动方程 ρ 2u t 2 σ x 4 上述理论主要针对各向同性弹性固体材料。各向 异性材料不服从线弹性假定， 需对线弹性超声理论进 行非线性定义， 本文利用 Abeele 等 ［14 －16 ］引入非线性系 数 β 及 δ 等参数， 即 σ ∫E ε， ε dε 5a E ε， ε E0{ 1 βε δε2 α［ Δε ε t sgn ε ］ } 5b 式中β 及 δ 分别为二阶及三阶经典非线性系数，α 为 滞回非线性项，Δε 为局部应变变化幅值，ε t 为随时 间变化的应变变化参量。sgn ε 为符号函数， 当ε ＞ 0 时，sgn ε 1，当ε ＜0 时， sgn ε －1。 将式 5 代入式 4 中， 考虑小变形下 ε u/x， 以及一维条件下声速 c， 弹性模量 E0， 密度 ρ 之间的关 系 c2 E0 /ρ 得到一维条件下非线弹性固体中的非线性 超声波动方程为 2u t 2 － c2 2u x 2 c2  x 1 2 β u  x 2 1 3 δ u  x 3 H ε， ε [] 6 方程 6 仅取二阶非线性项时， 方程退化为 2u t 2 － c2 2u x 2 c2β u x 2u x 2 7 由微扰理论， 假设波动方程 7 的解为 u x， t u0 βu1 8 式中u0为线性波动引起的位移， u1 为非线性波动引 起的位移。由于非线性波动是微小扰动， 则 u0远大于 βu 1， 将式 8 代入式 7 并舍去 β 的高次项后得 2u0 t 2 － c2 2u0 x 2 β 2u1 t 2 － c2 0 2u1 x 2 ≈ c2β u 0 x 2u0 x 2 9 当 β 0 时， 式 9 退化为线弹性波动方程 2u0 t 2 － c2 2u0 x 2 0 10 在不考虑初始相位和信号衰减时， 假设该宽频信 号的线性位移为 u0 x， τ A1cos ω1τ A2cos ω2τ A3cos ω3τ Ancos ωn τ 11 可得到宽频激励下， 忽略信号衰减的位移见式 12 。式 12 的解中， 除含有频率为 ωi的基频信号， 还包含频率为 2ωi和 ωi ω j的高阶谐波信号和调制波 信号。 u x， τ u0 βu1 u0 βxh τ ∑ n m 1 Amcos ωmτ βx{－ 1 8 ∑ n m 1 A2 mk 2 mcos 2ωmτ 1 4 ∑ n－1 i 1 ∑ n j i1A iAjkikj［ cos ωi － ω j τ － cos ωi ωj τ］} 12 仅考虑高频载波信号与宽频信号的相互作用， 忽 略宽频信号之间的相互耦合时， 式 12 可简化得到高 频载波信号与宽频信号耦合后的位移场为 u x， τ u0 βu1 Agcos ωgτ － 1 8 βxA gcos 2ωgτ 1 4 Agkg∑ n i 1 Aiki［ cos ωg － ω i － cos ωg ω i ］ 13 式中Ag为高频载波信号幅值，ωg 为高频信号频率， ωg kgc，Ai及 ωi为宽频各信号的幅值及频率。式 13 仅输入单频载波信号时， 考虑与宽频信号的耦合 作用， 仅存在一个高频基波和一个高阶谐波， 调制波 ωg ω i的数量明显大于基波和高阶谐波数量。故研究 材料非线性时， 可忽略基波及高阶谐波的影响， 认为调 制波数量的改变体现了材料损伤， 本文将由此定义损 伤因子进而研究材料的损伤。 1． 2非线性声场调制及产生调制边带峰的机理分析 固体材料具有微裂纹时， 裂纹不断张开闭合， 在声 波的小振幅范围内产生相应的振动。闭合状态时， 声 33第 12 期许颖等基于非线性声场调制的混凝土微裂纹检测实验研究 ChaoXing 波大部分会穿过微裂纹， 仅少数发生反射; 不完全闭合 时， 微裂纹两面相互碰撞摩擦， 声波穿过微裂纹时部分 能量向高次谐波和调制边频转移， 产生畸变， 声波频率 及能量发生改变， 通过研究二者的改变， 可以推论材料 损伤程度。 若材料中无损伤， 采用宽频信号作为低频振动 信号， 一束高频谐波信号作为载波信号时， 则响应信 号中只有基频信号。若有损伤时， 导致材料非线性 的改变， 会在高频信号两侧产生调制波， 调制波数量 随材料非线性的变化改变， 由此可判断材料内部损 伤情况。 1． 3基于非线性声场调制的材料损伤判断分析方法 本文结合非线性声场调制理论， 采用边带峰计数 法对水泥基类材料进行微裂纹检测。边带峰计数法是 指在归一化频域中， 阈值以上的调制边频的频率幅值 数量与总频率幅值数量的比值［17 ］， 公式为 SPC Npeak th Ntotal 14 式中Npeak th 为阈值以上归一化幅值频率数量;Ntotal 为总的归一化幅值频率数量。 对损伤指标的定义为损伤材料的边带峰计数值减 去材料无损 指首次测定时的材料 时的边带峰计数 值， 表示为 Φ SPCdamage th－ SPCint act th 15 式中Φ 为损伤指标;SPCdamage th 为损伤材料的边带 峰计数值;SPCint act th 为材料无损时的边带峰计 数值。 1． 4基于非线性声场调制的实验装置的布置 实验检测系统主要包括激励信号发射系统 主要 为数字信号发生器与力锤 与信号采集系统 主要指示 波器 。数字信号发生器产生高频激励信号并由中心 频率为 50 kHz 的超声换能器发射， 力锤敲击试件产生 低频振动信号并由力锤压力传感器记录锤击振动频 率以计算敲击输出能量。携带损伤信息的超声响应 信号经中心频率为 100 kHz 的超声换能器接收， 并 由示波器获得接收信号。各仪器按照图 1 所示连接 方式连接， 连接后如图 2 a 所示， 力锤敲击方式如 图 2 b 所示。 图 1实验设备示意图 Fig． 1Schematic diagram of experimental equipment 图 2实验检测系统 Fig． 2Experimental detection system 信号发生器幅值设为 20 Vpp 以获得较高能量激 励信号; 示波器采样频率取 2． 5 MHz， 采样长度为 1 M 点。当波在固体介质中传播时会产生对称模态波和反 对称模态波， 对称模态波为 Si i 0， 1， ， n ， 反对称 模态波为 Ai i 0， 1， ， n 。其中， S0和 A0为基本模 态波。频率选择时应选取模态较少， 且反对称模态 中群速度与相速度频散较小的频率。对响应信号进 行处理来研究不同敲击力对损伤指标的影响， 采用 MATLAB 设计带通滤波器对高频响应信号进行滤 波， 同时对信号进行归一化， 可计算不同能级对应的 损伤指标。 由于混凝土为复合材料， 骨料粒径较大， 组成较复 杂， 材料本身的非线性表现的更加明显， 对微裂纹引起 的超声非线性的干扰更强， 不易检测到可靠信号， 所以 本文首先对不同损伤程度的水泥砂浆试件进行研究， 以验证非线性声场调制法检测混凝土类材料微裂纹的 可行性。 2水泥砂浆材料微裂纹检测实验研究 2． 1水泥砂浆试件及其微裂纹的制备 实验用 42． 5 级普通硅酸盐水泥， 细骨料为工程实 际用砂， 级配组合如表 1 所示。试件尺寸为 25 mm 25 mm 280 mm， 水灰比为 0． 47， 水泥与试件质量比为 1 ∶ 2． 25， 具体制备过程参考的是现行技术规范建设 用卵石、 碎石 GB/T 146852011 ［18 ］。 表 1砂料级配 Tab． 1Sand grading 筛孔尺寸/mm 5 ～2．5 2．5 ～1．25 1．25 ～0．63 0．63 ～0．315 0．315 ～0．16 级配比/1025 252515 试件制作及试验安排如表 2 所示， 采用快速砂浆 碱活性判定法制备微裂纹， 试件脱模后置于室温为 25 ℃的水中养护， 而后按表 2 安排对试件首次测定以 获得无损的基准数据。将需引入损伤的试件置于装有 1 mol/L 的 NaOH 溶液的 80 ℃ 恒温水浴养护箱中， 无 需引入损伤的试件置于常温水中养护。 43振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 表 2各水泥砂浆试件试验安排 Tab． 2Test arrangements for each cement mortar specimen 试件 编号 第 1 组 A1 ～ A3 A4 ～ A6 第 2 组 B1B2 第 3 组 C1 ～ C3C4 ～ C6 首测 龄期 7 天 14 天 7 天 损伤 情况 无损伤 累积 损伤 无损伤 持续 损伤 无损伤 累积 损伤 2． 2水泥砂浆试件膨胀率的测定 按照快速砂浆棒法， 可通过测量试件长度并计算 试件膨胀率来量化材料的损伤程度， 公式如下 ΔL L － L0 L0 100 16 式中L 为试件的即时长度;L0为试件的初始长度。 测量第 1 组试件不同碱 － 骨料反应时间的膨胀 率， 以 7 天龄期测定长度作为基准长度， 而后测得试件 各龄期长度， 按式 16 计算不同试验养护龄期下试件 的膨胀率， 结果如图 3 所示。 由图 3 可知， 试件 A1 ～ A3 置于常温水中养护， 碱 － 骨料反应缓慢，A4 ～ A6 试件的膨胀率曲线增幅 显著， 这是由于试件在 NaOH 溶液中养护， 碱 － 骨料反 应剧烈， 从而产生大量微裂纹。试件体积膨胀， 故膨胀 率变大。 图 3试件伸长率的结果分析 Fig． 3Results analysis of the elongation of the specimen 2． 3敲击能量对损伤指标影响分析 图 4 为采用 GUIGUW 软件对水泥砂浆试件计算得 到的频散曲线， 28 kHz ～ 50 kHz 时群速度和相速度随 频率变化较小， 本文选取 40 kHz 的高频超声信号作为 激励信号。 图 4水泥砂浆棒的能量速度与相速度频散曲线 Fig． 4Energy velocity and phase velocity dispersion curve of cement mortar rod 对 B 组试件进行研究， B1 在常温水中养护， B2 在 NaOH 溶液中养护， 养护龄期为 8 天。试件 22 天龄期 时进行力度逐渐增加的检测实验， 由力锤传感器采集 敲击信号。图 5 为处理后得到的 B1 和 B2 的敲击频谱 图， 频谱信号幅值随敲击力度增加而增大。积分计算 可得频率范围内信号能量， 见式 17 。 Em∑ i an i a A2 i 17 用相对能量 E 表示能量大小， 以首次敲击能量作 为基准能量值。后续敲击能量减去基准能量为相对能 量 见式 18 ， 可得到各级 E 如表 3 所示。 E Epresent－ Eorigin 18 图 5 B1、 B2 试件不同敲击信号处理后的频谱图 Fig． 5Spectrum diagram of different knock signal processing for B1 and B2 specimens 表 3 B1、 B2 试件在不同能量级下损伤指标代表值 Tab． 3B1，B2 Test parts in different energy levels damage index represents the value Drv B1 试件 E 10 －3 Th 10 －4 P 10 －4 B2 试件 E 10 －3 Th 10 －4 P 10 －4 第 1 能级3．142．11．312．5 第 2 能级5．343．12．71－7．7 第 3 能级7．045．24．423．1 第 4 能级8．562．66．31－6．1 注Drv 指试件损伤代表值; Th 指阈值; P 指损伤指标峰值; E 指相对能 量值 图 6 及图 7 为不同能级下 B 组试件损伤指标的计 算结果， a 为损伤指标随阈值变化的关系曲线， b 为损 伤指标峰值与相对能量的关系。由图 6 a 及 7 a ， 仅 改变敲击力大小， 损伤指标幅值趋近于 0。表 3 中损伤 指标幅值与敲击得到的相对能量值进行曲线拟合， 如 图6 b 及图7 b 所示。无损和损伤试件的损伤指标幅 图6不同敲击力时 B1 试件的损伤指标计算值 Fig．6Calculation value of damage index of B1 specimen when different banging force 53第 12 期许颖等基于非线性声场调制的混凝土微裂纹检测实验研究 ChaoXing 图7不同敲击力时 B2 试件的损伤指标计算 Fig．7Calculation value of damage index of B2 specimen when different banging force 值 －能量相对值曲线斜率分别为 0． 023 3 和 －0． 087 1， 均接近于 0， 相对能量的增减不会影响损伤指标， 即敲 击力对检测水泥砂浆试件损伤指标无影响。 2． 4水泥砂浆材料损伤程度与损伤指标关系分析 C 组试件拆模后置于常温水溶液中养护， 以7 天龄 期首次损伤检测数据为基准数据。随后将 C1 ～ C3 试 件置于常温水溶液中养护， C4 ～ C6 试件则置于“2． 1” 节所述 NaOH 溶液中养护。试件龄期达 3 天、 6 天、 10 天时进行累计损伤检测， 得到各龄期损伤指标以 C1、 C4 为例， 如图 8。 图 8 a 中， C1 试件在不同龄期损伤指标变化曲线 趋于重合， 标峰值不随龄期改变， 这是由于常温水养 护， 微裂纹无显著增加。而 C4 在不同试验养护龄期的 损伤指标峰值不同， 这是由于 NaOH 溶液的侵蚀及高 温作用， 随时间增加， 微裂纹的数量级逐渐加大。可得 出结论， 水泥砂浆试件损伤指标峰值随损伤的增加而 增大。表 4 给出了各试件不同试验养护龄期的损伤指 标峰值及其所对应的阈值的具体数值。 图 8 C1、 C4 不同试验养护龄期的损伤指标计算值 Fig． 8C1， C4 calculation value of damage index in different test curing age period 3混凝土材料微裂纹检测的实验研究 3． 1混凝土试件及其微裂纹的制备 混凝土材料选取 42． 5 级普通硅酸盐水泥作为胶 表 4各试件损伤指标峰值与峰值所对应阈值 Tab． 4Threshold values for peak and peak value of damage indicators for each specimen Tc/天 Drv 非碱 － 骨料反应加速组 C1C2C3 碱 － 骨料反应加速组 C4C5C6 3 Th 10 －4 P 10 －4 4 9．7 3 8．7 3 8 6 13．6 5 13．5 5 21．6 6 Th 10 －4 P 10 －4 4 10．1 3．5 4．6 3 9．2 4 46．3 4 41．3 4 38．1 10 Th 10 －4 P 10 －4 4 12．3 3．5 4．7 3 9．2 3．5 58．8 3 53．1 3 556 注Tc 指试验养护龄期; Drv 指试件损伤代表值; Th 指阈值; P 指损伤 指标峰值 凝材料; 细骨料为工程实际用砂; 粗骨料为天然碎石， 粒径为 5 ～ 10 mm; 试件尺寸为 40 mm 40 mm 160 mm， 胶骨比为 1 ∶ 4。各骨料级配如表 5 所示。本 文按照 铁路混凝土工程施工技术指南 TZ 210 2005 ［19 ］中快速混凝土微棒法， 通过向需要引入损伤 的试件中加入纯度为 96的 NaOH 分析纯试剂提高碱 含量为 1． 5， 而无需加速碱 － 骨料反应的试件则不添 加任何外加剂。公式如下所示 mNaOH 1． 5 － R 1 － X 62 80 N W B 100 19 式中R 为水泥中的碱含量;N 为 NaOH 纯度;X 为掺 合料取代水泥的百分比;W/B 为水胶比。 根据对混凝土膨胀率、 累积微损伤、 持续性微损伤 及水灰比对微裂纹影响的检测实验， 制备 4 组混凝土 试件， 其中， 前三组试件的水灰比均为 0． 6。第 4 组试 件水灰比为 0． 55、 0． 60 及 0． 65。混凝土试件在常温水 中养护达到表 6 所示龄期时， 试件进行首次检测， 再采 用2． 1 节相同的 NaOH 溶液养护来制备微裂纹， 在试件 达到相应龄期时进行实验研究。 表 5各骨料级配 Tab． 5Aggregate grade matching 骨料类别砂子石子 骨料粒径大小/mm0． 16 ～2． 52． 5 ～55 ～10 级配比/ 304030 表 6试件一览表 Tab． 6List of specimens 损伤 引入 1234 无损 伤 累计 损伤 无损 伤 累计 损伤 持续性 损伤 持续性 损伤 编号 W1 ～ W3 N1 ～ N3 WⅠ ～ WⅢ NⅠ ～ NⅢ Ⅰ ～ Ⅳ 11/12/13/ 21/22/23/ 31/32/33 首次检测龄期/天 12141414 3． 2混凝土试件膨胀率的测定及 SEM 结果分析 采用电镜扫描 SEM 对在 NaOH 浸泡时间不同的 63振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 试件切片扫描， 观察骨料与黏结材料界面过渡区及 碱 － 硅凝胶生成情况。对 5 种龄期 0， 7， 16， 29， 42 天 水泥砂浆切片放大 500X 见图 9 左栏 及 5KX 见图 9 右栏 SEM， 选取其中 0、 16、 42 天龄期的图 作示意。 图 9混凝土试件不同试验养护龄期 SEM 结果 Fig． 9SEM scan results of cement mortar at different test ages 将第 1 组混凝土试件作为研究对象， 表 7 给出试 件长度值， 由式 16 计算得到各试件膨胀率， 结果如图 10 所示。由图 10， 混凝土无损试件 W1 ～ W2 和损伤 试件 N1 ～ N2 的膨胀率发展规律与 2． 2 节中水泥砂 浆趋势近似。裂纹会降低混凝土力学性能， 严重影响 结构的安全性。对混凝土切片的电镜扫描 SEM 结果以 图像处理的方式提取微裂纹， 可得微裂纹面积占并将 数据与龄期进行曲线绘制如图 12 所示， 可知随着龄期 增加， 微裂纹面积占比增大。 表 7各试件不同龄期时测定的长度 Tab． 7Length of determination of each specimen at different ages 编 号 不同龄期各试件长度值/mm 12 天16 天 20 天26 天 33 天42 天 56 天63 天 W1 160．021 160．028 160．032 160．031 160．030 160．026 160．033 160．035 W2 160．069 160．069 160．070 160．076 160．077 160．079 160．078 160．079 W3 160．071 160．074 160．086 160．080 160．078 160．082 160．084 160．086 N1 159．975 160．036 160．069 160．095 160．138 160．176 160．215 160．256 N2 160．092 160．136 160．176 160．240 160．282 160．326 160．382 160．424 N3 160．016 160．057 160．120 160．166 160．204 160．238 160．297 160．349 图 10混凝土试件不 同龄期膨胀率分析 Fig． 10Analysis of expansion rate of concrete specimens at different ages 图 11养护龄期 51 天时 混凝土试件表 面裂纹发展 Fig．11 Surface crack development specimens at 51 of concrete days during curing age 图 12混凝土界面过渡区微裂纹面积占比分析 Fig． 12Analysis of the proportion of micro- crack area in the transition area of concrete interface 3． 3混凝土材料损伤程度与损伤指标关系分析 1混凝土累积微损伤对损伤指标的影响 检测对象为第 2 组试件， 首次检测龄期为 14 天。 之后按照表 8 所示时间对试件进行累积微损伤检测。 试件分 2 组， 每组 3 根， 第 1 组为非加速碱 － 骨料反应 的无损试件， 第 2 组为加速碱 － 骨料反应的损伤试件。 对数据进行处理并计算损伤指标， 得到试件损伤指标 随阈值变化曲线， 见图 13。 表 8各试件检测试件安排 Tab． 8Test piece arrangement for each specimen 试件编号 检测龄期/天 第 1 次第 2 次第 3 次第 4 次第 5 次 WI ～ WIII NI ～ NIII 1421304356 由图 13 a 可知， 损伤指标随阈值呈现先增大 至峰值后减小至 0 的变化趋势。但对于 WI 试件， 不 同试验养护龄期的损伤指标曲线相互重合且其峰值 接近于 0， 图 13 b 中各试件不同试验养护龄期的 损伤指标峰值随龄期的增加未发生明显改变。而从 图 13 c 可知， 不同龄期损伤指标曲线明显不同， 损 伤指标峰值随龄期显著增大。说明 NI 试件在试验 养护龄期内发生剧烈碱 － 骨料反应且微裂纹逐渐增 加。各混凝土试件损伤指标峰值与试验养护龄期关 系见图 14。 73第 12 期许颖等基于非线性声场调制的混凝土微裂纹检测实验研究 ChaoXing 图 13累积损伤检测中无损混凝土损伤指标计算值 Fig． 13Calculation value of nondestructive concrete damage index in cumulative damage detection 图 14各混凝土试件损伤指标峰值与试验养护龄期关系 Fig． 14Relationship between peak damage index and test maintenance age of concrete specimens 2混凝土持续性损伤对损伤指标的影响 实验选取第 3 组试件为研究对象。为制备持续性 微裂纹， 对试件分别进行不同试龄期的加速碱 － 骨料 反应， 养护时间按照表 9 所示。在试件首次检测龄期 时进行检测获得基准数据， 而后对各试件进行加速 碱 － 骨料反应以制备微裂纹， 并进行第二次检测， 对数 据进行处理并计算各试件损伤指标， 如图 15 所示。 表 9持续性损伤混凝土试件检测时间 Tab． 9Detection time of continuous damaged concrete specimens 试件编号试件Ⅰ试件Ⅱ试件Ⅲ试件Ⅳ 首次检测龄期/天14 二次检测龄期/天21304356 试验养护龄期/天7162942 图 15 的实验结果表明， 对不同龄期的混凝土试 件， 损伤指标随阈值增加从 0 逐渐增大至峰值再逐渐 减小趋近于 0。对不同试件， 损伤指标幅值不同， 试件 持续养护龄期越大， 指标峰值越大。损伤峰值除与养 护龄期有关外， 也与碱骨料含量有关， 对于标准试件来 说， 应当含量相差不大， 当养护到一定天数 ［20 ］后， 损伤 指标峰值曲线应该趋于平稳碱骨料反应周期较长， 本 文所养护龄期 42 天内， 碱性物与骨料仍处于反应状 态， 碱骨料含量并未消耗完， 故未能体现这一趋势。 图 15混凝土持续性损伤检测中损伤指标计算值 Fig． 15Calculation value of damage index in continuous damage detection of concrete 3． 4混凝土不同水灰比对损伤指标的影响 实验研究对象为第 4 组的 9 根试件， 按照试验养 护龄期的不同将试件分为 3 组， 其中每组包含不同水 灰比的 3 根试件。试件在常温水中养护 14 天进行首 次检测， 之后将试件置于 1． 8 mol/L 的 NaOH 溶液中进 行 80℃ 的恒温养护以制备微裂纹。当试件达到表 10 所示龄期时进行第二次检测， 并对响应信号进行处理 并计算各损伤指标。 表 10不同水灰比混凝土试验安排 Tab． 10Concrete test arrangements for different water ash ratio 水灰比 试件编号 第 1 组 14 天第 2 组 28 天第 3 组 42 天 0． 55112131 0． 60122232 0． 65132333 龄期为 14 天时的混凝土试件损伤指标计算值如 图 16 所示。由图 16 a 所示， 不同水灰比试件的损伤 指标随阈值而变化并出现峰值， 且峰值集中在阈值 0． 000 5 ～0． 001 1 范围内， 故不同水灰比的混凝土试件 调制边频大多出现在该阈值范围内。图 16 b 为不同 水灰比与峰值关系分析， 可知损伤指标峰值随水灰比的 增大而增大， 说明水灰比越大， 试件损伤程度越大。 图 16试验养护龄期 14 天时损伤指标随水灰 比变化结果分析 Fig． 16Analysis of the change of damage index with water ash ratio at 14 days during the maintenance age of the test 83振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 当水灰比增大时， 材料内部初始空隙增多。混凝 土在高浓度 NaOH 溶液中发生碱 － 骨料反应， 碱溶液 更容易在材料内部与活性硅发生剧烈碱 － 骨料反应， 导致混凝土内部形成微裂纹， 发展成空隙贯通， 使损伤 增大。材料非线性增长， 出现损伤指标峰值随水灰比 增大而增大的规律。表 11 给出不同龄期不同水灰比 混凝土的损伤指标计算具体值。 表 11不同水灰比下测得的损伤代表值 Tab． 11The damage representative value measured under different water ash ratio 水灰比Drv Tc 天 142842 0． 55 Th 10 －4 P 10 －3 8 1． 74 6 1． 99 5 2． 97 0． 60 Th 10 －4 P 10 －3 8 3． 03 8 2． 53 8 4． 02 0． 65 Th 10 －4 P 10 －3 5 4． 19 11 3． 24 6 5． 54 4结论 基于非线性超声波动方程， 提出了利用非线性声 场调制方法来检测混凝土的微裂纹以及损伤指标的概 念， 以检测与评估混凝土微损伤。首先通过研究非线 性声场调制法检测不同损伤程度的水泥砂浆试件的可 行性， 为存在大粒径骨料且更易形成复杂裂缝的混凝 土试件的研究提供了试验基础， 从而研究了该理论对 检测混凝土微裂纹的可行性及普适性。主要成果 如下 1研究了敲击力大小对材料微裂纹检测结果的 影响。通过对比不同敲击能级下损伤指标计算值