混凝土材料断裂的声发射自相似性识别特征

将对材料声发射的研究,力学过程的研究,同对材料断裂损伤等破坏过程的研究相似结合,提出了声发射过程的概念。给出定量考察声发射过程的自相似性特征函数。并在此基础上,根据混凝土试块的三点弯曲试验,确定出了混凝土试块断裂的声发射自相似性识别特征。     

粉刷层对混凝土遭受高温作用后抗压性能的影响

对27个高温作用后常规混凝土试块和带混合砂浆粉刷层的混凝土试块的抗压性能进行了试验。通过对高温作用后试件损伤形态的分析和高温损伤试件的抗压性能试验,探讨了混合砂浆粉刷层对高温作用后混凝土抗压性能的影响,得到了高温作用后无粉刷层试块和带粉刷层试块的强度折减经验计算公式。试验研究表明,粉刷层对遭受火灾高温作用的混凝土构件有较好的保护作用,在混凝土结构火灾损伤鉴定中应加以考虑。     

机场道面混凝土冻融循环试验与使用寿命预测

采用快速冻融法对混凝土试块进行了冻融循环试验,利用声发射传感器测试了试块在劈裂抗拉试验中的声发射信号用以判别损伤程度,分析了试块质量和动弹性模量变化规律,建立了基于概率的机场道面混凝土并联独立损伤单元模型,提出了用于机场道面寿命评估的三折线使用寿命预测模型,并同韦伯预测模型进行了对比.结果表明:三折线使用寿命预测模型既...     

不同初始损伤的混凝土材料受压承载特性研究

混凝土是一种具有初始缺陷的多向复合材料,为研究混凝土材料的初始损伤对试件单轴受压承载特性的影响,结合CT和声发射,对4块不同含气量的圆柱形混凝土试块进行单轴压缩循环试验。一方面基于CT图像,利用Amira三维重建软件提取统计不同应力阶段的孔隙体积;另一方面由声发射采集的特征参数相关曲线,统计分析不同含气量的混凝土材料的Kaiser效应与Felicity效应关系。研究表明:混凝土试块含气量的提高,即试块初始损伤的增加,减少了试块弹性压缩阶段的时间。     

含不同初始缺陷混凝土单轴压缩条件下声发射特性试验研究

为探究初始缺陷对混凝土材料在单轴压缩下内部损伤破坏的影响规律,制作不同初始缺陷的立方体试块进行立方体抗压试验,并利用声发射采集系统及应变采集系统对试验的全过程进行监测,获得了可以描述立方体试块受载破坏过程的声发射事件率-时间柱状图、振铃计数率-时间柱状图、声发射事件率与应变-时间关联曲线图。结果表明: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(I)、线性扩展(II)、稳定增长(III)以及失稳破坏(IV)四个阶段,并且随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,其立方体抗压强度显著降低。通过振铃计数计算得到的损伤变量绘制成损伤曲线可以较好反映出立方体受载破坏的各应力阶段。     

“刚性防水和混凝土结构自防水”系列报道之十六 高温损伤及冷却方式对混凝土结构渗透性影响研究

摘要：在不同温度损伤环境、不同冷却方式下,通过毛细吸收试验测定不同混凝土试件的毛细吸水量与毛细吸水系数的变化,定量地研究温度损伤与冷却方式对混凝土渗透性的影响。试验结果表明,高温损伤加速了混凝土结构的劣化速率;高温损伤后,喷水冷却混凝土试块的毛细吸收系数大于自然冷却的混凝土试块;在一定程度上。喷水冷却混凝土对距表层一定厚度范围内的混凝土造成二次劣化作用。     

不同初始损伤混凝土单轴压缩分形特征分析

混凝土是一种具有初始缺陷的多向复合材料,为研究混凝土材料的初始损伤对试件最终发生宏观失稳破坏的影响,对不同含气量的混凝土试块进行单轴压缩试验,并采用DS2系列全信息声发射信号分析仪完成混凝土压缩全过程的数据采集和三维损伤定位。基于Matlab编制的程序试件获得在不同应力阶段的声发射率的关联维数以及线性拟合相关系数。结果表明:声发射率在不同应力阶段具有明显的分形特征,可以把声发射率出现类似岩石材料的平静期效应且声发射率关联维数曲线出现最大-最小模式,作为综合判断试块失稳破坏的前兆。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。     

基于声发射技术的再生混凝土破坏机理细观研究

为了从细观层面了解再生混凝土的破坏机理,分别制作了4种常用强度等级的砂浆试块、普通混凝土试块、再生混凝土试块以及强化再生骨料混凝土试块,并对试块进行了简单加载条件下的声发射试验,对声发射能量-峰值频率关联图进行了对比分析。结果显示:声发射信号峰值频率主要集中在25~40 k Hz和85~105 k Hz 2个区段内,并且随着等级的提高,高频信号增加,从而得出了进行骨料强化及提高砂浆强度等级可以有效提高再生混凝土强度的结论。     

混凝土材料声发射过程分形特征及其在断裂分析中的应用

为了寻求混凝土材料声发射过程与断裂演化之间的关系,从实验入手,首先给出了声发射过程关联分维函数的概念,并通过实验,证明了声发射过程分形特征的存在。然后,通过混凝土试块的三点弯曲实验,分析了材料断裂过程中声发射关联数的变化规律。进而确定了混凝土试块在临界断裂时的分形特征识别模式。研究结果表明,混凝土材料的声发射过程不仅具有明显的分形特征,而且在临界状态下,知声发射分形特征参数都表现出一定的异常“模式”,这种识别模式可以作为材料出现临界断裂的识别特征。     

基于声发射速率过程理论的混凝土损伤评估研究综述

混凝土内部裂缝开展状况与声发射活跃状态是紧密相关的,而声发射速率过程理论是对声发射活性的具体描述.在对国内外相关文献进行研究分析的基础上,分析了声发射速率过程理论的原理,总结了基于声发射速率过程理论和Loand模型的损伤力学方程的定量损伤评估方法.从混凝土、岩石等材料的工程应用方面阐述了基于上述声发射速率过程理论的损伤评估方法的有效性和准确性,并总结了目前该领域的研究重点和不足.     

高温作用下花岗岩的声发射特征研究

 通过MTS810材料测试系统及AE21C声发射检测仪对山东临沂花岗岩在20 ℃～800 ℃单轴压缩下的声发射特征进行试验研究,分别分析升温过程中花岗岩振铃计数率随时间的变化规律以及加载过程中花岗岩的声发射特征参量与应力–应变之间的关系。研究表明：升温及加载过程中,花岗岩声发射振铃计数率随着温度升高而增大,声发射活动也变得更频繁;其声发射参量在400 ℃～800 ℃高温后与高温下有较大差别,高温后的声发射参量明显低于高温下,岩样内部裂纹较少以致高温后花岗岩的强度等力学指标要优于高温下;各温度段高温下声发射振铃累计数都要高于高温后,尤其在800 ℃时,两者相差超过1倍;800 ℃前花岗岩岩样主要呈劈裂和剪切破坏为主的脆性破坏,未出现强烈的塑性破坏;高温使储存的能量显著增多并加速能量耗散,能量的耗散和弹性能的释放使岩石的强度减小,宏观裂纹增多并最终破坏。     

The damage evolution behavior of polypropylene fiber reinforced concrete subjected to sulfate attack based on acoustic emission

To study the damage evolution behavior of polypropylene fiber reinforced concrete (PFRC) subjected to sulfate attack, a uniaxial compression test was carried out based on acoustic emission (AE). The effect of sulfate attack relative to time and fiber hybridization were analyzed and the compression damage factor was calculated using a mathematical model. The changes to AE ringing counts during the compression could be divided into compaction, elastic, and AE signal hyperactivity stages. In the initial stage of sulfate attack, the concrete micropores and microcracks were compacted gradually under external load and a corrosion products filling effect, and this corresponded with detection of few AE signals and with concrete compression strength enhancement. With increasing sulfate attack time, AE activity decreased. The cumulative AE ringing counts of PFRC at all corrosion ages were much higher than those for plain concrete. PFRC could still produce AE signals after peak load due to drawing effect of polypropylene fiber. After 150 d of sulfate attack, the cumulative AE ringing counts of plain concrete went down by about an order of magnitude, while that for PFRC remained at a high level. The initial damage factor of hybrid PFRC was −0.042 and −0.056 respectively after 150 d of corrosion, indicating that the advantage of hybrid polypropylene fiber was more obvious than plain concrete and single-doped PFRC. Based on a deterioration equation, the corrosion resistance coefficient of hybrid PFRC would be less than 0.75 after 42 drying−wetting sulfate attack cycles, which was 40% longer than that of plain concrete.     

Quantitative damage estimation of concrete by acoustic emission

Damage estimation of structural concrete from concrete samples is developed, combining acoustic emission (AE) measurement with damage mechanics. The AE activity of a concrete sample during a uniaxial compression test is quantitatively analyzed, based on the rate process theory. AE activity under compression is very high from low stress level in the concrete sample which contains a number of microcracks. In contrast, AE activity of sound concrete remains low until impending final failure. This discrepancy of AE activity is quantitatively estimated from the rate. Empirically, it is confirmed that the rate is substantially associated with pore volume that is responsible for the damage in concrete. Then, the damage is quantitatively defined by damage mechanics. Correlating the rate with the damage parameter, quantitative estimation of the damage is proposed. The applicability of the procedure is confirmed in concrete samples of controlled damage due to freezing and thawing. Furthermore, the procedure is applied to concrete-core samples taken from an existing bridge. The results suggest that the damage of concrete at the current (initial) state could be readily estimated from AE rate process analysis without knowing the original state of the concrete at construction.     

混凝土火灾损伤本构模型研究

混凝土材料在高温作用下的力学性能研究对混凝土结构防火设计和火灾损伤评估具有重要意义。构建了混凝土火灾损伤本构模型,引入热损伤反映温度对混凝土弹性模量、抗拉强度、抗压强度等力学参数的影响,考虑到混凝土受拉和受压状态下的不同的损伤特性,将混凝土材料的损伤分为受压损伤、受拉损伤和热损伤三种。建立了损伤演化、塑性流动以及内变量演化方程,通过塑性-损伤耦合,描述了不同温度和应力状态下混凝土的应力-应变特性,证明了模型严格符合热力学定律。利用所建立的本构模型对不同温度下的混凝土单轴拉伸、压缩试验进行了模拟计算,计算结果与试验结果能较好地吻合,证明了模型的合理性。     

单轴加载下热处理混凝土声电信号特征

为研究火灾发生后混凝土力学性能变化及结构失稳的前兆特征,对混凝土试样进行20、100、200、300、400 ℃的热处理,并进行单轴压缩实验,监测试样受载破坏过程的声电响应信号,识别结构失稳的前兆特征。结果表明：高温热处理后,混凝土试样的外观颜色、内部结构及力学性质均发生了变化,且目标温度越高,试样外观的色变越显著,裂隙发育越丰富,峰值应力越低,而峰值应变越高;随着目标温度的增高,声发射信号和表面电位信号更加活跃,且两种信号的响应与裂纹的扩展密切相关,能够反映试样内部结构损伤演化的过程;对声发射及电位的时序信号进行变异性系数统计,结果表明声发射的变异性系数在试样受载过程中相对稳定,并在试样失稳前具有快速增大至峰值的异常响应,可作为判断试样结构稳定性的前兆。相比声发射信号,电位信号的变异性特征在试样受载初期处于较高值,随后下降,并在试样失稳前快速增大至峰值。     

单轴压缩煤岩损伤演化及声发射特性研究

 为建立声发射参数与岩石(煤岩)力学破坏机制的关系,更好地了解受载煤岩体的损伤演化规律,进一步揭示煤岩动力灾害演化过程及灾害时间效应产生机制,利用MTS815岩石力学测试电液伺服试验系统和8CHS PCI–2声发射检测系统,对单轴压缩煤岩的损伤演化及声发射特性进行试验研究,分析单轴压缩煤岩的声发射特性,提出基于“归一化”累积声发射振铃计数的损伤变量,建立基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型,得出煤岩的损伤演化曲线和方程。研究表明,声发射信息反映煤岩内部的损伤破坏情况,与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型是合理的。单轴压缩煤岩损伤演化过程可分为3个阶段：初始损伤阶段、损伤稳定演化和发展阶段、损伤加速发展阶段。煤岩由变形至破坏可视为一逐渐发展过程：由变形、损伤的萌生和演化,直至出现宏观裂纹,再由裂纹扩展到破坏的全过程。     

火灾高温后隧道衬砌混凝土力学特性试验研究

通过对经历火灾高温后(100℃~700 ℃)不同强度等级混凝土(C10、C20、C30、C40)力学性能试验研究,得到混凝土立方体抗压强度(f_cuT)随温度的变化规律。对混凝土立方体在抗压试验过程中所产生的声发射现象进行研究,进一步揭示火灾高温处理后的混凝土在破坏过程中,内部裂纹、裂隙的产生扩展与混凝土在受压过程所承受荷载之间的关系,从而得出混凝土受压破坏时内部结构的变化过程,通过详细的描述和比较分析,得到了高温对混凝土破坏过程中声发射现象的影响,进而为火灾高温后隧道衬砌混凝土结构损伤程度及安全性能的评估提供依据。     

软弱夹层对水泥土单轴压缩影响研究

为探究软弱夹层厚度比对水泥土试样单轴压缩力学参数和破坏模式的影响规律,借鉴含单夹层盐岩的制样方法制备含不同软弱夹层厚度比的单夹层水泥土试样,进行室温和冻结状态下的单轴压缩试验。在室内试验研究的基础上采用PFC2D对水泥土单轴压缩进行模拟,分析试样受荷后的细观力学响应机制。最后建立软弱夹层与荷载耦合作用下水泥土单轴压缩损伤本构模型,探讨软弱夹层厚度比对试样损伤变量演化的影响。研究结果表明:(1)室温和冻结状态下水泥土试样单轴抗压强度和弹性模量均随着软弱夹层厚度比的增加呈负指数规律衰减;破坏应变随软弱夹层厚度比增加呈抛物线变化规律。(2)PFC2D模拟得到的不同软弱夹层厚度比的水泥土试样单轴压缩力学参数以及破裂模式与室内试验结果比较吻合,数值模拟和室内试验均表明软弱夹层厚度对试样破坏模式影响较大。(3)软弱夹层与荷载耦合作用损伤本构模型能够较好地描述室温和冻结状态下含软弱夹层水泥土试样在单轴压缩荷载下的应力-应变关系,软弱夹层的存在使试样变形过程中损伤程度差异明显。软弱夹层厚度比越大,在很小的轴向应变时试样总损伤变量就达到很大值,试样很快就出现破坏。     

高温后非共面双裂隙红砂岩力学特性试验研究

 利用岩石力学伺服试验机与声发射仪,对经历不同高温后非共面双裂隙红砂岩试样(尺寸为80 mm×160 mm× 30 mm)进行单轴压缩试验,分析高温对非共面双裂隙红砂岩强度变形特性与裂纹演化特征的影响。结果表明,非共面双裂隙红砂岩的峰值强度与杨氏模量均随着温度的增加呈先增大后减小的非线性变化规律,在温度为300 ℃时达到最大值,然而,峰值应变随着温度的增加呈非线性增大。基于对非共面双裂隙红砂岩加载过程中的声发射特征分析,应力–时间曲线上每发生一个明显的应力跌落对应会产生一个较大的声发射事件,体现在试样上为产生一条新裂纹或原有裂纹扩展;通过照相量测技术,分析了不同高温作用后非共面双裂隙红砂岩试样的裂纹演化特征。最后探讨了温度对非共面双裂隙红砂岩起裂与贯通应力的影响及其对力学参数的影响机制,起裂应力随着温度的增加呈先增大后减小,在300 ℃时为最大值;而常温至600 ℃时,贯通应力呈增大趋势,但由600 ℃增至900 ℃时,贯通应力变化不大。     

Acoustic emission moment tensor analysis: development for crack identification in concrete materials

The moment tensor analysis of acoustic emission (AE) provides quantitative information on kinematics of cracks. Simple AE moment tensor analysis has been developed and named SiGMA-AE analysis. In-plane unconfined compression tests of mortar and concrete plates with a slit are carried out. The inclination of slits are varied as 0, 30 and 45° to the loading axis. The sources are located from detected AE signals. Then, orientations of cracks, crack types and crack volumes are determined by the SiGMA-AE analysis. Furthermore, it is clarified that the damage parameters can be estimated from the moment tensor components. The results show close correlation between the calculated crack volumes and the damage parameters.