魏寶龍 王 瑤 馬海濤

1 概述

混凝土材料在許多工程中廣泛使用。但混凝土的自身缺陷也限制了它的應(yīng)用范圍和效果?；炷凉こ讨惺褂玫睦w維包括:碳纖維、聚丙烯纖維、鋼纖維等。碳纖維水泥基復(fù)合材料能使普通材料的抗拉、壓和抗折性能都得到改善，且增加了材料的耐磨性，降低了材料的干縮。聚丙烯纖維在一定程度上提高了水泥的抗沖擊強(qiáng)度，且價(jià)格低、耐老化、具有優(yōu)良的分散性。鋼纖維可以顯著提高混凝土的性能。纖維混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的性能，但因材料的各向異性，且使用過程中可能受到的各種復(fù)雜載荷作用，使材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同類型的損傷，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全使用和壽命造成威脅。而傳統(tǒng)的材料無(wú)損檢測(cè)方法難以適應(yīng)于檢測(cè)損傷復(fù)雜的纖維混凝土材料。近年來(lái)，聲發(fā)射[1］檢測(cè)技術(shù)作為一種新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)得到了迅速發(fā)展。

本文主要從聲發(fā)射在各種纖維混凝土應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)、可行性等方面論述各種纖維混凝土中聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀以及展望。

2 聲發(fā)射技術(shù)在纖維混凝土中的研究現(xiàn)狀

2.1 聲發(fā)射技術(shù)在碳纖維混凝土中的研究

Adam R.Ridge 和 Paul H.Ziehl[2］比較循環(huán)荷載測(cè)試方法和聲發(fā)射方法對(duì)碳纖維混凝土的破壞的無(wú)損評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射方法評(píng)價(jià)更加簡(jiǎn)易和靈敏。裔裕峰等人[3］進(jìn)行了碳纖維水泥基材料在不同制作工藝下的聲發(fā)射特性的研究。結(jié)果表明，利用聲發(fā)射可以定性評(píng)價(jià)碳纖維的分散性;不同摻量分散劑和硅粉，在單軸壓縮下表現(xiàn)出不同的聲發(fā)射特性。陸見廣[4］同時(shí)用聲發(fā)射方法和傳統(tǒng)電阻測(cè)量法測(cè)定了SCFC梁在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)過程中的電阻變化和聲發(fā)射信號(hào)特征。分析表明聲發(fā)射方法在結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)中的有效性。張琴[5］采用聲發(fā)射裝置監(jiān)測(cè)了有初始缺陷的碳纖維混凝土梁內(nèi)部裂縫的發(fā)生發(fā)展，對(duì)比自身的電阻變化規(guī)律，印證了碳纖維混凝土梁監(jiān)測(cè)裂縫發(fā)展的可靠性。國(guó)內(nèi)外的研究分別對(duì)聲發(fā)射在碳纖維混凝土疲勞、破壞研究中的應(yīng)用進(jìn)行了探索，通過與傳統(tǒng)方法的對(duì)比得出聲發(fā)射應(yīng)用的可行性結(jié)論，而裔裕峰、謝慧才又通過聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)一步對(duì)不同制作工藝下的碳纖維水泥基材性質(zhì)進(jìn)行研究。

2.2 聲發(fā)射技術(shù)在聚丙烯纖維混凝土中的研究

鐘文慧[6］采用Dolant聚丙烯腈纖維，分別對(duì)素混凝土、摻加兩種不同長(zhǎng)度纖維混凝土進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲循環(huán)加載試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)。建立了材料聲發(fā)射參數(shù)與撓度的關(guān)系方程，得到了混凝土損傷與聲發(fā)射累積能量之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，并根據(jù)聲發(fā)射累積能量定量化地監(jiān)測(cè)和描述混凝土材料的細(xì)觀損傷，從細(xì)觀層次上分析了纖維在混凝土中的作用。Dimitrios G.Aggelis等人[7］的研究顯示了聲發(fā)射技術(shù)在研究混凝土破壞過程的可靠性。宣衛(wèi)紅等人[8］系統(tǒng)地進(jìn)行了室內(nèi)纖維拔出試驗(yàn)和聲發(fā)射試驗(yàn)，以探究聚丙烯纖維混凝土/砂漿材料的粘結(jié)破壞機(jī)理。聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果為提出的聚丙烯纖維拔出破壞模型提供了較好的佐證。

在鐘文慧利用聲發(fā)射研究了纖維在混凝土細(xì)觀層次上的作用后，Dimitrios G.Aggelis等進(jìn)行了聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于聚丙烯纖維混凝土研究的可靠性研究，而宣衛(wèi)紅等利用聲發(fā)射為聚丙烯纖維拔出破壞模型提供佐證。

2.3 聲發(fā)射技術(shù)在鋼纖維混凝土中的研究

D.Soulioti等人[9］對(duì)不同鋼纖維摻量混凝土板的聲發(fā)射行為進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射的活動(dòng)性與纖維含量成正比。分析顯示，聲發(fā)射參數(shù)的變化可用于表征纖維混凝土的破壞過程;同時(shí)可通過聲發(fā)射來(lái)判斷混凝土的損傷程度，并為采取何種加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)。林峰等人[10］對(duì)鋼纖維混凝土試樣和素混凝土試樣損傷變量與聲發(fā)射數(shù)的關(guān)系進(jìn)行對(duì)比分析，說(shuō)明一次聲發(fā)射在鋼纖維混凝土試樣中換算的當(dāng)量要高于素混凝土試樣。Dimitrios G.Aggelis[11］研究了不同鋼纖維含量的混凝土的聲發(fā)射，確定不同混凝土破壞模式的簡(jiǎn)單分類方法，以適用于施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。王明[12］通過對(duì)混凝土和鋼纖維混凝土進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和聲發(fā)射試驗(yàn)研究，應(yīng)用Dai公式分析了聲發(fā)射事件數(shù)與應(yīng)力之間的關(guān)系，驗(yàn)證了其適用性和有效性;并利用聲發(fā)射概率密度函數(shù)的概念，分析了不同荷載水平的損傷過程。D.Soulioti等人進(jìn)行了不同鋼纖維摻量混凝土板的四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，而林峰等人對(duì)前人的結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證，Dimitrios G.Aggelis對(duì)聲發(fā)射如何應(yīng)用于施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行研究，王明應(yīng)用Dai公式分析聲發(fā)射事件數(shù)與應(yīng)力之間的關(guān)系。

2.4 聲發(fā)射技術(shù)在多種纖維混凝土中的對(duì)比研究

Amir Mirmiran和Salam Philip[13］進(jìn)行了鋼纖維和FRP纖維混凝土梁的聲發(fā)射對(duì)比。研究發(fā)現(xiàn)FRP纖維混凝土梁由于其較低的剛度和較大的脆性，其聲發(fā)射活動(dòng)性和峰值振幅更高，且在卸載過程仍發(fā)射信號(hào);而鋼纖維混凝土的行為更接近于Kaiser效應(yīng)。陳兵等人[14］觀測(cè)了不同種類混凝土三點(diǎn)彎曲梁的聲發(fā)射(AE)特性，發(fā)現(xiàn)摻加纖維對(duì)聲發(fā)射特性有明顯影響。J.M.L.Reis等人[15］對(duì)聲發(fā)射驗(yàn)證纖維混凝土破壞的機(jī)理做了探究，并進(jìn)一步說(shuō)明了纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用。李琳、張亞芳[16］通過RFPA2D對(duì)層布式混雜纖維混凝土進(jìn)行試件變形與破壞過程的數(shù)值模擬，并對(duì)最大拉應(yīng)力和聲發(fā)射過程進(jìn)行分析。得出層布式混雜纖維使混凝土的抗彎強(qiáng)度和韌性得到明顯提高的結(jié)論。嚴(yán)軍等人[17］在瀝青混凝土中添加纖維，通過在傳統(tǒng)帶切口小梁彎曲試驗(yàn)基礎(chǔ)上增加聲發(fā)射測(cè)試設(shè)備，對(duì)纖維瀝青混凝土的斷裂行為進(jìn)行了分析。通過試驗(yàn)建立了聲發(fā)射特征和參數(shù)與力學(xué)參數(shù)的關(guān)系，更準(zhǔn)確地反映了材料的斷裂特征。

Luigi Biolzi等人[18］對(duì)高溫后纖維混凝土的剩余屬性進(jìn)行了評(píng)估，實(shí)驗(yàn)采用了鋼纖維混凝土與聚丙烯纖維混凝土兩種樣本，使用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)熱處理后的混凝土損傷區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果顯示混凝土損傷在熱處理后有增加趨勢(shì)。多種纖維混凝土的對(duì)比研究與混雜纖維混凝土的研究中，聲發(fā)射的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，其作用機(jī)理也不斷被人認(rèn)清。嚴(yán)軍等建立了聲發(fā)射與纖維瀝青混凝土的力學(xué)參數(shù)的關(guān)系，Luigi Biolzi等對(duì)高溫處理混凝土的剩余屬性進(jìn)行了評(píng)估。

3 聲發(fā)射在纖維混凝土研究中的應(yīng)用總結(jié)

本文通過對(duì)聲發(fā)射技術(shù)在纖維混凝土研究中應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)的收集、整理和歸納總結(jié)，從聲發(fā)射在各種纖維混凝土應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)、可行性等方面論述了該領(lǐng)域的相關(guān)研究進(jìn)展和展望，得到如下結(jié)論:

1)總結(jié)上述研究發(fā)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)外研究中，對(duì)鋼纖維混凝土的研究較成熟，國(guó)外使用四點(diǎn)彎曲的實(shí)驗(yàn)較多并且研究方向較新，做了一些突發(fā)情況的纖維混凝土聲發(fā)射研究。

2)幾點(diǎn)展望。針對(duì)碳纖維水泥基復(fù)合材料壓敏性、溫敏性、電磁屏蔽等一系列優(yōu)良的性能，其纖維混凝土的聲發(fā)射研究應(yīng)得到注意;纖維混凝土在惡劣條件下，如極端溫度、凍融、爆炸情況下的聲發(fā)射研究前景廣闊;玻璃纖維混凝土的聲發(fā)射研究是個(gè)空白，可對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步研究。

[1]沈功田，戴 光，劉時(shí)風(fēng).中國(guó)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展[J］.無(wú)損檢測(cè)，2003，25(6):302-307.

[2]Adam R.Ridge，Paul H.Ziehl.Evaluation of Strengthened Reinforced Concrete Beams:Cyclic Load Test and Acoustic Emission Methods[J］.ACI Materials Journal(Technical Paper)，2006(12):832，840.

[3]裔裕峰，謝慧才.碳纖維水泥基材料的聲發(fā)射特性實(shí)驗(yàn)研究[J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2007，10(3):355-358.

[4]陸見廣.碳纖維智能混凝土梁的力電效應(yīng)研究[D］.南京:南京理工大學(xué)，2007.

[5]張 琴.缺陷碳纖維混凝土梁的裂縫自感知性能的研究[J］.蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2010，17(4):36.

[6]鐘文慧.基于AE技術(shù)的混凝土細(xì)觀損傷的研究[D］.上海:同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2004.

[7]Dimitrios G.Aggelis，Tomoki Shiotani，Shouhei Momoki，et al.Acoustic Emission and Ultrasound for Damage Characterization of Concrete Elements[J］.ACI Materials Journal(Technical Paper)，2009(12):509-514.

[8]宣衛(wèi)紅，王 艷，陳曉洪.聚丙烯纖維拔出試驗(yàn)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)[J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10(32):7962-7963.

[9]D.Soulioti，N.M.Barkoula，A.Paipetis，et al.Acoustic emission behavior of steel fibre reinforced concrete under bending[J］.Construction and Building Materials，2009(23):3532-3536.

[10]林 峰，李庶林，薛云亮.混凝土材料聲發(fā)射參數(shù)與力學(xué)參數(shù)及其損傷程度的關(guān)系[J］.廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，49(4):528-530.

[11]Dimitrios G.Aggelis.Classification of cracking mode in concrete by acoustic emission parameters[J］.Mechanics Research Communications，2011(38):153-157.

[12]王 明.混凝土力學(xué)參數(shù)與聲發(fā)射參數(shù)之關(guān)系研究[J］.福建建筑，2010(4):102.

[13]Amir Mirmiran，Salam Philip.Comparison of acoustic emission activity in steel-reinforced and FRP-reinforced concrete beams[J］.Construction and Building Materials，2000(14):299-310.

[14]陳 兵，張 東，姚 武.用聲發(fā)射技術(shù)研究水泥基復(fù)合材料脆性[J］.無(wú)損檢測(cè)，2001，23(10):421.

[15]J.M.L.Reis，R.de Oliveira，A.J.M.Ferreira，et al.A NDT assessment of fracture mechanics properties of fiber reinforced polymer concrete[J］.Polymer Testing，2003(22):395-401.

[16]李 琳，張亞芳.層布式混雜纖維混凝土力學(xué)性能的研究[J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(5):130-133.

[17]嚴(yán) 軍，曹亞東，曹祖光，等.基于聲發(fā)射的纖維瀝青混凝土斷裂行為分析[A］.上海市公路學(xué)會(huì)第七屆年會(huì)[C］.上海:上海建設(shè)機(jī)場(chǎng)道路工程有限公司，2005:94-98.

[18]Luigi Biolzi，Sara Cattaneo，Gianpaolo Rosati.Evaluating residual properties of thermally damaged concrete[J］.Cement ＆Concrete Composites，2008(30):907-916.