锈蚀钢筋混凝土梁加载过程中声发射信号特征

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发布时间：2021-09-03

资料介绍

锈蚀钢筋混凝土梁加载过程中声发射信号特征
王磊，钟立恒，夏海龙，
(1．广西建筑新能源与节能重点实验室，广西
2．桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西
张鑫
桂林541004；
桂林541004)
摘要：对不同锈蚀率下钢筋混凝土梁的加载破坏过程进行了声发射试验，研究了声发射事件定位
结果与梁构件裂缝开展位置的对应关系及声发射信号特征．结果表明：对于不同锈蚀率下的钢筋
混凝土梁，声发射事件定位结果与裂缝位置具有较好的对应性，利用声发射技术对缺陷源进行定
位是可行的，并且可根据声发射事件数量的增长情况来判断梁构件的受力阶段；随着应力水平的
增大，钢筋混凝土梁声发射信号频段中心由低频向高频转移；随着钢筋锈蚀率的增大，钢筋混凝土
梁在破坏过程中的声发射事件数量减少，其释放的总能量降低．
关键词：声发射；钢筋混凝土；锈蚀率；平均频率；能量
中图分类号：TU528．571 文献标志码：A doi：10．3969／j．issn．1007—9629．2016．04．013
Acoustic Emission(AE)Characteristics of Corroded Reinforced
Concrete Beams in Loading Process
W NG Lei ， ZH0NG Liheng ， X A Hailong。， ZHANG Xin。
(1．Guangxi Key Laboratory of New Energy and Building Energy Saving，Guilin 541004，China s
2．Colllege of Civil Engineering and Architecture，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China)
Abstract：Acoustic emission(AE)analysis on loading process of corroded reinforced concrete beams with
different corrosion ratios was carried out at different stress levels．The characteristics of AE signal and
the relationship between the AE event location and crack location of the specimens were studied．Results
show that the AE event location has good coHespondence with the crack location for all the specimens．
Therefore it iS feasible to determine defect 1ocation of corroded reinforced concrete beams by AE tech—
nique．Meanwhile，the stress stage of the specimens can be judged based on the growth for number of
AE events． W ith the increase of stress level。the average frequency center of the specimens will be shif—
ted from low frequency to high frequency．W ith the increase of the corrosion ratio，the number of AE e—
vents in the damage process of the specimens will decrease and the total energy of the specimens will de—
Crease．
Key words：acoustic emission；reinforced concrete；corrosion ratio；average frequency；energy
混凝土结构在荷载和环境因素的作用下，所产
生的损伤及破坏大多以微观和宏观裂缝的形式表现
出来，而裂缝在扩展的过程中往往伴随着应力波的
产生，因此采用声发射(acoustic emission，AE)技术
来监测混凝土结构中裂缝的形成和发展在一定程度
上是可行的[ ．声发射技术在混凝土中的应用最初
由RiischE 提出．近年来，声发射技术被引进混凝土
力学领域，应用于混凝土破坏过程中的裂缝扩展和
断裂特性等研究引．由于钢筋锈蚀后的性能变化以
及钢筋与混凝土之间黏结关系的变化，使得锈蚀钢
收稿日期：2015—09—23；修订日期：2015 12-I8
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51268009)；广西矿冶与环境科学实验室中心项Et(KH2011ZD007)
第一作者：王磊(1977一)，男，山东兖州人，桂林理工大学教授，硕士生导师，博士．E—mail：tianmu77@163．corn
第4期王磊，等：锈蚀钢筋混凝土粱加载过程中声发射信号特征 683
筋混凝土梁受力破坏过程更加复杂，将声发射技术
与传统的检测方法结合起来，对于准确判定锈蚀钢
筋混凝土结构的损伤及力学状态具有积极意义．
本文利用声发射技术对不同锈蚀率下钢筋混凝
土梁的加载过程进行在线监测，对声发射定位信号、
频率特征信号、能量信号，以及梁在受力过程中裂缝
形成及开展情况进行了对比分析，重点研究了不同
锈蚀率下钢筋混凝土梁在不同受荷阶段的声发射特
征和受力状态．
1 试验
1．1 原材料及配合比
水泥采用海螺牌P·O 42。5普通硅酸盐水泥；
细骨料为天然中砂，细度模数2．5；粗骨料为普通碎
石，最大粒径为20 mm；为了在加速锈蚀试验中增加
混凝土的导电能力，本试验采用质量分数为5 的
NaCI溶液代替水来配制混凝土．混凝土配合比见表
1，其中水灰比指NaC1溶液与水泥的质量比．
表1 混凝土配合比
Table 1 M ix proportion of concrete
1．2 梁构件的设计与制作
制作钢筋锈蚀率(质量分数，下同)分别为6 ，
9 ，12 ，15 ，18 的钢筋混凝土梁构件，分别标
记为构件A，B，C，D，E，另将未锈蚀钢筋混凝土梁
作为对比梁构件F．考虑到声发射二维平面定位监
测时，构件平面外尺寸越大，对声发射信号的准确性
影响越大，为了减小试验误差，梁构件采用尺寸为
70 FilmX150 mmX1 300 mm 的单筋矩形截面梁，其
尺寸及配筋如图1所示．
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图1 梁构件尺寸及配筋示意图
Fig．1 Dimension figure and reinforcement figure of specimen(size：mm)
采用木模水平浇筑钢筋混凝土梁，浇筑前在纵筋
上接好导线，以便后期对梁构件中钢筋进行加速锈蚀
试验．1 d后拆模，标准养护28 d后，将梁构件置于质量
筋进行加速锈蚀，钢筋的理论锈蚀率根据法拉第定律嘲
来计算，并控制电流大小和通电时间以使钢筋达到理论
锈蚀率．待加载试验完成后，将梁构件中钢筋取出，采用
分数为5 的NaC1溶液中，采用直流电对梁构件中钢称重法测定钢筋的实际锈蚀率，结果见表2．
表2 钢筋的锈蚀率
Table 2 Corrosion ratio of steel in reinforced concrete
1．3 试验装置及加载方式
采用简支梁形式，利用油压千斤顶和分配梁对
梁构件进行三分点分级加载，应力水平取0．2，
0．4，0．6，0．8和1．0，通过压力传感器读取荷载数
值．采用美国物理声学公司(PAC)生产的SAMOS_
48型声发射仪，以二维平面定位方式布置传感器，
获取加载过程中采集区域范围内的声发射信号，试
验装置及AE传感器(11～16)布置如图2所示．将
声发射测试系统的前置放大器设定为40 dB，f-1槛
值为35 dB，探头谐振频率为2O～100 kHz，传感器
与混凝土表面接触处使用凡士林耦合，并用绝缘胶
带将传感器固定在梁侧面的正确位置上．以梁侧面
左下角为原点，各传感器所在梁侧面的位置坐标分
别为：1l(200 mm，75 ram)，12(500 mm，30 ram)，
684 建筑材料学报第19卷
13(800 mn1，30 mm)，14(1 100 n1m，75 mm)，15(5O0 nlrn，
120 ram)，16(800 mm，120 ram)，在梁支座和跨中位
置放置位移百分表．
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图2 试验装置及AE传感器布置图
Fig．2 Test apparatus and the arrangement of
AE sensors(size：ram)
2 试验结果及分析
2．1 声发射事件定位结果分析
本次试验中信号波主要为混凝土开裂过程中产
生的应力波，由不同传感器组合获取信号后_9]，经过
放大和滤波处理后在对应的声发射特征信号图中显
示．声发射事件定位图由声发射仪在梁受压破坏过
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Length／mm
(a)2=0．2
Length／ram
(c)2=0．6
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程中采集得出；同时，记录梁破坏过程中裂缝的形成
与扩展，得出裂缝的定位图，并通过绘图软件将其与
声发射事件图相结合，得到图3．图3中横坐标为沿
梁长方向的坐标值，纵坐标为沿梁高方向的坐标值．
由图3可见，声发射事件与钢筋混凝土试验梁在不
同受荷阶段的裂缝发展吻合较好，在裂缝形成和扩
展的地方，声发射事件较为密集．试验梁在应力水平
为0～O．2时产生的声发射事件较少，裂缝数量也
较少，此阶段为裂缝开始形成的阶段，对应梁破坏过
程中的第1阶段，即截面开裂前的阶段；为0．2～
0．8时梁底部声发射事件数量增长迅速，裂缝数量
增加，此阶段为裂缝的稳定扩展及贯通阶段，对应梁
破坏过程中的第2阶段，即梁从截面开裂到受拉区
钢筋开始屈服的阶段；为0．8～ 1．0时梁钢筋屈
服，此阶段无新裂缝产生，主要为裂缝的扩展贯通阶
段，声发射事件数量在梁顶部位置骤增，混凝土发生
受压破坏，梁顶部混凝土压碎并剥落，主裂