探索声发射技术在土木工程中的应用
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摘要：声发射是一种新型的无损检测技术，因为其实时、动态、方便、覆盖面广等优点，正越来越多地被人们应用,。为了有利于声发射技术在土木工程中的推广应用。本文简要介绍声发射技术的应用发展和优越性，阐述了声发射技术在土木工程中的应用，并提出发射技术的应用发展局限及其影响因素。有利于声发射技术的提高。
关键词：声发射技术；土木工程；应用发展；局限
中图分类号：S969.1文献标识码： A 文章编号：
前言
声发射(Acousti。Emission,AE)也称应力波发射,是指当材料受到力的约束作用时,由于其内部微观组织不均匀或者内部缺陷的存在,导致局部产生应力集中,局部的应变能快速释放产生瞬时弹性波的现象。借助传感器探测,通过声发射检测系统采集、记录、分析声发射信号并对声发射源的性质进行评定的技术称为声发射技术。声发射技术是近几年迅速发展起来的新技术、新方法。声发射技术的独特优点是能够进行动态、连续、在线无损监测,且具有很高的灵敏度,因此对土木工程中的混凝土、岩土、岩石、木材等的损伤、破坏机制及强度性能等有很好的探测性能。
一、发射技术的应用发展
声发射作为一门科学的技术是以五十年代凯撤(Kaiser)提出材料形变声发射的不可逆效应及凯撒效应（Kaiser效应)为标志。现代声发射术于七十年代初引入我国，,当初只是简单借助特征参数和波形分析监测裂纹的开裂点以及对压力容器进行在线监侧。经过近四十多年的发展,声发射技术在我国的研究和应用成快速发展的趋势,现己经被成功应用于压力容器和压力管道检测、航空航天主要构件结构完整性评估、工具使用过程中磨损和断裂监测等领域。随着声发射信号处理技术的不断发展和完善,高灵敏度的声发射技术也逐步成功应用于零部件接触疲劳失效过程监测和疲劳失效机理的研究中。近几年，在建筑工程、水利和岩土工程、桥梁工程等方面逐步开始应用声发射技术。
声发射技术的发展中能解决以下几个问题：
对构件或材料本身的缺陷或在外部环境下可能会出现的损伤；进行静态结构检测。
b）对形态复杂或特大构件或岩体检测其缺陷或损伤的类型、性质；及缺陷或损伤发生的部位。
d）确定缺陷或损伤发展的程度。并在此基础上，进行数值模拟， 模拟其会产生什么样的结果。
二、声发射技术在土木工程中的应用
1、声发射技术普通混凝土材料的研究应用
1.1混凝土材料声发射基本属性的研究。混凝土材料的基本属性包括:配合比、水灰比、骨料特性、龄期、加载方式等对声发射行为的影响。研究证实了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,各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。
1.2混凝土材料的损伤机理、断裂机理及断裂预报。
研究人员利用声发射时间的位置的嫡函数的方法对混凝土试块在三点弯曲过程中,相应的声发射过程的空间自组织程度进行描述,其随着应力状态的变化而变化,声发射空间位置的急剧下降,预示宏观断裂的来临。朱宏平等在损伤力学和声发射速率过程理论的基础上建立了在单轴受压状态下混凝土材料的声发射特征参数与损伤演化间关系的方程,从而实现了运用测量得到的声发射特征参数最终量化评估混凝土的损伤大小的方法。
1.3裂纹缺陷定位技术的研究。
声发射的定位检测技术是通过对声发射信号的传播时间、传播速度特征的分析来确定声发射源位置的方法。精确的AE源定位技术是采用基于记录材料表面运动推演断裂类型、尺寸和方向的定量声发射研究的基础。由于AE源与材料内部的变形以及断裂、损伤等力学行为的“变化”相对应,因此,声发射定位观测技术变成为检测材料断裂和损伤,尤其是裂纹、损伤的演化的有效手段。在实验室中,利用声发射定位检测技术可以有效地“跟踪”材料内部裂纹的开裂及发展情况,进而对裂纹的形式进行动态的描述。在工程中,利用声发射定位监测技术可以确定出结构中“弱面”的位置及其在荷载作用下的“表现”,进而判断结构在给定荷载下的可靠性。由于声发射的定位仅仅通过声发射信号的“有”或者“无”就能做到,故此,定位观测技术是非常可靠的。
1.4凯塞效应的机理及其在混凝土材料中的应用的研究。
声发射Kaiser效应,实质是对材料承受荷载产生损伤的一种表征。当荷载加在已承受过一定荷载作用的混凝土上时,由于部分微元已经损伤破裂,应力已经释放,并且这种损伤破裂是不可逆的,因此在这个应力水平内被激活的缺陷引发的损伤破裂不会再产生,不会有新的缺陷被激活而引起新的损伤破裂,也就没有声发射。只有当前施加的应力水平超过历史上最大的应力水平时,新的缺陷才会又被激活,引起新的损伤破坏,激发声发射的再度发生。Kaiser效应反映的就是混凝土损伤状况的变化,即混凝土Kaiser效应记忆混凝土的先前损伤程度。
在水利和岩土工程中的应用
声发射技术除了对水利工程中的主体结构进行安全监测之外,更多的将声发射技术应用于水利工程中的边坡与护坡等岩土工程中，如基于声发射智能耦合监测,对矿区支护的主运巷塌陷区结构失稳过程进行监测分析,分析塌陷区结构失稳过程中微破裂和声发射之间的内在联系,同时利用固体断裂非平衡统计理论进行分析与预报。声发射技术应用于水利和岩土工程中,主要集中在施工期和运行期混凝土坝体和船闸等结构的安全监测,护坡、边坡岩体等的稳定性监测与预报,以及借助声发射技术了解岩石内部力学性质等问题。
在桥梁工程中的应用
声发射技术除了桥梁结构寿命和损伤评估，对桥梁主体结构进行声发射监测之外,研究者们对桥梁关键构件的损伤监测，如：钢筋混凝土桥梁内部钢筋、桥梁的悬索等关键构件损伤的监测也进行了尝试和探索。如：Yuyama等采用声发射技术进行后张预应力梁的损伤监测试验,通过对声发射信号的分析,识别并精确定位了钢筋的腐蚀断裂等损伤。
声发射技术在建筑工程中的应用
声发射技术应用于建筑工程的案例,主要集中于对年代久远的建筑物进行监测评估等方面。我国通过对居民住宅楼进行声发射监测,利用声发射计数评估裂缝开展速度并预测裂缝的发展状况,发现在各阶段声发射计数与裂缝开展成比例关系,当裂缝发展速度最快时,声发射计数率也达到了最大值,声发射分布函数的局部极值与裂缝发展的最剧烈阶段相对应。
三、存在的问题与展望
由于声发射技术可以检测大范围任何部位、任何形状的结构被测物体;可以不破坏被测试体进行实时监测;由于地震波与声发射信号具有相似的随机性、非平稳过程,还可以进行地震预测预报,所以声发射技术具有良好的应用前景。现存的主要问题及可能的解决思路如下。
首先是声发射特征参数众多,造成人们在表征信号特征时缺少统一的标准。其次,由于研究体系比较多,并且实验方法与实验设置不尽相同,造成相互之间的结果缺少可比性。因此,建立统一标准的声发射特征参数,对于接触疲劳问题的声发射技术研究十分必要。
定量的分析裂纹扩展速率和声发射特征参数之间的对应关系仍然是难以跨越的难题,一方面受声发射检测设备的响应速度、灵敏度、宽动态范围、强阻塞恢复能力和频率检测窗口可调等性能的制约,致使得到的声发射特征值非原始裂纹的真实信息,甚至信号已经变异。另一方面应用声发射技术判断裂纹的扩展信息并非原位观测,因此得到的判据可能并不准确。因此开发出性能优异的声发射检测设备至关重要。同时,借助工业cT、高分辨电镜与声发射技术联合检测分析也是个有效的途径。
当前对的声发射源的认识仍然不足,由于声发射源本身的复杂性。声发射信号本身非常的微弱,再加上噪音干扰以及弹性波在传播中的衰减,使得至今仍难以得到声发射源的原始信号。目前对波的传播等基础理论开展研究,研发更高精度的声发射检测设备是解决问题的基本措施,。
结 语
声发射技术已经应用于桥梁工程、水利和岩土工程、建筑工程以及其他特种工程等诸多领域,其中以桥梁工程、水利工程等大型工程中的应用最多,从中可以看到声发射技术应用于土木工程的前景和潜力,但同时也存在难题和挑战。
参考文献:
[ 1 ]国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材编审委员会.声发射检测[M].北京:机械工业出版社,2005.
[ 2 ]欧阳利军.基于声发射技术的锈蚀钢筋混凝土构件黏结性能研究[D].南宁:广西大学,2007.