基于尾波干涉法的混凝土应力损伤状态检测试验研究

基于尾波干涉法的混凝土应力损伤状态检测试验研究

刘伟

（中铁二十局集团市政工程有限公司  甘肃兰州  730046）

[摘要]本研究基于尾波干涉法，对混凝土的应力损伤状态进行了试验研究。通过对混凝土试件施加逐渐增加的应力，观察尾波波速变化率曲线特征，并建立波速变化率—应力状态模型，将混凝土损伤过程分为3个阶段，分别为阶段（上升阶段）、阶段（缓慢增长至峰值阶段）、阶段（下降阶段）。基于此，对混凝土的应力损伤状态进行评估。研究结果表明，k1阶段，混凝土所应力范围为0.45~0.7，混凝土结构具有一定的稳定性和可靠性；k2阶段，混凝土所应力范围为0.45~0.7，混凝土结构出现微小裂缝，但结构仍稳定；k3阶段，混凝土所应力范围为0.7~1，混凝土结构接近其承载能力的极限，若进一步增加应力，可能导致混凝土结构的破坏。

[关键词]尾波干涉；混凝土；应力损伤

0引言[ ]

混凝土作为一种常用的建筑材料，在工程中承担着重要的结构支撑和承载作用[1]。然而，由于长期受到外界荷载和环境因素的影响，混凝土结构往往会出现应力损伤现象，如微小裂缝的产生和扩展。因此，准确评估混凝土的应力损伤状态对于确保结构的安全运行至关重要。尾波干涉法作为一种非破坏性检测方法，具有检测灵敏、操作简便等优点，已被广泛应用于混凝土结构的应力损伤检测领域。本文应用尾波干涉法，对混凝土应力损伤状态进行试验分析，旨在为混凝土结构的安全评估提供借鉴与参考。      1              试验设计

本试验仪器：5000kN压力试验机、数字示波器、静态应变测试仪、非线性高能超声测试系统。

本试验设计了4组不同强度的混凝土立方体试块，规格为150mm；4组不同强度的混凝土短柱，规格为150mm×150mm×550mm。说明：强度等级分别为C20、C25、C30、C40。

本试验方法：选择200V激发电压进行试验；在正式试验前，对50kHz、100kHz、150kHz的激发频率进行试验研究，明确50kHz条件下的尾波波形幅值最大；试验中，对混凝土试件施加荷载，为避免出现裂缝，对其进行加固。以1kN/s的速率对试件进行加载，每20kN间隔进行持荷[2]。试验采集的尾波波形数据是示波器数据多次收集后平均处理的结果。

2试验结果分析

2.1 试验数据处理

本次试验，选取[0.65,1.35]ms范围内，700μs长的尾波波形进行计算分析。 为有效分析两列波形的相似度，应用互相关函数进行计算，公式表示为：

    （1）

式中，表示拉伸值；表示尾波波形长度；表示参考波形；表示拉伸后波形。

2.2 试验结果

2.2.1 应力—应变曲线分析

通过试验数据采集，绘制不同强度混凝土试件应力—应变曲线，如图1所示。

图1 不同强度混凝土试块与短柱的应力—应变曲线

根据图1，结合曲线斜率通用公式，可以计算得出混凝土试块、短柱的弹性模量，具体如下：

混凝土试块弹性模量：C20，2.87×104N/mm2；C25，3.02×104N/mm2；C30，3.15×104N/mm2；C40，3.18×104N/mm2。

混凝土短柱弹性模量：C20，2.46×104N/mm2；C25，2.54×104N/mm2；C30，2.80×104N/mm2；C40，3.06×104N/mm2。

规范弹性模量：C20，2.55×104N/mm2；C25，2.80×104N/mm2；C30，3.00×104N/mm2；C40，3.25×104N/mm2[3]。

通过弹性模量数值对比发现，试验测得的弹性模量与规范弹性模量数值相差较小。

2.2.2 尾波波速变化率—应力状态分析

根据设计规范数值计算，绘制不同强度混凝土试块、短柱尾波波速变化率—应力曲线，如图2所示。

图2 不同强度混凝土试块、短柱尾波波速变化率—应力曲线

图2分析可知，不同强度混凝土试块、短柱单轴受压力—应变曲线的变化情况共有3个阶段，依次为快速增长阶段、缓慢增长质峰值点、下降段。选择第1阶段与第2阶段的转折点、第2阶段与第3阶段的转折点为计算点，对其对应的应力值进行计算。得到：1）不同强度下，混凝土试块第1阶段与第2阶段的转折点的实测应力值分别为：7.85N/mm2、11.56N/mm2、15.43N/mm2、17.53N/mm2，占极限抗压强度的45%；不同强度下，混凝土试块第2阶段与第3阶段的转折点的实测压力值分别为14.11N/mm2、18.59N/mm2、22.94N/mm2、29.30N/mm2，占极限抗压强度的70%。2）不同强度下，混凝土短柱第1阶段与第2阶段的转折点的实测应力值分别为：9.35N/mm2、10.76N/mm2、11.51N/mm2、13.68N/mm2，占极限抗压强度的40%；不同强度下，混凝土试块第2阶段与第3阶段的转折点的实测压力值分别为14.65、18.59N/mm2、20.06N/mm

2、26.03N/mm2，占极限抗压强度的70%[4]。

根据图2，将曲线分为3段，并用直线进行拟合，得到斜率k1、k2、k3。基于此，建立波速变化率—应力状态模型，公式表示为：

           （2）

式中，表示上升阶段的斜率；表示缓慢增长至峰值阶段的斜率；表示下降阶段的斜率；表示混凝土实测应力值；表示混凝土试块极限抗压强度；、表示常数项。

混凝土试块、短柱的极限抗压强度，及混凝土试块、短柱尾波波速变化率—应力曲线中k1、k2、k3的数值如表1所示。

表1 混凝土试块、短柱的极限抗压强度及其尾波波速变化率—应力曲线斜率

通过计算，得到应力状态k1、k2、k3阶段的混凝土内部损伤情况：1）在初始裂缝闭合阶段，混凝土承受着逐渐增加的荷载[5]。随着荷载的增加，混凝土内部的微裂缝和空气被压缩进入线弹性阶段。在这个阶段，尾波波速的变化率迅速增大，混凝土所承受的应力范围为0~0.45，表明混凝土在受力过程中能够有效地承受荷载，并保持其结构的完整性和稳定性。2）随着混凝土所承受的应力的进一步增加，混凝土内部开始出现微小裂缝，颗粒之间的相对位置不再发生改变[6]。在试件表面上尚未出现明显的破坏或开裂迹象。此时，曲线的斜率逐渐减小至0，尾波波速的变化率达到最大值。混凝土所应力范围为0.45~0.7，表明混凝土在承受较高应力时，虽然出现微小裂缝，但其结构仍然具有一定的稳定性和可靠性，可以继续安全使用。3）在应力继续增加的情况下，尾波波速变化率曲线开始下降，表明混凝土内部微小裂缝逐渐扩展并变大。同时，混凝土表面开始产生新的裂缝。此阶段，混凝土所承受的应力范围为0.7~1，表明混凝土已经接近其承载能力的极限，进一步增加应力可能导致混凝土结构的破坏。

3结论

本研究基于尾波干涉法对混凝土的应力损伤状态进行了检测与研究。通过对混凝土试件施加逐渐增加的应力，观察尾波波速变化率曲线的特征，并对混凝土的应力损伤状态进行了评估。研究结论如下：

1）尾波在混凝土中传播时会发生折射，放大微小裂缝，随着应力的增加，混凝土试件和混凝土短柱的尾波波速变化率曲线趋势基本一致，因此尾波干涉技术可作为一种新的检测混凝土内部应力损伤的方法。

2）建立的尾波波速变化率-应力状态模型，将应力状态分为三个阶段：0~0.45，混凝土结构完整且稳定；0.45~0.7，混凝土出现微小裂缝，但其结构稳定；0.7~1，达到混凝土承载能力的极限。

参考文献：

[1]Shilin Q,Benoît H,Jacqueline S, et al. Imaging concrete cracks using Nonlinear Coda Wave Interferometry (INCWI)[J]. Construction and Building Materials,2023,391.

[2]李伟,李森,王洪强.应力损伤下玄武岩纤维混凝土内部孔隙结构及能量耗散试验研究[J].复合材料科学与工程,2023(01):55-62.

[3]张鹏飞,徐晓,郝文秀等.尾波干涉法检测混凝土受压状态试验研究[J].建筑科学,2022,38(11):129-135.

[4]汪建,向涯,杨亚运等.尾波干涉技术在2017年重庆武隆M_(S)5.0地震后震源区地壳介质变化的应用[J].地震地磁观测与研究,2021,42(03):64-73.

[5]胡晓鹏,王博,彭刚等.混凝土应力损伤评价指标的敏感性分析[J].实验力学,2020,35(01):144-150.

[6]张尧,马强,肖武军.应用非线性高阶谐波衰减和尾波干涉监测高温作用后水泥制品的损伤演化[J].震灾防御技术,2018,13(01):52-64.

[ ] [作者简介] 刘伟（1994-），男，甘肃庆阳人，工程师，主要从事工程施工检测。