全拋釉磚單軸加載破壞聲發(fā)射試驗(yàn)研究

龔 慶 賴于樹 浦 蓉 重慶三峽學(xué)院電子與信息工程學(xué)院 重慶萬州 404100

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全拋釉磚單軸加載破壞聲發(fā)射試驗(yàn)研究

龔 慶 賴于樹 浦 蓉 重慶三峽學(xué)院電子與信息工程學(xué)院 重慶萬州 404100

【文章摘要】

為尋找更有效的全拋釉磚質(zhì)量檢測依據(jù)，對全拋釉磚提出更好的設(shè)計(jì)和使用方案，因此開展全拋釉磚單軸加載破壞全過程聲發(fā)射試驗(yàn)。通過SAEU2S型數(shù)字聲發(fā)射采集系統(tǒng)直接采集破壞全過程聲發(fā)射信號波形，通過對不同狀態(tài)下不同質(zhì)量的全拋釉磚的振鈴計(jì)數(shù)和能量分析處理，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射信號產(chǎn)生的快慢、強(qiáng)弱及其變化過程與全拋釉磚的試驗(yàn)狀態(tài)和質(zhì)量有密切關(guān)系，并從聲發(fā)射信號裂紋擴(kuò)展角度闡釋全拋釉磚破壞基理。

【關(guān)鍵詞】

全拋釉磚；聲發(fā)射；單軸加載；破壞基理

引言

全拋釉磚是通過拋光仿古磚表面的一種特殊配方釉而形成的一種瓷磚，釉面光滑亮潔、圖案豐富、色彩厚重炫麗、層次感好、使用壽命長，結(jié)合了拋光磚和仿古磚的優(yōu)點(diǎn)，可以適用于室內(nèi)地面、內(nèi)墻鋪貼，也可以適用于外墻裝飾，應(yīng)用場合廣泛。

近年來，聲發(fā)射技術(shù)運(yùn)用廣泛，但關(guān)于全拋釉在破壞過程中聲發(fā)射特性的研究還沒有，更多的是對全拋釉材料的研究、工藝探討和發(fā)展前景的論述。因此，本試驗(yàn)利用聲發(fā)射技術(shù)研究全拋釉磚試樣在加載過程中的聲發(fā)射活動規(guī)律，闡述全拋釉磚的變形破壞基理，從而尋找到全拋釉磚的質(zhì)量檢測依據(jù)，對全拋釉磚提出更好的設(shè)計(jì)和使用方案。

1　試驗(yàn)方案及聲發(fā)射信號采集

1.1試驗(yàn)設(shè)備及裝置

試驗(yàn)采用WES-1000B型微機(jī)數(shù)顯巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)及SAEU2S型數(shù)字聲發(fā)射采集系統(tǒng)兩套裝置。該型巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)可輸入最大壓力1000KN，能實(shí)現(xiàn)恒位移速度控制。SAEU2S型聲發(fā)射系統(tǒng)采用USB2.0實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，可解決實(shí)時(shí)高速多通道聲發(fā)射信號波形數(shù)據(jù)傳輸存儲瓶頸問題。加載過程中全拋釉磚試樣內(nèi)所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號首先通過固定在上面的傳感器獲得（傳感器與試樣之間用耦合劑耦合），信號經(jīng)前置放大器放大后轉(zhuǎn)送到聲發(fā)射信號處理器，形成聲發(fā)射事件、振鈴、能量、延續(xù)時(shí)間等參數(shù)，然后傳送給計(jì)算機(jī)。

1.2試驗(yàn)內(nèi)容

對全拋釉磚加載開始后，全拋釉磚聲發(fā)射和變形信號出現(xiàn)的快慢、強(qiáng)弱及變化過程，與全拋釉磚內(nèi)部結(jié)構(gòu)和裂隙發(fā)展有密切關(guān)系，而加載速率及其恒定程度直接影響全拋釉磚內(nèi)部裂隙發(fā)展及載荷測定。本試驗(yàn)采用加載速率均勻且測試精度較高的1000KN液壓材料試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)采用軸向應(yīng)力控制，加載速度保持在0.2KN/S。試驗(yàn)中使用兩組質(zhì)量不同的全拋釉磚（先從價(jià)格和外觀上判斷磚的好壞），分別記為Ⅰ和Ⅱ組，Ⅰ組為質(zhì)量好的磚，Ⅱ組為質(zhì)量差的磚。每組的全拋釉磚在兩種狀態(tài)下受力，狀態(tài)一是對全拋釉磚試樣沉重即均勻受力（地磚放平，對它施加一個均勻的壓力），研究地磚表層釉的破壞基理；狀態(tài)二是對全拋釉磚試樣的一部分懸空，研究它在均勻受力時(shí)地磚表層的釉的破壞基理。分別記為Ⅰ組1質(zhì)量好的全拋釉磚均勻受力，Ⅰ組2質(zhì)量好的全拋釉磚懸空受力，Ⅱ組1質(zhì)量差的全拋釉磚均勻受力，Ⅱ組2質(zhì)量差的全拋釉磚懸空受力。全拋釉磚規(guī)格都是300×300mm。

1.3聲發(fā)射參數(shù)的選取

對比和參照巖石聲發(fā)射參數(shù)的選取，在本研究的測試和分析中，分別采用聲發(fā)射率（NR）和能率（ER）兩個參數(shù)。并定義能率為信號幅度的平方，能率是反映巖石聲發(fā)射信號能量的參數(shù)。超過增益門值的脈沖狀信號稱為振鈴。在實(shí)驗(yàn)過程中測得的振鈴數(shù)稱為累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)，即通常所指的聲發(fā)射計(jì)數(shù)（AE），本實(shí)驗(yàn)設(shè)定的增益門值為40dB。

本試驗(yàn)所用傳感器為SR800型聲發(fā)射傳感器，4個傳感器布置在釉面的四個直角，采用4通道同步采集。 用聲發(fā)射專用耦合劑將傳感器粘貼于試件表面，且通過斷鉛（HB 0.5mm）實(shí)驗(yàn)檢。

圖1　I組和II組的振鈴計(jì)數(shù)（X軸：到達(dá)時(shí)間［s］，Y軸：振鈴計(jì)數(shù)*10^3）

查傳感器的耦合情況。通過合理設(shè)置SAEU2S系統(tǒng)參數(shù)，最大限度降低噪聲影響，濾波設(shè)為直通，波擊鑒別事件（HDT，為確定Hit信號終點(diǎn)而設(shè)的等待時(shí)間間隔）設(shè)為300μs，波擊閉鎖事件（HLT，為避免反射波或遲到波干擾而設(shè)的關(guān)閉測量電路時(shí)間間隔）設(shè)定為2000μs，根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，采樣頻率設(shè)為1025kHz。經(jīng)多次試驗(yàn)該設(shè)置可有效排除外部撞擊、摩擦等機(jī)械噪聲。試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集了波形圖和參數(shù)表。

1.4試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)

Ⅰ組實(shí)驗(yàn)過程中液壓試驗(yàn)機(jī)最大負(fù)荷為13.1KN；變形/位移0.01——0.60mm。Ⅱ組試驗(yàn)過程中液壓試驗(yàn)機(jī)最大負(fù)荷為13.9KN；變形/位移0.01——0.33mm。

2　試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)的2組全拋釉磚試樣，大部分磚變形的特點(diǎn)和巖石或者混凝土大體相近，都是經(jīng)歷初始壓密、彈性、塑性和最后破壞4個階段。但全拋釉磚是脆性材料體積小厚度薄，試樣初始壓密和彈性變形階段不明顯。我們所做的2組全拋釉試樣加載初期就有AE活動，小事件數(shù)較多，振鈴計(jì)數(shù)小，能量小。反映了在試件微裂隙閉合過程中，裂縫粗糙面的擠壓破壞產(chǎn)生的聲發(fā)射，但能量較小，且具有較大的波動性。2組的不同點(diǎn)在于：質(zhì)量好的磚最大振鈴計(jì)數(shù)均勻受力大約是懸空受力的2倍，釋放的最大能量差不多，受力均勻全拋釉磚內(nèi)部裂隙擴(kuò)展多，振鈴計(jì)數(shù)大；懸空時(shí)磚體受力不均勻，中心受力較大，直接出現(xiàn)貫穿性裂縫，且內(nèi)部裂隙擴(kuò)展少，振鈴計(jì)數(shù)小見圖1（b）；同時(shí)質(zhì)量好的磚磚體內(nèi)部密度均勻，釋放的能量差不多，見圖1（a）、（b）和圖2（a）、（b）。質(zhì)量差的磚最大振鈴計(jì)數(shù)懸空受力大約是均勻受力的2倍，釋放的最大能量均勻受力大于懸空受力，質(zhì)量差的磚磚體內(nèi)部密度不均勻，懸空受力時(shí)，出現(xiàn)貫穿性裂隙，振鈴計(jì)數(shù)大，沉重時(shí)，磚體受力均勻，但磚體內(nèi)部密度不均勻，內(nèi)部出現(xiàn)的裂隙多，釋放的能量大，見圖1（c）、（d）和圖2（c）、（d）。

從2組實(shí)驗(yàn)中可以看出振鈴計(jì)數(shù)和能量有很好的對應(yīng)關(guān)系，振鈴計(jì)數(shù)大的，釋放的能量就多。隨著荷載的逐步增加，不論沉重還是懸空，初始壓密階段和彈性階段都不明顯，但因全拋釉磚試樣內(nèi)部局部閉合裂紋表面會發(fā)生相對滑動，在實(shí)驗(yàn)過程中可檢測到較低的聲發(fā)射現(xiàn)象。同時(shí)，質(zhì)量好的磚現(xiàn)象更明顯，沉重比懸空現(xiàn)象明顯。繼續(xù)加載，試樣中裂紋之間的相互作用加劇，某些裂紋發(fā)生聚合、貫通，導(dǎo)致全拋釉磚斷裂面形成，聲發(fā)射很活躍，釋放的能量在破壞時(shí)達(dá)到最大值，沉重比懸空持續(xù)時(shí)間長一點(diǎn)，但在最后破壞階段懸空的全拋釉磚局部破壞現(xiàn)象更明顯。

由以上實(shí)驗(yàn)分析可見，2組全拋釉磚試樣聲發(fā)射信號產(chǎn)生的快慢、強(qiáng)弱及其變化過程與磚體的內(nèi)部密度和縫隙的發(fā)展有密切關(guān)系。沉重時(shí)質(zhì)量好的全拋釉磚最大振鈴計(jì)數(shù)比質(zhì)量差的磚大，釋放的最大能量差不多，見圖1（a）、（c）和圖2（a）、（c）；懸空時(shí)，質(zhì)量差的磚最大振鈴計(jì)數(shù)比質(zhì)量好的磚大，釋放的最大能量質(zhì)量好的磚大于質(zhì)量差的磚，見圖1（b）、（d）和圖2（b）、（d）。同時(shí)，全拋釉磚放置不平穩(wěn)，聲發(fā)射顯著增加出現(xiàn)得越早。

圖2　I組和II組的能量（X軸：到達(dá)時(shí)間［s］，Y軸：能量*10^5）

3　結(jié)論

對2組全拋釉磚進(jìn)行了單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

（1） 2組全拋釉磚的聲發(fā)射活動規(guī)律大體相同。

（2）在單軸壓縮試驗(yàn)下，加載早期就有聲發(fā)射活動，隨著載荷的增加，試件直接進(jìn)入塑性形變階段；臨近破壞時(shí)，聲發(fā)射活動大量增加。

（3）全拋釉磚放置不平穩(wěn)或懸空時(shí)，聲發(fā)射活動顯著增加出現(xiàn)得越早，對更好的設(shè)計(jì)和使用全拋釉磚有一定理論指導(dǎo)作用。

（4）均勻受力時(shí)質(zhì)量好的全拋釉磚最大振鈴計(jì)數(shù)比質(zhì)量差的磚大，釋放的最大能量差不多；懸空時(shí)，質(zhì)量差的磚最大振鈴計(jì)數(shù)比質(zhì)量好的磚大，釋放的最大能量質(zhì)量好的磚大于質(zhì)量差的磚，可以作為全拋釉磚的質(zhì)量檢測依據(jù)和研究全拋釉磚材料和性能的一個參考。

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【作者簡介】

通信作者 ：賴于樹（1976- ），教授，碩士生導(dǎo)師，博士， 主要研究聲發(fā)射檢測技術(shù)及信號處理。