超声和声发射技术在沥青混凝土中的应用.pdf
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1、王 岩等 : 超声和声发射技术在沥青混凝土 中的应用 超声和声发射技术在沥青混凝土中的应用 王岩 , 刘绍俊 , 线洪鹤 , 童园梦, 齐钰 , 秦小亮 【 河海大学。 南京2 1 0 0 9 8 ) 【 摘要】 超声波和声发射这两种基于声学的无损检测技术, 已经开始用于研究沥青混凝土的力学行为和 损伤破坏过程。通过对国内外文献的整理研读 , 从沥青混凝土的强度、 动态模量、 疲劳性能和疲劳寿命、 裂缝检测、 裂缝演化过程、 损伤定位等方面, 综述了这两种技术在该领域的应用现状, 并对其未来的研究方向和需要进一步 研究的问题进行了总结和展望。 【 关键词】 沥青混凝土; 无损检测 ; 超声波;
2、 声发射 【 中图分类号】 T U 5 2 8 4 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 1 0 0 0 0 1 0 4 沥青混凝土( A s p h a l t c o n c r e t e mi x t u r e , 简称 A C ) 是 由适当比例的粗集料、 细集料及填料与沥青在严格条 件下拌和的沥青混合料。由于沥青混凝土在道路工程 中的大量使用, 以及在实践生产过程中遇到的问题 , 使 得人们对沥青混凝土力学行为及损伤破坏过程的研 究成为热点。超声波和声发射技术作为两种基于声学 的无损检测技术 , 已开始用于沥青混凝土的研
3、究。文 中在对国内外相关文献研读和分类归纳基础上, 首先 介绍超声波和声发射技术的基本原理 , 然后从强度、 动 态模量、 疲劳寿命预估、 裂缝检测 、 损伤评估以及裂缝 演化过程、 断裂参数、 声发射源定位、 疲劳性能 , 分别综 述了超声波和声发射技术在沥青混凝土领域 的应用 现状和取得的成果, 最后总结了这两种技术未来在该 领域 的研究方 向和热点 。 1 超声波和声发射技术 简介 超声波是一种频率高于人耳能听见的频率声波。 利用机械振动源在材料 中激发一种机械振动波, 通过 对超声 波受影 响变 化 程度 和 状 况 的探测 来 研究 材 料 性能和内部组织的变化 , 称为超声波技术。
4、声发射 ( A c o u s t i c E m i s s i o n , 简称 A E ) 是 指材 料 内部局 部 区域 在外界的影响下, 伴随着能量的快速释放而产生的瞬 态弹性波的现象。利用仪器检测、 记录、 分析声发射信 号和推断声发射源 的技 术 , 称为声发射技术 。 2 超声 波技术在 沥青混凝土领域 中的应用 2 1 波速与强度之间关系的研究 超声波在沥青混凝土中的传播速度与其强度有 着密切关系, 强度越高波速越大, 反之亦然。在抗压强 度上 , 潘宝峰等人 发现 波速与 抗压 强度 之间有 很好 的相关性, 并得到了抗压强度和波速之间的回归方程 ; 吴金荣等人 通过试验得
5、到了不 同温度下抗压强度 和波速 的非线性 回归方 程 , 并对 沥青 混凝 土抗压 强度 进行了预测。在弯拉强度上, 董小红等人 利用超声 波对双层式沥青路面进行了强度检测 , 发现波速与抗 弯强度呈规律性变化。胡桂宝等人 研究了波速变 化与沥青混凝土弯拉强度变化之间的规律 , 发现波速 与弯拉强度变化之间有很好的相关性。在劈裂强度 上 , 王鲁宁等人 发现波速和劈裂强度均随着冻融循 环次数的增加而降低, 由冻融劈裂强度定义的损伤变 量与波速的降低具有一定关系, 波速降低可反映冻融 损伤程度。易军艳等人 利用波速来表征沥青混凝 土劈裂强度, 给出两者之间经验公式 , 试验结果显示波 速可很好
6、地表征沥青混凝土冻融后的劈裂强度。 综上所述 , 研究人员对沥青混凝土抗压、 弯拉、 劈 裂强度与波速间的关系进行了较广泛的研究, 得 出了 强度 与波速之间的 回归方程。但超声波测强技术 在沥 青混凝 土上还未进行实际应用 , 尚需进 一步研究 , 提出 修正系数, 使测强技术更精确 , 更具一般性。 2 2 超声波技术对沥青混凝土动态模量的研究 目前在国内, 道路结构设计时仍采用静态模量, 但 采用动态模量可以更准确的反映路面在车辆载荷作 用下的实际工作状态 。J N o r a m b u e n a 等人 在特定 温度下利用超声波法直接测定了沥青混凝土的动态 模量。动态模量由超声波传播
7、速度计算得到, 由超声 波得到的动态模量测试值与标准试验中低频加载速 率下得 到 的测 试值相 接 近。H e r v 6 D i B e n e d e t t o等 人 叫 在沥青混凝土试件上进行超声波测试 , 并在线性 粘 弹性材料 的框 架 内进行 反 分析从 而 获得 了动态 模 量。Z h i y o n g J i a n g 等人 试图建立沥青混凝土动态模 量与超声波峰值振幅、 最大频谱幅度、 频谱区域之间的 关系。经过一系列的线性回归他们发现并通过实验验 证了在高加载频率下, 动态模量与三种波特征之间有 非 常好 的线性 相关性。 【 基金项 目】 国家 自然科学基金项 日资
8、助 ( N o : 5 1 0 0 9 0 5 8 ) ; 江苏省级大学生创 新q ,b t i) l l 练计 划项 目( N o : 2 0 1 3 1 0 2 9 4 0 0 3 Y) 2 低温建筑技术 2 0 1 4年第 1 0期( 总第 1 9 6期) 综上所述 , 目前 研究人 员 已研 究采用 超声 波测试 沥青混凝土动态模量 , 各项研究 均表 明超 声波 测试得 到的动态模量与传统试验测试得到的动态模量符合 较好, 超声波测试方法成熟之后取代昂贵、 费时、 复杂 的传统测试方法将成为趋势。 2 3 超声波技术预测沥青混凝土疲劳寿命 M e s u t T i g d e m
9、i r 等人 利 用超声 波预测 了沥青混 凝土试件的疲劳寿命, 建立了疲劳寿命模型, 加入了波 速得到的弹性参数, 根据波速便可得到疲劳寿命的预 测值。王晓磊 等人运用超声波对沥青混凝土试件 的疲劳寿命进行了预估, 通过超声波传播时间推测弹 性参数, 并通过参数分析和线性模拟得到了疲劳寿命 和各参数之间的回归方程。S A A D A B OQ U D A I S等 人u 发现热拌沥青混凝土试件的疲劳寿命与初始波 速之间具有较高的相关性, 愈合期过后, 由于疲劳裂缝 愈合导致的疲劳寿命的延长与波速增加之间也存在 很好 的相关性 。 目前对沥青混凝土疲劳寿命 的预估, 主要是通过 超声波法研究得
10、到沥青混凝土的弹性参数, 再 由一系 列线性模拟和回归得到疲劳寿命模型 , 这些疲劳寿命 模型能够较准确地预测沥青混凝土疲劳寿命。 2 4 超声波技术用于沥青混凝土的裂缝检测 S h a n e U n d e r w o o d等人 、 李芬等人 运用超声 波技术预测沥青路面裂缝深度, 他们根据传感器跨缝 与不跨缝的传播时间计算裂缝深度。结果虽不足够精 确 , 但该试验展示 了超 声波法 测试裂缝深 度 的能力 和 前景。L e v K h a z a n o v i c h等人 评价了沥青路面 自上 而下的裂缝深度, 他们将探头对称布置于裂缝两侧 , 由 传播时间计算出裂缝深度, 实验室测
11、试和现场测试的 结果均具有很高的准确性。 综上所述 , 超声波技术 已用 于测量沥 青混凝 土裂 缝深度, 但用于实际道路裂缝检测仍缺乏足够精确度。 因此 , 需要进一步改进 , 借鉴相对成熟的混凝 土裂缝深 度测量技术, 提高声时读数的精确性, 综合分析声速、 首波幅度和波形三个声学参数来评价裂缝深度 。 2 5 超声波技术用于沥青混凝土损伤过程评价 李芬等人 将超声波用于沥青混凝土损伤评价, 他们在研究中采用试件 断面空隙率变化来表征沥青 混凝土的损伤, 试验表明该损伤与波速降低之间具有 较好的指数关系, 波速的降低可以很好地反映沥青混 凝土内部缺陷发展的程度。L a u r e n t
12、A ma u d等人 、 A d fi e n H o u e l 等人 均发现 , 在沥青混凝土圆柱体试 件的疲劳试验 中, 随循环次数 的增加 , 损 伤和微 裂缝 的 增加导致了超声波波速和振幅均下降, 纵波传播的能 量损失的 比重也随之增加。此外 , J u S a n g L e e 等人 怛 通过超声波验证了沥青混凝土的损伤愈合作用。他们 在疲劳试验中加入一段间歇期 ( R e s t P e r i o d ) , 发现经 过间歇期后 , 沥青混凝土试件的超声波波速有所回升, 说明试件在此期间产生了损伤愈合作用。 综上所述, 沥青混凝土的损伤程度与波速的降低 之间具有很好的相关性
13、 , 此外振幅的降低及纵波传播 的能量损失也会反映损伤程度。因此, 根据沥青混凝 土加载前后波速、 振幅的变化及纵波的能量损失, 便可 判断沥青混凝土内的缺陷发展及损伤程度。 3 声发射技术在沥青混凝土领域中的应用 3 1 声发射技术研究沥青混凝土裂缝演化及断裂性 黄飞云等 利用声发射技术监测了沥青混凝土 梁的稳定性 , 声发射信号直接来源于被测试件本身, 能 直接反映梁内部损伤的发展及裂缝演化情况。康荣根 等 利用声发射技术研究了均质度对含有竖向裂缝 沥青混凝土梁的裂缝扩展规律。带裂缝沥青混凝土梁 均质度的不同, 裂缝扩展模式不同, 也导致了声发射事 件分布和累计数的不同。X u e L i
14、 等 利用声发射定 位技术监测了半圆弯曲试验下的沥青混凝土试件, 结 果显示声发射源的位置与实际的裂缝位置匹配地很 好 , 表 明声发射源定位技术 可 以监 测沥青 混凝 土裂缝 传播。在断裂性能上 , X i n j u n L i 等人 圳利用声发 射研究了沥青混凝土低温断裂性能。他们监测了沥青 混凝土在半圆弯曲试验中的声发射特性 , 发现沥青混 凝土试件断裂过程 中的断裂能与累计声发射能呈线 性关系 , 这表明累计 声发射 能可 以对沥青 混凝 土的低 温断裂性能提供有用信息。 综上所述, 研究人员利用声发射技术研究了沥青 混凝土裂纹活动及断裂性能, 声发射事件数和发射能 量反 映了裂缝
15、 的产生和 扩展及试 件断裂 性能 , 而声发 射源的分布反映了裂缝的传播方 向, 这些对研究人员 研究裂纹的扩展规律及断裂性能提供了莫大帮助。 3 2 沥青混凝土中声发射源的定位 沥青混凝 土内声 发射 源 的位 置实 际 上就 是 内部 损伤或产 生裂纹 的位 置 , X i n j u n L i 等人 儿 ” 采 用压 电传感器网络捕捉声发射信号, 并用非线性回归算法 定位声发射事件。根据声发射定位技术 , 他们不仅定 位了沥青混凝土内部的微裂缝发展路径, 还定位了沥 青混凝土内部损伤区以及断裂时的断裂过程区。 终上所述 , 研究人 员在沥青 混凝 土试 件上 布置声 发射传感器阵列,
16、 通过特殊算法记录在每个传感器上 信号的相对到达时间来定位声发射源。对声发射源的 定位有助于研究人员对沥青混凝土中裂缝发展和过 程区等的研究。 3 3 声发射技术研究沥青混凝土疲劳性能 Y o u n g g u k S e o 等人 发现疲 劳试验 下 , 累积声发 射能量和累积声发射计数不仅可以评价沥青混凝土 王岩等 : 超声和声发射技术在沥青混凝土中的应用 3 试件疲 劳损伤 的开 始和 扩展 , 还 可 以量化 试件 在间 歇 期的有益作用。试件在有间歇期的测试中会产生更多 的声发射信号 , 疲劳寿命也变得更长, 显示了其损伤的 恢复。M a l i c k D i a k h a t
17、 e 等人 研究了热拌沥青混凝土 试件在剪切疲劳试验中的疲劳损伤特征, 发现随着循 环次数的增加, 疲劳损伤累积 , 试件的剪切刚度模量不 断减小, 声发射能量和累积声发射计数经历了缓慢增 长、 显著增长、 急剧增长三个阶段。 目前, 关于声发射技术研究沥青混凝土疲劳性能 的情况不多 , 但是声发 射技 术全 程实 时动态 的特 点使 得其在疲劳方面的研究中拥有巨大优势, 例如声发射 参数可以记录沥青混凝土在疲劳过程 中疲劳损伤的 产生, 这是其他无损检测技术所不具备的。 4结语 超声波和声发射技术已应用 于沥青混凝土研究 , 从 目前取得进展和成果看出, 这两种技术在沥青混凝 土研究中拥有巨
18、大潜力和前景。当然, 目前仍有许 多 亟待解决的难题。在此, 分别将超声波和声发射技术 在沥青混凝 土上 的研究 现状与展望 如下总结。 超声波技术研究主要集中在: 利用超声波技术测 量沥青混凝土强度、 动态模量 , 预估疲劳寿命 , 检测裂 缝深度, 以及损伤评价等。超声波技术今后的研究展 望 : 提高波速检测的精确度 , 改进测强技术、 裂缝深度 测试技术等, 深入研究疲劳损伤机理、 沥青路面的降噪 机理, 综合波速、 波形、 振幅和频率等声学参数来研究 沥青混凝土等。 声发射技术研究 主要集 中在 : 利用 声发 射技术 检 测沥青混凝土裂缝演化 过程 , 定位 内部损伤 , 研究疲劳
19、性能等 。声发射技术 今后 在该领 域 的研究 展望 : 研 究 沥青混凝土疲劳损伤和疲劳累积, 温度变化对沥青混 凝 土性能 的影 响 , 低 温下 的断 裂性 能 、 开裂 温度 , 以及 纤维沥青混凝 土塑性 变形与声发射 的关 联等。 参考文献 1 王鲁 宁 超 声 波法 在 沥青 混 合 料性 能测 试 上 的试 验 研究 D 长春: 吉林大学, 2 0 1 3 2 潘冬子, 章光, 刘世奇, 李颖 混凝土梁无损检测新技术及其 进展 J 公路, 2 0 0 4 , ( 2 ) : 1 8 2 3 3 潘宝峰。 陈静云, 刘伟, 于杰 超声波在沥青混合料试件强度 测试 中的应用 J 辽
20、宁交通科技 , 2 0 0 6, 2 5 ( 3 ) : 5 4 5 5 4 吴金荣, 马芹永, 张兴亮 沥青混合料的超声波强度检测 J 硅酸盐通报 , 2 0 0 8, 2 7 ( 3 ) : 6 2 96 3 3 5 董晓红, 马芹永, 吴金荣 超声波法在双层式沥青混凝土路面 结构强度检测中的应用 J 硅酸盐通报, 2 0 1 2 , 3 1 ( 2 ) : 4 6 4 4 6 8 6 胡桂宝, 吴金荣, 马芹永 三层式沥青混凝土结构弯拉强度及超 声波检测试验与分析 J 硅酸盐通报 ,2 0 1 2 ,3 1 ( 1 ) : 1 7 5 1 7 9 7 易军艳, 冯德成, 王广伟, 于志双
21、 超声波测试方法在沥青混合料 冻融试验中的应用 J 公路交通科技, 2 O O 9 , 2 6 ( 1 1 ) : 6 1 0 8 孙建 沥青混合料动态模量研究 D 西安, 长安大学, 2 0 0 6 9 J No r a m b u e n a , D C a s t r o , L V e g a , M C e l a y a , I L o m b i l l o D y n a m i c m o d u l u s o f asp h al t m i x t u r e b y u l t r a s o n i c d i r e c t t e s t J ND T&E I
22、n t e r n a t i o n a l , 2 0 1 0, 4 3: 6 2 9 6 3 4 1 0 H e r r 6 D i B e n e d e t t o , C 6 d r i c S a u z 6 a t , J u l i e t te S o h m S t i ff n e s s o f b i t u m i n o u s m i x t u re s u s i n g u l t r a s o n i c w a v e p r o p a g a t i o n J R o a d Ma t e ri a l s a n d P a v e me
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