基于声发射波形分析的混凝土及其组成材料损伤识别与评价

采用声发射技术识别和评价混凝土损伤机理仍处于起步阶段，存在许多关键科学问题亟待解决。本项目在前期研究工作基础上，以混凝土轴拉等试验为背景，首先探讨基于小波分析的混凝土损伤声发射信号的滤噪和机理识别中的小波基选取等基本问题，发展基于小波的去噪方法，研发用于基于声发射波形的到达时间读取技术以提高定位精度，并给出表征混凝土损伤的最佳小波特征值；然后给出骨料、砂浆、骨料砂浆交界面损伤的本质声发射特征，最后根据所识别出的细观损伤机制评价混凝土的损伤过程，并结合声发射源定位技术和混凝土损伤CT监测技术所给出的损伤发展的空间分布规律予以验证。相关研究成果对于进一步理解混凝土的损伤过程、研发新型混凝土类建筑材料、推动混凝土结构声发射监测专用设备的技术创新等问题都具有重要的研究意义和参考价值。

对混凝土、纤维混凝土试件在荷载作用下的损伤破坏过程声发射特性及其损伤机理进行了试验研究和理论对比分析，发现声发射技术对于展现和跟踪混凝土的损伤发展过程是一种有效研究手段；对混凝土的细观组成材料，如骨料、砂浆和骨料-砂浆交界面试件在荷载作用下的损伤破坏过程声发射特性及其损伤机理进行了的对比分析，发现混凝土及其细观组成材料的声发射特性存在显著差异，并给出了可用于区别不同的损伤机理的声发射特征参数，在此基础上可以通过声发射技术实现混凝土的损伤机理分类分析；为了加强对上述研究结论的认识，在对前期大量研究内容进行总结分析的基础上，对混凝土损伤破坏过程声发射特性及其机理研究的影响因素，如不同加载方式和制度、级配、混凝土龄期等因素对声发射特性及其损伤机理评价的影响进行了系统深入的分析和研究，并给出了加载方式和龄期等因素对于混凝土损伤声发射特性影响的范围和程度，这有助于综合评定基于声发射技术识别混凝土损伤机理的可靠性；在分析混凝土损伤声发射信号特征的基础上，从小波基的紧支性、消失矩特性等方面总结和比较了8种在工程应用领域常用小波基的数学特征，并通过理论分析给出了适用于混凝土损伤声发射信号的小波基，最后以信息价值函数的总熵值作为评价指标，发现db2、db3、sym2-sym6和coif1小波均可以作为混凝土损伤声发射波形小波变换的最佳小波基；在系统分析了混凝土及其组成材料损伤声发射特征参数和波形特征的基础上，研发了一种基于声发射和人工神经网络的混凝土损伤程度检测方法，采用人工神经网络技术对混凝土损伤过程所伴生的声发射信号进行分类和识别，建立了基于声发射和人工神经网络的混凝土损伤程度识别系统，该系统可以准确、快速判断混凝土在受外荷载作用时的损伤程度，进而对混凝土材料损伤破坏机理以及混凝土结构的安全监测提供参考依据和研究手段；在进行以试验为主的研究工作中，研发了混凝土轴向拉伸试件的制备装置及制备方法、专门用于混凝土表面的声发射传感器固定装置。