超声波CT在混凝土爆炸损伤中的应用.pdf

第2 8 卷第1 期 2 0 1 1 年3 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 8N o ．1 M 盯．2 0 1 l D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 1 ．0 1 ．0 0 1 超声波C T 在混凝土爆炸损伤中的应用木 张钰娟，陈星明，张志贵 西南科技大学环境与资源学院，绵阳6 2 1 0 1 0 摘要在高强度混凝土爆炸前后，利用超声波C T 成像技术，进行声波测试并生成c T 图像，可以比较完 整地反映混凝土的内部损伤及其变化。实验结果表明，波速的变化能良好的表征混凝土的损伤；药包爆炸 后，主要在炮孔周围及其下部造成损伤，其, P 炮孑L T 部的损伤度较大，底部则受到压密作用，波速增大。 关键词混凝土；爆炸；损伤；超声波C T 中图分类号0 3 8 4文献标识码A文章编号1 0 0 1 - 4 8 7 X 2 0 1 1 0 1 - 0 0 0 1 0 4 A p p l i c a t i o no fU l t r a s o n i cC TT e c h n o l o g yi n E x p l o s i o nD a m a g eo fC o n c r e t e Z H A N GY u - j u a n ，C H E N 凰n g m i n g ，Z H A N GZ h i g u i S c h o o lo fE n v i r o n m e n ta n dR e s o u r c e s ，S o u t h w e s tU n i v e r s i t yo fS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ，M i a n y a n g6 2 1 0 1 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h eC Ti m a g e sb e f o r ea n da f t e re x p l o s i o ni nt h eh i s h s t r e n g I hc o n c r e t eb yu s i n gt h eu l t r a s o n i cC Ti m a 舀n gt e c h n o l o g yv a nr e f l e c tt h ei n t e m a ld a m a g eo fc o n c r e t ea n dc h a n g e si n t e g r a l l t y ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e c h a n 一 8 e 8o fw a v ev e l o c i t yV a nr e f l e c tc o n c r e t e ’sd a m a g ew e l l ．T h ee x p l o s i o nd a m a g e 玳m a i n l ya r o u n dt h eh o l ea n dt h e h o l eb o t t o m ，e s p e c i a l l yt h eb o t t o m ’8d a m a g ei sl a r g e r ，a n dt h ew a v ev e l o c i t yo fb o t t o mi n c r e a s e sa so m p r e s s i v ee f f e c t ． K e yw o r d s c o n c r e t e ；e x p l o s i o n ；d a m a g e ；u l t r a s o n i cC T 混凝土是结构工程最重要的材料之一，它的质 量直接关系到结构物的安全，它作为一种重要的工 程材料，其损伤分析引起了国内外学者的广泛关注， 最早将损伤力学概念用于混凝土材料研究的是 D o u g i U 【1 ] ，比较早的研究成果如L o l a n d 损伤模 型‘2 | 、M a z a r s 损伤模型“ ] ，这2 种模型是以实验所 得的应力一应变曲线为基础，采用了应变等价原理建 立了单轴损伤模型，是典型的弹性各向同性损伤模 型，损伤变量都是标量。 超声波在混凝土方面的研究和应用已有近 收稿日期2 0 1 0 0 8 2 8 作者简介张钰娟 1 9 8 5 一 ，女，硕士研究生，爆破、矿山安全， E m a i l z y j 8 5 6 1 8 1 6 3 ．c o m 。 通讯作者陈星明 1 9 7 2 一 ，男，副教授，采矿工程、工程力学， E ．m a i l c x m s w u s t ．e d u ．c a o 基金项目先进建筑材料四川省重点实验室项目 0 8 Z X X P 0 4 6 0 年的历史，混凝土超声波检测是混凝土无损检测 技术中的一个重要方面。C T C o m p u t e r i z e dT o m o - g r a p h y 也称计算机层析成像，简称层析成像，概括 来说，C T 是指在不损伤研究“对象”内部结构的条 件下，对某种射线源，根据从“对象”外部用检测设 备所获得的投影数据，运用一定的数学模型和图像 重建技术，使用计算机生成对象内部二维图像，再从 一系列二维图像构成三维图像，重现“对象”内部特 征H 】。将C T 图像应用于混凝土的损伤研究，它能 形象、直观的表现混凝土内部结构、损伤情况，具有 分辨率高、损伤定位准确、检测结果直观等特点准确 等优越性。因此，C T 技术己广泛应用到了混凝土损 伤研究领域。 应用超声波C T 对爆炸前后的混凝土试件某纵 剖面进行声波测试并生成C T 图像，分析了混凝土 万方数据 2爆破 2 0 1 1 年3 月 在爆炸荷载作用下的损伤变化和规律，为对混凝土 的爆炸损伤机理研究提供一定的依据。 1 超声波C T 方法与原理 为重建介质的波速分布图像即c T 成像，需先 利用声波仪采集相关走时数据t i 。声波测试采用中 国科学院武汉岩土力学研究所研制的R S M ．S Y 5 型 智能声波检测仪。将声波仪发射机输出的具有一定 功率的电信号转化成声信号发射到岩体中，而接收 换能器是利用晶体的压电效应，将岩体中传播的声 信号转换成电信号，输入到声波仪接收机的输入系 统中。观测系统为一发多收声系，即在左侧单点发 射，右侧作扇形排列接收，然后逐点同步沿剖面线移 动进行扫描观测。 1 ．1 C T 成像的基本原理 弹性波C T 又可分为地震波C T 和超声波C T ， 两者成像方法原理完全一致，首先通过扇形测试获 取大量的首波走时数据 t i ，然后通过求解大型矩 阵方程来获取2 孔之间速度剖面图像，根据速度剖 面图像可以直观准确地判定隐患大小分布，是目前 最为有效最为精确的测试方法之一。设在成像剖面 内共测有Ⅳ条射线，首先根据测试精度把剖面分为 肘个单元 网格 ，以射线理论为基础的成像方法归 结为求解如下方程“ j l l lZ 1 2 Z 2 lk ⋯l l _ | I ， ⋯1 2 _ | I f ● Z Mj 胞⋯‰J L s 肼J L “ 式中1 0 是第i 条射线在第J 个单元内的路径长度；S 是第J 个单元的慢度值；t i 是第i 条射线的走时值。 由l A _ k 方程可得到离散慢度s j 的分布，从而实现测 区的速度场层析成像。 1 ．2 损伤变量表征方法 设E 为无损材料的弹性模量，E ‘为有损材料的 弹性模量，则损伤因子D 定义为M l D l 一譬 2 弹性波在介质中传播存在E 缈2 关系，可得到 以弹性波速作为变量来表征损伤程度 D l 一冬 3 式中，口、石分别为材料损伤前后的弹性波波速。 2 混凝土爆炸损伤实验 2 ．1 爆炸实验 混凝土试件在西南科技大学材料实验室进行制 作，具体配合比参数如表1 所示，混凝土试件为直径 4 0 0m m 高3 0 0m m 的圆柱体，经标准养护2 8d 后， 经测试平均单轴无侧压强度为7 6 ．6M P a 。爆炸实 验地点在西南科技大学爆破实验室，炮孑L 布置在柱 形混凝土试件的轴心，孔径为1 8m m ，起爆器材为 8 号电雷管1 个，2 号岩石炸药3g ，采用耦合装药结 构。分3 组进行爆炸实验试件2 ．1 装药深度为 5 0m m ；试件3 - 1 装药深度为1 0 0m m ；试件4 - 1 装药 深度为1 5 0m m 。 表1 混凝土试件配合比 单位k g ／m a T a b l e1M i xo fc o n c r e t em o d e l u n i t k g ／m a 水泥水砂卵石减水剂硅粉 5 5 01 3 7 ．55 7 5l1 2 02 ．3 7 54 5 2 ．2 爆炸荷载破坏情况 各混凝土试件经爆炸载荷实验后，混凝土宏观 破坏情况如图l 所示。 图1混凝土爆炸后破坏情况 F i g ．1 T h ed e s t r u c t i o no fm o d e la f t e rb l a s t i n g 药包爆炸时，在炮孔壁周围的部分将激起峰值 压力很高的冲击波，药包附近的混凝土在冲击波作 用下产生损伤或破坏，冲击波在压碎区外衰减成应 力波，使混凝土产生径向裂缝，爆生气体在高压作用 下挤入这些裂缝，由于“气刃效应”，使得裂缝继续 向前延伸和进一步张开，直到能量的衰减和消耗而 不能再引起裂缝扩展为止‘7 1 。 图1 a 为2 一l 试件的表面破坏情况，该试件装 万方数据 第2 8 卷第1 期 张钰娟，陈星明，张志贵超声波C T 在混凝土爆炸损伤中的应用 3 药深度为5 0m i l l ，由于装药深度较浅，表面的裂纹主 要是由于冲击波作用产生破坏，爆生气体由于产生 散射作用不大，裂纹数量较多，但属于浅层裂纹；图 1 b 为3 - 1 试件的表面破坏情况，该试件装药深度 为1 0 0m m ，该试件的破坏是由冲击波和爆生气体同 时作用而产生的，裂纹数量不多，但贯穿混凝土试 件，有一定深度；图1 C 为4 1 试件的破坏情况，该 试件装药深度为1 5 0m m ，由于装药深度较深，爆生 气体起到主要到的破坏作用，在狭小空间内，爆生气 体瞬间作用于炮孔周围的混凝土，高强度混凝土由 于高强脆性，导致整个试件产生破坏。 3 超声波C T 成像与分析 3 ．1 声波测试 声波测试选取通过混凝土试件心的纵剖面，按 一发多收声系布点，具体如图2 所示，混凝土试件选 取断面两侧各布置7 个点，左侧尺。一尺，为发射点， 右侧J s ，一5 ，为接收点，同一侧测点间距为5 0m m ，将 测试纵剖面划分为4 8 个单元格。测试时先将发射 换能器安放在R ，点，再将接收换能器分别置于S 。， S ，⋯，| s ，逐点测试，然后，再将发射换能器安放于 恐点，重复前面步骤，直至每一发射点测试完全，如 图3 所示观测系统图。在测试途中采集相关波形及 走时数据。为保证C T 成像有较强的可比性，爆炸 实验前后的声波测试断面为同一断面。 R l R 2 R 3 见 也 R 6 R ， 图2 混凝土试件测试断面 单位m m F i g ．2 T e s ts e c t i o no fc o n c r e t em o d e l u n i t m m 3 ．2C T 成像与分析 将声波测试所得走时数据存为．t x t 格式文件， 导入W Y S ．C T 2 0 0 8 工程C T 物探软件，可得出声波 速度分布的C T 图像。因为试件的声波的传播速度 能反映混凝土的质量，因此爆炸前后的超声波C T 成像图中的色区分布能形象生动地展示混凝土试件 过轴心纵剖面上的质量变化情况’9 1 。 如图4 a 、 b ，试件2 - 1 爆前C T 图像大体色 差变化不大，可见混凝土试件总体质量良好，图中存 在的颜色差异主要与混凝土搅拌的均匀程度和浇铸 时振动捣实等加工工艺有关。该试件药包放置于 5 0I n n l 深度，由图可知爆前波速范围为32 7 5 44 2 3m ／s ，爆后波速为34 0 7 ～39 6 4m ／s ，波速整体 平均下降率为1 0 ．4 ％，具体变化情况为1 纵剖面 底部A 区域 龙0 ．1 5 0 ．2 5 ，y 一0 ．3 一一0 ．2 5 爆 前波速为33 7 5 36 3 7m ／s ，爆后波速为37 4 5 39 8 5m ／s ，波速增大率为9 ．6 ％，这是由于药包爆炸 对底部混凝土产生的压密作用；2 炮孔周围爆前波 速为36 3 7 38 9 9m ／s ，爆后波速为35 1 9 ～36 3 0m ／s ， 平均降低率为6 ．9 ％，平均损伤度D 为0 ．1 3 ； 3 炮孔 下部爆前波速为38 9 9 - 4 4 2 3m ／s ，爆后波速为36 3 0 38 5 3m ／s ，平均降低率为1 2 ．9 ％，损伤度D 为0 ．2 4 。 0 一O l g X 一0 ．2 0 ．3 董蠢毒乏_ ；季夏 蔓羹囊菱萎毳缓 羹彗羹垂器熬 薹豸爹霾建鎏憋 玄蓼鬓蚤毒粪慈 茎錾耋；三乏迤 OO ．1 0 ．20 ．30 ．4 x ／m 图3 观测系统图 F i g ．3 T h el a y o u to fe l a s t i cw a v et o m o g r a p h y 如图5 C 、 d ，试件3 ．1 爆前C T 图像大体色 差变化不大，可见混凝土试件总体质量良好，图中存 在的颜色差异主要与混凝土搅拌的均匀程度和浇铸 时振动捣实等加工工艺有关。该试件药包放置于 1 0 0r a i n 深度，由图可知爆前波速范围为29 8 2 49 4 0m ／s ，爆后波速为31 1 0 45 2 7m ／s ，波速整体 平均下降率为8 ．4 ％，具体变化情况为1 纵剖面底 部A 区域 石0 ．1 5 0 ．2 5 ，，，一0 ．3 一一0 ．2 5 爆前 波速为29 8 2 ～33 7 4m ／s ，爆后波速为33 9 2 ～ 36 7 7m ／s ，波速平均增大率为9 ．0 ％，这是由于药包 爆炸对底部混凝土产生的压密作用；2 炮孔周围爆 前波速为37 6 5 41 5 7m ／s ，爆后波速为36 7 7 39 6 0m ／s ，平均降低率为4 ．7 ％，平均损伤度D 为 0 ．0 9 ；3 炮孑L 下部爆前波速为41 5 7 45 4 8m ／s ，爆 后波速为39 6 0 42 4 4m ／s ，平均降低率为6 ．7 0 ， 平均损伤度D 为0 ．1 3 。 由于试件4 - 1 破裂，未能进行声波测试和C T 成像。 由上可知，药包在混凝土试件内部爆炸后，主要 在炮孔周围及下部造成损伤，其中炮孔底部的损伤 作用较为明显，试件底部则受到挤压压密作用。 万方数据 4 爆破 2 0 1 1 年3 月 4 结语 图42 - 1 混凝土超声波C T 图 F i g ．4 T h eu l t r a s o n i cC Tm a po fm o d e l2 - 1 图53 - l 混凝土超声波C T 图 F i g ．5 T h eu l t r a s o n i cC Tm a po fm o d e l3 - 1 在混凝土模型爆炸实验前后，利用声波仪对模 型进行声波测试，并利用M Y S C T 2 0 0 8 工程物探软 件进行重建波速以及反演成像，C T 图像能够有效的 表征混凝土的内部损伤变化。由此可见，将超声波 C T 技术应用于混凝土损伤检测是可行的，混凝土的 弹性波速变化能够有效的表征混凝土的损伤情况。 爆炸荷载主要是冲击波和爆生气体的作用，经实验分 析结果可知药包在混凝土试件内部爆炸后，主要在 炮孔周围及下部造成混凝土损伤，其中炮孔下部的损 伤作用较为明显，试件底部则受到挤压压密作用。 在进行C T 成像时，由于声波测试时的产生的 误差，导致部分图像失真，影响图像的对比分析，因 此在以后的研究中应注意有效的减少误差。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] 参考文献 R e f e r e n c e s D O U G I I ZJW ．J o u r n a l0 fe n g i n e e r i n gl l 丑知n i c s [ J ] ．A 旺， 1 9 7 6 1 0 2 - 3 3 3 ． L O L A N DK E ．C o n t i n u o u s 也m 皿g em o d e lf o rl o a dr e s p o n s e e s t i m a t i o no fc o n c r e t e [ J ] ．C e m e n ta n dC o n c r e t eR e s e a r c h ， 1 9 8 0 1 0 3 9 2 4 9 2 ． M A Z A R ZJ ．A p p h c a t i o nd el am e c a n i q u ed el e n d o m m a g e - m e n ta l lc o m p o r t e m e n tn o nl i n e m r ee tl ar a p t u r ed ub e t o nd e s t r u c t u r e [ C ] t i t h ee d e D o c t o r a td E t a tU n i vP a r i s ，1 9 8 4 ． 王五平，宋人心，傅翔，等．用超声波C T 探测混凝土 内部缺陷[ J ] ．水利水运工程学报，2 0 0 3 2 5 6 ．6 0 ． W A N GW u p i n g ，S O N GR e n - x i n ，F UX i a n g ，e ta 1 ．D e t e c t i o n [ 5 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 9 ] o fc o n c r e t ei n t e r i o rd e f e c t sw i t hu l t r a s o n i cC T [ J ] ．H y d r os c i ． e n c ea n de n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 2 5 6 6 0 ． i nC h i n e s e 王运生，王家映，顾汉明．弹性波C T 关键技术与应用 实例[ J ] ．工程勘察，2 0 0 5 3 6 6 - 6 8 ． W A N GY u n - s h e n g ，W A N GJ i a y i n g ，G UH a r t - r u i n g ．K e y t e c h n i q u eo fe l a s t i cw a v eC Ta n di t sa p p l i c a t i o n [ J ] ．J o u r - n a lo fG e o t e c h n i e a lI n v e s t i g a t i o n ＆S u r v e y i n g ，2 0 0 5 3 6 6 - 6 8 ． i nC h i n e s e 刘红岩，胡刚．有关爆破损伤变量定义中存在的问 题及探讨[ J ] ．爆破，2 0 0 3 ，2 0 3 1 - 4 ． L I UH o n g y a n ，H UG a n g ．P r o b l e m si nt h ed e f i n i t i o no f b l a s t i n gd a m a g ev a r i a b l ea n dt h e i rd i s c u s s i o n s [ J ] ．B l a s ． r i n g ，2 0 0 3 ，2 0 3 l - 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