Studies on nonlinear mechanical wave behavior to characterize cement based materials and its durability

Abstract

[EN] The test for determining the resonance frequencies has traditionally been used to investigate the mechanical integrity of concrete cores, to assess the conformity of concrete constituents in different accelerated durability tests, and to ascertain constitutive properties such as the elastic modulus and the damping factor. This nondestructive technique has been quite appealed for evaluation of mechanical properties in all kinds of durability tests. The damage evolution is commonly assessed from the reduction of dynamic modulus which is produced as a result of any cracking process. However, the mechanical behavior of concrete is intrinsically nonlinear and hysteretic. As a result of a hysteretic stress-strain behavior, the elastic modulus is a function of the strain. In dynamic tests, the nonlinearity of the material is manifested by a decrease of the resonance frequencies, which is inversely proportional to the excitation amplitude. This phenomenon is commonly referred as fast dynamic effect. Once the dynamic excitation ceases, the material undergoes a relaxation process whereby the elastic modulus is restored to that at rest. This phenomenon is termed as slow dynamics. These phenomena (fast and slow dynamics) find their origin in the internal friction of the material. Therefore, in cement-based materials, the presence of microcracks and interfaces between its constituents plays an important role in the material nonlinearity. In the context of the assessment of concrete durability, the damage evolution is based on the increase of hysteresis, as a result of any cracking process. In this thesis three different nondestructive techniques are investigated, which use impacts for exciting the resonant frequencies. The first technique consists in determining the resonance frequencies over a range of impact forces. The technique is termed Nonlinear Impact Resonant Acoustic Spectroscopy (NIRAS). It consists in ascertaining the downward resonant frequency shift that the material undergoes upon increasing excitation amplitude. The second technique consists in investigating the nonlinear behavior by analyzing the signal corresponding to a single impact. This is, to determine the instantaneous frequency, amplitude and attenuation variations corresponding to a single impact event. This technique is termed as Nonlinear Resonant Acoustic Single Impact Spectroscopy (NSIRAS). Two techniques are proposed to extract the nonlinear behavior by analyzing the instantaneous frequency variations and attenuation over the signal ring down. The first technique consists in discretizing the frequency variation with time through a Short-Time Fourier Transform (STFT) based analysis. The second technique consists of a least-squares fit of the vibration signals to a model that considers the frequency and attenuation variations over time. The third technique used in this thesis can be used for on-site evaluation of structures. The technique is based on the Dynamic Acousto- Elastic Test (DAET). The variations of elastic modulus as derived through NIRAS and NSIRAS techniques provide an average behavior and do not allow derivation of the elastic modulus variations over one vibration cycle. Currently, DAET technique is the only one capable to investigate the entire range of nonlinear phenomena in the material. Moreover, unlike other DAET approaches, this study uses a continuous wave source as probe. The use of a continuous wave allows investigation of the relative variations of the elastic modulus, as produced by an impact. Moreover, the experimental configuration allows one-sided inspection.

[ES] El ensayo de determinación de las frecuencias de resonancia ha sido tradicionalmente empleado para determinar la integridad mecánica de testigos de hormigón, en la evaluación de la conformidad de mezclas de hormigón en diversos ensayos de durabilidad, y en la terminación de propiedades constitutivas como son el módulo elástico y el factor de amortiguamiento. Esta técnica no destructiva ha sido ampliamente apelada para la evaluación de las propiedades mecánicas en todo tipo de ensayos de durabilidad. La evolución del daño es comúnmente evaluada a partir de la reducción del módulo dinámico, producido como resultado de cualquier proceso de fisuración. Sin embargo, el comportamiento mecánico del hormigón es intrínsecamente no lineal y presenta histéresis. Como resultado de un comportamiento tensión-deformación con histéresis, el módulo elástico depende de la deformación. En ensayos dinámicos, la no linealidad del material se manifiesta por una disminución de las frecuencias de resonancia, la cual es inversamente proporcional a la amplitud de excitación. Este fenómeno es normalmente denominado como dinámica rápida. Una vez la excitación cesa, el material experimenta un proceso de relajación por el cual, el módulo elástico es restaurado a aquel en situación de reposo. Este fenómeno es denominado como dinámica lenta. Estos fenómenos ¿dinámicas rápida y lenta¿ encuentran su origen en la fricción interna del material. Por tanto, en materiales basados en cemento, la presencia de microfisuras y las interfaces entre sus constituyentes juegan un rol importante en la no linealidad mecánica del material. En el contexto de evaluación de la durabilidad del hormigón, la evolución del daño está basada en el incremento de histéresis, como resultado de cualquier proceso de fisuración. En esta tesis se investigan tres técnicas diferentes las cuales utilizan el impacto como medio de excitación de las frecuencias de resonancia. La primera técnica consiste en determinar las frecuencias de resonancia a diferentes energías de impacto. La técnica es denominada en inglés: Nonlinear Impact Resonant Acoustic Spectroscopy (NIRAS). Ésta consiste en relacionar el detrimento que el material experimenta en sus frecuencias de resonancia, con el aumento de la amplitud de la excitación. La segunda técnica consiste en investigar el comportamiento no lineal mediante el análisis de la señal correspondiente a un solo impacto. Ésta consiste en determinar las propiedades instantáneas de frecuencia, atenuación y amplitud. Esta técnica se denomina, en inglés, Nonlinear Single Impact Resonant Acoustic Spectroscopy (NSIRAS). Se proponen dos técnicas de extracción del comportamiento no lineal mediante el análisis de las variaciones instantáneas de frecuencia y atenuación. La primera técnica consiste en la discretización de la variación de la frecuencia con el tiempo, mediante un análisis basado en Short-Time Fourier Transform (STFT). La segunda técnica consiste en un ajuste por mínimos cuadrados de las señales de vibración a un modelo que considera las variaciones de frecuencia y atenuación con el tiempo. La tercera técnica empleada en esta tesis puede ser empleada para la evaluación de estructuras in situ. La técnica se trata de un ensayo acusto-elástico en régimen dinámico. En inglés Dynamic Acousto-Elastic Test (DAET). Las variaciones del módulo elástico obtenidas mediante los métodos NIRAS y NSIRAS proporcionan un comportamiento promedio y no permiten derivar las variaciones del módulo elástico en un solo ciclo de vibración. Actualmente, la técnica DAET es la única que permite investigar todo el rango de fenómenos no lineales en el material. Por otra parte, a diferencia de otras técnicas DAET, en este estudio se emplea como contraste una onda continua. El uso de una onda continua permite investigar las variaciones relativas del módulo elástico, para una señal transito

[CA] L'assaig de determinació de les freqüències de ressonància ha sigut tradicionalment empleat per a determinar la integritat mecànica de testimonis de formigó, en l'avaluació de la conformitat de mescles de formigó en diversos assajos de durabilitat, i en la terminació de propietats constitutives com són el mòdul elàstic i el factor d'amortiment. Esta tècnica no destructiva ha sigut àmpliament apel·lada per a l'avaluació de les propietats mecàniques en tot tipus d'assajos de durabilitat. L'evolució del dany és comunament avaluada a partir de la reducció del mòdul dinàmic, produït com resultat de qualsevol procés de fisuración. No obstant això, el comportament mecànic del formigó és intrínsecament no lineal i presenta histèresi. Com resultat d'un comportament tensió-deformació amb histèresi, el mòdul elàstic depén de la deformació. En assajos dinàmics, la no linealitat del material es manifesta per una disminució de les freqüències de ressonància, la qual és inversament proporcional a l'amplitud d'excitació. Este fenomen és normalment denominat com a dinàmica ràpida. Una vegada l'excitació cessa, el material experimenta un procés de relaxació pel qual, el mòdul elàstic és restaurat a aquell en situació de repòs. Este fenomen és denominat com a dinàmica lenta. Estos fenòmens --dinámicas ràpida i lenta troben el seu origen en la fricció interna del material. Per tant, en materials basats en ciment, la presència de microfissures i les interfícies entre els seus constituents juguen un rol important en la no linealitat mecànica del material. En el context d'avaluació de la durabilitat del formigó, l'evolució del dany està basada en l'increment d'histèresi, com resultat de qualsevol procés de fisuración. En esta tesi s'investiguen tres tècniques diferents les quals utilitzen l'impacte com a mitjà d'excitació de les freqüències de ressonància. La primera tècnica consistix a determinar les freqüències de ressonància a diferents energies d'impacte. La tècnica és denominada en anglés: Nonlinear Impact Resonant Acoustic Spectroscopy (NIRAS). Esta consistix a relacionar el detriment que el material experimenta en les seues freqüències de ressonància, amb l'augment de l'amplitud de l'excitació. La segona tècnica consistix a investigar el comportament no lineal per mitjà de l'anàlisi del senyal corresponent a un sol impacte. Esta consistix a determinar les propietats instantànies de freqüència, atenuació i amplitud. Esta tècnica es denomina, en anglés, Nonlinear Single Impact Resonant Acoustic Spectroscopy (NSIRAS). Es proposen dos tècniques d'extracció del comportament no lineal per mitjà de l'anàlisi de les variacions instantànies de freqüència i atenuació. La primera tècnica consistix en la discretización de la variació de la freqüència amb el temps, per mitjà d'una anàlisi basat en Short-Time Fourier Transform (STFT). La segona tècnica consistix en un ajust per mínims quadrats dels senyals de vibració a un model que considera les variacions de freqüència i atenuació amb el temps. La tercera tècnica empleada en esta tesi pot ser empleada per a l'avaluació d'estructures in situ. La tècnica es tracta d'un assaig acusto-elástico en règim dinàmic. En anglés Dynamic Acousto-Elastic Test (DAET). Les variacions del mòdul elàstic obtingudes per mitjà dels mètodes NIRAS i NSIRAS proporcionen un comportament mitjà i no permeten derivar les variacions del mòdul elàstic en un sol cicle de vibració. Actualment, la tècnica DAET és l'única que permet investigar tot el rang de fenòmens no lineals en el material. D'altra banda, a diferència d'altres tècniques DAET, en este estudi s'empra com contrast una ona contínua. L'ús d'una ona contínua permet investigar les variacions relatives del mòdul elàstic, per a un senyal transitori. A més, permet la inspecció d'elements per mitjà de l'accés per una sola cara.