基于CT－連續(xù)加荷水泥乳化瀝青混凝土細觀損傷規(guī)律研究

閆小虎，楊華全，石 妍，李明霞

(長江科學院a.國家大壩安全工程技術研究中心;b.水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

混凝土是一種復雜的人工合成材料，從細觀上認為混凝土是由骨料、膠凝材料及兩者粘結帶組成的三相材料?；炷恋钠茐膶嶋H上是裂紋的萌生、擴展和貫通裂紋演化過程［1］?；炷良氂^結構的分析有試驗觀察、數(shù)值模擬和理論分析3種途徑，而試驗方法是基礎。目前研究混凝土材料細觀裂紋擴展及破壞過程的試驗方法有聲發(fā)射、掃描電子顯微鏡等。掃描電子顯微鏡可以觀測到混凝土表面的結構，如裂紋特征，但僅能觀測到試樣表面變化，很難觀測到混凝土內部細觀裂紋演化過程。聲發(fā)射運用了加載過程中介質內部應力波傳播現(xiàn)象，盡管可以探測到混凝土內部裂紋的實時演化過程，但目前采用的設備采樣率過低，即使對低頻動態(tài)加載時的觀測要求也常難以滿足，且其結果與材料內部裂紋擴展參數(shù)很難建立定量關系［2－3］。

計算機CT(Computerized Tomography)技術作為一種無損檢測技術，可以定量、無損傷和動態(tài)量測材料在受力過程中內部裂紋演化過程［4－5］，為研究混凝土細觀裂紋擴展及破壞過程提供了一條新的途徑，可以作為建立混凝土裂紋模型、檢驗數(shù)值模擬的基礎，并解釋混凝土材料的宏觀力學特性。然而，當前主要運用CT技術研究脆性大、抗壓強度高、彈性模量高的普通混凝土，不能連續(xù)捕捉到裂紋的發(fā)展破壞過程［1－3，6］。本文利用 CT 試驗，采用實時加荷掃描水泥乳化瀝青混凝土試件，運用不同的圖像處理方法研究了具有一定韌性混凝土破壞全過程的損傷裂紋演變規(guī)律，將有助于解釋水泥乳化瀝青混凝土的宏觀力學特性。

2 水泥乳化瀝青混凝土CT試驗過程及結果

2.1 試驗條件及過程

混凝土試驗對象為Ф100 mm×200 mm的一級配混凝土圓柱試件，養(yǎng)護時間28 d。水膠比為0.45，青膠比為0.4，黏土摻量為20%，粉煤灰摻量為15%，骨料為粒徑5～20 mm砂巖，砂為大理巖人工砂，其中水膠比、青膠比、黏土摻量、粉煤灰摻量分別為水、乳化瀝青、黏土、粉煤灰與膠凝材料的質量比。

加載設備在水利部巖土力學與工程重點實驗室的Siemens Sensation 40 CT試驗機上進行，未加圍壓，掃描混凝土試件全斷面，每次掃描時，最小掃描間距0.7 mm。采用連續(xù)加荷，加載完后直接進行CT掃描，直到試件破壞為止。

2.2 試驗結果

CT試驗提供的試驗結果是包含CT數(shù)和灰度值的數(shù)字圖像，圖像CT重建是256階灰度圖像，圖像重建矩陣大小為640×640，圖像分辨尺寸0.15 mm，圖像每個像素點以12位CT數(shù)存儲，每個像素可以顯示4 096個階位。每次荷載掃描下，共獲得393張CT圖像?；炷猎嚰嗝孢x取見圖1，每個斷面間距25 mm，共7個斷面。

圖1 混凝土試件斷面選取示意圖Fig.1 Selection of the concrete specimen’s cross sections

3 水泥乳化瀝青混凝土CT圖像試驗結果分析

3.1 圖像直觀分析法

由于 CT 掃描圖片較多，選取荷載 σ =3.18，5.15，5.44，5.30 MPa(其中5.30 MPa是由于試件破壞后發(fā)生了卸載)進行混凝土各斷面分層掃描(見圖2)?；炷两M成中硬化水泥砂漿的閾值為2 000～2 200，骨料的CT閾值為2 200～3 071，空氣的 CT數(shù)為－1 000，界面過渡區(qū)的CT閾值為1 000～1 600，因此很容易就可以從混凝土CT圖像中分辨出混凝土的各相組成。空氣密度最小、圖中亮度最低的黑點或區(qū)域即為孔洞和裂紋發(fā)生區(qū)域。骨料密度最大，從圖中可清晰看到斷面中骨料的空間分布位置以及骨料形狀，但無法從圖中直接確定骨料的區(qū)域邊界。砂漿密度次之，在CT圖中表現(xiàn)為亮度降低呈灰色。

從圖2中混凝土各斷面掃描灰度CT圖像可以看出:

圖2 不同應力作用下混凝土各斷面掃描灰度CT圖像(28 d)Fig.2 Grey CT images of concrete’s cross sections under various stresses(28 d)

(1)水泥乳化瀝青混凝土試件受壓破壞過程中，下斷面細觀裂紋明顯，其形成、發(fā)展比較迅速，破壞嚴重，上部斷面細觀裂紋不明顯。這與普通混凝土在受壓破壞時產(chǎn)生從上到下貫穿裂縫不同，一方面是因為水泥乳化瀝青混凝土抗壓強度低，下部受到試件自重和施加荷載共同作用，在上部未達到破壞荷載前下部已經(jīng)破壞;另一方面是因為水泥乳化瀝青混凝土具有一定韌性，在荷載作用下，混凝土下部的縱向變形比上部大，而普通混凝土抗壓強度高，脆性大，試件在荷載作用下整體變形均勻。

(2)水泥乳化瀝青混凝土各斷面在達到極限荷載5.44 MPa前，混凝土部分斷面出現(xiàn)細微分散性裂紋，沒有形成貫穿性裂紋，是由于水泥乳化瀝青混凝土具有一定的塑性和自我修復能力，混凝土各斷面處于壓密和微擴容相互交替的過程。當混凝土達到極限荷載后，膠凝材料與骨料界面分離，混凝土出現(xiàn)裂縫;繼續(xù)加載，混凝土承壓荷載降低，裂縫明顯擴展，混凝土破壞。而普通混凝土試件隨著受壓荷載增加，裂紋逐漸增大，是從小到大演變成裂縫，直至混凝土達到極限荷載，突然形成貫穿性的裂縫，試件破壞。

(3)混凝土是典型的非均質脆性材料，在荷載作用下，當應力超過混凝土時極限強度混凝土就會開裂。普通混凝土與水泥乳化瀝青混凝土在受壓開裂時的薄弱區(qū)都是界面過渡區(qū)和孔洞附近。從圖2中A－2斷面和A－4斷面可以看出水泥乳化瀝青混凝土具有更多的孔洞:一是因為在試樣制備過程中難以保證完全振搗密實;二是因為試件中摻入乳化瀝青、引氣劑引入部分空氣的緣故;三是乳化瀝青中的水分參與水泥后期水化后形成孔洞。因此，更多的孔隙對混凝土強度、抗凍及抗?jié)B性有一定的影響。

3.2 CT 數(shù)分析法

由于混凝土CT重建圖像是將原始的12字節(jié)CT圖像轉化成8字節(jié)灰度CT圖像［7］，降低了CT圖像的分辨率，并且人眼分辨能力有限，根據(jù)CT灰度直觀圖只能定性描述混凝土結構在承荷過程中內部結構特征的變化過程和裂紋的演變過程，很難準確確定裂紋的產(chǎn)生、發(fā)展和裂紋具體形狀。為此，通過比較不同應力水平下各斷面CT圖像上CT數(shù)的變化，可以定量描述混凝土各斷面承荷時結構破壞變化情況。選取混凝土試件在連續(xù)加載下各斷面計算CT數(shù)平均值，得到試件各斷面 CT平均數(shù)，見表1，橫截面面積為66.50 cm2，繪制曲線見圖3。

表1 混凝土試件各斷面的CT平均數(shù)Table 1 Mean CT numbers of concrete’s cross sections

圖3 連續(xù)加荷下混凝土各斷面CT平均數(shù)比較Fig.3 Comparison of mean CT numbers of each cross section under continuous loading

表1和圖3顯示，水泥乳化瀝青混凝土承荷前各斷面CT平均數(shù)不同，A－1與A－2斷面CT平均數(shù)大于其他斷面，這與掃描直觀圖A－4與A－6斷面孔洞較多相符。這是因為乳化瀝青加入后，在攪拌過程中引入了大量氣泡，而混凝土在成型振搗中，上部氣泡很容易溢出，下部氣泡就保留在試模中，導致混凝土不密實，試件各斷面CT平均數(shù)不同。由于水泥乳化瀝青混凝土中，水泥與乳化瀝青共同作為膠結料，砂石骨料構建骨架，形成了強度結構體系。而乳化瀝青的添加，部分包裹砂石骨料，改變了混凝土界面結構，導致乳化瀝青混凝土抗壓強度低，但降低了彈性模量，提高了混凝土的塑性。同時混凝土受到試件自重和施加荷載共同作用，試件整體變形不均勻，下部的縱向變形比上部大，在上部未達到破壞荷載前下部已經(jīng)破壞。所以混凝土達到極限破壞荷載5.44 MPa時，上部3個斷面CT平均數(shù)基本沒變化，下部4個斷面不同程度的下降?；炷吝_到極限破壞荷載后，各斷面CT平均數(shù)對比初始狀態(tài)對應值均有不同程度降低，而前3個斷面變化很小，后面斷面變化幅度比較大。文獻［1］對同一混凝土試件不同斷面在連續(xù)應力水平下的CT平均數(shù)分析可知，混凝土損傷演化全過程可分為壓密、擴容、CT尺度裂紋擴展、試件破壞4個過程。通過試驗分析，水泥乳化瀝青混凝土損傷演化過程與普通混凝土相似，但普通混凝土在損傷破壞過程中，由于抗壓強度高，彈性模量大，混凝土損傷急劇擴展發(fā)生脆性破壞，壓密、擴容階段變化小，很難通過CT掃描觀測到，只能通過CT平均數(shù)觀測到混凝土CT尺度裂紋擴展和試件破壞過程，尚不能完全觀測到混凝土損傷產(chǎn)生、發(fā)展及破壞全過程。從圖3中可以看到水泥乳化瀝青混凝土承荷后前3個斷面沒有破壞，后面4個斷面破壞嚴重，這與混凝土的強度低、具有塑性有關。前3個斷面在不同荷載作用下，CT平均數(shù)變化比較小，說明混凝土一直處于壓密與微擴容的交替狀態(tài)。試件后面4個斷面顯示了混凝土損傷演化的4個過程:混凝土隨著荷載增加，各斷面壓密，密度增大，CT平均數(shù)略有增加;在荷載達到5.15 MPa時，各斷面CT數(shù)開始小幅降低，此階段是混凝土損傷起始階段;之后達到極限荷載5.44 MPa時，微裂紋開始萌生并穩(wěn)定擴展，損傷加速發(fā)展，試件裂紋快速發(fā)展，CT平均數(shù)顯著下降，試件體積出現(xiàn)膨脹，密度迅速減小;試件承壓荷載5.30 MPa時，下部斷面已經(jīng)被破壞。

3.3 CT數(shù)與損傷變量關系

為了能對混凝土細觀掃描圖像上附帶的CT平均數(shù)信息進行檢出和統(tǒng)計分析，周尚志與黨發(fā)寧等人提出了CT數(shù)與損傷變量的關系如式(1)所示［2］，能夠較好地反映混凝土損傷局部變化現(xiàn)象。式中:D為損傷變量;m為某斷面;Hmo為混凝土初始狀態(tài)的全局域CT數(shù)平均值;Hmi為某應力階段的全局域CT平均值。對每個加載階段各斷面上CT數(shù)信息合起來統(tǒng)計所得CT數(shù)平均值，代入式(1)計算得到損傷變量值見表4。損傷變量結果與應力關系曲線如圖4所示。

表2 連續(xù)荷載下各斷面損傷變量試驗結果Table 2 Test results of damage variable of each cross section under continuous loading

圖4 各斷面損傷變量及應力關系曲線Fig.4 Relationship between damage variable and stress of each scanned section

從圖4可以觀察到，各斷面損傷變量曲線變化比較平緩而且變化幅度比較小。在荷載5.14 MPa之前，混凝土各斷面基本上沒有太大損傷產(chǎn)生，而且處于不斷的壓密和微擴容的強化階段。加載斷面A－2比較明顯，這是根據(jù)損傷變量的定義根據(jù)混凝土密度特性的CT平均數(shù)造成的。在該應力之后，各斷面損傷變量變化比較平緩，斷面A－1至A－3變化比較小，A－4以后幾個斷面變化比較大，說明混凝土從損傷到破壞是一個逐漸發(fā)展的過程，與文獻［2］中普通混凝土損傷變量和應力關系對比，曲線有一個近乎垂直的急劇上升，混凝土損傷急劇擴展發(fā)生脆性破壞，更進一步說明水泥乳化瀝青混凝土具有一定的塑性。這與直觀圖像分析的結論相對應。

4 結語

利用CT技術對水泥乳化瀝青混凝土的細觀破裂過程進行實時掃描觀測，獲得了混凝土試件在連續(xù)加荷下CT圖像，并提取出圖像上CT平均數(shù)加以整理。通過對圖像和CT平均數(shù)進行分析表明:混凝土試件損傷破壞過程中，各斷面CT平均數(shù)變化不同，上部變化比較小，下部變化比較大?；炷恋钠茐倪^程可分為壓密、擴容、裂紋擴展及破壞4個階段，同時水泥乳化瀝青混凝土在受壓過程中具有塑性，在極限荷載之前各斷面處于壓密和微擴容的強化階段，極限荷載之后混凝土從損傷到破壞發(fā)展比較平穩(wěn)。為此，可以通過對水泥乳化瀝青混凝土進一步試驗研究，能夠研發(fā)出高抗?jié)B性、高韌性的水工建筑材料，可以解決水工混凝土防滲抗裂的重大技術難題，延長水工結構壽命，具有較高的工程應用價值和廣闊的市場前景。

［1］田 威，黨發(fā)寧，梁昕宇，等.混凝土細觀破裂過程的CT圖像分析［J］.武漢大學學報，2008，41(2):69－ 74.(TIAN Wei，DANG Fa-ning，LIANG Xin-yu，et al.CT Image Analysis of Meso-fracture Process of Concrete［J］.Engineering Journal of Wuhan University，2008，41(2):69－74.(in Chinese))

［2］周尚志，黨發(fā)寧，陳厚群，等.基于單軸壓縮CT實驗的混凝土破損細觀機理研究［J］.西安理工大學學報，2006，22(4):355 － 360.(ZHOU Shang-zhi，DANG Faning，CHEN Hou-qun，et al.Breakage Meso-mechanism of Concrete Based on CT Test under Uniaxial Compression［J］.Journal of Xi’an University of Technology，2006，22(4):335 －360.(in Chinese))

［3］尹小濤，葛修潤，黨發(fā)寧.基于CT試驗的混凝土破損機理生態(tài)學研究［J］.混凝土，2006，202(8):21 －24.(YIN Xiao-tao，GE Xiu-run，DANG Fa-ning.Damage and Fracture Mechanism of Concrete by Ecological Method Based on CT Test［J］.Concrete，2006，202(8):21 － 24.(in Chinese))

［4］文志祥，劉方文.聲波CT無損檢測技術在混凝土質檢中的應用［J］.中國三峽建設，2002，(7):18 －19.(WEN Zhi-xiang，LIU Fang-wen.Concrete Quality Inspected by Acoustic Nondestructive CT［J］.Three Gorges Construction，2002，(7):18 －19.(in Chinese))

［5］王五平，宋人心，傅 翔，等.用超聲波CT探測混凝土內部缺陷［J］.水利水運工程學報，2003，(2):56－60.(WANG Wu-ping，SONG Ren-xin，F(xiàn)U Xiang，et al.Detection of Concrete Interior Defects with Ultrasonic CT［J］.Hydroscience and Engineering，2003，(2):56 － 60.(in Chinese))

［6］郭東明，左建平，張 慧，等.高強混凝土裂紋擴展規(guī)律的 CT觀察［J］.硅酸鹽學報，2009，(10):7－16.(GUO Dong-ming，ZUO Jian-ping，ZHANG Hui，et al.Concrete Quality Inspected by Acoustic Nondestructive CT［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2009，(10):7 －16.(in Chinese))

［7］JOHN S L，DENIS T K，SURENDRA P S.Measuring Three Dimensional Damage in Concrete under Compression［J］.ACI Materials Journal，2001，98(6):465 －475.