彎曲荷載誘發(fā)微型梁開裂演化過程的可視分析

滕曉娟，劉昱清，劉 鵬，洪舒賢，董必欽，邢 鋒

深圳大學土木工程學院，廣東省濱海土木工程耐久性重點實驗室，深圳市土木工程耐久性重點實驗室，廣東深圳 518060

混凝土是一種多相復雜材料，包含了大量隨機分布缺陷．混凝土的損傷伴隨著工程的整個服役過程，隨著時間推移，損傷逐漸積累，直至破壞[1-2]．由于裂縫的存在，會使得混凝土性能進一步惡化．從宏觀與微觀兩方面進行試驗觀察發(fā)現(xiàn)，裂縫的起裂、擴展和貫通是引起混凝土耐久性降低的主要原因[3-5]．因為裂縫的存在，較多外界有害物質進入混凝土的通道，并通過裂縫進入混凝土內(nèi)部，導致混凝土進一步劣化，最終影響混凝土的使用壽命[6-7]．所以，極需對裂縫的長度、寬度、分布與擴展過程進行研究．

工程裂縫形成的原因復雜，如自身骨料的隨機性、早期收縮和荷載作用等．裂縫產(chǎn)生的時間不同，形成的裂縫在形貌上也不同．按照在外力作用下的擴張方式，裂縫可以分為3種基本類型：張開型裂縫(Ⅰ型)、滑開型裂縫(Ⅱ型)和撕開型裂縫(Ⅲ型)[8-9]．裂紋擴展類型中最為常見的是Ⅰ型(張開型)裂縫，同時也是最危險的裂縫．在裂縫尖端應力分析中，Ⅰ型裂縫應力場強度因子公式表達了裂縫長度與應力場強度因子的關系[10-11]．目前研究發(fā)現(xiàn)應力場強度因子和裂縫大小、形狀以及應力大小有關[12]．因此，如何獲取裂縫相關信息，是一個亟待解決的難題．目前研究混凝土裂縫擴展過程的試驗方法有很多，如電阻應變片法[13]、光彈貼片法[14-15]、激光散斑法[16]和聲發(fā)射法[17-18]等．然而獲取裂縫在時間與空間上的變化規(guī)律，具有一定的難度．以往測試方法都不能直接觀測到混凝土內(nèi)部裂縫擴展的情形，多數(shù)停留在混凝土表面裂縫擴展的試驗上，對于內(nèi)部裂縫擴展問題尚未很好解決．

針對上述試驗方法的不足，本研究應用X射線微觀層析成像(X-ray microcomputed tomography，X-ray μCT)測試方法，對微型梁三點彎曲加載進行掃描[19-21]．X-ray μCT對試樣原位跟蹤監(jiān)測，獲得微型梁三點彎曲下的X-ray μCT測試荷載撓度曲線，能觀察到試樣三點彎曲下不同掃描點的微型梁內(nèi)部裂縫及其三維形貌重構圖，有利于提取裂縫長度信息，進行定量化分析，為計算裂縫尖端應力場強度因子提供重要參數(shù)，再根據(jù)應力場強度因子值大小進行構件的安全性判斷和壽命預測．

1 材料與實驗

1.1 材料與試樣制備

本實驗制備砂漿試樣的水泥采用的是英德海螺有限責任公司生產(chǎn)的海螺牌普通硅酸鹽水泥，水泥的化學成分如表1所示．砂子采用的是艾思歐標準砂有限公司生產(chǎn)的ISO標準砂，水灰比(質量比)為0.5，砂灰比(質量比)為3.0．按此比例將原材料混合并攪拌均勻之后澆入1 cm×1 cm×4 cm微型梁制樣模具中，澆筑完成后將試樣連同模具一起放置于標準養(yǎng)護室，養(yǎng)護24 h后拆模，重新將試樣放回，繼續(xù)養(yǎng)護至試驗齡期28 d．

表1 水泥組成成分的質量分數(shù)

圖1 X-ray μCT測試設備的內(nèi)部詳細構造Fig.1 The internal detail structure of X-ray μCT equipment

1.2 試樣加載與掃描

微型梁三點彎曲試驗全過程加載與掃描均在X射線微觀層析掃描測試設備中進行，X-ray μCT測試設備內(nèi)部構造如圖1所示．試樣的加載速率為0.1 mm/min．加載前，X-ray μCT測試儀先對試樣掃描(設為a時刻點)，獲取未加載時刻的原始CT圖像；之后按0.1 mm/min速率加載至設定值，保持加載位移不變，此時再對試樣掃描(設為b時刻點)；掃描結束后，又以相同的位移加載速率加載至下一個設定值掃描，依次循環(huán)．本試驗測試掃描共6次，可獲得X-ray μCT測試點a—f，得到不同加載時刻的原始CT數(shù)據(jù)圖像．

微型梁三點彎曲內(nèi)部裂縫的擴展過程通過X-ray μCT測試掃描結果分析得來．X射線對不同組成成分的吸收系數(shù)不同，衰減系數(shù)也不一樣，根據(jù)砂漿試樣的組成成分與幾何形狀，可確定X-ray μCT測試掃描主要參數(shù)．本實驗的測試掃描參數(shù)設置為：X-ray μCT測試電壓與電流分別為80 kV與101 μA；放大倍率為0.39；重建圖像矩陣體積為1 024×1 024×1 000，對應于1 024×1 024像素的1 000個切片；像素分辨率大小為38.606 5 μm．

2 結果與分析

2.1 三點彎曲試驗的X-ray μCT測試結果

X-ray μCT原位跟蹤掃描測試技術可獲得微型梁三點彎曲不同加載時刻的試樣二維與三維形貌圖，從中可明顯分辨砂漿試樣的各個組成部分．試樣三點彎曲X-ray μCT測試掃描d時刻點的原始CT圖像及其圖像處理流程如圖2所示．圖2(a)是砂漿試樣X-ray μCT測試掃描得到的原始CT圖像，從圖像中可以很直觀地分辨出砂漿試樣的組成成分為水泥砂漿、孔隙和裂縫．圖2(b)中的灰色代表水泥砂漿，黑色代表孔隙與裂縫．

圖2 X-ray μCT測試掃描d時刻點的原始CT圖像處理流程Fig.2 The original CT image processing flow chart of X-ray μCT test on scanning point d

微型梁X-ray μCT測試掃描d時刻點的原始CT圖像經(jīng)過重構后，得到的2D/3D圖像，如圖2(b)—(e)所示，可以從重構出的砂漿試樣2D/3D圖像清晰辨識不同的組成成分．X-ray μCT測試荷載撓度曲線如圖3所示．由圖3可知，當撓度值為0～0.25 mm，即a～d時刻點時，微型梁試樣所受荷載隨著撓度值的增大而增大．當撓度值約為0.25 mm，達到微型梁砂漿試樣的最大極限荷載，這時試樣所受荷載急劇下降至d時刻點．從d時刻點到f時刻點，荷載緩慢下降，撓度繼續(xù)增加，試樣依舊能承受荷載，直至完全破壞．

圖3 X-ray μCT測試荷載撓度曲線Fig.3 Load-deflection curve of X-ray μCT test

2.2 X-ray μCT測試結果定性分析

對不同X-ray μCT測試掃描點的孔與裂縫進行三維重構，結果如圖4．為了進一步分析梁三點彎曲裂縫擴展機理，需根據(jù)獲得不同時刻加載點的原始CT圖像，對孔隙與裂縫進行三維形貌重構與體積渲染．從三維重構后的體積渲染圖可以清晰觀察到孔與裂縫的分布．測試掃描a時刻點即零加載點，可以知道試樣存在初始缺陷．裂縫在測試掃描d時刻點時出現(xiàn)， 保持位移不變，繼續(xù)加載， 裂縫逐漸延伸，直至貫通試樣． 對X-ray μCT測試結果進行重構后可實現(xiàn)對砂漿試樣內(nèi)部孔隙與裂縫的可視化，裂縫與xy平面有一定的傾斜角度．

為了進一步分析裂縫擴展機理，需單獨對裂縫進行三維重構．圖5為不同X-ray μCT測試掃描點的裂縫三維重構圖．從圖5可以看出，從a時刻點到c時刻點，沒有出現(xiàn)裂縫；當達到水泥砂漿試樣所能承受的最大荷載即d時刻點時，試樣的中部清晰看到有一定長度與寬度的裂縫．繼續(xù)加載，裂縫繼續(xù)延伸和擴展，直至試樣破壞．

2.3 X-ray μCT測試結果量化分析

不同加載階段下的同一切片在xz平面上投影圖像如圖6所示．在測試掃描點c處，水泥砂漿試樣并未出現(xiàn)明顯的裂縫；在測試點d時，砂漿試樣中間出現(xiàn)長度超過試樣高度1/2的明顯裂紋；圖6中紅色的線代表裂縫長度．對測試掃描點d—f 3個加載時刻點，沿y軸方向等距選取20張xz投影圖切片來測量裂縫長度變化(圖7)，觀察到同一個加載時刻沿y軸方向的切片裂縫長度的偏差較大, X-rayμCT測試掃描點d時裂縫長度在5～8 mm；測試掃描點從d到f時對應切片的裂縫長度值呈上升趨勢，保持位移加載速率不變，繼續(xù)加載，裂縫迅速擴展，呈現(xiàn)不穩(wěn)定發(fā)展．砂漿試樣受荷載作用下裂縫的發(fā)展十分復雜，從裂縫變化曲線可知，裂縫尖端的位置沿著水泥砂漿試塊的y軸方向的高度是不同的．可知，微型梁三點彎曲下產(chǎn)生的裂縫在時間與空間上的分布存在復雜性．

圖4 不同X-ray μCT測試掃描點的孔與裂縫三維重構Fig.4 3D reconstruction morphology of pore and crack on different X-ray μCT test scanning points

圖5 不同X-ray μCT測試掃描點的裂縫三維重構Fig.5 3D reconstruction morphology of cracks on different X-ray μCT test scanning points

圖6 不同X-ray μCT掃描測試點的同一切片二維重構Fig.6 Two-dimensional reconstruction morphology of the same slice on different X-ray μCT test scanning points

圖7 不同X-ray μCT測試掃描點的裂縫長度沿 y 軸的變化曲線Fig.7 The curve of crack length along the Y-axis on different X-ray μCT test scanning points

微型梁X-ray μCT三點彎曲加載測試掃描點a—f的裂縫體積柱狀圖如圖8所示．測試掃描點a—c，裂縫體積為0，沒有裂縫出現(xiàn)．測試掃描點d—f，裂縫體積呈上升趨勢，測試掃描點d時裂縫產(chǎn)生，繼續(xù)加載裂縫繼續(xù)擴展．在測試d點時裂縫體積不為0，此時試樣達到所能承受的最大荷載時，裂縫出現(xiàn)．

圖8 不同X-ray μCT測試掃描點的裂縫體積Fig.8 Crack volume histogram on different X-ray μCT test scanning points

3 討 論

砂漿材料組成的多樣性與不均勻性，導致其受荷載破壞機理復雜．X-ray μCT測試方法可以原位跟蹤監(jiān)測微型梁三點彎曲實驗，分析荷載砂漿試樣內(nèi)部裂縫的擴展過程．水泥砂漿試樣三點彎曲破壞過程與裂縫的擴展過程有關．砂漿試樣的破壞屬于典型的脆性斷裂過程．當達到試樣的最大承受荷載值時，裂縫突然產(chǎn)生，繼續(xù)保持位移加載速率不變加載，裂縫繼續(xù)擴展，呈失穩(wěn)狀態(tài)．

微型梁三點彎曲試驗在X-ray μCT設備中進行原位加載與掃描，對原始CT圖像進行三維重構，可以實現(xiàn)對試樣內(nèi)部裂縫的2D/3D可視化定量分析，解決了傳統(tǒng)方法無法觀測荷載試樣內(nèi)部裂縫相關信息的難題．X-ray μCT測試掃描的原始CT圖像重構后，可獲得不同加載時刻的孔與裂縫三維形貌重構圖，提取裂縫長度和體積等裂縫信息．此外，沿y軸方向的裂縫尖端點位置是變化的，裂縫的形狀大小在時間與空間上存在差異性的．工程上的應力場強度因子的大小不僅與荷載形式有關，而且與裂紋的幾何形狀有關．其中計算應力場強度因子公式中裂縫長度重要參數(shù)的準確取值一直是個難題，微型梁三點彎曲X-ray μCT測試掃描結果能夠獲取我們需要的裂縫長度值，值得進一步探索與研究．

結 語

X-ray μCT測試技術能夠實現(xiàn)微型梁三點彎曲原位實時全過程跟蹤監(jiān)測，可對彎曲荷載下的試樣內(nèi)部裂縫擴展演化過程可視化．X-ray μCT測試掃描的原始CT圖像經(jīng)過三維重構后，對水泥砂漿試樣的孔與裂縫2D/3D形貌圖定性分析可知，裂縫的形貌、長度、體積在時間與空間上不同，且裂縫長度與體積隨加載過程呈上升趨勢．基于試樣裂縫的2D/3D形貌特征對裂縫量化分析，對深入探究裂縫擴展機理有借鑒作用．