基于X-CT的C60高性能混凝土高溫細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷研究

杜紅秀， 樊亞男

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高性能混凝土(HPC)高溫性能的研究，從以往以宏觀力學(xué)性能劣化規(guī)律為主逐漸向細(xì)微觀分析方向發(fā)展[1-2]，結(jié)合掃描電鏡、壓汞、核磁共振冷凍法等先進(jìn)試驗(yàn)方法，探討材料細(xì)微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的關(guān)系成為了研究熱點(diǎn)[3-6].對(duì)HPC的高溫爆裂問(wèn)題，從細(xì)微觀角度分析，更能揭示其宏觀爆裂的本質(zhì).目前多數(shù)學(xué)者認(rèn)為HPC爆裂的根本原因是致密的微結(jié)構(gòu)，因而在混凝土中摻入適當(dāng)尺寸和數(shù)量的聚丙烯纖維，有利于高溫下混凝土內(nèi)部孔隙蒸汽壓的釋放，從而改善混凝土的高溫性能[7-9].

X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(X-CT)技術(shù)，能無(wú)損檢測(cè)出材料和結(jié)構(gòu)的內(nèi)部變化，同時(shí)具有較高的分辨能力.將其應(yīng)用于混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究，能清晰直觀地檢測(cè)混凝土內(nèi)部細(xì)觀缺陷萌生、擴(kuò)展和貫通的劣化衍化過(guò)程[10-12].本文對(duì)20～600℃溫度下HPC和摻0.2%聚丙烯纖維C60高性能混凝土(PPHPC)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行X-CT試驗(yàn)，探究其細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化特征以及對(duì)混凝土性能的影響.

1 原料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料及配合比

水泥，太原產(chǎn)P·O 42.5水泥；細(xì)骨料，河砂，Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.95，級(jí)配合格；粗骨料，石灰石碎石，5～20mm連續(xù)粒級(jí)，級(jí)配合格；摻和料，S95級(jí)礦粉，Ⅱ級(jí)粉煤灰；聚丙烯纖維，直徑25μm，長(zhǎng)度8mm，熔點(diǎn)165℃左右，汽化溫度340℃左右，體積分?jǐn)?shù)0.2%；減水劑，聚羧酸高性能減水劑；拌和水，自來(lái)水.混凝土配合比見(jiàn)表1.

表1 C60混凝土配合比

1.2 試件制備

根據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》制備HPC和PPHPC的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，試件拆模后放入(20±2)℃的Ca(OH)2飽和溶液養(yǎng)護(hù)池中養(yǎng)護(hù)28d；X-CT試驗(yàn)的試件為直徑6mm、長(zhǎng) 20mm 的圓柱體芯樣，從立方體試件中鉆取得到[13].

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1混凝土強(qiáng)度試件高溫處理方法

采用SRJX型箱式電阻爐加熱，額定溫度 1200℃，功率15kW，升溫速率為10℃/min.模擬火災(zāi)溫度分別設(shè)定為200、300、400、500、600℃這5個(gè)等級(jí)，試件中心預(yù)埋熱電偶的溫度與設(shè)定溫度一致時(shí)，恒溫15min，使混凝土內(nèi)外溫度保持一致，即為燒透[8]；常溫(20℃)作為對(duì)比組.

1.3.2混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法

混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)根據(jù)GB/T 50081—2002標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試.

1.3.3X-CT試驗(yàn)

X-CT試驗(yàn)采用太原理工大學(xué)與中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子研究所共同研制的μCF225FCB型高分辨率顯微X-CT系統(tǒng)，如圖1所示.該設(shè)備可以對(duì)各種金屬和非金屬材料實(shí)施連續(xù)CT掃描分析，試件的直徑大小在1～50mm范圍，放大倍數(shù)為1～400倍，掃描單元的分辨率為0.5～194.0μm.利用該系統(tǒng)對(duì)混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行X-CT掃描及圖像重建.

混凝土X-CT試件高溫處理采用太原理工大學(xué)采礦工藝研究所自制的高溫氣氛爐與X-CT機(jī)配套使用，如圖2所示.試驗(yàn)時(shí)將試件固定在X-CT機(jī)上，采用高溫氣氛爐加熱，目標(biāo)溫度為20～600℃，當(dāng)溫度升高至目標(biāo)溫度后恒溫15min，然后移開(kāi)高溫氣氛爐，進(jìn)行CT掃描.利用X-CT系統(tǒng)中的圖像重建模塊，將試件掃描數(shù)據(jù)重建成1500張橫截面圖像.

圖1 X-CT試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 X-CT test equipment

圖2 試件、模擬圖及高溫爐Fig.2 Specimen,simulation and heating furnace

1.3.4X-CT圖像分析

采用Image-ProPlus圖像處理軟件對(duì)X-CT圖像進(jìn)行二值化處理并分析，得到混凝土材料的孔隙數(shù)量、孔隙面積、孔隙直徑、缺陷率等參數(shù).運(yùn)用Photoshop提取X-CT圖像中的裂縫，采用Roberts邊緣檢測(cè)器及Matlab軟件分別對(duì)裂縫進(jìn)行邊緣檢測(cè)及骨化，得到裂縫的面積、長(zhǎng)度、寬度和周長(zhǎng)等參數(shù)[14].

2 結(jié)果及分析

2.1 高溫對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

高溫后混凝土的抗壓強(qiáng)度(fcu,t)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn) 圖3。由圖3可見(jiàn)：高性能混凝土的fcu,t隨著溫度升高基本呈線性下降趨勢(shì)；除常溫抗壓強(qiáng)度(fcu)外，各溫度下?lián)嚼w維混凝土的抗壓強(qiáng)度大于素混凝土； 400℃ 之前隨溫度升高抗壓強(qiáng)度下降幅度較小， 400℃ 之后抗壓強(qiáng)度下降幅度明顯增大；PPHPC的抗壓強(qiáng)度損失率((fcu-fcu,t)/fcu)均低于HPC，表明聚丙烯纖維的摻入可以改善混凝土的高溫性能。

2.2 混凝土X-CT試驗(yàn)結(jié)果與分析

X-CT是基于X射線與物質(zhì)之間的相互作用，X射線的衰減系數(shù)與材料密度成比例，X射線穿過(guò)物質(zhì)被吸收后的衰減值即為每個(gè)像素點(diǎn)的CT值，代表各點(diǎn)的密度分布.為便于統(tǒng)計(jì)，將CT值轉(zhuǎn)變?yōu)?到255的灰度值，其中黑色為0，白色為255，圖像中顏色越深代表該點(diǎn)的物質(zhì)密度越小[13].

圖3 高溫對(duì)C60混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of high temperature on fcu,t of C60 concrete

混凝土是一種非均質(zhì)、多孔、多層次的復(fù)合材料，內(nèi)部各相密度不同，由大到小分別為：細(xì)骨料、粗骨料、漿體、孔(裂)隙.對(duì)試件進(jìn)行CT掃描及圖像重建可以獲得混凝土灰度圖像，圖像中密度越高則顏色越亮，反之，孔隙、裂隙等缺陷趨于黑色[15].因此從 X-CT 圖像中可以直觀觀察到混凝土各組分分布情況，孔隙、裂隙劣化衍化過(guò)程以及混凝土內(nèi)部高溫?fù)p傷的情況.選取HPC和PPHPC第750層的X-CT圖像及其二值化圖像作為代表層，如圖4、5所示.

圖4 不同溫度處理后的混凝土第750層X(jué)-CT圖像Fig.4 750th layer’s X-CT images of concrete at different temperatures

由圖4、5可知：常溫下混凝土內(nèi)部分布有不同尺寸和形狀的原生缺陷，主要表現(xiàn)為孔隙和裂隙，孔隙集中在砂漿區(qū)，HPC圖像孔隙大小相對(duì)均勻； 200℃ 時(shí)，HPC孔隙更加清晰，沿粗細(xì)骨料、漿體各相界面周?chē)略黾釉S多裂隙，PPHPC也在此階段開(kāi)始增加少許新裂隙，但變化不明顯；300℃時(shí)，HPC沿各相界面周?chē)牧严陡忧逦黠@將各相分隔，呈現(xiàn)初步的龜裂狀態(tài)，而PPHPC在此階段的裂隙繼續(xù)增多，原來(lái)的小孔隙相互連通為較大的孔隙，但數(shù)量較少，未出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；400℃時(shí)，HPC孔隙、裂隙明顯擴(kuò)展，并相互連通，龜裂狀態(tài)進(jìn)一步加劇，而PPHPC在400℃下的劣化狀況與HPC在300℃時(shí)的狀態(tài)基本一致；500℃時(shí)，HPC整體變化不明顯，但PPHPC龜裂現(xiàn)象明顯；600℃時(shí)，HPC與PPHPC損傷劣化程度均趨于嚴(yán)重，裂隙寬而多，并進(jìn)一步與孔隙相互貫通.

圖5 不同溫度處理后的混凝土第750層二值化圖像Fig.5 750th layer’s binary images of concrete at different temperatures

2.3 混凝土的細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

挑選每個(gè)溫度下X-CT圖像第350、450、550、650、750、850、950、1050、1150、1250層，作為代表層進(jìn)行分析.采用Image-ProPlus圖像處理軟件對(duì) X-CT 圖像進(jìn)行二值化處理，得到了混凝土材料的缺陷率、孔隙數(shù)量、孔隙分布等參數(shù)，結(jié)果如圖6、7所示.本文中缺陷率為混凝土內(nèi)部孔隙、裂隙等缺陷的面積總和與該層圖像面積之比.

由圖6可見(jiàn)：除PPHPC不高于300℃時(shí)的情況之外，隨著溫度的升高，HPC及PPHPC在不同孔徑下的孔隙數(shù)量均隨溫度升高而增加；各溫度下，HPC與PPHPC內(nèi)部均呈現(xiàn)出孔徑越大、孔隙數(shù)量越少的規(guī)律；小于50μm孔徑的孔隙數(shù)量分布較多，大于 50μm 孔徑的孔隙數(shù)量基本不變.對(duì)于HPC，當(dāng)受火溫度不高于300℃時(shí)，小于50μm的孔隙數(shù)量隨著溫度升高增加幅度較大；從300℃到500℃，小于50μm的孔隙數(shù)量增加幅度較??；從500℃到600℃，小于50μm的孔隙數(shù)量大幅度增加，表明HPC劣化加劇，500℃為HPC劣化損傷的閾值溫度.對(duì)于PPHPC，小于 50μm 的孔隙數(shù)量在200～300℃時(shí)均少于常溫時(shí)，在400℃時(shí)略高于常溫時(shí).在500～600℃時(shí)，孔隙數(shù)量基本相同，但較常溫時(shí)大幅度增加，表明400℃之前微結(jié)構(gòu)劣化輕微，500℃之后劣化加劇，此時(shí)10～20μm孔徑的孔隙數(shù)量增長(zhǎng)最多，20～50μm孔徑的孔隙增長(zhǎng)幅度最大.500℃之前，PPHPC劣化滯后于HPC，表明摻入聚丙烯纖維可以改善HPC的高溫性能.

圖6 不同孔徑下C60混凝土孔隙數(shù)量分布

由圖7可見(jiàn)，常溫時(shí)，PPHPC缺陷率高于HPC，隨著溫度的升高，兩者的缺陷率均不斷增加，且HPC缺陷增長(zhǎng)率明顯高于PPHPC.常溫下存在的原生微小孔隙多是分散的，隨著溫度的升高，孔隙、裂隙等缺陷不斷衍化，相互連通、擴(kuò)張，最后劣化成為較大孔隙.

圖7 溫度對(duì)C60混凝土缺陷率的影響Fig.7 Effect of temperature on defect rate of C60 concrete

2.4 受火溫度與缺陷率對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

根據(jù)溫度對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度(見(jiàn)圖3)及缺陷率(見(jiàn)圖7)影響的測(cè)試結(jié)果，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，建立受火溫度(t)與內(nèi)部缺陷率(P)雙參數(shù)對(duì)HPC和PPHPC抗壓強(qiáng)度的影響回歸關(guān)系式.

HPC：

fcu,t=82.85077-0.04888t-7.50434P，R2=0.9608

(1)

PPHPC：

fcu,t=114.10375-0.01602t-20.1509P,

R2=0.9774

(2)

式中：t為溫度，℃；P為混凝土缺陷率，%.

C60混凝土平均強(qiáng)度與溫度、缺陷率的關(guān)系：

fcu,t=67.15831-0.03687t-1.65463P

-2.33174×10-4t2,R2=0.9215

(3)

3 混凝土裂縫提取結(jié)果與分析

選取300℃后HPC及400℃后PPHPC第750層X(jué)-CT圖像為代表層，對(duì)其中的裂縫進(jìn)行提取、處理和測(cè)量，得到裂縫參數(shù)隨溫度變化的規(guī)律，研究裂縫萌生、擴(kuò)展的全過(guò)程.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與常溫時(shí)相比， 300℃ 時(shí)PPHPC的X-CT圖像裂縫沒(méi)有劣化、擴(kuò)展，故其長(zhǎng)度、寬度、面積、周長(zhǎng)均為0.經(jīng)提取，在第750層層HPC共有28條裂縫，PPHPC共有31條裂縫，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2.本文各選取1條具有代表性的裂縫進(jìn)行衍化分析，結(jié)果見(jiàn)圖8.

由圖8和表2可見(jiàn)：隨著溫度升高，混凝土內(nèi)部各條裂縫的長(zhǎng)度、寬度、面積和周長(zhǎng)總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但PPHPC的增長(zhǎng)幅度低于HPC，說(shuō)明PPHPC劣化滯后于HPC，即摻入聚丙烯纖維可以改善HPC的高溫性能.

圖8 混凝土裂縫隨溫度的變化Fig.8 Concrete cracks change with temperature

表2 X-CT圖像裂縫信息

4 結(jié)論

(1)隨著受火溫度的升高，C60混凝土強(qiáng)度(HPC)呈下降趨勢(shì)；摻0.2%聚丙烯纖維C60高性能混凝土(PPHPC)抗壓強(qiáng)度隨溫度變化規(guī)律與HPC基本相同；PPHPC抗壓強(qiáng)度損失率低于HPC.

(2)隨著受火溫度的升高，混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)劣化衍化漸趨嚴(yán)重；400℃時(shí)PPHPC與300℃時(shí)HPC的劣化狀態(tài)基本一致，聚丙烯纖維的摻入延遲、緩解了混凝土高溫后內(nèi)部缺陷劣化的發(fā)生和發(fā)展.

(3)隨著受火溫度的升高，混凝土缺陷率及平均孔徑均呈增大趨勢(shì)；400℃后PPHPC孔隙數(shù)量明顯高于HPC；PPHPC孔隙增長(zhǎng)率比HPC低.受火溫度與缺陷率是影響混凝土強(qiáng)度的主要因素.

(4)隨著受火溫度的升高，混凝土裂縫長(zhǎng)度、寬度、面積和周長(zhǎng)均呈增大趨勢(shì).