單軸壓縮下透水混凝土的結(jié)構(gòu)損傷演化特征研究

林海興，盧來運，江 鎖，李 楊，李 陽

(中建七局安裝工程有限公司，青海 海東 814000)

0 引 言

透水混凝土是土石壩壩面土工防滲墊層結(jié)構(gòu)的重要材料，具有透氣、透水、輕質(zhì)、強度高和施工方便等優(yōu)點[1]。透水混凝土是由粗骨料、硅酸鹽水泥、外摻劑和水等物料拌和成的一種特殊混凝土[2]，與常規(guī)混凝土相比，其漿料中不含細骨料，透水混凝土是通過水泥漿對粗骨料的包裹作用，形成多孔蜂窩狀結(jié)構(gòu)。透水混凝土在壩面土工防滲墊層起到迅速導流的作用，可以緩解地下水水位上升對大壩邊坡穩(wěn)定性的不良影響[3]。透水混凝土是一種復(fù)雜的多孔介質(zhì)材料，其孔隙特征關(guān)系到對地下水滲透和流動特性，同時也影響混凝土的宏觀力學性能。對于混凝土孔隙特點的研究是認識土工防滲墊層結(jié)構(gòu)內(nèi)部地下水賦存、運移和滲透的重要依據(jù)，也是預(yù)測混凝土力學性質(zhì)的重要參考[4]。隨著微觀結(jié)構(gòu)分析技術(shù)與數(shù)值模擬方法的發(fā)展，對材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)特點的研究成為一個熱點。由于粗骨料顆粒的不均勻分布和形狀不規(guī)則特點，透水混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，無法用常規(guī)的觀察手段對其進行觀測。CT掃描試驗是一種無損的成像技術(shù)，在材料的微觀結(jié)構(gòu)探測中被廣泛應(yīng)用[5]。CT掃描試驗不破壞材料結(jié)構(gòu)，直接獲取孔隙的分布特征，對混凝土的微觀結(jié)構(gòu)觀測具有適用性[6]。

隨著透水混凝土材料在土石壩防滲工程中的應(yīng)用，材料微觀結(jié)構(gòu)特征對于防滲結(jié)構(gòu)強度性能與服役壽命有十分重要的作用。對于透水混凝土孔隙特征與力學性能的研究，前人已經(jīng)取得了一些成果[7～8]，但是對于在力學測試過程中，觀測混凝土裂隙演化特點的研究還比較罕見。為了對透水混凝土微觀結(jié)構(gòu)特征開展進一步研究，利用CT技術(shù)對單軸壓縮過程中的透水混凝土開展掃描，得到了可視化圖像與量化表征指標，分析了不同變形階段對孔、裂隙分布的影響規(guī)律。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用礫石作為粗骨料，骨料最大粒度15.6 mm，經(jīng)過破碎、篩分，粗骨料粒徑級別為5～15 mm。選用P.C42.5復(fù)合硅酸鹽水泥作為凝膠材料。制樣過程中，為了使得混凝土漿料拌和均勻，將粗骨料和硅酸鹽水泥干拌2 min；最后在攪拌桶中倒入一定質(zhì)量的水和減水劑拌和2 min，透水混凝土的漿料如圖1a所示。在試件成型過程中，采用振動臺振搗方式的成模，先持續(xù)振搗60 s，然后進行10次時長為5 s的瞬時振動，將攪拌好的漿料分兩層加入試模。對成型的混凝土采用進行溫度為(20±2)℃，相對濕度為95%的養(yǎng)護，28 d后拆模。進行試驗的試樣為直徑38 mm，高度80 mm的圓柱體試樣，透水混凝土的澆筑試樣如圖1b所示。

圖1 透水混凝土的漿料和試樣

1.2 試驗過程

參照國家標準GB/T17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》，采用伺服型萬能試驗機對混凝土進行單軸壓縮強度測試，得到混凝土樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，結(jié)果如圖2所示。在單軸壓縮過程中，分別在混凝土試樣軸向應(yīng)變?yōu)?.4%、1.1%和1.8%時將試樣取出萬能試驗機，開展CT掃描試驗。圖2所示的是試驗得到的透水混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖片是每個測試點的CT掃描結(jié)果示意圖，可以看出在壓縮過程中材料的結(jié)構(gòu)損傷逐漸積累，裂紋明顯擴展。

圖2 透水混凝土的單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

采用工業(yè)CT掃描儀進行透水混凝土的掃描試驗。首先，將混凝土試樣放在CT掃描儀中進行掃描，得到試樣的原始二維圖像；然后，采用圖像分析軟件按照灰度值進區(qū)域分割；最后，將樣品的連續(xù)二維圖像進行疊加顯示，并進行信息提取。

2 試驗結(jié)果

2.1 CT掃描圖像

圖3 CT掃描試驗結(jié)果示意

由CT掃描試驗得到一系列沿試樣軸向的二維圖像，如圖3所示。在二維混凝土掃描圖像中，由于混凝土砂漿水化物與孔隙密度的差異非常明顯，通過X射線衰減系數(shù)可對透水混凝土內(nèi)部孔隙進行識別。在CT掃描圖像中，孔隙為黑色，水泥砂漿的水化物為深灰色，粗骨料表現(xiàn)為淺灰色。為了便于對比分析單軸壓縮的破壞程度對混凝土裂隙演化規(guī)律的影響，對透水混凝土的CT掃描橫截面圖像進行二值化處理以突出顯示孔隙分布，二值化圖片如圖3b所示，可以看出初始狀態(tài)下的混凝土內(nèi)部僅有少量小尺寸孔隙，水泥對骨料間隙的填充效果較好，混凝土整體比較密實。

圖4所示的是不同變形階段的透水混凝土裂隙縱斷面圖像，可以觀察到由CT掃描圖像顯示的孔、裂隙演化過程，經(jīng)過二值化處理后，圖像具有清晰的可視化的效果。透水混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)被劃分成3個不同成分，其中骨料和水泥水化物組成的固相占據(jù)大部分面積，孔、裂隙的含量隨軸向應(yīng)變ε增長而明顯提高。其中，ε=0.4%的試樣的處于彈性變形狀態(tài)，混凝土內(nèi)部以孔隙為主，未出現(xiàn)裂隙，表明其微觀結(jié)構(gòu)的損傷較?。划斴S向應(yīng)變ε=1.2%時，試樣處于峰值應(yīng)力下的塑性變形階段，混凝土內(nèi)部的孔隙進一步增加和擴大，并且出現(xiàn)了大量裂隙，表明混凝土試樣在這一階段的損傷效應(yīng)明顯提高；當軸向應(yīng)變ε=1.8%時，試樣處于殘余變形階段，結(jié)構(gòu)損傷進一步累積，在透水混凝土內(nèi)部裂隙相互連通形成復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)。

圖4 不同變形階段混凝土的孔、裂隙分布結(jié)果

2.2 孔、裂隙的孔徑分布曲線

在分析孔、裂隙尺寸分布時，采用體積等效的方法將所用形狀復(fù)雜的孔、裂隙為球體，利用等效半徑表征孔、裂隙尺寸。圖5表征的是不同變形階段的孔、裂隙的等效直徑頻率分布曲線。由圖5可知，在單軸壓縮過程中，孔、裂隙直徑頻率分布曲線隨變形量的增加有明顯改變。處于彈性變形階段的試樣，幾乎90%的等效直徑在50 μm以下，且50%以上的等效直徑<20 μm；在塑性變形階段，大尺寸的孔、裂隙分布頻率明顯上升，最大等效孔徑超過了120 μm，小于50 μm的孔、裂隙含量降至50%以下；進入殘余變形階段后，孔、裂隙的尺寸進一步增加，最大等效孔徑超過了180 μm，50 μm以下的孔、裂隙分布頻率僅為36.5%。說明在單軸壓縮過程中，混凝土內(nèi)部損傷程度持續(xù)發(fā)展，孔、裂隙的等效孔徑頻率分布曲線逐漸向大尺寸傾斜。

圖5 不同變形階段的孔徑分布曲線

2.3 不同變形階段的孔、裂隙量化指標

由統(tǒng)計分析對混凝土的孔、裂隙演化規(guī)律開展進一步分析，獲取了定量表征透水混凝土材料結(jié)構(gòu)損傷程度的孔隙率、孔隙尺寸指標和孔隙連通度3個重要指標。

2.3.1孔隙率

孔隙率ω是二值化模型中孔、裂隙所占的體積含量，其數(shù)值大小為掃描圖像中孔、裂隙像素數(shù)量與試樣像素總量的比值。圖6所示的是在不同變形階段中，透水混凝土試樣的孔隙率ω與軸向應(yīng)變ω之間的關(guān)系曲線。由圖6可知，孔隙率ω與軸向應(yīng)變ε呈指數(shù)型函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)平方大于0.96，說明該指數(shù)函數(shù)可以很好地擬合孔隙率與應(yīng)變的數(shù)學關(guān)系。由曲線變化特征發(fā)現(xiàn)軸向應(yīng)變ε在0.4%～1.1%之間時，孔隙率ω由初始狀態(tài)的1.71%小幅增長至2.45%；軸向應(yīng)變ε為1.1%～1.8%過程中，孔隙率ω由2.55%增至6.20%。說明在彈性階段，混凝土孔隙擴展速度較慢，隨變形程度增加到塑性和殘余階段，孔隙率上升速度不斷增加，說明結(jié)構(gòu)損傷逐漸累積并最終導致砂漿結(jié)構(gòu)的破損。

圖6 孔隙率與軸向應(yīng)變的關(guān)系

2.3.2吼道尺寸指標

在透水混凝土的孔、裂隙模型中，按照等效體積原則將孔、裂隙視為喉道形，混凝土中體積最大的裂隙為主裂隙喉道。主裂隙喉道的最大長度L與平均直徑R是描述混凝土孔、裂隙發(fā)育程度的重要指標，隨軸向應(yīng)變增加的變化規(guī)律可以表征孔喉的尺寸演化規(guī)律，如圖7所示。由圖7可知，吼道尺寸特征參數(shù)(L和R)隨軸向應(yīng)變升高而增大，且L與R隨應(yīng)變升高呈線性增長趨勢，孔喉尺寸指標反映了主裂隙的發(fā)育程度隨變形量增加而呈線性上升。

圖7 孔喉尺寸與軸向應(yīng)變的關(guān)系

連通度指標反映了透水混凝土內(nèi)部孔、裂隙相互連通的程度[9]，由圖4所示的CT掃描結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在軸向應(yīng)變升高過程中，材料中的裂隙逐漸連通的現(xiàn)象非常明顯。因此，本研究以最大裂隙的像素數(shù)量占總孔隙的像素的比例作為孔隙連通度指標，記為f。不同軸向應(yīng)變下的混凝土孔隙連通度指標如圖8所示。由圖8可知，彈性變形狀態(tài)下的混凝土孔隙連通度很低，表明處于壓密狀態(tài)的混凝土內(nèi)部沒有明顯裂隙連通現(xiàn)象出現(xiàn)；當混凝土試樣進入塑性變形階段后，連通度f超過26%，說明單軸壓縮作用使得混凝土內(nèi)部裂隙出現(xiàn)了連通現(xiàn)象；進入殘余變形階段的試樣的孔隙連通度進一步增加至58%，且上升的斜率有所提高，說明孔、裂隙在試樣發(fā)生破壞以后繼續(xù)連通，且連通速率有所增加。

圖8 孔隙連通度與軸向應(yīng)變的關(guān)系

3 微觀機理討論

結(jié)合掃描圖像與透水混凝土的破壞特征對試驗現(xiàn)象的微觀機理進行分析。由于彈性階段的透水混凝土受到初始壓密效應(yīng)的作用，試樣內(nèi)部的顆粒排列比較致密，孔隙率和孔隙尺寸均較小，且沒有出現(xiàn)裂隙，而由于孔隙數(shù)量較多且相互獨立，導致孔隙連通度很低[10]。當荷載逐漸增加時，混凝土內(nèi)部的壓密效應(yīng)達到極限，混凝土內(nèi)部積累大量破壞勢能導致骨料顆粒與凝膠結(jié)構(gòu)發(fā)生位移和形變。圖9為混凝土的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，可知初始狀態(tài)下的骨料在凝膠結(jié)構(gòu)的粘結(jié)作用下排列整齊、緊密，因而具有較強的承載能力。在顆粒間的擠壓應(yīng)力作用下，骨料顆粒存在轉(zhuǎn)動、平行錯動趨勢，凝膠結(jié)構(gòu)也逐漸發(fā)生破壞，導致材料的破壞程度逐漸增加。隨著破壞程度增加，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的裂隙開始萌發(fā)和擴展，裂隙尺寸隨變形量增長而大幅上升，裂隙間的連通度也大幅增加[10]。當混凝土進入殘余變形階段后，形成錯綜復(fù)雜的裂隙網(wǎng)，此時混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)有明顯破損。

圖9 混凝土的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)示意

4 結(jié) 論

(1)利用CT掃描技術(shù)獲得透水混凝土的掃描圖像和孔徑分布曲線的變化規(guī)律表明裂隙網(wǎng)絡(luò)在荷載作用下逐漸擴展和連通。

(2)在單軸壓縮試驗過程中，隨混凝土軸向應(yīng)變升高，孔隙率保持指數(shù)函數(shù)上升，孔喉尺寸的量化指標保持線性增長趨勢，孔隙連通度也呈上升趨勢。

(3)透水混凝土在單軸壓縮的破壞過程中，孔、裂隙的擴展現(xiàn)象是由于混凝土內(nèi)部破壞勢能釋放，從而導致骨料出現(xiàn)位移和凝膠結(jié)構(gòu)發(fā)生形變的結(jié)果。