石麗娜,杜紅秀,徐瑤瑤
(太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院,太原 030024)
近年來(lái),隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模發(fā)展,高性能混凝土因其高工作性、高耐久性、服役環(huán)境多樣性而得到青睞,它可以為建筑提供優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料,為建筑生命提供保障[1]。但因其高致密性和低滲透性,在高溫作用下內(nèi)部微結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重且極易爆裂,導(dǎo)致力學(xué)性能顯著下降[2]。研究發(fā)現(xiàn),聚丙烯纖維的加入可以抑制高溫作用下混凝土內(nèi)部微裂縫的萌生和發(fā)展及高溫爆裂[3-4]。
混凝土是一種多相的非均質(zhì)復(fù)合材料,對(duì)其高溫后的性能可從宏觀、細(xì)觀和微觀尺度展開(kāi)研究[5-8],本團(tuán)隊(duì)在混凝土高溫后強(qiáng)度、裂縫數(shù)量及孔徑分布等方面進(jìn)行了研究。在這些多尺度模型中,細(xì)觀分析是深入了解混凝土損傷行為的有價(jià)值和可行的工具[9-10]。
X射線CT技術(shù)具有良好的空間分辨率,可將掃描得到的圖片重建為三維模型,進(jìn)而研究其結(jié)構(gòu),是用于混凝土微結(jié)構(gòu)分析的一種新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[11]。目前對(duì)高性能混凝土高溫作用后三維重建模擬研究較少。本研究根據(jù)CT掃描數(shù)據(jù),采用MIMICS軟件對(duì)摻與不摻聚丙烯纖維的高性能混凝土進(jìn)行三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)的重建,得到不同溫度作用下混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖像,深入研究高性能混凝土高溫作用下微結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律,以期為混凝土抗火設(shè)計(jì)及火災(zāi)后修復(fù)提供試驗(yàn)依據(jù)。
水泥:太原產(chǎn)P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,28 d抗折強(qiáng)度6.8 MPa,28 d抗壓強(qiáng)度46.3 MPa。
粗骨料:5~20 mm連續(xù)粒級(jí)、級(jí)配合格的石灰石碎石。
細(xì)骨料:細(xì)度模數(shù)2.89、級(jí)配良好的豆羅砂。
礦渣粉:太原產(chǎn)S95級(jí)粒化高爐礦渣。
粉煤灰:太原產(chǎn)粉煤灰,Ⅰ級(jí),安定性符合要求。
減水劑:太原產(chǎn)聚羧酸減水劑。
聚丙烯纖維:熔點(diǎn)165 ℃,長(zhǎng)度8 mm,直徑25 μm,體積摻量0.2%。
水:自來(lái)水。
依據(jù)《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CECS 207—2006)、《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJT 221—2010)進(jìn)行C60強(qiáng)度等級(jí)混凝土配合比設(shè)計(jì),制備摻加聚丙烯纖維混凝土(PPHPC)與不摻加聚丙烯纖維混凝土(HPC),配合比如表1所示。
表1 C60混凝土試驗(yàn)配合比Table 1 Test mix proportion of C60 concrete /(kg/m3)
依據(jù)《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CECS 207—2006),制備試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm立方體試塊,設(shè)定混凝土拌合物坍落度為(200±20) mm。選用60 L臥式強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行混凝土的攪拌,具體流程如圖1所示。
圖1 混凝土攪拌流程圖
Fig.1 Flow chart of concrete mixing
混凝土養(yǎng)護(hù)28 d后,每組各取3個(gè)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試,經(jīng)測(cè)試混凝土抗壓強(qiáng)度滿足C60強(qiáng)度。試驗(yàn)采用CT掃描設(shè)備為μCF225FCB高分辨顯微X射線CT系統(tǒng),高溫加載裝置為太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院研制的高溫加熱爐,模擬高溫火災(zāi)環(huán)境,如圖2、圖3所示。
圖3 模擬高溫試驗(yàn)裝置Fig.3 Simulated high temperature test device
圖2 μCF225FCB高分辨顯微CT系統(tǒng)Fig.2 μCF225FCB high-resolution micro-CT system
CT試驗(yàn)所需試件通過(guò)立方體試塊切割、鉆芯得到長(zhǎng)5.65 mm、直徑6 mm的圓柱體。試驗(yàn)步驟為:(1)將試件放入干燥箱中干燥至恒重后放到轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)上,調(diào)整位置并固定。通過(guò)配套軟件調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)位置,試驗(yàn)放大倍數(shù)為53.85 倍,先對(duì)常溫下試件進(jìn)行掃描。(2)掃描結(jié)束后,將試件轉(zhuǎn)入高溫爐中進(jìn)行加熱。設(shè)定目標(biāo)溫度200 ℃,加熱速率為5 ℃/min,達(dá)到目標(biāo)溫度后恒溫10 min[8],使試件受熱均勻,之后進(jìn)行CT掃描。(3)重復(fù)步驟(2),可獲得300~600 ℃高溫作用后的掃描圖像,其中300 ℃后恒溫10 min,400 ℃、500 ℃后恒溫15 min,600 ℃后恒溫20 min[8]。
(1)CT圖像預(yù)處理:利用CT掃描系統(tǒng)軟件將掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建,得到1 500張?jiān)嚰呙鑸D像。
(2)圖像二值化處理:二值化處理是將整個(gè)圖像呈現(xiàn)為明顯黑白效果的過(guò)程,利用MATLAB軟件中的graythresh函數(shù)(最大類間方差法,即OTSU法)找到閾值[12]并進(jìn)行二值化處理,批量處理CT圖像,圖像重建及二值化處理后圖片如圖4所示。
圖4 CT重建圖及二值化處理后圖片F(xiàn)ig.4 CT reconstruction images and image after binarization
(3)圖像顏色處理:為了使混凝土基體、孔隙及混凝土以外區(qū)域在軟件中進(jìn)行重建時(shí)有明顯界限,需對(duì)圖像進(jìn)行顏色處理,區(qū)分混凝土基體、孔隙以及外部區(qū)域灰度值。將圖像導(dǎo)入Photoshop中,先將黑白兩種顏色進(jìn)行反相處理。然后進(jìn)行背景更換處理,將混凝土以外區(qū)域更改為藍(lán)色。
將預(yù)處理后的圖像導(dǎo)入MIMICS,選用命令Mask重建混凝土基體和孔隙裂隙兩個(gè)蒙版,通過(guò)Calculate Masks建立混凝土基體和孔隙裂隙兩部分模型,重建后可得到各溫度下HPC和PPHPC共12個(gè)模型,常溫時(shí)混凝土的三維重構(gòu)圖見(jiàn)圖5。利用命令A(yù)nalyze Pores可對(duì)模型進(jìn)行孔隙體積、表面積、數(shù)量、孔隙分布等分析。
圖5 20 ℃時(shí)混凝土三維重構(gòu)模型Fig.5 3D reconstruction model of concrete at 20 ℃
試驗(yàn)對(duì)比分析摻與不摻聚丙烯纖維混凝土高溫后內(nèi)部孔隙變化,PPHPC與HPC相比,在其余材料物相變化相同的基礎(chǔ)上,探究聚丙烯纖維經(jīng)過(guò)高溫熔化對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。
混凝土經(jīng)過(guò)不同溫度作用后的內(nèi)部孔隙體積及體積增長(zhǎng)率見(jiàn)圖6。由圖可知隨作用溫度的升高混凝土內(nèi)部孔隙體積持續(xù)增長(zhǎng)。PPHPC原生孔隙較HPC多,但PPHPC增長(zhǎng)速率始終低于HPC的增長(zhǎng)速率。200 ℃、300 ℃、400 ℃時(shí)PPHPC較HPC孔隙體積增長(zhǎng)率分別降低65.92%、73.83%、77.44%,500 ℃、600 ℃時(shí)PPHPC較HPC孔隙體積增長(zhǎng)率分別降低34.39%、43.10%。400 ℃前PPHPC與HPC相比,PPHPC孔隙體積增長(zhǎng)率降低的百分比大于400 ℃之后的百分比,表明聚丙烯纖維的熔化在400 ℃前可改善混凝土高溫劣化性能。500 ℃時(shí)PPHPC孔隙體積增長(zhǎng)速率急劇增大,內(nèi)部劣化嚴(yán)重,PPHPC與HPC在600 ℃時(shí)孔隙體積比500 ℃時(shí)的增長(zhǎng)率分別增加9.25%、20.43%,PPHPC的劣化程度較HPC小。
圖6 混凝土內(nèi)部孔隙體積及體積增長(zhǎng)率Fig.6 Internal pore volume and volume growth rate of concrete
混凝土經(jīng)過(guò)不同溫度作用后內(nèi)部孔隙表面積及表面積增長(zhǎng)率見(jiàn)圖7。隨作用溫度升高混凝土內(nèi)部孔隙表面積呈現(xiàn)不同幅度的增加。PPHPC原生孔隙較多,孔隙表面積大于HPC,PPHPC在200 ℃時(shí)孔隙表面積較常溫時(shí)略有下降,200 ℃后孔隙表面積隨作用溫度的升高持續(xù)增大。200 ℃、300 ℃、400 ℃時(shí)PPHPC較HPC孔隙表面積增長(zhǎng)率分別降低116.19%、63.98%、72.30%,500 ℃、600 ℃時(shí)PPHPC較HPC孔隙體積增長(zhǎng)率分別降低-57.21%、8.25%。500 ℃時(shí)孔隙表面積急劇增長(zhǎng),表面積增長(zhǎng)率高于HPC,600 ℃時(shí)孔隙表面積增長(zhǎng)率比HPC小。原因可能是聚丙烯纖維的熔化可釋放混凝土內(nèi)部蒸汽壓[13],從而減緩混凝土內(nèi)部孔隙的劣化程度,抑制孔隙的產(chǎn)生及延伸,與孔隙體積的演變規(guī)律基本一致。
圖7 混凝土內(nèi)部孔隙表面積及表面積增長(zhǎng)率Fig.7 Internal pore surface area and surface area growth rate of concrete
混凝土內(nèi)部孔隙的孔徑分布隨溫度變化見(jiàn)圖8、圖9。
圖9 PPHPC內(nèi)部孔隙孔徑分布Fig.9 Internal pore size distribution of PPHPC
圖8 HPC內(nèi)部孔隙孔徑分布Fig.8 Internal pore size distribution of HPC
HPC在200 ℃時(shí)孔隙總數(shù)量較常溫相比稍有增加;300 ℃、400 ℃時(shí)孔隙總數(shù)量繼續(xù)增加,其中孔徑小于20 μm的孔隙數(shù)量增加明顯,混凝土內(nèi)部萌生小孔隙;500 ℃時(shí)10~20 μm、40~50 μm孔徑范圍的孔隙數(shù)量增大;600 ℃時(shí)各孔徑孔隙數(shù)量急劇上升,混凝土內(nèi)部孔隙受高溫影響劣化較嚴(yán)重。
PPHPC在200 ℃時(shí)孔徑范圍小于20 μm的孔隙數(shù)量呈明顯增長(zhǎng),其中小于5 μm孔隙數(shù)量增長(zhǎng)達(dá)80.50%,混凝土內(nèi)部小孔隙較多;300 ℃時(shí)小于20 μm孔徑范圍孔隙數(shù)量減小,大于20 μm孔徑孔隙數(shù)量均增大,不同于HPC變化;400 ℃時(shí)孔隙數(shù)量變化較小,混凝土內(nèi)部劣化程度較?。?00 ℃時(shí)各孔徑孔隙數(shù)量增加,微結(jié)構(gòu)劣化程度較大;600 ℃后小于40 μm孔徑范圍孔隙數(shù)量增大,大于40 μm孔徑范圍的孔隙數(shù)量減小。
PPHPC在400 ℃前孔隙變化不同于HPC,200 ℃時(shí)由于聚丙烯纖維的熔化有大量孔隙增加,300 ℃時(shí)較大孔隙數(shù)量增加,400 ℃時(shí)變化緩慢。500 ℃時(shí)聚丙烯纖維熔化后留下孔道使孔隙數(shù)量增加較HPC多。聚丙烯纖維的加入在200~400 ℃時(shí)可減緩孔隙的增加,改善混凝土的劣化程度。
為了能更好地反映高溫對(duì)混凝土內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的影響,基于處理后的CT圖像對(duì)混凝土各個(gè)溫度作用后同一位置處的孔隙進(jìn)行提取。將提取后的孔隙圖像導(dǎo)入MIMICS進(jìn)行重建,重建圖見(jiàn)圖10、圖11。
圖11 PPHPC不同溫度作用后孔隙重建圖Fig.11 Reconstruction of defects after different temperatures of PPHPC
圖10 HPC不同溫度作用后孔隙重建圖Fig.10 Reconstruction of defects after different temperatures of HPC
由圖可知,常溫時(shí)HPC與PPHPC原生孔隙間有極少量裂紋,隨著溫度的升高,孔隙周圍開(kāi)始產(chǎn)生新裂紋,孔隙之間的裂紋也逐漸增多。PPHPC與HPC相比,200~400 ℃后產(chǎn)生的新孔隙較少且孔隙劣化程度較低,說(shuō)明聚丙烯纖維的加入可改善400 ℃前的劣化程度;500 ℃后PPHPC的孔隙增長(zhǎng)明顯高于HPC,該階段發(fā)生了新孔隙的萌生以及原有孔隙發(fā)展、延伸;600 ℃后混凝土內(nèi)部孔隙劣化嚴(yán)重,孔隙增多、孔徑變大并連通,但PPHPC劣化程度比HPC小。這與混凝土內(nèi)部孔隙體積、表面積得出的結(jié)論一致。
與HPC相比,PPHPC原生孔隙間裂紋的數(shù)量及長(zhǎng)度明顯降低,表明雖然聚丙烯纖維的加入使混凝土原生孔隙增多,但聚丙烯纖維熔化后的孔隙可釋放混凝土內(nèi)部蒸汽壓,抑制高溫爆裂,緩解對(duì)高溫劣化的影響。
(1)混凝土孔隙體積隨作用溫度的增長(zhǎng)呈現(xiàn)不同幅度增長(zhǎng),PPHPC的增長(zhǎng)速率始終低于HPC,PPHPC在400 ℃之前內(nèi)部孔隙增長(zhǎng)率較小,400~600 ℃溫度區(qū)間有較大增長(zhǎng),500 ℃時(shí)增長(zhǎng)速率最大。
(2)PPHPC孔隙表面積始終大于HPC,HPC內(nèi)部孔隙表面積隨作用溫度的增加呈現(xiàn)不同幅度的增加。PPHPC在200 ℃后孔隙表面積出現(xiàn)下降,此后隨作用溫度的升高持續(xù)增大,PPHPC在400 ℃作用溫度前孔隙表面積增長(zhǎng)率始終小于HPC,500 ℃后高于HPC,600 ℃后增長(zhǎng)率小于HPC。
(3)混凝土經(jīng)不同溫度作用后,聚丙烯纖維的熔化可在200~400 ℃減緩混凝土小孔隙的增加,有利于抑制高性能混凝土的高溫爆裂,并減緩高溫對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化的影響。