混凝土材料細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)研究綜述

胡力繩，曹 浪，王紅強(qiáng)，楊 琴，賈 超，朱珂正

1.中鐵二局集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000

2.深圳中鐵二局工程有限公司，廣東 深圳 518000

3.西華大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039

從細(xì)觀尺度上看，混凝土是由骨料、砂漿、孔隙三相組成的復(fù)合材料。細(xì)觀層面主要研究混凝土各相材料的力學(xué)性能及內(nèi)部微裂縫等初始缺陷的產(chǎn)生與發(fā)展。隨著自動(dòng)控制系統(tǒng)和電液伺服加載系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中的廣泛應(yīng)用，能夠?yàn)樵嚰峁┎煌膽?yīng)力狀態(tài)。然而，混凝土材料在各種應(yīng)力狀態(tài)下，難以直接觀測(cè)到其內(nèi)部的損傷破裂過(guò)程，因此需要一些可以直觀分析研究混凝土材料內(nèi)部破裂過(guò)程的方法[1]。

1 聲發(fā)射技術(shù)

聲發(fā)射技術(shù)是指通過(guò)靈敏的聲發(fā)射儀或聲射頻度儀等接收設(shè)備，對(duì)材料或構(gòu)件進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)的技術(shù)。混凝土材料在外部荷載作用下產(chǎn)生形變及內(nèi)部損傷擴(kuò)展演化的同時(shí)，會(huì)伴有能量波的釋放，即聲發(fā)射現(xiàn)象。因此，研究人員通過(guò)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和研究，可以測(cè)定微裂縫的大小、方向以及類型，并推斷出材料內(nèi)部損傷程度。

在國(guó)外，Berthaud等[2]利用聲發(fā)射技術(shù)觀測(cè)混凝土受拉試驗(yàn)中單條微裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展過(guò)程，發(fā)現(xiàn)其周圍確實(shí)存在損傷區(qū)；Sagar等[3-4]通過(guò)聲發(fā)射試驗(yàn)研究了混凝土試件的斷裂能，并將數(shù)值模擬方法與聲發(fā)射相結(jié)合，討論了混凝土中的損傷分布。在國(guó)內(nèi)，李建濤等[5]、陳偉強(qiáng)等[6]分別利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)混凝土破裂過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)，揭示了混凝土破裂過(guò)程中內(nèi)部損傷演化和聲發(fā)射頻數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了混凝土的破裂機(jī)理。

聲發(fā)射技術(shù)作為一種動(dòng)態(tài)無(wú)損監(jiān)測(cè)手段，由于對(duì)被檢件的要求不高，同時(shí)也適用于難以或不能接近環(huán)境下（如極端溫度）的監(jiān)測(cè)，并且聲發(fā)射現(xiàn)象在固體中是普遍存在的，因此該方法被應(yīng)用于巖石類混凝土材料細(xì)觀試驗(yàn)研究中。但是該方法具有局限性，僅在在動(dòng)態(tài)情況下才能形成聲發(fā)射信號(hào)，無(wú)法監(jiān)測(cè)靜態(tài)缺陷狀態(tài)，且易受外界噪聲的干擾。在聲波傳播過(guò)程中，由于波的衰減、反射這一復(fù)雜過(guò)程，使原始信號(hào)產(chǎn)生變化，從而干擾對(duì)聲發(fā)射源的捕捉。

2 CT掃描技術(shù)

X射線CT掃描技術(shù)基于20世紀(jì)建立的層析學(xué)理論，其將物體組分的參數(shù)與其投影聯(lián)系起來(lái)。CT設(shè)備通過(guò)發(fā)射X射線照射到物體上，根據(jù)透過(guò)物體射線的衰減情況，顯示出物體任意斷面的CT圖像，以此獲得物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息。

國(guó)外學(xué)者在20世紀(jì)80年代末開(kāi)始將CT掃描技術(shù)運(yùn)用到混凝土的研究中。Morgan等[7]最早通過(guò)醫(yī)用CT對(duì)混凝土進(jìn)行掃描觀測(cè)；Lawer等[8]利用CT掃描分析了試件內(nèi)部裂紋的三維特征；Suzuki等[9]采用相同方法評(píng)價(jià)凍融混凝土損傷。在國(guó)內(nèi)，楊更社等[10]基于CT數(shù)的空間分布規(guī)律對(duì)混凝土的損傷情況和規(guī)律進(jìn)行了分析描述，并提出以CT數(shù)為損傷變量并應(yīng)用于與混凝土損傷的本構(gòu)關(guān)系。仵彥卿等[11]、丁衛(wèi)華等[12]分別對(duì)單軸、三軸加載下的巖石進(jìn)行了CT試驗(yàn)，根據(jù)結(jié)果將其損傷破壞過(guò)程劃分成不同階段，并對(duì)其演化機(jī)理進(jìn)行了分析研究。陳薇等[13]利用CT掃描技術(shù)研究了高性能混凝土在高溫環(huán)境下內(nèi)部孔隙的一系列擴(kuò)展演化過(guò)程，并對(duì)其高溫裂爆機(jī)理進(jìn)行了分析探討。劉京紅等[14]通過(guò)工業(yè)CT對(duì)單軸壓縮狀態(tài)下的混凝土試樣進(jìn)行了掃描，基于CT圖像得出了不同加載程度下混凝土裂紋及孔隙的變化規(guī)律。田威等[15]研制出了與醫(yī)用CT配套的便攜式動(dòng)態(tài)加載裝置，對(duì)混凝土進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)的實(shí)時(shí)掃描觀測(cè)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析后得到了關(guān)于應(yīng)變和損傷變量的經(jīng)驗(yàn)公式，提出了分段的損傷演化方程及損傷本構(gòu)模型。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，張臻等[16]通過(guò)對(duì)CT圖像進(jìn)行分割處理后，利用Amira、MIMICS等專業(yè)軟件，基于CT圖片能夠得到混凝土的三維重構(gòu)模型，還可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部損傷的可視化或是有限元模擬分析，為真實(shí)反映混凝土材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和深入研究混凝土材料損傷劣化機(jī)理開(kāi)辟了新的途徑。

利用CT掃描技術(shù)可以對(duì)材料內(nèi)部損傷的擴(kuò)展演化進(jìn)行觀察，但是由于CT設(shè)備精度及掃描速率的限制，CT技術(shù)用于觀測(cè)裂紋等內(nèi)部缺陷的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展仍處在探索階段，對(duì)荷載作用下混凝土的破壞過(guò)程仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全意義上的實(shí)時(shí)觀測(cè)。

3 光學(xué)檢測(cè)方法

目前較為常用的光學(xué)類檢測(cè)方法主要有光學(xué)顯微鏡法及電子顯微鏡法等。電子顯微鏡法主要分為掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡，后者具有更高的分辨率，可達(dá)到0.2～0.3nm級(jí)，但是該方法對(duì)試樣的厚薄程度要求較為嚴(yán)格，因此在實(shí)際運(yùn)用時(shí)多選用掃描電鏡技術(shù)。光學(xué)顯微鏡法是通過(guò)光學(xué)原理，即凸透鏡放大成像原理，將微小的物體放大到人眼能夠分辨識(shí)別的尺寸。由于該方法簡(jiǎn)便高效，且能夠直觀地獲取被測(cè)物體的成像，普遍與掃描電鏡相結(jié)合應(yīng)用于巖石類混凝土材料的裂縫、孔隙等微觀構(gòu)造的定量分析研究。謝和平等[17]、劉小明等[18]通過(guò)掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡對(duì)巖石斷口的裂縫和形貌進(jìn)行了觀察，研究探討了巖石斷裂時(shí)裂縫及擴(kuò)展演化過(guò)程，進(jìn)一步探討了圍巖的巖爆機(jī)理。趙金俠等[19]為了優(yōu)化超高性能混凝土的制備方法，進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)，分析了水膠比等因素對(duì)其力學(xué)性能的影響及內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。王宗熙等[20]通過(guò)掃描電鏡觀察了不同配比的粉煤灰混凝土溶蝕后細(xì)觀結(jié)構(gòu)的分布情況，并探討了其機(jī)理。何銳等[21]為了研究高原氣候環(huán)境對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響及作用機(jī)理，利用掃描電鏡和原子力顯微鏡對(duì)其內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。

通過(guò)上述研究可知，光學(xué)顯微鏡及電子顯微鏡技術(shù)被廣泛應(yīng)用于細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)研究，但是其也存在一定的局限性，如根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備的選取，對(duì)被測(cè)物體的體積大小具有一定的要求，且僅能對(duì)試樣表面的細(xì)觀結(jié)構(gòu)破損演化過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)，代表性較低。

隨著技術(shù)手段的發(fā)展，相關(guān)研究人員逐漸將數(shù)字散斑相關(guān)方法的光力學(xué)檢測(cè)技術(shù)與其他光學(xué)檢測(cè)方法相結(jié)合運(yùn)用到混凝土的細(xì)觀試驗(yàn)中，且取得了較好的試驗(yàn)效果。王懷文等[22]、彭瑞東等[23]將數(shù)字散斑相關(guān)方法與配有掃描電鏡的伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)相結(jié)合，并對(duì)其精度和誤差進(jìn)行了分析討論，能夠更加準(zhǔn)確地對(duì)SEM圖像中細(xì)微觀變形進(jìn)行定量分析。黃正紅等[24]對(duì)混凝土試樣進(jìn)行了張拉荷載試驗(yàn)，并通過(guò)數(shù)字散斑相關(guān)方法獲取了位移場(chǎng)等值線分布特征，基于此，進(jìn)一步研究了混凝土在張拉應(yīng)力作用下內(nèi)部裂縫的真實(shí)擴(kuò)展演化規(guī)律及裂紋交匯方式。目前數(shù)字散斑相關(guān)方法的應(yīng)用趨勢(shì)主要是與掃描電鏡等具有較高分辨率及放大倍數(shù)的方法手段相結(jié)合，對(duì)放大倍數(shù)環(huán)境下的細(xì)微觀變形場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量分析。但是在大變形、大轉(zhuǎn)角測(cè)量和精度問(wèn)題方面仍存在一定的局限性，要想使該方法具有更好的實(shí)際運(yùn)用效果，研究人員需要對(duì)相關(guān)的數(shù)學(xué)算法進(jìn)行改進(jìn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

上述研究成果可以幫助研究人員在荷載作用下對(duì)混凝土材料內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)及其損傷演化過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)和定量分析。但是由于試驗(yàn)技術(shù)和設(shè)備自身的影響，上述技術(shù)方法主要應(yīng)用于簡(jiǎn)單荷載情況下的混凝土材料分析，而實(shí)際工程中混凝土結(jié)構(gòu)的受力情況是更加復(fù)雜多樣的，且各種技術(shù)方法都具有一定的缺陷和局限性。因此，對(duì)于混凝土類材料的細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)，研究人員需要不斷創(chuàng)新和突破現(xiàn)有技術(shù)方法的局限性。