2016, Vol. 49文章信息
- 田威, 谢永利, 党发宁
- TIAN Wei, XIE Yongli, DANG Faning
- 基于CT技术的混凝土冻融环境下细观损伤机理的试验研究
- Experimental study of meso-damage mechanism of concrete under freezing-thawing environment based on CT technology
- 武汉大学学报(工学版), 2016, 49(3): 397-401
- Engineering Journal of Wuhan University, 2016, 49(3): 397-401
- http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8844.2016-03-013
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文章历史
- 收稿日期: 2015-11-20
2. 长安大学公路学院,陕西 西安 710064;
3. 西安理工大学岩土工程研究所，陕西 西安 710048
2. School of Highway, Chang'an University, Xi'an 710064, China;
3. Institute of Geotechnical Engineering, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China
在我国西部寒区，冻融破坏往往是导致混凝土破坏的主要因素之一，因此通过试验研究混凝土冻融损伤劣化机理对寒区重大工程的冻融灾变预测与防治具有重要的意义.
许多学者都开展过低温冻融环境下混凝土冻融破损机理的研究[1~8].但是目前的研究主要集中在宏观试验层面上，对冻融混凝土的宏观损伤力学特性研究较多.而事实上，作为一种由骨料、水泥、砂浆等组成的多相复合材料，其破损一般是各种初始微缺陷(如孔隙、微裂纹)的萌生、扩展、贯通的损伤发展劣化过程.因此，要真正了解混凝土低温冻融下的损伤破坏机理，就必须对材料的细观损伤特征进行研究.目前也有一部分学者运用各种探测手段和方法开展了混凝土在低温冻融下的细观试验研究.Suzuki[9]采用CT 技术对不同冻融损伤的混凝土试样进行了研究，从细观上说明了混凝土材料在不同冻融环境下的破损机理.Molero[10]等人利用超声波的波速以及衰减图像研究了冻融循环下混凝土的损伤劣化过程.李曙光[11]将真空荧光环氧浸渍技术应用到混凝土的细观研究当中，对低温冻融环境下混凝土破损过程中微裂纹结构进行了量化分析.Evdon Sicat[12]运用电子显微镜研究了冻融循环下混凝土过渡区(ITZ)力学性能.Kenny Ng[13] 运用扫描电镜技术(SEM)观察到了在冻结和水分迁移作用下，混凝土中孔隙结构的破坏过程.但是目前对冻融环境下混凝土细观破损机理的研究仍较少，也很不具体.
本文以西部寒区混凝土材料为研究对象，进行了混凝土冻融循环试验，并将CT扫描技术应用于研究不同冻融循环次数下混凝土的力学特性中，以期从细观试验的角度解释混凝土材料在冻融环境下的宏观力学性能的变化规律，为解释混凝土材料在冻融环境下的破损机制进行深入的研究.
1 试验原理与方案 1.1 试样制备试验所用水泥为陕西秦岭水泥(集团)股份有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥；细骨料为陕西省龙背湾河砂，粒径小于5 mm，含泥量低于2%；粗骨料为陕西省龙背湾花岗岩，粒径为5~30 mm；试验所用水为西安市饮用自来水；试样为Ф60 mm×120 mm一级配混凝土圆柱体，强度为C35.
1.2 试验方法试验方法按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》中快冻法进行.每次冻融循环历时180 min，其中冷冻时间148 min，融化时间32 min.在整个冻融过程中，试样中心温度分别控制在(-18±2)℃和(5±2)℃内.冻结和融化之间的转换时间不超过10 min.每25次冻融循环后对试样进行一次称重并观察试样外观，并做详细的记录.冻融循环试验仪器采用山东省水利科学研究院中心试验室KDR-V9型混凝土快速冻融试验机，仪器温度上限为25℃，下限为-25℃，控温精度±1℃，整机功率为6.5 kW.如图 1所示.
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| 图 1 快速冻融试验机 Figure 1 Freezing-thawing cycle testing machine |
1) 将制备的混凝土试样分为5组，每组3块，将各组试样进行编号,并测量其质量及尺寸，如图 2所示；2) 对试样进行冻融循环试验，循环次数分别为0、25、50、75；3) 对达到特定循环次数后的试样进行CT试验.
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| 图 2 试验样品 (部分) Figure 2 Test samples |
CT试验利用济南市医院的SIEMENS16排螺旋CT机，电压120 kV,电流75 mA,图像尺寸为512像素×512像素，试验共扫描50个断面,间距为2 mm，如图 3所示.
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| 图 3 CT扫描过程示意图 Figure 3 Schematic diagram of CT scanning process |
由于扫描断面较多，本文只给出具有代表性的不同冻融循环下试样的扫描图像进行分析，如图 4所示.需要说明的是：由于受医院CT设备的影响,25次冻融循环后改用另一台CT机进行试验.因此试验分属在不同型号CT机上完成.试验中保证图像的扫描层距不变，但是由于CT机型密度分辨率的差别和试验人员操作的不同，图像的清晰度差别较大.
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| 图 4 不同扫描断面随冻融循环次数变化的CT图像 Figure 4 CT images under different freezing-thawing cycles |
由CT图像可以分辨出骨料、砂浆、孔洞的分布.图像中CT数的大小与物质的密度成正比，因此骨料、砂浆、孔洞三者的亮度依次降低，骨料区最亮，砂浆区域亮度略低于骨料区域，孔洞及裂纹区域亮度最低.从CT灰度图像还可以发现冻融初期图像变化不大,当冻融循环次数达到后期75次时，图像变化较大，原因是由于试样的块落掉渣现象影响，图像已经变得不完整，断面周围出现缺失.
2.2 图像处理分析由于人的肉眼对灰度图像的分辨能力有限，为了更好地说明冻融循环下试样损伤演化的过程，本文采用等密度(相同CT数)分割断面重建的办法对图像进行处理，具体方法可参见文献[14]，在此不再赘述.
将CONC7-6-1中部分扫描断面进行等密度分割及断面重建，定义CT值在0~1 500 Hu区域为蓝色，实质上是代表孔洞及裂纹区域；1 501~2 100 Hu区域为浅黄色，实质上是代表骨料与砂浆周围过渡区域；2 101~3 010 Hu区域为绿色，代表砂浆区域；3 011~3 495 Hu区域为红色，实质上是代表凸起的骨料区域.如图 5所示.
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| 图 5 扫描断面随冻融循环次数变化的等密度分割重建图像 Figure 5 Cross-section of CT density slicing under different freezing-thawing cycles |
从图 5中可以看出，在经历25次冻融循环时，蓝色的微孔隙区域所占范围较小，绿色的砂浆区域占据了图像的大部分范围，在骨料和砂浆周围出现了密度略低的黄色过渡区域，红色代表强度高的骨料区域.在经历75次冻融循环时，由于部分骨料和砂浆出现了破损、脱落导致骨料分布发生了一定变化,其中红色骨料区域的分布更加密集；而蓝色的孔隙区域也发生了部分重分布，整体发展趋势为逐渐融合扩展，试样最终发生破坏.
2.3 CT数分析由于图像处理易受到较多因素的影响,为了更好地说明损伤演化过程，采用定量的CT 数分析方法.扫描断面CT均值表示全断面区域内CT数的平均值，所有CT均值由ENVI图像处理软件统计得到.
表 1和图 6、7表明，在不同冻融循环次数下不同扫描断面的CT均值均不相同.在经历25次冻融循环时，CT均值呈增加趋势.主要原因是:冻融循环初期，由于试样中闭合孔隙较多，随着水逐渐渗入孔隙区域，试样密度增大，因此CT均值呈现出增加趋势，此时孔隙中的水是影响CT均值变化的主要因素.随着冻融循环次数的增加，在经历50次冻融循环时，CT均值出现降低趋势.这是由于试样中孔隙内部水分的存在使得冻胀力产生并且不断加大，试样初始的微孔隙、微裂纹在冻胀力的作用下逐渐扩展融合,新损伤的出现导致了混凝土试样密度不断降低，从而CT均值也随之降低.此时孔隙水不再占据主要影响因素,而冻胀力成为影响CT均值变化的主要因素.在经历75次冻融循环时，CT均值出现大幅度降低.各扫描断面的降幅比例分别为：17%，18.2%，19.4%.分析其主要原因是试样中密度较大的骨料以及砂浆出现破损、脱落,试样结构变得疏松，密度大幅度降低引起CT均值也大幅降低，如图 7(c)和7(d)中所示.
| Hu | |||
| 冻融次数 | 扫描断面 | ||
| CONC7-6-1 | CONC7-6-3 | CONC7-6-5 | |
| 0 | 3 112.9 | 3 108.0 | 3 069.6 |
| 25 | 3 212.6 | 3 231.7 | 3 214.7 |
| 50 | 2 486.6 | 2 593.2 | 2 562.1 |
| 75 | 2 060.8 | 2 121.3 | 2 065.8 |
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| 图 6 不同冻融循环次数下CT均值变化曲线 Figure 6 Variation of the average CT numbers under different freezing-thawing cycles |
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| 图 7 不同冻融循环次数下试样破损图 Figure 7 Damage-fracture of concrete under different freezing-thawing cycles |
基于细观损伤力学与统计学的原理，本文将采用下式计算损伤变量，以此深入研究冻融循环作用下混凝土的损伤演化过程：
其中:H0为试样0次冻融时CT数的平均值；Hi为试样某一冻融循环次数下的CT数的平均值；Hf为试样最终冻融循环下CT数的平均值.为了准确统计结果，本文选取全部扫描断面的CT数的平均值进行统计.
由图 8可以看出，试样在经历25次冻融循环时，曲线有一个负的下凹段，损伤变量随冻融循环次数的增大而减小,说明试样体积出现了收缩的过程.常态下的脆性材料一般可以解释为:试样中的微裂纹、微孔隙出现了闭合,是一个损伤弱化过程.然而冻融环境下损伤变量减小的主要原因与上一节分析原因相同，说明冻融循环初期混凝土试样中水逐步渗入到闭合孔隙中,使得试样密度增大，CT数提高,引起损伤变量降低；随着冻融循环次数的增加，曲线出现了正的增加过程，试样在经历50次冻融循环时，损伤变量快速增加说明混凝土的冻融损伤劣化程度随着冻融循环次数的增大而急剧增大，表明孔隙等初始损伤开始发育，并逐步稳定扩展,是一个损伤加剧的过程.尤其是在冻融循环次数增加的后期，当经历75次冻融循环时，曲线快速增加，增幅达到13.3%，损伤变量为1，表明由于冻融循环的影响，试样内部薄弱区的微裂纹迅速扩展、汇合，相应地孔隙率也大幅增加，外部结构疏松接近崩解，强度降低显著，此后试样进入到破坏阶段.
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| 图 8 不同冻融循环下损伤变量变化曲线 Figure 8 Relation between damage variable and freezing-thawing cycle |
利用CT扫描技术对冻融环境下的混凝土细观破损过程进行了观测，获得了不同冻融循环次数下混凝土CT图像的细观结构变化特征，得到的结论主要有：
1) 冻融循环初期，由于闭合孔隙中水的逐步渗入，试样CT均值呈增加趋势；随着冻融循环次数的增加，试样孔隙内部冻胀力形成，使得微裂纹逐步扩展，CT 均值逐渐呈现降低趋势.最终试样内部的微裂纹贯通，外部结构疏松崩解造成CT均值大幅度降低.
2) 损伤变量初期随冻融循环次数的增大而减小,随着冻融循环次数的增加，损伤变量随着混凝土的冻融损伤劣化程度的增大而急剧增大，在经历75次冻融循环时，损伤变量为1，表明混凝土试样损伤劣化严重，已发生破坏.
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