土木建筑与环境工程  2015, Vol. 37 Issue (2): 73-78   PDF    
混凝土拉伸荷载条件下细观破损过程的CT试验研究
田威1, 党发宁2, 谢永利1    
1. 长安大学 a.建筑工程学院；b.公路学院，西安 710061;
2. 西安理工大学 岩土工程研究所，西安 710048
收稿日期：2014-06-20
基金项目：国家自然科学基金(51009010、51379015)；中央高校基本科研业务费(CHD2012ZD014)；中国博士后科学基金(2012M521727)，陕西省博士后科学基金
作者简介：田威(1981-)，男，博士，副教授，主要从事岩土工程数值仿真、岩土材料细观力学分析研究，(E-mail)tianwei@chd.edu.cn。
摘要：对静力、动力拉伸荷载条件下混凝土的细观破损过程进行了CT试验研究，获得了试样内部裂纹萌生、扩展、贯通的全过程CT图像。通过对CT图像及图像兴趣区中整体统计区域、局部统计区域CT数均值的分析，研究了混凝土拉伸荷载条件下细观破损过程。结果表明：静力拉伸荷载条件下，裂纹在界面的薄弱区域形成后逐渐往相邻的薄弱部位扩展, 两个统计区域CT数均值呈降低趋势，试样破坏时伴有少量骨料被拉断的现象；动力拉伸荷载条件下，裂纹从界面薄弱区域形成后追随最快的路径扩展，局部统计区域CT数均值呈下降趋势, 而整体统计区域CT数均值变化幅度较小，破坏后骨料沿界面脱离砂浆粘结，且试样破裂面更为平整；由于加载速率的提高，骨料被拉断的现象非常显著。
关键词：混凝土    细观损伤    拉伸破坏    CT试验    
CT test analysis of meso damage and fracture process of concrete under tensile loading
Tian Wei1, Dang Faning2, Xie Yongli1    
1. 1a. School of Civil Engineering; 1b. School of Highway,Chang'an University，Xi'an 710061;
2. Institute of Geotechnical Engineering, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048
Received: 2014-06-20
Foundation item: National Natural Science Foundation of China (No. 51009010, 51379015); Fundamental Research Funds for the Central Universities, China (No. CHD2012ZD014); China Postdoctoral Science Foundation (No. 2012M521727); Postdoctoral Science Foundation of Shaanxi Province
Author brief: Tian Wei (1981-), PhD, associate professor, main research interests:geotechnical engineering numerical simulation, geotechnical material meso-mechanics analysis, (E-mail)tianwei@chd.edu.cn.
Abstract: The real time scanning observation on meso damage process in concrete was carried out using CT technology. CT images of crack propagation, coalescence and failure were obtained under static and dynamic tension. Meso-damage mechanism of concrete under tension was analyzed the mean CT numbers in large statistical region small statistic region of scanning layers ROI.The results showed that the cracks developed in the interface of weak region and expanded to adjacent weak partsthe mean CT numbers of the two statistical regions showed decreasing trend. Parts of aggregates were ruptured when the concrete was damaged under static tension. While in small statistic region, the cracks developed in the interface of weak region and expanded along the fastest path, and the mean CT numbers showed a decreasing trend The mean CT numbers in large statistical region changed slightly. The aggregate divorced from mortar along interface, and the failure plane was smoother when the concrete was damaged under dynamic tension. So, the aggregate was ruptured obviously because the loading rate was higher.
Key Words: concrete    meso-damage    tension fracture    CT test    

混凝土材料是一种复杂的多尺度人工材料，其宏观断裂破坏与内部微孔洞、微裂纹的分布以及微裂纹的萌生、扩展和贯通的演化过程密切相关。因此，要深入了解混凝土材料的破损过程就必须对材料的细观损伤特征进行研究。

CT技术是无损检测混凝土内部细观结构变化、裂纹扩展的有效手段。目前，许多学者利用CT技术进行了混凝土细观破损过程的研究[1-10]，但由于与CT配套的专用加载设备的限制，以及试样拉伸破坏时间持续短很难捕捉到破损全程等原因，研究大都集中在混凝土压缩荷载条件下的细观破损过程, 而对混凝土拉伸荷载条件下细观破损过程研究得非常少。

笔者从混凝土细观结构入手进行了二级配混凝土试样在静力、动力拉伸条件下的CT试验。以CT扫描图像及兴趣区CT数均值的分析为基础，对混凝土拉伸荷载条件下细观破损过程进行研究。

1 试验条件与方法
1.1 试验条件

试验中将制备的18个试样分为2大组，每组各9个试样分别进行静力和动力拉伸CT试验，选取其中的典型试样结果进行分析, 所有试样的规格及各指标参数如表 1所示。

表 1 试样制备 Table 1 The information of specimen

扫描设备采用三峡大学仁和医院PHILIPS brilliance 16排螺旋CT机，具体CT机性能与参数如表 2所示。

表 2 扫描设备 Table 2 The information of CT machine

1.2 加载与扫描过程

试验采用新研制的实时动态加载仪，该设备可实现对混凝土材料的静力、动力加载，尤其是可以进行动力拉伸加载，并在加载过程中与医用CT配套进行实时扫描[11-12]，加载设备如图 1所示。

图 1 CT机与加载设备图 Fig. 1 CT and loading apparatus

试验前先进行粘样，然后将试样安装在便携式混凝土CT试验加载设备中，并将加载设备放入CT床上，对试样进行加载扫描，如图 1所示。

2 试验结果与分析

通过对静力、动力拉伸荷载条件下的CT试验中多个试样破坏形态、破坏特征的观察可以发现：静力拉伸荷载条件下试样中的裂纹在界面形成后逐渐往相邻的薄弱部位扩展，破坏时试样的破裂面均较平整，基本是平行于试样横断面，同时，有部分骨料被拉断；而动力拉伸荷载条件下试样中的裂纹从界面形成后沿最快的路径扩展，破坏时破裂面大都更加平整，也基本是平行于试样横断面，且破坏后多数骨料沿界面脱离粘结，断口出现了较多的新鲜骨料。以试样CONC048和CONC041为典型代表对混凝土材料在静、动力拉伸荷载条件下的细观破损过程进行详细分析。

2.1 混凝土静力拉伸荷载条件下CT试验

试样编号为CONC048，设定的加载过程为：先荷载控制，速率0.2 kN/s，加至15 kN，对应位移0.23 mm，后改位移控制，速率0.002 mm/s，加至0.52 mm，试样破坏，对应荷载31.68 kN，加载曲线如图 2所示。

图 2 荷载位移曲线 Fig. 2 Curve of relation between load and displacement

试验中扫描点均发现曲线有下弯趋势，分析其原因是由于试样残余应力、粘结试样胶水松弛应力等引起的荷载下降。

2.1.1 试验结果

试样每次扫描48个断面，共进行了6次扫描，由于扫描断面较多，限于篇幅仅给出具有代表性的试样扫描断面的图像进行分析，扫描断面图像随应力变化的顺序排列如图 3所示，破坏后的照片见图 4。

图 3 CONC048纵断面随应力变化的CT图像 Fig. 3 Vertical section under different stress of CT image

图 4 破坏后数码相片 Fig. 4 The digital picture of concrete failure

2.1.2 试验结果分析

从图 3及图 4中可以看出，破坏面基本平行于试样横断面。前期加载阶段，从图中很难发现微裂纹的萌生、扩展过程。但是，从最后的破坏图中可以发现：裂纹只在骨料与砂浆的界面薄弱区域形成，并逐渐往相邻薄弱部位扩展，试样破坏后，破裂面相对平整，断口处有少量新鲜骨料出现，如图 4中圈点所示；试样最终破坏时会形成一条贯穿的宏观主裂纹，宏观主裂纹的形成会加速其周边应变能的释放。同时，由于有效抗拉面积减小在其尖端引起更高程度的应力集中，在客观上抑制了其它裂纹进一步的发展。

正如以上所分析，混凝土试样在静力拉伸破坏时，裂纹往往出现于横断面上(垂直于加载方向)，并最终形成一条宏观裂纹，若采用各种图像处理方法实际上很难准确分析出裂纹区域的图像变化特点，因此，利用兴趣区域CT数均值分析的方法研究混凝土在拉伸荷载条件下的细观破损过程。

首先选定兴趣区域，即整体统计区域与局部统计区域。局部统计区域是试样裂纹萌生、扩展最密集的破坏区域，此区域也称为裂纹敏感区[13]；试样破坏时，局部统计区域中的断口部位会出现一条贯穿的暗色低密度带，通过CT扫描断面图以及试样破坏数码图即可判断出局部统计区域的选取范围。而整体统计区域的分析可以从整体上把握加载时试样内部的变化，并可以与局部统计区域进行相应的对比。

图 5(a)为选取兴趣区示意图，直角矩形区域为整体统计区域，长度和高度均应尽可能多地覆盖试样纵断面；而弯角矩形区域为局部统计区域，应能覆盖纵断面裂纹区域。由于试样断口处接近端部，肉眼区分度较低，因此，对局部统计区域进行了一定放大，如图 5(b)所示。

图 5 CONC048兴趣区域的选取 Fig. 5 ROI of CONC048

选取试样CONC048的扫描断面的局部统计区域和整体统计区域的CT数均值进行分析。其中局部统计区域CT数均值表示扫描断面上裂纹区域(弯角矩形)内CT数的平均值。而整体统计区域CT数均值表示扫描断面上接近全断面区域(直角矩形)内CT数的平均值。所有CT数均值由ENVI图像处理软件统计得到。

从局部统计区域的CT数均值变化曲线图 6可以看出，静力拉伸荷载条件下，加载初期，混凝土试样局部统计区域CT数均值缓慢下降，随着荷载的增加，CT数均值减小的幅度明显加快，加载后期局部统计区域的CT数均值一直呈递减的趋势，直至减小到试样发生破坏。而后期加载过程只是一个残余强度发挥的过程，促使微裂纹贯通形成宏观裂纹。当试样发生破坏时，由于在试样局部统计区域存在一条贯穿的宏观裂纹，因此，局部统计区域CT数均值出现了陡降段。

图 6 兴趣区局部统计区域CT数均值变化曲线 Fig. 6 Variation of the mean CT numbers in small statistical region

将图 6与图 7对比可以发现，在初始加载阶段，两个统计区域的CT数均值变化趋势较一致，说明此时段内，混凝土试样的各部分CT数均值同步发展。在继续加载的过程中，混凝土试样整体统计区CT数均值变化不明显，而局部统计区域CT数均值变化显著，这说明混凝土在静力拉伸条件下，局部统计区域的CT数变化较整体统计区域敏感的多，局部统计区域的损伤发生较早。

图 7 兴趣区整体统计区域CT数均值变化曲线 Fig. 7 Variation of the mean CT numbers in large statistical region

2.2 混凝土动力拉伸荷载条件下CT试验

试样制备、加载仪器、CT机等与1.2节相同。仍采用二级配混凝土圆柱体试样进行动力拉伸CT试验。

试样编号为CONC041，动力拉伸加载波形为正弦波，加载频率1 Hz，先荷载控制，加载中逐渐加大振幅。扫描时停止加载，但不卸载。加至15 kN后改位移控制，增幅0.01 mm/s，位移加至0.5 mm时试样破坏。循环荷载随时间的变化曲线方程如式(1)所示，加载曲线如图 8所示。

图 8 CONC041荷载时间曲线 Fig. 8 Curve of load-time

$ F{\rm{ = }}{A_i}\sin \left( {2{\rm{\pi }}ft} \right) $ (1)

式中：Ai为循环幅值；f为循环频率。

2.2.1 试验结果

试样每次扫描48个断面，共进行了4次扫描。同样，本文只给出具有代表性的试样扫描断面图像进行分析，扫描断面图像随应力变化的顺序排列如图 9所示，破坏后的照片见图 10。

图 9 CONC041纵断面随应力变化的CT图像 Fig. 9 Vertical section under different stress of CT image

图 10 CONC041破坏后数码相片 Fig. 10 The digital picture of concrete failure

2.2.2 试验结果分析

从图 9及图 10可以看出破裂面靠近试样的上部，裂纹仍然是从界面薄弱区域形成，追随最快的路径扩展，破坏后多数骨料沿界面脱离粘结，并且表面有少量剥落碎片出现，破裂面更加平整。动载下由于加载速率的提高，断口处有较多的新鲜骨料出现，如图 10中圈点所示，骨料被拉断的比例显著增大，属于一种瞬时爆发性断裂破坏。

图 11为选取兴趣区的示意图，与上节的选取方法相同，直角矩形区域为整体统计区域，而弯角矩形区域为局部统计区域。图 12为兴趣区局部统计区域CT数均值变化曲线，图 13为兴趣区整体统计区域CT数均值变化曲线。

图 11 CONC041兴趣区域的选取 Fig. 11 ROI of CONC041

图 12 兴趣区局部统计区域CT数均值变化曲线 Fig. 12 Variation of the mean CT numbers in small statistical region

图 13 兴趣区整体统计区域CT数均值变化曲线 Fig. 13 Variation of the mean CT numbers in large statistical region

从图 12可以看出，加载初期，混凝土试样局部统计区域附近的CT数均值出现了缓慢的下降，而在应力增至接近破坏应力时，CT数均值下降幅度有所增加；当试样破坏时，由于局部统计区域的CT数均值对宏观裂纹的萌生扩展反映敏感而出现了一定的降低。

从图 13可以看出，从初始扫描到试样破坏混凝土整体统计区域CT数均值的变化均较小，虽出现了一定的下降过程, 但是变化不明显，变化幅度也明显小于静拉试验。其主要原因是：1)混凝土动力拉伸试验过程中破裂持续时间非常短暂，裂纹一出现即伴随着破裂的发生，而整体统计区域内CT数均值是全断面区域CT数的一个均化，因此，对裂纹的快速出现反映非常迟缓，造成整体统计区域CT数均值无法及时准确反映出试样密度的变化。2)由于CT扫描成本极高，目前试验中扫描断面数量仍偏少，因此，在对包含裂纹的扫描断面的数据统计也存在着一定误差。

3 结论

1)通过对兴趣区域分区的CT数以及扫描图像的分析，研究了混凝土材料在静、动拉伸荷载条件下的破损过程。其中，两者裂纹均形成于界面等薄弱区域；破坏时，破裂面都较平整，随着加载速率的提高，骨料被拉断的数量增多。然而裂纹的扩展受到加载速率的影响，静力荷载下，裂纹的扩展追随薄弱面，而动力荷载下，裂纹的扩展追随最快发展路径。实际上是由最小耗能向最快耗能的一种转变。

2)目前，在进行静力拉伸和动力拉伸CT试验中，主要是通过实时观察宏观荷载位移曲线和预估强度来决定扫描时机，存在着较大的扫描误差。因此，如何准确的把握扫描时机，获得细观裂纹演化图像将是下一步重点开展的工作。

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