黨發(fā)寧，雷光宇，丁衛(wèi)華，李 騫

（西安理工大學巖土工程研究所，西安 710048）

混凝土細觀結(jié)構(gòu)動態(tài)力學特性CT試驗研究

黨發(fā)寧，雷光宇，丁衛(wèi)華，李 騫

（西安理工大學巖土工程研究所，西安 710048）

混凝土材料在動載作用下具有與靜載不同的特性。從實時CT掃描試驗出發(fā)，以素混凝土圓柱體試樣為研究對象，分析了正弦波動壓和動拉荷載作用下，混凝土的細觀結(jié)構(gòu)變化對動態(tài)力學特性中諸如強度、變形和破損形態(tài)的影響。通過CT差值圖像研究，得出動壓荷載作用下混凝土裂紋具有發(fā)展迅速，破壞過程短，破壞裂紋多，破壞面積大等特點；通過CT數(shù)等密度分割圖研究，得出動拉荷載作用下混凝土微裂紋突然合并形成一條主裂紋貫穿試件，試件突然斷裂；通過加載過程中CT數(shù)變化規(guī)律研究，得出動壓荷載作用下混凝土的密度經(jīng)歷了一個先增大后減小的過程，試件經(jīng)歷了壓密、擴容、裂紋貫通直至最后破壞的過程，而動拉荷載后試件的密度持續(xù)減小直至斷裂，荷載初期無壓密現(xiàn)象?；炷猎嚰纬蓡挝幻娣e的壓、拉裂紋面所需的能量基本相同，形成單位面積的動力裂紋面所需的能量略大于靜力裂紋面所需能量?；炷羷訅骸永膽顟B(tài)不同，導致其破壞程度不同，所形成的裂紋面積不同，所需的總能量也不同，最終導致測定的強度不同，應力狀態(tài)不同是動壓、動拉強度差異的根本原因。

混凝土材料；CT試驗；動力荷載；圖像處理；破壞形態(tài)

強烈地震作用下混凝土高拱壩的動力反應和破壞過程極其復雜，大壩結(jié)構(gòu)的抗震設計是否安全、合理，不僅取決于地震動輸入的合理性和抗震動力分析方法的正確性，而且還取決于設計采用的大壩混凝土材料的動態(tài)力學特性。

近年來，隨著近代力學和計算技術(shù)的發(fā)展，大壩結(jié)構(gòu)的抗震動力分析取得了重大進展；隨著試驗設備和測試技術(shù)的發(fā)展與提高，使得大壩結(jié)構(gòu)動力模型試驗能較為合理地模擬各種影響因素。相對而言，對于影響高拱壩抗震安全關(guān)鍵因素的大壩混凝土的動力特性研究要滯后的多，進展很小，還存在不少基礎性問題需要進一步探索和深化研究［1－2］。同時，對混凝土動力特性的研究主要集中在應變速率對混凝土強度的影響上，從細觀結(jié)構(gòu)上研究混凝土變形破壞的資料相對少一些［3－5］。馬懷發(fā)等［6］總結(jié)了混凝土材料動態(tài)力學性能的基本規(guī)律，提出了動載作用下混凝土材料變形滯后所產(chǎn)生的損傷滯后最終表現(xiàn)為應變率強化效應。Harris等［7］從混凝土壩中取芯進行靜動力試驗，得到了地震作用下混凝土的抗壓、抗拉強度平均增加7%、14.3%的結(jié)果；劉傳雄等［8］利用SHPB裝置對混凝土試樣進行了動態(tài)壓縮試驗，借助高速攝影裝置獲得了試樣的變形與破壞過程，得到在動態(tài)壓縮強度附近應力區(qū)，材料表面先出現(xiàn)一條沿試樣軸向的可見宏觀裂紋，而多條主裂紋的形成與擴展才導致材料的最終破壞；李慶斌等［9］在線彈性斷裂力學基礎上，提出了一種可以解釋混凝土抗拉率效應的斷裂力學模型，得出從細觀角度來看混凝土的強度是材料的固有屬性，與加載速率無關(guān)等重要結(jié)論。

近幾十年的研究工作中，對混凝土動力特性的研究主要基于室內(nèi)試驗以及數(shù)值試驗來研究它的應力應變關(guān)系和破壞形態(tài)［10－11］，很難觀測加載過程中試件內(nèi)部材料及結(jié)構(gòu)發(fā)生的細微變化，目前，CT掃描技術(shù)是無損檢測混凝土材料內(nèi)部受力變化的一種有效方法。Buyukozturk［12］通過對基于X射線或γ射線法的CT方法、熱紅外線法、微波法、聲發(fā)射法等的對比，發(fā)現(xiàn)混凝土CT圖像內(nèi)骨料、砂漿、孔洞等組分清晰可見，認為X射線CT是研究混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有效方法。陳厚群等［13］開展了用醫(yī)用X射線CT實時監(jiān)測受靜力壓縮混凝土內(nèi)部細觀裂紋萌生、擴展、連通過程的試驗，從理論上提出細觀裂紋寬度的計算方法；黨發(fā)寧等［14］將破損演化理論應用于混凝土CT圖像的定量分析，利用完整度和破損度的變化分析試樣各點的強度變化，解決了CT數(shù)分布范圍廣、不利于定量分析的問題。以上研究均為靜態(tài)載荷下的CT掃描試驗。田威等［15］研制了可在醫(yī)用CT機上進行動態(tài)加載的設備，首次實現(xiàn)了動態(tài)實時CT掃描試驗，初次實現(xiàn)對一、二級配中混凝土內(nèi)部細觀裂紋的實時觀測［16］。

本文從CT試驗出發(fā)，利用自行研制的便攜式CT試驗加載機，進行了動力荷載作用下的拉、壓實時CT掃描，從混凝土細觀結(jié)構(gòu)入手，根據(jù)和CT數(shù)的變化研究混凝土在動態(tài)荷載作用下強度及破壞發(fā)生的內(nèi)在機理。

1 混凝土CT實時試驗動力加載系統(tǒng)

混凝土CT指采用X射線CT技術(shù)對室內(nèi)混凝土樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行無損觀察和研究。一般是對標準混凝土試件沿高度分層掃描，每層厚0.3 mm，所能觀測到的裂紋稱為CT尺度裂紋。目前混凝土力學CT研究的主要成果表現(xiàn)為對室內(nèi)靜力條件下的試樣進行CT尺度裂紋演化的全過程觀測，可識別的最小裂紋寬度在0.01 mm量級。

本課題成功研制出適合CT掃描用的動力加載設備，是國內(nèi)外迄今已知的第一臺同類型設備，可在醫(yī)用CT機上進行巖石、混凝土的動力拉、壓載荷試驗。材料試驗機的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該儀器具有結(jié)構(gòu)輕巧，便于移動，安裝試樣方便，可施加拉、壓動力荷載、運行平穩(wěn)等優(yōu)點。圖2是混凝土動力加載CT試驗的全貌。

圖1 CT掃描用的動力加載設備結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure diagram of dynamic loading equipment for CT scanning

圖2 CT機及動力加載儀器系統(tǒng)全貌Fig.2 The panorama of CTmachine and dynamic loading instrument

2 試驗方案

2.1 混凝土試樣的制作

根據(jù)大崗山混凝土拱壩的實際配方要求，分別制作了一級配濕篩小試件與二級配濕篩大試件，濕篩小試件的規(guī)格為Φ60 mm×120 mm的圓柱體，二級配濕篩大試件的規(guī)格為Φ150 mm×300 mm的圓柱體，養(yǎng)護齡期10個月。

2.2 試驗加載方案

首先根據(jù)加工好的試件的平均強度，設定加載速率。一般采用先施加荷載控制，再施加位移控制的加載方式，意在加載初期階段，采用荷載控制的方式，當加至接近材料的強度值之前改為位移控制，這樣是為了合理的控制試件破壞前后的裂紋發(fā)育。

本試驗機提供的動態(tài)加載波形有正弦波、余弦波、方形波、三角波等，一般選用正弦波加載，如圖3所示。

圖3 正弦波形式的動態(tài)加載波形Fig.3 The dynamic loading waveform of sine wave

動壓試驗以二級配濕篩大試件conc10試樣為例，加載頻率為1 Hz，加載周期為3 s，先荷載控制，增幅1 kN，至30 kN改位移控制，增幅0.01 mm，每增0.05 mm自動停頓一次，加載至0.7mm時試件斷裂，破壞應力為37 MPa。動拉以二級配濕篩大試件conc41試樣為例，加載頻率為1 Hz，加載周期為3 s，先荷載控制，增幅1 kN，至15 kN改位移控制，增幅0.01 mm，每0.05 mm自動停頓一次。加載至0.5 mm時試件斷裂，破壞應力為4.1 MPa。

2.3 CT掃描試驗步驟

先進行掃描前的準備工作，主要包括試樣的取樣、對中，安裝。當前期準備工作完成后，連接儀器，把試件放在CT機上，進行加載掃描。首先，進行未加載前的初始狀態(tài)掃描；然后進行荷載控制的分步加載，并同步進行各次掃描，隨后轉(zhuǎn)為位移控制加載，為保持應力應變曲線的斜率相同，在設定位移控制的速率時，需根據(jù)前階段荷載控制的速率確定位移加載幅值，與前階段的應力應變曲線斜率保持一致。位移控制加載階段掃描時機秉承兩個原則，①加載至接近材料強度時，根據(jù)情況適時停頓加載進行掃描；②應力應變曲線有下降趨勢時，保持位移不變進行掃描。最后，直到試件斷裂，停止掃描。

3 CT掃描試驗結(jié)果分析

3.1 分析方法

混凝土CT圖像的優(yōu)點在于可以顯示其內(nèi)部的細觀裂紋，因此，混凝土CT的主要研究對象就是進行CT圖像分析。本文主要從等密度分割圖、差值圖等不同的圖像分析方法入手對混凝土CT圖像進行分析，深入地挖掘包含在圖像中的豐富信息，利用這些信息對細觀混凝土動態(tài)力學特性進行研究，最大限度的利用CT圖像資源。

為了突出某一密度等級的色調(diào)，即將圖像的色調(diào)密度劃分成若干個等級，并用不同的顏色分別表示不同的密度等級，得到一副彩色的等密度分割圖像。CT掃描斷面圖的等密度彩色圖像有較明顯變化，重點對砂漿區(qū)域的變化進行分析。

對同一斷面不同應力階段的兩幅CT圖像進行差值運算，即同樣位置的像素點CT值相減，得到差值圖像，差值圖像之所以能較好地顯示裂紋影像，在于相對于前一幅CT圖像來說，只有裂紋萌生、擴展的部位像素的CT數(shù)明顯降低，而其余部位像數(shù)點的CT數(shù)無明顯變化，因此在差值圖像中只有裂紋產(chǎn)生或擴展部位形成線形或環(huán)形影像，其余部位的像素差值絕對值較小，呈現(xiàn)隨機變化。與相應的破壞后的灰度CT圖像相比，裂紋更加清晰，并且CT圖像中不能確定的裂紋也得到確認。原因是差值圖像中的線狀或環(huán)狀陰影就是材料損傷大小的直觀表現(xiàn)，并且裂紋影像得到增強。

3.2 動壓荷載下破壞過程分析

以二級配濕篩大試件conc10試樣為例，圖4為試件在動壓荷載作用下的CT圖像及差值圖像。從圖中看出，第一幅為原始圖像，能看到試件骨料的位置；中間兩幅為加載初期進行了差值運算的CT圖像，兩幅圖像幾乎沒有什么區(qū)別，骨料經(jīng)差值運算已經(jīng)顯示不出來，微裂紋還未形成，所以整個圖像就如同一個均質(zhì)體圖；隨著加載的繼續(xù)，第4幅差值圖像可以很清楚的看到裂紋的發(fā)展方向以及破壞位置，可以看出，與靜力加載破壞過程相比，在動力荷載作用下，裂紋發(fā)展迅速，破壞過程短，破壞裂紋多，破壞面積大，CT掃描可以較準確的追蹤到裂紋萌生、發(fā)展以及完成破壞這樣一個完整的過程。

圖4 動壓荷載下不同加載階段的CT差值圖像Fig.4 The CT difference value images under different dynamic pressure loading

從CT差值圖像上無法清楚地觀察到試件未破壞前發(fā)生的變化，主要是因為CT掃描中很難準確地捕捉到試件發(fā)生破壞前的時刻，但是，由于受到動力的作用，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了一些細微的變化，比如材料密度的改變。因此可以從CT數(shù)的變化角度分析材料內(nèi)部損傷演化規(guī)律，從圖5中CT數(shù)在不同加載階段的變化分析，看出共進行了4次掃描，當試件未承受荷載時，進行了第一次掃描，CT數(shù)大小為2 589HU；當施加荷載后，CT數(shù)為2 592HU，CT數(shù)增大，說明在動壓的作用下，材料的密度增大，試件經(jīng)歷了一個壓密的過程；隨著繼續(xù)增大荷載，CT數(shù)又減小為2 562HU，同時小于未加載前的CT數(shù)，說明了在動壓荷載達到一定值時，材料內(nèi)部的微裂紋開始出現(xiàn)，材料密度減小，試件發(fā)生擴容；隨著繼續(xù)增加荷載，CT數(shù)急劇減小，為2 504HU，說明了材料內(nèi)部的裂紋擴大，貫通，試件發(fā)生了破壞。從動壓荷載作用下混凝土試件的CT數(shù)變化來看，混凝土的密度經(jīng)歷了一個先增大后減小的過程，試件經(jīng)歷了壓密、擴容、裂紋貫通直至最后破壞的過程。從掃描CT圖和混凝土破壞后的形態(tài)看，動壓作用下，試樣破壞時多個部位同時有裂紋產(chǎn)生，穿過骨料現(xiàn)象增多，破壞速度較快，裂紋起裂、演化具有突發(fā)性，破壞面積大，這說明了動力荷載作用下裂紋追隨能量最快路徑發(fā)展，與靜力作用下裂紋沿結(jié)構(gòu)軟弱面發(fā)展不同。試件從中間壓斷，斷裂面凹凸不平，呈擠壓剪切破壞，破碎面積比較大，有部分骨料發(fā)生斷裂，如圖6所示。

圖5 動壓荷載下不同加載階段CT數(shù)變化圖Fig.5 The CT number variation under different dynamic pressure loading

圖6 動壓荷載下試件破壞圖Fig.6 The failure of sepcimen under dynamic pressure loading

3.3 動拉荷載下破壞過程分析

以conc41試樣為例，圖7為試件在動拉荷載作用下的CT數(shù)等密度分割圖，圖中色彩對比明顯，綠色表示砂漿，白色代表骨料，黑色是孔洞。通過等密度分割可以更清楚的看出各個材料在受力過程中所發(fā)生的變化。從前3次掃描圖中可以看出，試件在荷載的作用下，并未發(fā)生明顯變化，最后一幅圖，一條黑色的線條貫穿試件，有部分穿過骨料，試件破壞。說明了混凝土試件在受到動拉荷載時，微裂紋突然合并形成一條主裂紋貫穿試件，試件突然斷裂，從CT圖中很難追蹤到破壞發(fā)生的先兆，破壞是由一條主裂紋貫穿試件形成的。

圖7 動拉荷載下不同階段CT等密度分割圖Fig.7 The CT isodense segmentation maps under different dynamic tensile loading

圖8 動拉荷載下不同加載階段CT數(shù)變化圖Fig.8 The CT number variation under different dynamic tensile loading

圖9 動拉荷載下試件破壞圖Fig.9 The failure of sepcimen under dynamic tensile loading

從CT等密度分割圖中很難觀測到試件在破壞前發(fā)生的變化。分析動拉荷載作用下材料密度的變化，從圖8的CT數(shù)在不同加載階段的變化可以看出，對試件共進行了4次掃描，當未加載時，進行初次掃描，CT數(shù)大小為2 620HU；當施加動拉荷載后（圖9），進行掃描，CT數(shù)大小為2 610HU，說明在受到動拉荷載后，試件的密度減小，沒有出現(xiàn)動壓荷載初期的壓密現(xiàn)象，經(jīng)歷了與動壓荷載不同的受力變形過程；隨著荷載的持續(xù)增大，試件內(nèi)部損傷逐漸積累，微裂紋逐漸形成，密度不斷減??；當進行第三次掃描時，CT數(shù)為2 595HU；繼續(xù)增大荷載，試件微裂紋貫通，形成宏觀裂縫，試件發(fā)生破壞，此時，CT數(shù)為2 500HU，減小幅度最大，說明在加荷的最后一步，試件瀕臨破壞，內(nèi)部損傷達到最大。從CT掃描圖和混凝土破壞后的形態(tài)觀察，動拉荷載作用下，破壞是由一條貫穿試件的主裂紋形成，破壞突然，裂縫穿過骨料，斷裂面平整，完全水平，周圍斷口整齊，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞。

3.4 混凝土材料動力破壞機理探討

文獻［17］提出了計算試件破裂面積及破壞能量的方法，并計算了靜壓和靜拉作用下試件的破壞面積和破壞能量，結(jié)果如表1所示。

表1 CT靜壓、靜拉試件的破壞面積和破壞能Tab.1 Dam age aread and damage energy of static pressure and static tensile sam p les

從表1可以看出，在靜態(tài)拉、壓荷載作用下，混凝土抗壓強度是抗拉強度的10倍，而二者單位面積的破壞能卻基本相同，說明了無論是靜壓還是靜拉試驗，試件破壞時單位破壞面上消耗掉的能量是一個定值，說明混凝土試件在不同條件的載荷作用下的強度不同是由于不同應力狀態(tài)引起的，應力狀態(tài)不同導致裂紋起裂的位置、裂紋的發(fā)展方向、發(fā)展路徑不同，宏觀反應出其破壞面積不同，而混凝土材料在其破壞時形成單位面積的裂紋所需的能量基本相同，那么試件破壞時破壞面積越大，其破壞能就越大，材料儲存能量越多及破壞時可釋放能就越大，試件的強度就越大。

依據(jù)文獻［17］的方法，本文計算了動壓和動拉作用下混凝土試件的破壞面積和破壞能量，如表2所示。

表2 CT動壓、動拉試件的破壞面積和破壞能Tab.1 Damage aread and damage energy of static pressure and static tensile samples

結(jié)合表1的數(shù)據(jù)，從表2中可以看出，試件受動壓時的破壞強度最大，其次為靜壓，受到靜拉時的破壞強度最?。粍訅汉奢d作用下的破壞面積最大，其次為靜壓，動拉和靜拉的破壞面積基本相同。形成單位面積破裂面所消耗的破壞能，動拉和動壓的基本相同，兩者大于靜力荷載作用下的單位面積破壞能，這主要是因為在動力荷載作用下，裂紋會穿過骨料，造成強度的增大需要消耗更多的能量。

動壓荷載作用下，破壞時的裂紋多，有彌散分布于試件內(nèi)的趨勢，斷裂層面中骨料斷裂點多；破壞是由多條裂紋相互貫通形成的；動拉荷載作用下，由于能量的突然釋放，造成裂紋在極短的時間內(nèi)突然萌生，擴展并融合，造成裂紋穿過骨料，破壞是由一條主裂紋貫通試件形成的，破壞后的兩段試件各自完整，混凝土表面完好。由動壓和動拉的破壞來看，動力作用下，細觀裂紋生成和發(fā)展的速度快，在極短的時間內(nèi)，由于能量來不及釋放，所以裂紋追隨能量釋放最快路徑發(fā)展，而不是沿最弱斷面發(fā)展，穿過骨料現(xiàn)象增多，強度得到充分發(fā)揮，導致動態(tài)強度增大。

從細觀破壞過程來看，動壓荷載作用下，CT數(shù)的變化反映了試件經(jīng)歷了壓密、擴容、裂紋擴展和破壞這幾個發(fā)展過程，動拉作用下，CT數(shù)的變化說明各加載階段內(nèi)部大量的微裂紋相互擴展、貫通直至破壞的過程，試件沒有經(jīng)歷CT數(shù)增加過程，材料的密度經(jīng)歷了一個持續(xù)減小的過程。

混凝土試件在動壓、動拉時的應力狀態(tài)不同，導致其破壞程度不同，所形成的裂紋面積不同，所需的總能量也不同，最終導致測定的強度不同，應力狀態(tài)不同是動壓、動拉強度差異的根本原因。

4 結(jié) 論

長期以來，混凝土材料的動態(tài)力學特性研究主要采用宏觀力學試驗方法。本文采用X射線CT技術(shù)研究混凝土在動態(tài)壓、拉荷載作用下的破裂過程。結(jié)果表明：

（1）混凝土在動態(tài)荷載作用下，能量釋放的快，在極短時間內(nèi)產(chǎn)生比較大的能量不易找到材料的最薄弱部位去消散，使得內(nèi)部微裂紋來不及沿著薄弱區(qū)擴展，導致微裂縫沿直線傳遞，穿過骨料，出現(xiàn)骨料的較大面積斷裂，這是混凝土動強度高于靜強度的根源。

（2）動壓作用下的起裂點多，破壞面積大，破壞是由多條裂紋相互貫通形成的；動拉作用下的破壞是由一條主裂紋貫通試件產(chǎn)生的，破壞后的兩段試件各自完整，混凝土表面完好，裂紋面小，這是混凝土壓強度高于拉強度的根源。

（3）混凝土材料破壞面積的大小決定了破壞耗能的多少，而破壞耗能的多少決定了破壞強度的大小。

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CT tests for dynamic behavior of concrete with mesoscopic structure

DANG Fa-ning，LEIGuang-yu，DINGWei-hua，LIQian
（Institute of Geotechnical Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，China）

Concrete material under dynamic loads has different characteristics comparing with those under static loads.Here，CT tests of concrete material were investigated taking，plain concrete specimens under dynamic loading as study objects.The effects of concretemeso structure change on itsdynamic characteristics，such as，strength，deformation and damagemorphology under the sine wave dynamic pressure and dynamic tensile load were analyzed.Through studying CT difference images，itwas shown that cracks in concrete under compressive loads grow rapidly，their failure process is short，failure cracks havemany，damage area is large，etc.Through CT number equidensity segmentation image study，it was shown that under dynamic tensile loading，concretemicro cracks suddenlymerge to form amain crack passing through the specimen，the specimen breaks suddenly.Through studying the CT number change law in loading process it was shown that the concrete density decreases after a first increase under the dynamic compressive loads，specimens experience a process of compaction，expansion，crack coalescence until final failure，and under the dynamic tensile load the specimen density continuously drops until its fracture，early without compaction；different stress states of concrete under dynamic compressive loads and dynamic tensile loads lead to its different damage levels，different crack areas formed，different total energy required，and its different strengths neasured finally；different stress states are the essential cause to cause the difference between dynamic tensile strength and dynamic compression one.

concretematerial；CT test；dynamic load；image process；failuremode

TU37

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.24.010

水利部公益性行業(yè)科研專項（201201053－03）；陜西省黃土力學與工程重點實驗室重點科研計劃項目（09JS103）；西安理工大學博士基金（106－211107）

2013－11－01 修改稿收到日期：2014－01－09

黨發(fā)寧男，博士，教授，1962年生