田威，韓女, 張鵬坤

(長(zhǎng)安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安，710061)

基于CT技術(shù)的混凝土孔隙結(jié)構(gòu)凍融損傷試驗(yàn)

田威，韓女, 張鵬坤

(長(zhǎng)安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安，710061)

運(yùn)用電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)技術(shù)對(duì)經(jīng)歷凍融循環(huán)后的混凝土試樣細(xì)觀損傷過程進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，獲得二維斷層掃描圖像。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用圖像處理技術(shù)對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建，得到不同凍融循環(huán)次數(shù)下試樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的空間分布特征與演化規(guī)律，以此分析孔隙結(jié)構(gòu)與單軸抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。運(yùn)用分形理論對(duì)凍融環(huán)境下試樣孔隙結(jié)構(gòu)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系進(jìn)行定量化描述。研究結(jié)果表明：試樣內(nèi)部孔隙的結(jié)構(gòu)分布特征和演化規(guī)律與其力學(xué)性質(zhì)和宏觀破損特征密切相關(guān)。在凍融循環(huán)作用下，混凝土孔隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大，并與單軸抗壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)；混凝土試樣孔隙盒維數(shù)呈現(xiàn)初期降低后期增加的變化規(guī)律，即在孔隙結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展經(jīng)歷了復(fù)雜無(wú)序—單一有序—復(fù)雜無(wú)序的演化過程。

混凝土；凍融循環(huán)；CT技術(shù)；三維重建；盒維數(shù)

混凝土是一種應(yīng)用廣泛的非均質(zhì)復(fù)合人工材料，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部含有大量隨機(jī)分布的微孔隙、微裂紋等初始缺陷。這些內(nèi)部存在的初始缺陷的逐步擴(kuò)展貫通是導(dǎo)致混凝土材料失穩(wěn)破壞的主要原因。而在凍融環(huán)境下，由于試樣內(nèi)部的孔隙水和凍脹力的聯(lián)合作用，使得試樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的特征不斷發(fā)生變化。由此可見，凍融環(huán)境下混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的分布和演化規(guī)律與其宏觀斷裂破壞和失穩(wěn)變形緊密相關(guān)。因此，分析凍融環(huán)境下混凝土材料的孔隙結(jié)構(gòu)的特征對(duì)于研究混凝土試樣破損機(jī)理具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。此前，國(guó)內(nèi)外研究者運(yùn)用各種測(cè)試方法開展了凍融環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)中孔隙對(duì)強(qiáng)度以及破壞機(jī)理影響的研究[1?6]。而CT掃描作為一種無(wú)損的檢測(cè)手段，為在孔隙尺度上研究材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)提供了一種有效的方法。CHEN等[7]通過 CT技術(shù)研究了凍融環(huán)境下噴射混凝土中微孔隙隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律。PROMENTILLA等[8]以CT掃描為基礎(chǔ)通過圖像處理技術(shù)得到了不同凍融循環(huán)次數(shù)下不同類型水泥砂漿的孔隙分布規(guī)律。KIM等[9]將CT掃描技術(shù)和掃描電鏡技術(shù)相結(jié)合，研究了不同溫度下水泥基材料孔隙結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，并建立了孔隙結(jié)構(gòu)變化和宏觀物理力學(xué)性能之間的關(guān)系。以上研究工作雖取得了一定進(jìn)展，但是目前應(yīng)用CT技術(shù)對(duì)混凝土材料在凍融環(huán)境下的孔隙結(jié)構(gòu)分布規(guī)律及其演化特征的研究仍然存在眾多不足：對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的研究多集中于二維孔隙結(jié)構(gòu)，只能反映出某一斷面的信息，丟失了較多的三維空間信息，無(wú)法直觀反映孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。另外，對(duì)于凍融環(huán)境下材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能關(guān)系的研究相對(duì)較少。為此，本文作者在凍融循環(huán)CT試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)試樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建，得出不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的分布特征和演化規(guī)律，并以此分析孔隙結(jié)構(gòu)變化與單軸抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。利用分形理論對(duì)孔隙隨凍融循環(huán)變化特征進(jìn)行定量描述，以便為深入研究?jī)鋈诃h(huán)境下混凝土材料孔隙結(jié)構(gòu)與其細(xì)觀破損機(jī)理以及宏觀斷裂破壞的關(guān)系提供參考依據(jù)。

1 凍融環(huán)境下混凝土CT試驗(yàn)與結(jié)果

1.1 試樣制備

試驗(yàn)采用大同冀東42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥和山西陽(yáng)高白登砂，骨料采用山西陽(yáng)高大王石料場(chǎng)石子，粒徑為5～30 mm。試驗(yàn)所用水為山西省飲用自來(lái)水。本次試驗(yàn)的對(duì)象是長(zhǎng)×寬×高為 100 mm×100 mm×100 mm的一級(jí)配混凝土立方體試樣。將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d，養(yǎng)護(hù)溫度為(20±2) ℃，相對(duì)濕度不低于95%?；炷林?，水泥、石子、砂子和水用量分別為362，1 180，663和145 kg/m3。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)方案

1) 為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將所有混凝土試樣分為 2大組試樣進(jìn)行平行試驗(yàn)，編號(hào)分別為 DR1和DR2。在DR1和DR2中取5組試樣(每組3塊)分別進(jìn)行0，25，50，75和100次凍融循環(huán)試驗(yàn)，編號(hào)為DR1-1，DR1-2，DR1-3，DR1-4和DR1-5。對(duì)達(dá)到特定凍融循環(huán)次數(shù)后的試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。預(yù)留2塊試樣并編號(hào)為DRCT1和DRCT2，當(dāng)其達(dá)到特定凍融循環(huán)次數(shù)后進(jìn)行CT 掃描。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法

凍融設(shè)備采用TDR?1型混凝土自動(dòng)快速凍融機(jī)。凍融試驗(yàn)方法按照GB/T 50082—2009“普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法”[10]中的“快凍法”進(jìn)行。試驗(yàn)前將試樣置于溫度為20 ℃的水中浸泡4 d，在試驗(yàn)過程中，試樣中心溫度應(yīng)分別控制在(?18±2) ℃和(5±2) ℃。每次凍融循環(huán)應(yīng)在4.0～4.5 h內(nèi)完成。

CT試驗(yàn)采用SIEMENS16排螺旋CT機(jī)。試驗(yàn)參數(shù)：電壓為120 kV，電流為300 mA。掃描方案：試驗(yàn)立方體試樣沿橫斷面以層厚0.5 mm進(jìn)行連續(xù)掃描，獲取 200幅二維斷層掃描 CT圖像，圖像長(zhǎng)×寬為1 024像素×1 024像素。沿試樣高度每隔20 mm選取1個(gè)典型掃描斷面圖像，如圖1所示。

混凝土單軸壓縮試驗(yàn)采用MTS WI?100型微機(jī)控制液壓伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。試驗(yàn)采用軸向位移控制，以10 mm/min的加載速率沿軸向施加荷載，直至試樣發(fā)生破壞。

1.3 凍融環(huán)境下CT試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2所示為CT數(shù)均值隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的曲線，其中CT數(shù)均值表示掃描斷面內(nèi)各像素點(diǎn)CT數(shù)的平均值。CT數(shù)均值由 ENVI圖像處理軟件統(tǒng)計(jì)得到。從圖2可以看出：不同掃描斷面的CT數(shù)均值變化均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而呈降低趨勢(shì)。在凍融循環(huán)初期，CT數(shù)均值減小的主要原因是：試樣中孔隙內(nèi)部水分的凝結(jié)對(duì)孔壁產(chǎn)生凍脹力，凍脹力的形成使得試樣原有的微孔隙、微裂紋逐步擴(kuò)展，即在初始損傷的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了新的損傷，因此，新?lián)p傷的出現(xiàn)導(dǎo)致混凝土試樣密度降低。在經(jīng)歷 75次凍融循環(huán)后，CT數(shù)均值降低趨勢(shì)明顯加快。這是因?yàn)樵嚇觾?nèi)部孔隙中存在的凍脹力不斷加大，試樣中的微孔隙、微裂紋快速擴(kuò)展融合，形成較大的孔隙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致混凝土試樣密度持續(xù)下降，從而使得CT數(shù)均值也隨之快速降低。在經(jīng)歷100次凍融循環(huán)后，CT 數(shù)均值大幅度降低，相比初始段降幅比例分別為13.8%，11.7%，11.9%，17.3%和16.6%。其主要原因是試樣中密度較大的骨料以及砂漿出現(xiàn)破損、脫落，試樣結(jié)構(gòu)變得疏松，導(dǎo)致密度大幅度降低，從而引起CT數(shù)均值大幅度降低。從圖1還可以發(fā)現(xiàn)：在凍融循環(huán)過程中，由于掃描斷面孔隙中的孔隙水含量存在差異，孔隙水對(duì)孔壁產(chǎn)生的凍脹力也不盡相同，因此，在凍融過程中，損傷程度也各不相同。

圖1 不同掃描斷面隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的CT圖像Fig. 1 Relationship of different CT images of scanning section with F-T cycle numbers

圖2 CT數(shù)均值隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線Fig. 2 Relationship of average CT numbers with F-T cycle numbers

2 凍融環(huán)境下混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)CT三維重建

利用三維圖像處理軟件MIMICS?中對(duì)CT掃描圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行增強(qiáng)處理，以便突出圖像中混凝土孔隙的信息，弱化骨料、砂漿等次要信息，使圖像質(zhì)量更好，有利于分析識(shí)別。通過 MIMICS?的 3D Histogram功能得到CT數(shù)對(duì)應(yīng)的體素?cái)?shù)量分布圖，如圖3所示。然后采用閾值方法提取各細(xì)觀結(jié)構(gòu)，其中孔隙閾值范圍設(shè)定為?1 023～1 320 Hu。

圖3 CT數(shù)均值?體素?cái)?shù)變化曲線Fig. 3 Relationship of average CT numbers with number of pixels curve

將提取的孔隙組織存放在一個(gè)蒙罩里，采用區(qū)域增長(zhǎng)，腔隙填充、編輯蒙罩等方法修改蒙罩中的像素，每層圖像經(jīng)以上編輯處理，去除冗余數(shù)據(jù)，經(jīng)Calculate 3D計(jì)算得到1個(gè)精細(xì)的混凝土三維孔隙實(shí)體模型，通過自編的圖像修改程序?qū)紫督Y(jié)構(gòu)進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理，盡量去除干擾信息，重建圖形后如圖4所示。從圖 4可以清晰地看到混凝土內(nèi)部真實(shí)的細(xì)觀孔隙結(jié)構(gòu)。

在體孔隙三維重建結(jié)構(gòu)中，對(duì)提取出的孔隙的體積像素?cái)?shù)和總體積像素?cái)?shù)進(jìn)行測(cè)量，定義體孔隙率為

式中：p為體孔隙率；孔V為CT三維體空隙重建圖像中孔隙所占總體積像素?cái)?shù)；孔總V為整個(gè)圖像的總體積像素?cái)?shù)。

不同凍融循環(huán)次數(shù)下試樣體孔隙率的變化如表 1所示，孔隙率與單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系如圖5所示。由表1和圖5可知：1) 體孔隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈增大趨勢(shì)，單軸抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小。這里需要指出的是：由于單軸壓縮試驗(yàn)為破壞性試驗(yàn)，平均單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)際上為組內(nèi)其他試樣達(dá)到特定凍融循環(huán)次數(shù)下強(qiáng)度平均值，而非試樣 DRCT1和 DRCT2的強(qiáng)度平均值，為方便比較，將數(shù)據(jù)一并列入表1中。2) 混凝土的孔隙率和單軸抗壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，孔隙率越小，其單軸抗壓強(qiáng)度越大；隨著孔隙率的增大，對(duì)應(yīng)的單軸抗壓強(qiáng)度的變化會(huì)逐漸趨于平緩。因此，凍融循環(huán)在很大程度上是通過改變材料的孔隙率來(lái)影響其強(qiáng)度的[11?12]。3) 當(dāng)經(jīng)歷75次凍融循環(huán)時(shí)后，混凝土的孔隙率約為4%，2個(gè)試樣的單軸抗壓強(qiáng)度值變化幅度均較大，說(shuō)明在該階段的凍融損傷過程中，混凝土中微孔隙、裂紋的萌生和擴(kuò)展速度加快。宏觀力學(xué)性能劣化速度也因此加快；當(dāng)經(jīng)歷 100次凍融循環(huán)后，孔隙率大于 5%時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度的變化幅度達(dá)到最大，表明混凝土試樣已經(jīng)出現(xiàn)宏觀性能破壞。

圖4 圖像孔隙結(jié)構(gòu)的三維重建Fig. 4 3D reconstruction of porous structure

表1 不同凍融循環(huán)次數(shù)下試樣孔隙率與單軸抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系Table 1 Relationships between fractal dimension and uniaxial compressive strength under different freezing-thawing cycles

圖5 孔隙率與單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig. 5 Relationship between porosity and uniaxial compressive strength

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，可得

式中：p為孔隙率，%；fc為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

3 凍融環(huán)境下混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的分形描述

分形理論是研究自然界不規(guī)則以及雜亂無(wú)章現(xiàn)象和行為的理論[13?14]，被用于材料的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)及其受力變形擴(kuò)展特性研究[12,15?17]。 LANGE 等[18?19]的研究表明：混凝土結(jié)構(gòu)中微觀缺陷(如孔洞、微裂隙等)的空間分布和混凝土宏觀破碎后的裂紋分布、破裂塊體均具有較強(qiáng)的分形特征，盒維數(shù)可以恰當(dāng)?shù)乇碚骰炷恋膿p傷程度和破碎程度。因此，可以采用盒維數(shù)來(lái)描述凍融循環(huán)作用下微孔隙結(jié)構(gòu)的分布特征與演化規(guī)律，得到孔隙結(jié)構(gòu)變化與宏觀力學(xué)之間的關(guān)系。

本文采用較簡(jiǎn)單直觀的盒維數(shù)法對(duì)得到的反映孔隙分布特征的CT圖像進(jìn)行盒維數(shù)的計(jì)算。其定義為：Nδ(F)為能夠覆蓋住一個(gè)非空點(diǎn)集F的或邊長(zhǎng)為d的盒子的最小數(shù)目，則定義這個(gè)點(diǎn)集的盒維數(shù)為[13?14]

具體孔隙結(jié)構(gòu)分布的盒維數(shù)算法為：將每1個(gè)盒子用來(lái)覆蓋所有的孔隙結(jié)構(gòu)。先定義邊長(zhǎng)為r的盒子覆蓋F集，計(jì)算非空盒子數(shù)量，然后變換邊長(zhǎng)r對(duì)應(yīng)形成若干個(gè)盒子，計(jì)算得到包含有點(diǎn)集F的盒子最小數(shù)目 )(rNδ，經(jīng)過多次變換得到一系列r與N的數(shù)據(jù)，采用最小二乘法可擬合出 )(lg rN ? rlg 的斜率，即為對(duì)應(yīng)的盒維數(shù)。

其中：r為測(cè)得的立方體盒子覆蓋的邊長(zhǎng)；a為常數(shù)；N為非空盒子數(shù)；D為該不規(guī)則區(qū)域的盒維數(shù)。

基于 MATLAB編寫的盒維數(shù)計(jì)算程序，用邊長(zhǎng)為r的不同盒子，以二維方式對(duì)試樣CT圖像中孔隙進(jìn)行盒維數(shù)的測(cè)量。參考文獻(xiàn)[12]中的方法，對(duì)試樣中孔隙的盒維數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，利用試樣中不同掃描斷面的孔隙盒維數(shù)的加權(quán)平均值來(lái)表征試樣整體孔隙的分形特征。計(jì)算不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土材料孔隙的平均盒維數(shù)D，如表2所示。

試樣孔隙的盒維數(shù)為表征混凝土孔隙結(jié)構(gòu)空間分布形態(tài)情況的量值，即孔隙結(jié)構(gòu)盒維數(shù)越大，材料孔隙越發(fā)育，空間分布形態(tài)越復(fù)雜。從表2可以看出：經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后，各個(gè)試樣孔隙的盒維數(shù)D均大于1.0，在1.3～1.4范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖6和圖7所示分別為不同試樣在不同凍融循環(huán)次數(shù)后混凝土孔隙盒維數(shù)的變化。從圖6和圖7可以看出：在凍融循環(huán)后，隨著孔隙率的增大，混凝土試樣孔隙盒維數(shù)D總體上呈現(xiàn)出初期逐漸降低而后期增加的趨勢(shì)。在凍融循環(huán)初期，眾多不同孔徑的孔隙共存，其中小孔徑孔隙數(shù)量占多數(shù)，孔隙內(nèi)部較粗糙，形狀分布極不規(guī)則，因此，盒維數(shù)較高。2個(gè)試樣的平均盒維數(shù)D分別為 1.335和 1.476，說(shuō)明凍融循環(huán)初期孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出復(fù)雜化、混亂化的趨勢(shì)。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，由于孔隙滲透水壓力以及凍脹力的聯(lián)合作用，試樣內(nèi)部小孔徑的孔隙出現(xiàn)大幅度擴(kuò)展連通的現(xiàn)象，導(dǎo)致較大孔徑的孔隙出現(xiàn)，并且大孔徑的孔隙數(shù)量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而進(jìn)一步增多。由于大孔徑的孔隙數(shù)量增多使得孔徑尺寸變得較單一，因此，孔隙分布的不均勻程度有所減弱，孔隙的空間分布形態(tài)復(fù)雜程度降低，由混亂變得有序，平均盒維數(shù)D分別降低到1.201和1.289，降幅分別達(dá)到10.0%和18.6%，降幅顯著。這是因?yàn)榭紫吨械乃衷谝骸獭翰粩噢D(zhuǎn)化過程中使得內(nèi)部孔隙在變大的同時(shí)消磨了孔隙中部分不平整的內(nèi)壁，孔隙結(jié)構(gòu)變得比凍融前的簡(jiǎn)單[20]。同時(shí)，由于孔隙的孔徑及密度增大，試樣的強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降。隨著凍融循環(huán)作用不斷增強(qiáng)，當(dāng)經(jīng)歷100次凍融循環(huán)后，試樣的盒維數(shù)出現(xiàn)顯著上升的趨勢(shì)。其原因可能是：由于凍脹力的作用，試樣變得疏松并出現(xiàn)顯著的塌落和掉渣現(xiàn)象，從而引起部分大孔隙或被填充，或被貫穿，導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)在此階段再次變得無(wú)序，不均勻程度再次增加。

從以上分析可以看出：孔隙的盒維數(shù)演化規(guī)律可以較好地表征凍融環(huán)境下混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育和擴(kuò)展特性以及材料凍融損傷演化規(guī)律。

表2 CT 圖像的盒維數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 2 Fractal dimension results of CT image

圖6 DRCT1盒維數(shù)與孔隙率及凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系圖Fig. 6 Relationship among fractal dimension, porosity and F-T cycles number of DRCT1

圖7 DRCT2盒維數(shù)與孔隙率及凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系圖Fig. 7 Relationship among fractal dimension, porosity and F-T cycles number of DRCT2

4 結(jié)論

1) 通過CT技術(shù)實(shí)現(xiàn)凍融環(huán)境下混凝土試樣的孔隙結(jié)構(gòu)的三維重建，得到不同凍融循環(huán)次數(shù)下試樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)空間的分布特征，可為精細(xì)研究?jī)鋈诃h(huán)境下混凝土材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷特征及破損機(jī)理提供參考依據(jù)。

2) 混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)分布特征與其宏觀力學(xué)性能之間存在密切聯(lián)系，孔隙率越小，其單軸抗壓強(qiáng)度越大；隨著孔隙率增大，對(duì)應(yīng)的單軸抗壓強(qiáng)度的變化會(huì)逐漸趨于平緩。

3) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，體盒維數(shù)呈現(xiàn)初期降低后期增加的變化規(guī)律，且隨孔隙率的變化而變化。凍融循環(huán)下孔隙結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展經(jīng)歷復(fù)雜無(wú)序—單一有序—復(fù)雜無(wú)序的演化過程。內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)盒維數(shù)的演化規(guī)律可以較好地表征凍融環(huán)境下混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育和擴(kuò)展特性以及材料凍融損傷演化規(guī)律。

[1] JIN Shanshan, ZHANG Jinxi, HUANG Baoshan. Fractal analysis of effect of air void on freeze-thaw resistance of concrete[J]. Construction and Building Materials, 2013, 47:126?130.

[2] GAO P, WU S, LIN P, et al. The characteristics of air void and freeze-thaw resistance of with fly ash and expansive agent[J].Construction and Build Material, 2006, 20(8): 586?590.

[3] WAKIMOTO K, BLUNT J, CARLOS C, et al. Digital laminography assessment of the damage in concrete exposed to freezing temperatures[J]. Cement Concrete Research, 2008,38(10): 1232?1245.

[4] MAAGE M, SLIPER J, GRASDALEN R. Pore structure and porosity in concrete, characterized by mercury porosimetry and microscopy, correlated to freeze-thaw resistance. In: Principles and applications of pore structural characterization[R].Proceedings of the RILEM/CNR International Symposium.Milan, Italy: J. W. Arrowsmith Ltd., 1985: 463?475.

[5] 張士萍, 鄧敏, 吳建華, 等. 孔結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土抗凍性的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 30(6): 56?59.ZHANG Shiping, DENG Min, WU Jianhua, et al. Effect of pore structure on the frost resistance of concrete[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2008, 30(6): 56?59.

[6] NAKAMURA M, OHNISHI T, KAMITANI M. Quantitative analysis of pore structure on freeze-thaw durability of inorganic building materials[J]. Journal of Ceramic Society of Japan, 1991,99(11): 1114?1119.

[7] CHEN Jianxun, DENG Xianghui, LUO Yanbin. Investigation of micro structural damage in shotcrete under a freeze-thaw environment[J]. Construction and Build Material, 2015, 83(8):275?282.

[8] PROMENTILLA M A B, SUGIYAMA T. X-Ray microtomography of mortars exposed to freezing-thawing action[J]. Journal of Advanced Concrete Technology, 2010, 8(2):97?111.

[9] KIM K Y, YUN T S, PARK K P. Evaluation of pore structures and cracking in cement paste exposed to elevated temperatures by X-Ray computed tomography[J]. Cement and Concrete Research, 2013, 50(8): 34?40.

[10] GB/T 50082—2009, 普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法[S].GB/T 50082—2009, Standard for test methods of long-term performance and durability of ordinary concrete[S].

[11] 孫華飛, 鞠楊, 行明旭, 等. 基于CT圖像的土石混合體破裂?損傷的三維識(shí)別與分析[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2014, 39(3): 452?459.SUN Huafei, JU Yang, XING Mingxu, et al. 3D identification and analysis of fracture and damage in soil-rock mixtures based on CT image processing[J]. Journal of China Coal Society, 2014,39(3): 452?459.

[12] 李杰林, 周科平, 柯波. 凍融后花崗巖孔隙發(fā)育特征與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)分析[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2015, 40(8): 1783?1789.LI Jielin, ZHOU Keping, KE Bo. Association analysis of pore development characteristics and uniaxial compressive strength property of granite under freezing-thawing cycles[J]. Journal of China Coal Society, 2015, 40(8): 1783?1789.

[13] 謝和平. 分形?巖石力學(xué)導(dǎo)論[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1996:15?29.XIE Heping. Fractal-rock mechanics[M]. Beijing: Science Press,1996: 15?29.

[14] 孫霞, 吳自勤, 黃昀. 分形原理及其應(yīng)用[M]. 合肥: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社, 2003: 38?51.SUN Xia, WU Ziqin, HUANG Yun. Fractal principal and application[M]. Hefei: University of Science and Technology of China Press, 2003: 38?51.

[15] 徐志斌, 謝和平. 斷裂尺度的分形分布與其損傷演化的關(guān)系[J]. 地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 10(3): 268?275.XU Zhibin, XIE Heping. Relation between fracture scale fractal distribution and its damage evolution[J]. Journal of Geological Mechanics, 2004, 10(3): 268?275.

[16] 毛靈濤, 連秀云, 郝麗娜. 基于數(shù)字體圖像三維裂隙的分形計(jì)算及應(yīng)用[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 43(6): 1134?1139.MAO Lingtao, LIAN Xiuyun, HAO Lina. The fractal calculation of 3D cracks based on digital volumetric images and its application[J]. Journal of China University of Mining &Technology, 2014, 43(6): 1134?1139.

[17] ZHANG Baoquan, LI Shaofen. Determination of the surface fractal dimension for porous media by mercury porosimetry[J].Industrial and Engineering Chemistry, 1995, 34(4): 1383?1386.

[18] LANGE D, JENNINGS H M. Image analysis techniques for characterization of pore structure of cement-based materials[J].Cement Concrete Research, 1994, 24(5): 841?853.

[19] 田威, 黨發(fā)寧, 陳厚群. 基于CT圖像處理技術(shù)的混凝土細(xì)觀破裂分形分析[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程學(xué)報(bào), 2012, 20(3): 424?431.TIAN Wei, DANG Faning, CHEN Houqun. Fractal analysis on meso-fracture of concrete based on the technique of CT image processing[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2012,20(3): 424?431.

[20] 張英, 邴慧, 楊成松. 基于SEM和MIP的凍融循環(huán)對(duì)粉質(zhì)黏土強(qiáng)度影響機(jī)制研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2015, 34(增1):3597?3603.ZHANG Ying, BING Hui, YANG Chengsong. Influences of freeze-thaw cycles on mechanical properties of silty clay bases on SEM and MIP test[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 34(S1): 3597?3603.

Experiments on the freeze-thaw damage of concrete porous structure based on CT technique

TIAN Wei, HAN Nü, ZHANG Pengkun

(School of Civil Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, China)

The computed tomography (CT) technology was used to quantitatively scan the evolution of the concrete damage process under freeze-thaw cycles, and the batch of 2D slice images was obtained. Based on CT technology，the 3D porous structure of concrete was reconstructed by full digital image processing analysis. The spatial distribution characteristics and evolution law of 3D porous structure were obtained. The relationships between porosity and uniaxial compressive strength were analyzed. And the relationships between the porous structure and the freeze-thaw cycles were described quantitatively by the fractal theory. The results show that the pore distribution of concrete material has important effect on concrete mechanical property and macro damage characteristics. The volume porosity decreases with the increase of freeze-thaw cycles and there is a negative correlation between the uniaxial compressive strength and porosity. The fractal dimension of the pore structure presents “down—up” trend with the increase of the number of freeze-thaw cycles. The porous structure evolution is changed from chaos to order and then to a process of disorder.

concrete; freeze-thaw cycle; CT technique; 3D reconstruction; fractal dimension

TU47

A

1672?7207(2017)11?3069?07

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.11.030

2016?12?27；

2017?02?26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51009010，51379015，51579013) (Projects(51009010, 51379015, 51579013) supported by the National Natural Science Foundation of China)

田威，博士，副教授，從事巖土工程數(shù)值仿真、巖土材料細(xì)觀力學(xué)分析的研究；E-mail: tianwei@chd.edu.cn

(編輯 伍錦花)