滕曉娟，劉昱清，劉 鵬，洪舒賢，董必欽，邢 鋒

深圳大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518060

混凝土是一種多相復(fù)雜材料，包含了大量隨機(jī)分布缺陷．混凝土的損傷伴隨著工程的整個(gè)服役過(guò)程，隨著時(shí)間推移，損傷逐漸積累，直至破壞[1-2]．由于裂縫的存在，會(huì)使得混凝土性能進(jìn)一步惡化．從宏觀與微觀兩方面進(jìn)行試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，裂縫的起裂、擴(kuò)展和貫通是引起混凝土耐久性降低的主要原因[3-5]．因?yàn)榱芽p的存在，較多外界有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土的通道，并通過(guò)裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部，導(dǎo)致混凝土進(jìn)一步劣化，最終影響混凝土的使用壽命[6-7]．所以，極需對(duì)裂縫的長(zhǎng)度、寬度、分布與擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行研究．

工程裂縫形成的原因復(fù)雜，如自身骨料的隨機(jī)性、早期收縮和荷載作用等．裂縫產(chǎn)生的時(shí)間不同，形成的裂縫在形貌上也不同．按照在外力作用下的擴(kuò)張方式，裂縫可以分為3種基本類型：張開(kāi)型裂縫(Ⅰ型)、滑開(kāi)型裂縫(Ⅱ型)和撕開(kāi)型裂縫(Ⅲ型)[8-9]．裂紋擴(kuò)展類型中最為常見(jiàn)的是Ⅰ型(張開(kāi)型)裂縫，同時(shí)也是最危險(xiǎn)的裂縫．在裂縫尖端應(yīng)力分析中，Ⅰ型裂縫應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子公式表達(dá)了裂縫長(zhǎng)度與應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的關(guān)系[10-11]．目前研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子和裂縫大小、形狀以及應(yīng)力大小有關(guān)[12]．因此，如何獲取裂縫相關(guān)信息，是一個(gè)亟待解決的難題．目前研究混凝土裂縫擴(kuò)展過(guò)程的試驗(yàn)方法有很多，如電阻應(yīng)變片法[13]、光彈貼片法[14-15]、激光散斑法[16]和聲發(fā)射法[17-18]等．然而獲取裂縫在時(shí)間與空間上的變化規(guī)律，具有一定的難度．以往測(cè)試方法都不能直接觀測(cè)到混凝土內(nèi)部裂縫擴(kuò)展的情形，多數(shù)停留在混凝土表面裂縫擴(kuò)展的試驗(yàn)上，對(duì)于內(nèi)部裂縫擴(kuò)展問(wèn)題尚未很好解決．

針對(duì)上述試驗(yàn)方法的不足，本研究應(yīng)用X射線微觀層析成像(X-ray microcomputed tomography，X-ray μCT)測(cè)試方法，對(duì)微型梁三點(diǎn)彎曲加載進(jìn)行掃描[19-21]．X-ray μCT對(duì)試樣原位跟蹤監(jiān)測(cè)，獲得微型梁三點(diǎn)彎曲下的X-ray μCT測(cè)試荷載撓度曲線，能觀察到試樣三點(diǎn)彎曲下不同掃描點(diǎn)的微型梁內(nèi)部裂縫及其三維形貌重構(gòu)圖，有利于提取裂縫長(zhǎng)度信息，進(jìn)行定量化分析，為計(jì)算裂縫尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子提供重要參數(shù)，再根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子值大小進(jìn)行構(gòu)件的安全性判斷和壽命預(yù)測(cè)．

1 材料與實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與試樣制備

本實(shí)驗(yàn)制備砂漿試樣的水泥采用的是英德海螺有限責(zé)任公司生產(chǎn)的海螺牌普通硅酸鹽水泥，水泥的化學(xué)成分如表1所示．砂子采用的是艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，水灰比(質(zhì)量比)為0.5，砂灰比(質(zhì)量比)為3.0．按此比例將原材料混合并攪拌均勻之后澆入1 cm×1 cm×4 cm微型梁制樣模具中，澆筑完成后將試樣連同模具一起放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，重新將試樣放回，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期28 d．

表1 水泥組成成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖1 X-ray μCT測(cè)試設(shè)備的內(nèi)部詳細(xì)構(gòu)造Fig.1 The internal detail structure of X-ray μCT equipment

1.2 試樣加載與掃描

微型梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)全過(guò)程加載與掃描均在X射線微觀層析掃描測(cè)試設(shè)備中進(jìn)行，X-ray μCT測(cè)試設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造如圖1所示．試樣的加載速率為0.1 mm/min．加載前，X-ray μCT測(cè)試儀先對(duì)試樣掃描(設(shè)為a時(shí)刻點(diǎn))，獲取未加載時(shí)刻的原始CT圖像；之后按0.1 mm/min速率加載至設(shè)定值，保持加載位移不變，此時(shí)再對(duì)試樣掃描(設(shè)為b時(shí)刻點(diǎn))；掃描結(jié)束后，又以相同的位移加載速率加載至下一個(gè)設(shè)定值掃描，依次循環(huán)．本試驗(yàn)測(cè)試掃描共6次，可獲得X-ray μCT測(cè)試點(diǎn)a—f，得到不同加載時(shí)刻的原始CT數(shù)據(jù)圖像．

微型梁三點(diǎn)彎曲內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展過(guò)程通過(guò)X-ray μCT測(cè)試掃描結(jié)果分析得來(lái)．X射線對(duì)不同組成成分的吸收系數(shù)不同，衰減系數(shù)也不一樣，根據(jù)砂漿試樣的組成成分與幾何形狀，可確定X-ray μCT測(cè)試掃描主要參數(shù)．本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試掃描參數(shù)設(shè)置為：X-ray μCT測(cè)試電壓與電流分別為80 kV與101 μA；放大倍率為0.39；重建圖像矩陣體積為1 024×1 024×1 000，對(duì)應(yīng)于1 024×1 024像素的1 000個(gè)切片；像素分辨率大小為38.606 5 μm．

2 結(jié)果與分析

2.1 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的X-ray μCT測(cè)試結(jié)果

X-ray μCT原位跟蹤掃描測(cè)試技術(shù)可獲得微型梁三點(diǎn)彎曲不同加載時(shí)刻的試樣二維與三維形貌圖，從中可明顯分辨砂漿試樣的各個(gè)組成部分．試樣三點(diǎn)彎曲X-ray μCT測(cè)試掃描d時(shí)刻點(diǎn)的原始CT圖像及其圖像處理流程如圖2所示．圖2(a)是砂漿試樣X(jué)-ray μCT測(cè)試掃描得到的原始CT圖像，從圖像中可以很直觀地分辨出砂漿試樣的組成成分為水泥砂漿、孔隙和裂縫．圖2(b)中的灰色代表水泥砂漿，黑色代表孔隙與裂縫．

圖2 X-ray μCT測(cè)試掃描d時(shí)刻點(diǎn)的原始CT圖像處理流程Fig.2 The original CT image processing flow chart of X-ray μCT test on scanning point d

微型梁X-ray μCT測(cè)試掃描d時(shí)刻點(diǎn)的原始CT圖像經(jīng)過(guò)重構(gòu)后，得到的2D/3D圖像，如圖2(b)—(e)所示，可以從重構(gòu)出的砂漿試樣2D/3D圖像清晰辨識(shí)不同的組成成分．X-ray μCT測(cè)試荷載撓度曲線如圖3所示．由圖3可知，當(dāng)撓度值為0～0.25 mm，即a～d時(shí)刻點(diǎn)時(shí)，微型梁試樣所受荷載隨著撓度值的增大而增大．當(dāng)撓度值約為0.25 mm，達(dá)到微型梁砂漿試樣的最大極限荷載，這時(shí)試樣所受荷載急劇下降至d時(shí)刻點(diǎn)．從d時(shí)刻點(diǎn)到f時(shí)刻點(diǎn)，荷載緩慢下降，撓度繼續(xù)增加，試樣依舊能承受荷載，直至完全破壞．

圖3 X-ray μCT測(cè)試荷載撓度曲線Fig.3 Load-deflection curve of X-ray μCT test

2.2 X-ray μCT測(cè)試結(jié)果定性分析

對(duì)不同X-ray μCT測(cè)試掃描點(diǎn)的孔與裂縫進(jìn)行三維重構(gòu)，結(jié)果如圖4．為了進(jìn)一步分析梁三點(diǎn)彎曲裂縫擴(kuò)展機(jī)理，需根據(jù)獲得不同時(shí)刻加載點(diǎn)的原始CT圖像，對(duì)孔隙與裂縫進(jìn)行三維形貌重構(gòu)與體積渲染．從三維重構(gòu)后的體積渲染圖可以清晰觀察到孔與裂縫的分布．測(cè)試掃描a時(shí)刻點(diǎn)即零加載點(diǎn)，可以知道試樣存在初始缺陷．裂縫在測(cè)試掃描d時(shí)刻點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)， 保持位移不變，繼續(xù)加載， 裂縫逐漸延伸，直至貫通試樣． 對(duì)X-ray μCT測(cè)試結(jié)果進(jìn)行重構(gòu)后可實(shí)現(xiàn)對(duì)砂漿試樣內(nèi)部孔隙與裂縫的可視化，裂縫與xy平面有一定的傾斜角度．

為了進(jìn)一步分析裂縫擴(kuò)展機(jī)理，需單獨(dú)對(duì)裂縫進(jìn)行三維重構(gòu)．圖5為不同X-ray μCT測(cè)試掃描點(diǎn)的裂縫三維重構(gòu)圖．從圖5可以看出，從a時(shí)刻點(diǎn)到c時(shí)刻點(diǎn)，沒(méi)有出現(xiàn)裂縫；當(dāng)達(dá)到水泥砂漿試樣所能承受的最大荷載即d時(shí)刻點(diǎn)時(shí)，試樣的中部清晰看到有一定長(zhǎng)度與寬度的裂縫．繼續(xù)加載，裂縫繼續(xù)延伸和擴(kuò)展，直至試樣破壞．

2.3 X-ray μCT測(cè)試結(jié)果量化分析

不同加載階段下的同一切片在xz平面上投影圖像如圖6所示．在測(cè)試掃描點(diǎn)c處，水泥砂漿試樣并未出現(xiàn)明顯的裂縫；在測(cè)試點(diǎn)d時(shí)，砂漿試樣中間出現(xiàn)長(zhǎng)度超過(guò)試樣高度1/2的明顯裂紋；圖6中紅色的線代表裂縫長(zhǎng)度．對(duì)測(cè)試掃描點(diǎn)d—f 3個(gè)加載時(shí)刻點(diǎn)，沿y軸方向等距選取20張xz投影圖切片來(lái)測(cè)量裂縫長(zhǎng)度變化(圖7)，觀察到同一個(gè)加載時(shí)刻沿y軸方向的切片裂縫長(zhǎng)度的偏差較大, X-rayμCT測(cè)試掃描點(diǎn)d時(shí)裂縫長(zhǎng)度在5～8 mm；測(cè)試掃描點(diǎn)從d到f時(shí)對(duì)應(yīng)切片的裂縫長(zhǎng)度值呈上升趨勢(shì)，保持位移加載速率不變，繼續(xù)加載，裂縫迅速擴(kuò)展，呈現(xiàn)不穩(wěn)定發(fā)展．砂漿試樣受荷載作用下裂縫的發(fā)展十分復(fù)雜，從裂縫變化曲線可知，裂縫尖端的位置沿著水泥砂漿試塊的y軸方向的高度是不同的．可知，微型梁三點(diǎn)彎曲下產(chǎn)生的裂縫在時(shí)間與空間上的分布存在復(fù)雜性．

圖4 不同X-ray μCT測(cè)試掃描點(diǎn)的孔與裂縫三維重構(gòu)Fig.4 3D reconstruction morphology of pore and crack on different X-ray μCT test scanning points

圖5 不同X-ray μCT測(cè)試掃描點(diǎn)的裂縫三維重構(gòu)Fig.5 3D reconstruction morphology of cracks on different X-ray μCT test scanning points

圖6 不同X-ray μCT掃描測(cè)試點(diǎn)的同一切片二維重構(gòu)Fig.6 Two-dimensional reconstruction morphology of the same slice on different X-ray μCT test scanning points

圖7 不同X-ray μCT測(cè)試掃描點(diǎn)的裂縫長(zhǎng)度沿 y 軸的變化曲線Fig.7 The curve of crack length along the Y-axis on different X-ray μCT test scanning points

微型梁X-ray μCT三點(diǎn)彎曲加載測(cè)試掃描點(diǎn)a—f的裂縫體積柱狀圖如圖8所示．測(cè)試掃描點(diǎn)a—c，裂縫體積為0，沒(méi)有裂縫出現(xiàn)．測(cè)試掃描點(diǎn)d—f，裂縫體積呈上升趨勢(shì)，測(cè)試掃描點(diǎn)d時(shí)裂縫產(chǎn)生，繼續(xù)加載裂縫繼續(xù)擴(kuò)展．在測(cè)試d點(diǎn)時(shí)裂縫體積不為0，此時(shí)試樣達(dá)到所能承受的最大荷載時(shí)，裂縫出現(xiàn)．

圖8 不同X-ray μCT測(cè)試掃描點(diǎn)的裂縫體積Fig.8 Crack volume histogram on different X-ray μCT test scanning points

3 討 論

砂漿材料組成的多樣性與不均勻性，導(dǎo)致其受荷載破壞機(jī)理復(fù)雜．X-ray μCT測(cè)試方法可以原位跟蹤監(jiān)測(cè)微型梁三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，分析荷載砂漿試樣內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展過(guò)程．水泥砂漿試樣三點(diǎn)彎曲破壞過(guò)程與裂縫的擴(kuò)展過(guò)程有關(guān)．砂漿試樣的破壞屬于典型的脆性斷裂過(guò)程．當(dāng)達(dá)到試樣的最大承受荷載值時(shí)，裂縫突然產(chǎn)生，繼續(xù)保持位移加載速率不變加載，裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，呈失穩(wěn)狀態(tài)．

微型梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)在X-ray μCT設(shè)備中進(jìn)行原位加載與掃描，對(duì)原始CT圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣內(nèi)部裂縫的2D/3D可視化定量分析，解決了傳統(tǒng)方法無(wú)法觀測(cè)荷載試樣內(nèi)部裂縫相關(guān)信息的難題．X-ray μCT測(cè)試掃描的原始CT圖像重構(gòu)后，可獲得不同加載時(shí)刻的孔與裂縫三維形貌重構(gòu)圖，提取裂縫長(zhǎng)度和體積等裂縫信息．此外，沿y軸方向的裂縫尖端點(diǎn)位置是變化的，裂縫的形狀大小在時(shí)間與空間上存在差異性的．工程上的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的大小不僅與荷載形式有關(guān)，而且與裂紋的幾何形狀有關(guān)．其中計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子公式中裂縫長(zhǎng)度重要參數(shù)的準(zhǔn)確取值一直是個(gè)難題，微型梁三點(diǎn)彎曲X-ray μCT測(cè)試掃描結(jié)果能夠獲取我們需要的裂縫長(zhǎng)度值，值得進(jìn)一步探索與研究．

結(jié) 語(yǔ)

X-ray μCT測(cè)試技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)微型梁三點(diǎn)彎曲原位實(shí)時(shí)全過(guò)程跟蹤監(jiān)測(cè)，可對(duì)彎曲荷載下的試樣內(nèi)部裂縫擴(kuò)展演化過(guò)程可視化．X-ray μCT測(cè)試掃描的原始CT圖像經(jīng)過(guò)三維重構(gòu)后，對(duì)水泥砂漿試樣的孔與裂縫2D/3D形貌圖定性分析可知，裂縫的形貌、長(zhǎng)度、體積在時(shí)間與空間上不同，且裂縫長(zhǎng)度與體積隨加載過(guò)程呈上升趨勢(shì)．基于試樣裂縫的2D/3D形貌特征對(duì)裂縫量化分析，對(duì)深入探究裂縫擴(kuò)展機(jī)理有借鑒作用．