劉佳亮， 張 娣， 王夢瑾

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 2.重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074； 3.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)與材料教育部工程研究中心，重慶 400074)

混凝土作為重要的建筑材料，廣泛應(yīng)用于建筑、交通、水利、礦業(yè)等眾多領(lǐng)域，由于載荷、風(fēng)化、腐蝕、溫差效應(yīng)等因素的影響，混凝土結(jié)構(gòu)維修改造任務(wù)會日益增重。目前對于混凝土出現(xiàn)的裂縫、孔洞、邊緣破損、板拱起等病害的維修，普遍采用振動(dòng)錘、風(fēng)鎬、炮機(jī)等傳統(tǒng)機(jī)械方法破除，露出鋼筋以便重新澆筑、翻新。事實(shí)證明這些方法存在作業(yè)環(huán)境差、工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，而且無法區(qū)分混凝土性能強(qiáng)弱，施工質(zhì)量較差，極易產(chǎn)生新裂紋，造成混凝土鋼筋松動(dòng)，修復(fù)質(zhì)量無法保證。

水力破除混凝土是一種突破傳統(tǒng)機(jī)械方式的破碎技術(shù)，具有振動(dòng)小、無污染及可選擇性破除等特點(diǎn)，在質(zhì)量、安全、環(huán)保等方面優(yōu)勢明顯。但由于水力破碎混凝土過程十分短暫(微秒級)，涉及流體與固體非線性碰撞動(dòng)力耦合問題，且作用機(jī)理較復(fù)雜，混凝土在水力作用下的破壞機(jī)理尚不明晰，水力破除混凝土技術(shù)仍存在門檻泵壓較高，比能耗較大，局部精確破碎及可控致裂技術(shù)不足等問題，而解決以上問題關(guān)鍵建立在對水力沖擊混凝土裂紋擴(kuò)展、致?lián)p特征研究之上。

許多學(xué)者采用理論分析及數(shù)值模擬方法，對水力侵徹脆性材料，如混凝土、巖石等的力學(xué)行為及規(guī)律進(jìn)行研究，取得了一定的研究成果。李萬莉等[1]利用細(xì)觀損傷力學(xué)理論建立了射流作用下混凝土路面碎裂的微結(jié)構(gòu)損傷模型，研究了射流沖擊混凝土表面Von-Mises等效應(yīng)力。穆朝民等[2]以質(zhì)量守恒與動(dòng)量守恒定律為基礎(chǔ)，建立了高壓水射流沖擊煤體的力學(xué)模型，分析了煤體在高壓射流沖擊下破碎區(qū)與擴(kuò)孔區(qū)的力學(xué)特征。Jiang等[3]以基于光滑粒子流(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)和有限元(Finite Element Analysis, FEA)耦合算法建立了高壓水射流沖擊破巖數(shù)值模型，探討了水射流損傷破巖過程中巖石失效、裂紋擴(kuò)展以及巖石內(nèi)部損傷變化歷程。盧義玉等[4]運(yùn)用拉格朗日方法描述了巖石質(zhì)點(diǎn)的位移場和速度場，分析了超高壓水射流沖擊下巖石破裂時(shí)序演化過程。司鵠等[5-6]分別運(yùn)用任意拉格朗日-歐拉流固耦合罰函數(shù)算法和光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法建立了脈沖射流破巖數(shù)值模型，結(jié)合巖石巖性分析了脈沖振幅和脈沖頻率對破巖效率的影響脈沖振幅和脈沖頻率對破巖效率的影響，以及脈沖射流在破巖過程中應(yīng)力波的形成、傳播及衰減過程。陸朝暉等[7]基于 VOF(Volume of Fluid)模型和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，建立了兩相流瞬態(tài)計(jì)算模型，研究了截?cái)嗍矫}沖水射流流體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演變動(dòng)力特征與沖蝕硬巖能力。

以上研究促進(jìn)了人們對水力致裂力學(xué)機(jī)理認(rèn)識，但在細(xì)觀水平上，混凝土是由骨料、砂漿、交界面的黏結(jié)層組成的非均質(zhì)材料，多相異彈模界面及骨料隨機(jī)空間分布會影響混凝土宏細(xì)觀力學(xué)性能及破壞模式，再加上水力沖擊混凝土的瞬時(shí)非線性流固耦合問題，理論分析和數(shù)值模擬需對水力侵徹物理過程進(jìn)行大量簡化，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與水力沖擊混凝土真實(shí)物理力學(xué)過程往往有一定差距。

計(jì)算機(jī)層析成像(Computerized Tomography，CT)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對材料內(nèi)部破壞的無損量度，為研究水力沖擊混凝土內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)提供了有效途徑。而且，通過圖像處理技術(shù)(Image Processing Technology, IPT)，還可以對CT直觀成像進(jìn)行多尺度、多維度后處理，深度挖掘材料的深層致裂、損傷信息。如陳厚群等[8]通過變換差值CT圖像中像素值的閾值范圍，分析了混凝土裂紋的分布特點(diǎn)，探討了識別混凝土CT圖像中裂紋及其形態(tài)的判據(jù)。黨發(fā)寧等[9]將破損演化理論應(yīng)用于混凝土CT圖像的定量分析，引入了完整度和破損度概念，研究了混凝土內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)及裂紋變化的特點(diǎn)。He等[10]提出了一種基于改進(jìn)幾何活動(dòng)輪廓模型(Geometric Active Contour, GAC)的CT圖像分割技術(shù)，提高了混凝土CT圖像分割效果；趙亮等[11]提出了一種基于多尺度信念傳播的混凝土CT 圖像分割方法，通過構(gòu)造金字塔狀柵格圖進(jìn)行消息傳輸，提高了圖像分割率和分割精度；湯積仁等[12]借助圖像處理技術(shù)對磨料射流作用下巖石破壞的CT圖像進(jìn)行處理，直觀揭示了磨料射流破巖機(jī)制。

鑒此，本文基于CT掃描技術(shù)，對水力沖擊混凝土的細(xì)觀破裂狀態(tài)進(jìn)行全方位檢測，結(jié)合液固碰撞理論，開展水力作用下混凝土致裂機(jī)制及裂紋擴(kuò)展特征相關(guān)研究；并進(jìn)一步對CT掃描圖像直方圖均衡化、閾值分割處理，利用建立的圖像灰度值的損傷表征方法，探索水力沖擊混凝土裂紋近域CT尺度損傷分布特征。研究結(jié)果可為提升水力破除混凝土技術(shù)應(yīng)用水平，提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 水力沖擊混凝土CT試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)所用高壓水力設(shè)備為金箭JJ-I42*1313型懸臂式切割機(jī)，采用PC控制器/交流伺服系統(tǒng)，線性直線導(dǎo)軌保證切割精度，高壓水力設(shè)備主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。試驗(yàn)所用CT掃描設(shè)備為重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的西門子高端智能平臺SOMATOMScope16排螺旋CT，可以實(shí)現(xiàn)16層/360°，0.6 s/360°快速掃描，并配備了西門子X線數(shù)字化成像系統(tǒng)銳柯DR-NOVA、顯微整板探測器、高性能微焦球管以及飛焦點(diǎn)技術(shù)，可確保優(yōu)質(zhì)的圖像質(zhì)量，CT掃描設(shè)備如圖2所示。

圖1 高壓水力設(shè)備及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 試驗(yàn)材料

高壓水力沖擊試驗(yàn)所用混凝土試件為100 mm×100 mm×100 mm立方體，原材料：水泥(P.O 32.5)，河砂(16～31.5 mm中砂、碎石)，外加劑JM-Ⅱ。水泥、河砂、碎石、水、外加劑配合比，1∶2.39∶4.27∶0.51∶0.01。

圖2 SOMATOM Scope 16 CT掃描設(shè)備

1.3 試驗(yàn)方法及步驟

在射流直徑為1.2 mm、射流速度為600 m/s、靶距為3.0 mm、流量為3.2 L/min及沖擊角度為90°工況下對混凝土進(jìn)行沖擊破碎，然后通過西門子高端智能平臺SOMATOMScope16排螺旋CT掃描儀對破碎后混凝土試件進(jìn)行掃描。掃描前首先進(jìn)行試件調(diào)平，在定位片上調(diào)節(jié)掃描框的各個(gè)邊界與混凝土試件尺寸相符合，然后設(shè)置掃描層間隔為0.6 mm，重建范圍為100 mm，采取平掃方式進(jìn)行掃描，過程如圖3所示。掃描完成后進(jìn)行影像重建，提取混凝土試件內(nèi)部典型裂紋，為混凝土試件內(nèi)部裂紋形態(tài)以及擴(kuò)展規(guī)律研究提供基礎(chǔ)信息及圖像。

圖3 水力破碎混凝土掃描示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 致裂機(jī)制

結(jié)合已有液固沖擊理論基礎(chǔ)，以及水力破碎混凝土內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)CT掃描圖像，分析水力致裂混凝土的力學(xué)機(jī)制。當(dāng)高速射流初始接觸混凝土表面時(shí)，流速會驟然降低，造成壓力大幅度波動(dòng)，誘發(fā)破壞性極大的水錘效應(yīng)。水錘破壞力與水流動(dòng)量有關(guān)，根據(jù)沖量定理，可以得到水錘壓力Pwh

(1)

式中：Pwh為水錘壓力；v為射流的沖擊速度；ρw，cw分別為水的密度與沖擊波在水介質(zhì)中的傳播速度；ρs，cs分別為混凝土的密度與沖擊波在混凝土中的傳播速度[13]。

在水錘壓力Pwh作用下，水力沖擊中心區(qū)被急劇壓縮，在水力邊緣會形成強(qiáng)烈剪應(yīng)力，由于骨料與砂漿基體過渡區(qū)界面(Interfacial Transition Zone, ITZ)強(qiáng)度最低，裂紋優(yōu)先沿界面發(fā)生破壞，形成沿骨擴(kuò)展的表面裂紋①，如圖4所示。

圖4 水力沖擊下混凝土典型致裂形態(tài)

水錘壓力Pwh為瞬時(shí)作用，持續(xù)時(shí)間極短，在后續(xù)水力持續(xù)慣性作用下，會形成穩(wěn)定的伯努利滯止壓力。滯止壓力Ps已遠(yuǎn)小于水錘壓力Pwh，但仍可在混凝土液固接觸中心產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓縮作用，在壓應(yīng)力強(qiáng)烈擠壓下形成粉碎區(qū)，并被高速水流的沖運(yùn)作用攜走，在液固接觸區(qū)形成“V”狀錐形破碎核②。同時(shí)，由于水力沖擊是一個(gè)高頻動(dòng)態(tài)過程，混凝土受到的壓應(yīng)力存在急劇的加、卸載，混凝土的卸載恢復(fù)會在壓應(yīng)力作用區(qū)形成強(qiáng)大的拉伸應(yīng)力，根據(jù)裂紋擴(kuò)展能量最小原則，最先在破碎核周圍的骨料與砂漿基體過渡區(qū)界面產(chǎn)生環(huán)向拉伸裂紋③。沖擊中心的壓應(yīng)力使混凝土液固接觸區(qū)兩側(cè)介質(zhì)受到指向沖擊軸心方向拉伸作用，導(dǎo)致混凝土表面的宏觀表面裂紋①繼續(xù)擴(kuò)展。

由圖4還可知，在混凝土邊界處產(chǎn)生與主裂紋未貫通的環(huán)向裂紋④，其產(chǎn)生機(jī)制可以解釋為：水力沖擊激發(fā)的應(yīng)力波在混凝土內(nèi)部自由傳播，當(dāng)傳導(dǎo)至混凝土邊界時(shí)無法透射，便于邊界面發(fā)生反射后與后續(xù)波形成疊加效應(yīng)，在混凝土邊界附近區(qū)域出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中作用在混凝土內(nèi)部天然裂隙或過渡區(qū)界面時(shí)，即形成獨(dú)立于主裂紋之外的新裂紋擴(kuò)展。

混凝土內(nèi)部出現(xiàn)裂紋后，流體會在壓力驅(qū)動(dòng)下侵入混凝土裂隙空間，在裂紋縫端產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)，使裂紋沿自由面方向加速張開、擴(kuò)展及貫通，而且裂紋出現(xiàn)會增加混凝土滲透系數(shù)，從而加速混凝土的潰裂[14]，由達(dá)西定律可知

q=KFΔh/L

(2)

式中：q為滲流量；K為滲透系數(shù)；F為過水?dāng)嗝?；Δh為滲流路徑上的水頭損失；L為滲流路徑長度。

由流體流動(dòng)立方定律

(3)

式中：k為水力傳導(dǎo)系數(shù)；Δp為壓強(qiáng)差；L為裂紋長度；a為裂紋寬度。

聯(lián)立式(3)并將F=at(其中：t為單位長度。)代入式(2)，可得滲透系數(shù)K的表達(dá)式

K=ka2γ

(4)

式中：k、γ為常數(shù)，當(dāng)水力沖擊作用使混凝土產(chǎn)生裂紋后，a將變大。根據(jù)式(4)，K與a2成正比，將呈指數(shù)增長，水壓也會明顯增大，從而激發(fā)裂紋附近產(chǎn)生更多裂紋，形成連鎖反應(yīng)，致使混凝土出現(xiàn)大體積破碎，形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)，最終發(fā)生整體潰裂，如圖5所示。

圖5 水力沖擊下混凝土宏觀潰裂

2.2 裂紋擴(kuò)展特征

通過對水力致裂混凝土CT掃描圖像的裂紋擴(kuò)展細(xì)觀形態(tài)進(jìn)行提取和識別，可將裂紋擴(kuò)展路徑可分為5種典型情況：①沿骨料與砂漿基體過渡區(qū)界面擴(kuò)展；②基體擴(kuò)展；③穿骨傳播；④分岔傳播；⑤裂紋止裂，如圖6所示。

對裂紋擴(kuò)展路徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得出沿骨料與砂漿基體過渡區(qū)界面擴(kuò)展是混凝土內(nèi)部裂紋萌生及擴(kuò)展的主要形式，并且裂紋在粗骨料與砂漿基體過渡區(qū)傳播尤為明顯。根據(jù)混凝土界面過渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)及特征，可知骨料與砂漿基體過渡區(qū)界面為高孔隙率，多微裂隙結(jié)構(gòu)，未水化水泥顆粒少，Ca/Si比大，含有較多Ca(OH)2和鈣礬石Aft，且Ca(OH)2出現(xiàn)擇優(yōu)取向[15]，是高壓水滲透、劈裂優(yōu)先區(qū)域，可以較充分發(fā)生水楔作用，為裂紋擴(kuò)展的低耗能區(qū)和易作用區(qū)。同時(shí)，由于粗骨料的尺寸大于細(xì)骨料的尺寸，骨料的“邊界效應(yīng)”，以及對水泥顆粒堆積狀態(tài)的影響更為明顯，過渡區(qū)結(jié)構(gòu)特征更為顯著。因此，水力沖擊下混凝土裂紋傳播最優(yōu)先選擇沿粗骨料與砂漿基體過渡區(qū)界面?zhèn)鞑?，次?yōu)先選擇穿過附近區(qū)域細(xì)骨料與砂漿基體界面。當(dāng)裂紋傳至骨料與砂漿基體過渡區(qū)末端時(shí)，如周圍為乏骨料區(qū)，則會與砂漿基體中天然缺陷、孔洞及初始裂紋等相融合，在砂漿基體內(nèi)向縱深繼續(xù)傳播。由于界面相分布隨機(jī)性，裂紋傳播過程呈現(xiàn)顯著的曲折穿行特征，形成如圖7所示的典型水力致裂混凝土CT掃描圖中裂紋傳播路徑。

圖6 水力沖擊混凝土裂紋細(xì)觀擴(kuò)展路徑

圖7 水力沖擊混凝土ITZ擴(kuò)展裂紋及ITZ結(jié)構(gòu)特征

Fig.7 The crack propagation in ITZ of the concrete by hydraulic impacting and ITZ structure characteristic

水力沖擊誘發(fā)的應(yīng)力波在混凝土內(nèi)傳播，可分為縱波(P)和橫波(S)，經(jīng)過邊界反射后又可以形成PP、PS、SP、SS疊加波，水力連續(xù)沖擊使混凝土內(nèi)部應(yīng)力波動(dòng)狀態(tài)十分復(fù)雜，當(dāng)初始應(yīng)力波和反射波在裂紋尖端相遇時(shí)，導(dǎo)致裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的大幅提高，如此時(shí)裂紋尖端與骨料垂直或呈大夾角相遇時(shí)，能量得以向骨料充分釋放。當(dāng)骨料內(nèi)應(yīng)力強(qiáng)度因子KI大于骨料斷裂韌度KIC時(shí)，裂紋將貫入至骨料內(nèi)部，形成“穿骨傳播”，使骨料發(fā)生宏觀裂損、劈裂，如圖8所示典型的穿骨裂紋。

從水力致裂混凝土CT掃描圖中可以發(fā)現(xiàn)，裂紋連續(xù)擴(kuò)展過程中存在大量的分岔行為，分岔傳播的本質(zhì)是應(yīng)力波效應(yīng)和裂紋動(dòng)能的協(xié)同作用結(jié)果。當(dāng)應(yīng)力波疊加出現(xiàn)在裂紋擴(kuò)展自由面時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子KI發(fā)展到較高水平，裂紋會加速擴(kuò)展，同時(shí)裂紋動(dòng)能也會釋放部分能量，當(dāng)能量釋放率瞬時(shí)峰值Gmax≥2RS(裂紋擴(kuò)展阻力)時(shí)[16-17]，意味著應(yīng)變能釋放率達(dá)到同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩條裂紋擴(kuò)展所需能量，即導(dǎo)致主裂紋傳播路徑重新形成分支，發(fā)生分岔現(xiàn)象。

圖8 穿骨傳播與分岔傳播

在水力沖擊載荷下，混凝土破碎區(qū)維度不斷增大，內(nèi)部裂紋也不斷向縱深擴(kuò)展，隨著水力作用距離增加其收斂性會逐漸降低，水力貫入所抵抗的壁面摩擦(Wall Friction)會急劇增加，同時(shí)，逆向反彈流與后續(xù)射流會在裂隙內(nèi)形成強(qiáng)烈剪切與擾動(dòng)(Fluid-Flow Disturbances)，會造成水力攜能迅速降低，水力沖擊誘發(fā)的應(yīng)力波效應(yīng)大幅減弱。而且，混凝土內(nèi)裂紋的貫通，會一定程度上造成高壓水的泄漏，削減水楔作用效果。當(dāng)裂紋傳播路徑到達(dá)某一特定點(diǎn)，不再滿足斷裂力學(xué)裂紋起裂判據(jù)，便會出現(xiàn)裂紋止裂。

3 CT尺度損傷

在水力荷載沖擊作用下，混凝土內(nèi)部裂紋會以沿骨料與砂漿基體過渡區(qū)擴(kuò)展、基體擴(kuò)展及穿骨擴(kuò)展的方式向自由面進(jìn)行傳播，裂紋的交織和相互貫通，最終使混凝土發(fā)生體積破壞?；炷羶?nèi)部未破碎區(qū)域損傷分布及劣化特征，是評估混凝土殘余強(qiáng)度的理論依據(jù)，與水力破碎混凝土技術(shù)的安全性密切相關(guān)。

3.1 圖像處理方法

為了實(shí)現(xiàn)裂紋近域的CT尺度損傷的觀測與研究，必須消除CT掃描過程設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境干擾及噪音等不確定因素的影響，并強(qiáng)化CT圖像的感觀信息分辨及追蹤損傷能力，需借助圖像分析技術(shù)對致裂混凝土的CT掃描圖像后處理。

首先，通過直方圖均衡化處理技術(shù)，在不影響CT掃描圖像整體對比度前提下，增強(qiáng)細(xì)觀結(jié)構(gòu)的局部對比度，使得CT圖像中更突出顯示各細(xì)觀結(jié)構(gòu)差異性。圖像處理主要過程包括：圖像預(yù)處理，讀入彩色圖像將其灰度化、繪制直方圖、直方圖均衡化、圖像均衡化。混凝土為多相材料，各相CT數(shù)相差較大，因此經(jīng)過直方圖均衡化后，可以采用閾值分割技術(shù)提取裂紋近域的損傷，閾值分割算法判定準(zhǔn)則如下[18]

(5)

式中：f(i,j)為第i行，第j列的CT數(shù)；ξ為損傷的閾值，通過選取合適的閾值ξ可以將圖像二值化，當(dāng)f(i,j)≤ξ時(shí)，歸為損傷區(qū)；當(dāng)f(i,j) >ξ時(shí)，歸為基體和骨料。

3.2 損傷分布特征

圖9即為混凝土CT掃描圖的閾值分割處理結(jié)果，可清晰地展示混凝土內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)。為研究混凝土內(nèi)部損傷空間分布特征，并避免區(qū)域位置的隨機(jī)性影響，以通過主裂紋分岔點(diǎn)O的直線為邊界，沿裂紋擴(kuò)展方向由近及遠(yuǎn)逐層選取Section A、Section B、Section C及Section D，作為損傷研究典型區(qū)域。通過觀測發(fā)現(xiàn)混凝土內(nèi)部存在大量的“斑白”，尤其是在裂紋充分?jǐn)U展區(qū)域Section A為 “斑白”的高密度區(qū)，在Section B、Section C 及Section D，雖然也存在部分“斑白”，但 “斑白”密度明顯較小。表明Section A除了混凝土天然損傷外，必然包含了水力致裂誘發(fā)的損傷。

為了進(jìn)一步量化致裂混凝土內(nèi)部損傷分布特征，提出了一種基于圖像灰度值的損傷表征方法。CT掃描圖像損傷點(diǎn)與無損點(diǎn)所反映圖像灰度的差異性十分明顯，可根據(jù)該點(diǎn)的灰度值間接表征損傷。即以像素(Pixel，px)為長度計(jì)量單位對選定的CT掃描圖像區(qū)域進(jìn)行柵格化，得到單像素范圍內(nèi)的灰度值(Gray value)，通過提取和統(tǒng)計(jì)選定區(qū)域內(nèi)圖像灰度值，定量反映該區(qū)域內(nèi)的損傷分布情況，圖10為基于灰度值的混凝土損傷表征示意圖。

圖9 水力沖擊混凝土CT掃描圖閾值分割

Fig.9 The threshold segmentation of the CT scanning image of the concrete by hydraulic impacting

本試驗(yàn)得到的CT掃描圖像大小為303 px×303 px，可劃分為303×303=91 809個(gè)像素點(diǎn)，綜合每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值，組建完全灰度值303×303矩陣，如圖11所示。分別提取水力沖擊前、后Section A、Section B、Section C及Section D內(nèi)灰度平均值信息，計(jì)算該區(qū)域內(nèi)的灰度平均值，如圖12所示。從圖12可知，水力沖擊前各區(qū)域灰度平均值較高，且較為接近，而水力沖擊后裂紋擴(kuò)展較充分的Section A灰度值GVSection A出現(xiàn)降低，明顯小于Section B、Section C及Section D的灰度值GVSection B≈GVSection C≈GVSection D。因此，結(jié)合圖像灰度值與損傷表征關(guān)系，可定量表明Section A的損傷值遠(yuǎn)大于混凝土內(nèi)部其它區(qū)域，為水力沖擊混凝土主要致?lián)p影響區(qū)。

圖10 基于灰度值的混凝土損傷表征示意圖

圖11 100×100灰度值矩陣

圖12 Section A、Section B、Section C及Section D灰度平均值

Fig.12 The average values of the grey values in Section A, Section B, Section C and Section D

在灰度值矩陣中任取一列目的灰度值信息，可得到其在空間上波動(dòng)規(guī)律，如圖13所示。通過對比該列目CT掃描圖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，可以看到裂紋1、裂紋2出現(xiàn)的位置即為灰度值變化曲線的最小值，與實(shí)際情況相符合。通過對比骨料2～骨料5與灰度值波谷位置，可以發(fā)現(xiàn)骨料邊界基本與波谷點(diǎn)相對應(yīng)，結(jié)合圖像灰度值與損傷表征關(guān)系，說明水力沖擊作用在骨料與砂漿基體過渡區(qū)產(chǎn)生了損傷；在距離裂紋相對較遠(yuǎn)區(qū)域，可以發(fā)現(xiàn)骨料1、骨料6邊界對應(yīng)的灰度值沒有出現(xiàn)明顯的波谷，但仍存在極值點(diǎn)①和②、極值點(diǎn)③和④，說明隨著距離增加，應(yīng)力波效應(yīng)衰減，對界面相造成的損傷已較為微弱。根據(jù)以上現(xiàn)象，可表明水力強(qiáng)沖擊作用除在混凝土內(nèi)部形成破碎區(qū)及誘發(fā)宏觀裂紋外，還會在非破碎區(qū)相對薄弱的骨料與砂漿基體過渡區(qū)形成明顯的損傷，并且距離裂紋越近，損傷劣化程度越明顯。

圖13 典型列目灰度值與CT掃描圖

4 結(jié) 論

(1)結(jié)合混凝土細(xì)觀破裂全方位CT掃描圖及液固碰撞理論分析，闡釋了水力沖擊下混凝土典型致裂形態(tài)：V狀錐形破碎核、徑向裂紋及環(huán)向裂紋的發(fā)展形成力學(xué)機(jī)理，描述了水力沖擊混凝土“啟裂-擴(kuò)展-潰裂”的物理過程。

(2)對水力致裂混凝土CT掃描圖像裂紋擴(kuò)展細(xì)觀形態(tài)進(jìn)行提取和識別，揭示了5種典型水力致裂裂紋的擴(kuò)展特征和力學(xué)機(jī)制。

(3)提出了一種基于圖像灰度值的損傷表征方法，定量地表明水力強(qiáng)沖擊作用會在混凝土未破碎區(qū)的骨料與砂漿基體過渡區(qū)形成明顯的損傷，并且距離裂紋越近，損傷劣化程度越嚴(yán)重。