胡力繩，曹 浪，王紅強，楊 琴，賈 超，朱珂正

1.中鐵二局集團有限公司，四川 成都 610000

2.深圳中鐵二局工程有限公司，廣東 深圳 518000

3.西華大學土木建筑與環(huán)境學院，四川 成都 610039

從細觀尺度上看，混凝土是由骨料、砂漿、孔隙三相組成的復合材料。細觀層面主要研究混凝土各相材料的力學性能及內(nèi)部微裂縫等初始缺陷的產(chǎn)生與發(fā)展。隨著自動控制系統(tǒng)和電液伺服加載系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)試驗中的廣泛應用，能夠為試件提供不同的應力狀態(tài)。然而，混凝土材料在各種應力狀態(tài)下，難以直接觀測到其內(nèi)部的損傷破裂過程，因此需要一些可以直觀分析研究混凝土材料內(nèi)部破裂過程的方法[1]。

1 聲發(fā)射技術(shù)

聲發(fā)射技術(shù)是指通過靈敏的聲發(fā)射儀或聲射頻度儀等接收設備，對材料或構(gòu)件進行動態(tài)無損檢測的技術(shù)?；炷敛牧显谕獠亢奢d作用下產(chǎn)生形變及內(nèi)部損傷擴展演化的同時，會伴有能量波的釋放，即聲發(fā)射現(xiàn)象。因此，研究人員通過對聲發(fā)射信號進行統(tǒng)計和研究，可以測定微裂縫的大小、方向以及類型，并推斷出材料內(nèi)部損傷程度。

在國外，Berthaud等[2]利用聲發(fā)射技術(shù)觀測混凝土受拉試驗中單條微裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展過程，發(fā)現(xiàn)其周圍確實存在損傷區(qū)；Sagar等[3-4]通過聲發(fā)射試驗研究了混凝土試件的斷裂能，并將數(shù)值模擬方法與聲發(fā)射相結(jié)合，討論了混凝土中的損傷分布。在國內(nèi)，李建濤等[5]、陳偉強等[6]分別利用聲發(fā)射技術(shù)對混凝土破裂過程進行觀測，揭示了混凝土破裂過程中內(nèi)部損傷演化和聲發(fā)射頻數(shù)的對應關(guān)系，進一步認識了混凝土的破裂機理。

聲發(fā)射技術(shù)作為一種動態(tài)無損監(jiān)測手段，由于對被檢件的要求不高，同時也適用于難以或不能接近環(huán)境下（如極端溫度）的監(jiān)測，并且聲發(fā)射現(xiàn)象在固體中是普遍存在的，因此該方法被應用于巖石類混凝土材料細觀試驗研究中。但是該方法具有局限性，僅在在動態(tài)情況下才能形成聲發(fā)射信號，無法監(jiān)測靜態(tài)缺陷狀態(tài)，且易受外界噪聲的干擾。在聲波傳播過程中，由于波的衰減、反射這一復雜過程，使原始信號產(chǎn)生變化，從而干擾對聲發(fā)射源的捕捉。

2 CT掃描技術(shù)

X射線CT掃描技術(shù)基于20世紀建立的層析學理論，其將物體組分的參數(shù)與其投影聯(lián)系起來。CT設備通過發(fā)射X射線照射到物體上，根據(jù)透過物體射線的衰減情況，顯示出物體任意斷面的CT圖像，以此獲得物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細信息。

國外學者在20世紀80年代末開始將CT掃描技術(shù)運用到混凝土的研究中。Morgan等[7]最早通過醫(yī)用CT對混凝土進行掃描觀測；Lawer等[8]利用CT掃描分析了試件內(nèi)部裂紋的三維特征；Suzuki等[9]采用相同方法評價凍融混凝土損傷。在國內(nèi)，楊更社等[10]基于CT數(shù)的空間分布規(guī)律對混凝土的損傷情況和規(guī)律進行了分析描述，并提出以CT數(shù)為損傷變量并應用于與混凝土損傷的本構(gòu)關(guān)系。仵彥卿等[11]、丁衛(wèi)華等[12]分別對單軸、三軸加載下的巖石進行了CT試驗，根據(jù)結(jié)果將其損傷破壞過程劃分成不同階段，并對其演化機理進行了分析研究。陳薇等[13]利用CT掃描技術(shù)研究了高性能混凝土在高溫環(huán)境下內(nèi)部孔隙的一系列擴展演化過程，并對其高溫裂爆機理進行了分析探討。劉京紅等[14]通過工業(yè)CT對單軸壓縮狀態(tài)下的混凝土試樣進行了掃描，基于CT圖像得出了不同加載程度下混凝土裂紋及孔隙的變化規(guī)律。田威等[15]研制出了與醫(yī)用CT配套的便攜式動態(tài)加載裝置，對混凝土進行了單軸壓縮試驗的實時掃描觀測，并對試驗數(shù)據(jù)進行擬合分析后得到了關(guān)于應變和損傷變量的經(jīng)驗公式，提出了分段的損傷演化方程及損傷本構(gòu)模型。

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，張臻等[16]通過對CT圖像進行分割處理后，利用Amira、MIMICS等專業(yè)軟件，基于CT圖片能夠得到混凝土的三維重構(gòu)模型，還可以實現(xiàn)內(nèi)部損傷的可視化或是有限元模擬分析，為真實反映混凝土材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和深入研究混凝土材料損傷劣化機理開辟了新的途徑。

利用CT掃描技術(shù)可以對材料內(nèi)部損傷的擴展演化進行觀察，但是由于CT設備精度及掃描速率的限制，CT技術(shù)用于觀測裂紋等內(nèi)部缺陷的實時動態(tài)擴展仍處在探索階段，對荷載作用下混凝土的破壞過程仍無法實現(xiàn)完全意義上的實時觀測。

3 光學檢測方法

目前較為常用的光學類檢測方法主要有光學顯微鏡法及電子顯微鏡法等。電子顯微鏡法主要分為掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡，后者具有更高的分辨率，可達到0.2～0.3nm級，但是該方法對試樣的厚薄程度要求較為嚴格，因此在實際運用時多選用掃描電鏡技術(shù)。光學顯微鏡法是通過光學原理，即凸透鏡放大成像原理，將微小的物體放大到人眼能夠分辨識別的尺寸。由于該方法簡便高效，且能夠直觀地獲取被測物體的成像，普遍與掃描電鏡相結(jié)合應用于巖石類混凝土材料的裂縫、孔隙等微觀構(gòu)造的定量分析研究。謝和平等[17]、劉小明等[18]通過掃描電鏡和光學顯微鏡對巖石斷口的裂縫和形貌進行了觀察，研究探討了巖石斷裂時裂縫及擴展演化過程，進一步探討了圍巖的巖爆機理。趙金俠等[19]為了優(yōu)化超高性能混凝土的制備方法，進行了軸壓試驗和掃描電鏡試驗，分析了水膠比等因素對其力學性能的影響及內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。王宗熙等[20]通過掃描電鏡觀察了不同配比的粉煤灰混凝土溶蝕后細觀結(jié)構(gòu)的分布情況，并探討了其機理。何銳等[21]為了研究高原氣候環(huán)境對混凝土力學性能的影響及作用機理，利用掃描電鏡和原子力顯微鏡對其內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)進行了分析。

通過上述研究可知，光學顯微鏡及電子顯微鏡技術(shù)被廣泛應用于細觀力學試驗研究，但是其也存在一定的局限性，如根據(jù)試驗設備的選取，對被測物體的體積大小具有一定的要求，且僅能對試樣表面的細觀結(jié)構(gòu)破損演化過程進行觀測，代表性較低。

隨著技術(shù)手段的發(fā)展，相關(guān)研究人員逐漸將數(shù)字散斑相關(guān)方法的光力學檢測技術(shù)與其他光學檢測方法相結(jié)合運用到混凝土的細觀試驗中，且取得了較好的試驗效果。王懷文等[22]、彭瑞東等[23]將數(shù)字散斑相關(guān)方法與配有掃描電鏡的伺服實驗機相結(jié)合，并對其精度和誤差進行了分析討論，能夠更加準確地對SEM圖像中細微觀變形進行定量分析。黃正紅等[24]對混凝土試樣進行了張拉荷載試驗，并通過數(shù)字散斑相關(guān)方法獲取了位移場等值線分布特征，基于此，進一步研究了混凝土在張拉應力作用下內(nèi)部裂縫的真實擴展演化規(guī)律及裂紋交匯方式。目前數(shù)字散斑相關(guān)方法的應用趨勢主要是與掃描電鏡等具有較高分辨率及放大倍數(shù)的方法手段相結(jié)合，對放大倍數(shù)環(huán)境下的細微觀變形場進行測量分析。但是在大變形、大轉(zhuǎn)角測量和精度問題方面仍存在一定的局限性，要想使該方法具有更好的實際運用效果，研究人員需要對相關(guān)的數(shù)學算法進行改進。

4 結(jié)束語

上述研究成果可以幫助研究人員在荷載作用下對混凝土材料內(nèi)部的細觀結(jié)構(gòu)及其損傷演化過程進行觀測和定量分析。但是由于試驗技術(shù)和設備自身的影響，上述技術(shù)方法主要應用于簡單荷載情況下的混凝土材料分析，而實際工程中混凝土結(jié)構(gòu)的受力情況是更加復雜多樣的，且各種技術(shù)方法都具有一定的缺陷和局限性。因此，對于混凝土類材料的細觀力學試驗，研究人員需要不斷創(chuàng)新和突破現(xiàn)有技術(shù)方法的局限性。