混凝土凍融損傷過程中微裂紋研究

1、1、研究意義混凝土凍融損傷過程的本質(zhì)是內(nèi)部微裂紋不斷出現(xiàn)和擴展的過程，混凝土的各項宏觀物理力學(xué)性能與其內(nèi)部微裂紋結(jié)構(gòu)狀態(tài)密切相關(guān)?，F(xiàn)有的混凝土凍融損傷評價方法有共振頻率法、超聲波波速法或X射線CT法，均是混凝土損傷程度的宏觀、唯象的表征和評價方法，難以直觀反映混凝土凍融損傷過程中微裂紋的萌生和擴展情況?；跀?shù)字圖像處理技術(shù)對混凝土內(nèi)部微裂紋結(jié)構(gòu)特征進行量化表征和分析，進而建立混凝土宏觀力學(xué)性能變化與微裂紋特征參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，可揭示混凝土凍融損傷的本質(zhì)，為混凝土凍融損傷程度的評價提供一個科學(xué)合理的、更直觀的方法。國際上基于微裂紋圖像定量分析技術(shù)對建筑物中混凝土的劣化狀況進行診斷已有10余年的

2、歷史，而我國在該領(lǐng)域的研究幾乎是空白，本項研究有望建立混凝土凍融損傷的更直觀和本質(zhì)化的評價方法，并填補國內(nèi)在混凝土微裂紋圖像量化分析領(lǐng)域研究的空白，進一步提升我國在混凝土老化損傷評價、健康診斷領(lǐng)域的研究水平。2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述凍融破壞是指硬化混凝土在浸水飽和或潮濕狀態(tài)下，由于溫度正負交替變化，內(nèi)部孔隙水形成凍結(jié)膨脹壓、滲透壓及水中鹽類的結(jié)晶壓等，產(chǎn)生疲勞應(yīng)力，造成混凝土由表及里逐漸剝蝕的一種破壞現(xiàn)象1。凍融破壞是我國東北、華北和西北地區(qū)的水工混凝土建筑物的主要病害之一。對混凝土建筑物所經(jīng)受的凍融損傷程度進行正確合理的診斷和評價是修補和養(yǎng)護混凝土建筑物、延長建筑物壽命的前提。2.1 現(xiàn)有凍融

3、損傷評價方法的不足常用的對混凝土凍融損傷的評價方法有共振頻率法2、超聲波波速法3及X射線CT法4。共振頻率法是最常用的評價混凝土抗凍能力的方法，已經(jīng)納入我國的水利行業(yè)標準。規(guī)范規(guī)定以相對動彈模的變化（由共振頻率計算得到）來評價混凝土的損傷程度，且規(guī)定相對動彈模降低為初始值的60%即認為混凝土已經(jīng)受凍破壞2。超聲波波速法也是常用的檢測混凝土內(nèi)部缺陷的方法，趙霄龍等3發(fā)現(xiàn)通過超聲波波速的相對變化來構(gòu)筑損傷變量D=1-2/-2（ 和分別為完好和受損混凝土的超聲波波速），也可以很好地評價混凝土的凍融劣化程度。日本學(xué)者Suzuki4采用X射線CT設(shè)備對經(jīng)不同凍融劣化程度的混凝土芯樣進行了掃描，發(fā)現(xiàn)CT數(shù)

4、（反映混凝土對X射線吸收能力的高低）可反映混凝土芯樣受劣化程度的大?。簢乐貎鋈诹踊男緲拥钠骄鵆T值最低，而未經(jīng)凍融劣化的芯樣的平均CT值最高。以上這些用于凍融損傷評價的方法都屬無損方法，其共同優(yōu)點是操作方便快捷，不破壞試件，可進行長時間的跟蹤測量。但這些方法也有其不可克服的缺點：不能反映混凝土損傷的本質(zhì)，即不能反映混凝土內(nèi)部微裂紋的萌生和擴展情況；只能用于凍融損傷的相對大小評價，其絕對值無法用于混凝土內(nèi)部損傷程度的評價。鑒于以上原因，本項目將探索能反映混凝土受凍損傷本質(zhì)的方法，開展基于微裂紋結(jié)構(gòu)量化分析對凍融損傷進行評價和診斷的研究。2.2 混凝土微裂紋定量分析研究現(xiàn)狀混凝土的凍融損傷是一個

5、物理變化過程，即混凝土內(nèi)部的微裂紋不斷出現(xiàn)和擴展的過程1。獲取混凝土內(nèi)部的微裂紋結(jié)構(gòu)圖像并對之進行定量分析，進而建立混凝土宏觀性能和微觀微裂紋結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，可直觀地反映混凝土內(nèi)部的凍融損傷程度。微裂紋結(jié)構(gòu)特征量化研究一般分為三個主要過程：微裂紋的浸漬染色、微裂紋的自動提取、微裂紋結(jié)構(gòu)特征的量化分析。微裂紋的浸漬染色的目的是增強圖像中微裂紋與背景（基體）的對比度，以便更容易觀察到微裂紋并對之進行處理；在此基礎(chǔ)上采用自動圖像處理技術(shù)或手工描圖的方式剔除各種雜點、噪聲即可得到我們感興趣的微裂紋圖像；然后采用圖像形態(tài)學(xué)等圖像處理技術(shù)，對微裂紋圖像進行自動量測，即可得到微裂紋結(jié)構(gòu)特征參數(shù)。 混

6、凝土微裂紋浸漬方法研究現(xiàn)狀半個多世紀以來，研究人員提出和發(fā)展了多種用于水泥基材料內(nèi)部微裂紋觀測和分析的浸漬染色方法，這些方法按染色介質(zhì)分，可分為墨水浸染法、酒精浸染法、伍德合金（Wood Metal）浸染法、熒光環(huán)氧浸染法及墨水-熒光環(huán)氧兩階段浸染法；按浸漬染色的環(huán)境壓力區(qū)分，分為高壓浸染法、真空浸染法、常壓浸染和真空-高壓兩階段浸染法。表1為常用微裂紋浸漬染色方法的優(yōu)缺點比較。表1 常用微裂紋浸漬染色方法優(yōu)缺點比較優(yōu)點缺點適用范圍墨水浸染法5-8不需要真空、高壓或者干燥處理，減小了預(yù)處理過程引入的微裂紋不能用于過分開裂的水泥基材料；引起裂縫部分甚至完全閉合，使浸漬不徹底；有機溶劑會引起水化硅

7、酸鈣、鈣礬石的部分脫水；浸漬時間長，一般需要數(shù)天時間普通混凝土熒光酒精置換法9, 10不需要真空、高壓或者干燥處理，減小了預(yù)處理過程引入的微裂紋；浸漬深度高；可用于確定基體中的水灰比不能用于開裂嚴重的水泥基材料；有機溶劑會引起水化硅酸鈣、鈣礬石的部分脫水； 浸漬時間長，一般需要數(shù)天時間高強混凝土（低水灰比）真空環(huán)氧浸染法11-14操作相對簡單、經(jīng)濟，對設(shè)備的要求較低，試驗材料容易得到；環(huán)氧樹脂硬化后具有一定的強度和粘接力，對試件有一定的補強作用，減輕在后續(xù)打磨等處理過程中對裂紋的干擾；試樣可長期保存樣品制備過程中的干燥過程易引入二次微裂紋；真空環(huán)境引起水分散失，易引入二次微裂紋；同時浸漬了裂紋

8、和基體中的毛細孔，圖像中裂紋和基體對比度不夠鮮明水泥凈漿、砂漿及普通混凝土伍德合金（Wood Metal）浸染法15-18掃描電鏡圖像對比度比環(huán)氧樹脂浸漬試件更高；采用合適的化學(xué)溶劑對水泥基體溶蝕后可得到裂縫的三維立體圖像對設(shè)備的要求高，過程復(fù)雜，施加的高壓對試樣有一定的破壞作用；對環(huán)境溫度有特定的要求；合金與水泥基材料的粘結(jié)能力差，不利于試樣長期保存普通混凝土和高強混凝土墨水-環(huán)氧兩階段高壓浸染法15, 16真空浸染的基礎(chǔ)上進行高壓浸染，浸染深度更深；墨水和環(huán)氧兩種浸染介質(zhì)相結(jié)合，墨水浸染了基體中的毛細孔，所得圖像的對比度比純環(huán)氧浸漬的試件更高對設(shè)備的要求高，過程更復(fù)雜；試樣反復(fù)處在真空、高

9、壓的環(huán)境中，對微裂紋的干擾程度大普通混凝土和高強混凝土從表1可以看出，針對凍融損傷這種易引起混凝土表面剝落直至嚴重劣化的損傷特點，同時考慮到操作的簡單和浸染過程中不對微裂紋形態(tài)造成過大的干擾，采用真空環(huán)氧浸染法對凍融產(chǎn)生的微裂紋進行浸漬染色是最好的選擇。 微裂紋的自動提取和量化分析將試件內(nèi)部微裂紋圖像存儲后，即可根據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)字圖像處理技術(shù)對所關(guān)注的微裂紋進行提取，為后續(xù)的量化分析打下基礎(chǔ)。該過程的第一個環(huán)節(jié)是基于灰度閾值的圖像分割技術(shù)，即如何確定灰度圖像轉(zhuǎn)化為黑白二值圖像中的灰度閾值。第二個環(huán)節(jié)是對分割后的圖像進行形狀和尺寸分析以將區(qū)分裂紋與孔隙、裂紋與噪聲。而區(qū)分的準則跟圖像的放大倍數(shù)相關(guān)。S

10、oroushian15根據(jù)上百張裂紋圖片的手動和自動試算結(jié)果確定所需的灰度閾值，指出在125500放大倍數(shù)下裂紋的形狀判別準則為Ff3.5（Ff，formfactor，長度與寬度的比值)，并在其分析中認為對象長度超過35像素才為裂紋。Ammouche7認為在2580放大倍數(shù)下，采用Ff進行裂紋形狀判斷的可靠性不高，提出了新的判定準則Fc0.2（Fc=Aob/Acc，Aob為對象面積，Acc為其外接圓面積）。微裂紋結(jié)構(gòu)提取出來后，即可對其結(jié)構(gòu)特征進行自動測量和分析。常用于表征裂紋結(jié)構(gòu)的參數(shù)有長度、寬度、面積、面積比（裂紋面積與試件面積的比）、密度（單位面積的裂紋長度，裂紋長度與試件面積的比值）、

11、傾角（裂紋與豎直線的夾角）以及裂紋寬度的分布等。以上參數(shù)均為二維統(tǒng)計參數(shù)，部分學(xué)者還結(jié)合三維體視學(xué)原理，假定混凝土三維結(jié)構(gòu)中任意一個橫切面的裂紋統(tǒng)計結(jié)果均與所觀察到的平面裂紋結(jié)構(gòu)相同，提出了三維參數(shù)18，如比表面積、體積分數(shù)、體密度（單位體積中的裂紋長度）等，來對微裂紋結(jié)構(gòu)進行統(tǒng)計分析。但實際混凝土內(nèi)部微裂紋的分布是跟骨料的分布密切相關(guān)的，三維體視學(xué)的計算假定并不完全符合實際混凝土，因此基于微裂紋二維結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測量和分析當(dāng)前最為普遍。 微裂紋量化分析技術(shù)的應(yīng)用國外研究者10多年前已開始研究裂紋浸漬染色和微裂紋量化分析技術(shù)，并將之用于結(jié)構(gòu)物混凝土損傷劣化的評估分析中。Ammouche7, 8

12、采用紅墨水浸染法觀察分析微裂紋，發(fā)現(xiàn)承受單軸峰值荷載時高強混凝土和砂漿試件內(nèi)部裂紋的密度（長度與面積的比值）比承受荷載前明顯增多，但裂紋的傾角變化不明顯。Litorowicz13采用真空熒光環(huán)氧浸漬染色技術(shù)和微裂紋量化分析系統(tǒng)對早期經(jīng)受不同時長冷凍的三組混凝土試件內(nèi)部微裂紋的長度、寬度、面積、面積比、傾角和圓度（roundness）等進行定量分析，給出了抗壓強度、水滲入深度和氯離子遷移系數(shù)等與裂紋密度之間的關(guān)系。Glinicki12將此系統(tǒng)應(yīng)用到地板、停車場和隧洞等建筑物的混凝土芯樣劣化狀態(tài)的評價中，認為該方法是常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)診斷學(xué)的一個重要補充。在普通真空環(huán)氧浸漬技術(shù)的基礎(chǔ)上，Bisscho

13、p11提出先真空環(huán)氧浸漬再切片打磨的“裂紋凍結(jié)法”研究混凝土干縮微裂紋，從而減少了干燥過程對干縮微裂紋的干擾；通過對人工描繪得到的裂紋圖片的定量分析，Bisschop系統(tǒng)研究了玻璃珠骨料的彈模、級配等因素對水泥基材料干縮微裂紋分布的影響。Soroushian和Elzafraney15-17分別采用伍德合金（Wood Metal）高壓浸漬和黑墨水、熒光環(huán)氧兩階段高壓浸染技術(shù)，獲得了裂紋與基體的對比度比一般真空環(huán)氧浸漬高出很多的微裂紋圖像。結(jié)合開發(fā)的裂紋定量分析軟件，Elzafraney研究了一座鋼筋混凝土橋面板的劣化情況，發(fā)現(xiàn)嚴重損壞區(qū)域和輕微損傷區(qū)域的微裂紋結(jié)構(gòu)特征統(tǒng)計參數(shù)有顯著差異。而我國目

14、前采用裂紋染色技術(shù)對混凝土內(nèi)部微裂紋的量化研究幾乎是空白。據(jù)所查到的文獻，僅有東南大學(xué)的孫偉課題組14采用熒光環(huán)氧浸漬染色技術(shù)對同時承受凍融循環(huán)和受彎疲勞的試件內(nèi)部微裂紋分布進行了定性觀察，但并沒有對微裂紋進行量化分析。由以上國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出：國外采用微裂紋量化分析技術(shù)對建筑物中混凝土進行健康診斷剛剛起步，國內(nèi)則還是空白；基于數(shù)字圖像處理技術(shù)對混凝土內(nèi)部微裂紋結(jié)構(gòu)進行量化分析有望揭示混凝土凍融損傷本質(zhì)、為混凝土凍融損傷提供新的評價方法，并有望為混凝土的健康診斷提供重要的技術(shù)支持。3、項目創(chuàng)新點研究開發(fā)混凝土微裂紋圖像的自動識別和量化分析系統(tǒng)；提出基于數(shù)字圖像處理的混凝土凍融損傷評價方法及

15、指標；4、參考文獻1李金玉, 曹建國. 水工混凝土耐久性的研究和應(yīng)用. 北京: 中國電力出版社, 2004.2中國水利水電科學(xué)研究院, 南京水利科學(xué)研究院. 水工混凝土試驗規(guī)程 sl352-2006, 2006.3趙霄龍, 衛(wèi)軍. 以超聲波聲速構(gòu)筑混凝土凍融損傷變量. 第八屆全國建設(shè)工程無損檢測技術(shù)學(xué)術(shù)會議, 中國桂林, 2004. p. 56-61.4Suzuki T, Ogata H, Takada R, et al. Use of acoustic emission and x-ray computed tomography for damage evaluation of freezi

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