混凝土細觀結構動態力學特性CT試驗研究

黨發寧，雷光宇，丁衛華，李 騫

（西安理工大學巖土工程研究所，西安 710048）

混凝土細觀結構動態力學特性CT試驗研究

黨發寧，雷光宇，丁衛華，李 騫

（西安理工大學巖土工程研究所，西安 710048）

混凝土材料在動載作用下具有與靜載不同的特性。從實時CT掃描試驗出發，以素混凝土圓柱體試樣為研究對象，分析了正弦波動壓和動拉荷載作用下，混凝土的細觀結構變化對動態力學特性中諸如強度、變形和破損形態的影響。通過CT差值圖像研究，得出動壓荷載作用下混凝土裂紋具有發展迅速，破壞過程短，破壞裂紋多，破壞面積大等特點；通過CT數等密度分割圖研究，得出動拉荷載作用下混凝土微裂紋突然合并形成一條主裂紋貫穿試件，試件突然斷裂；通過加載過程中CT數變化規律研究，得出動壓荷載作用下混凝土的密度經歷了一個先增大后減小的過程，試件經歷了壓密、擴容、裂紋貫通直至最后破壞的過程，而動拉荷載后試件的密度持續減小直至斷裂，荷載初期無壓密現象。混凝土試件形成單位面積的壓、拉裂紋面所需的能量基本相同，形成單位面積的動力裂紋面所需的能量略大于靜力裂紋面所需能量。混凝土動壓、動拉的應力狀態不同，導致其破壞程度不同，所形成的裂紋面積不同，所需的總能量也不同，最終導致測定的強度不同，應力狀態不同是動壓、動拉強度差異的根本原因。

混凝土材料；CT試驗；動力荷載；圖像處理；破壞形態

強烈地震作用下混凝土高拱壩的動力反應和破壞過程極其復雜，大壩結構的抗震設計是否安全、合理，不僅取決于地震動輸入的合理性和抗震動力分析方法的正確性，而且還取決于設計采用的大壩混凝土材料的動態力學特性。

近年來，隨著近代力學和計算技術的發展，大壩結構的抗震動力分析取得了重大進展；隨著試驗設備和測試技術的發展與提高，使得大壩結構動力模型試驗能較為合理地模擬各種影響因素。相對而言，對于影響高拱壩抗震安全關鍵因素的大壩混凝土的動力特性研究要滯后的多，進展很小，還存在不少基礎性問題需要進一步探索和深化研究［1－2］。同時，對混凝土動力特性的研究主要集中在應變速率對混凝土強度的影響上，從細觀結構上研究混凝土變形破壞的資料相對少一些［3－5］。馬懷發等［6］總結了混凝土材料動態力學性能的基本規律，提出了動載作用下混凝土材料變形滯后所產生的損傷滯后最終表現為應變率強化效應。Harris等［7］從混凝土壩中取芯進行靜動力試驗，得到了地震作用下混凝土的抗壓、抗拉強度平均增加7%、14.3%的結果；劉傳雄等［8］利用SHPB裝置對混凝土試樣進行了動態壓縮試驗，借助高速攝影裝置獲得了試樣的變形與破壞過程，得到在動態壓縮強度附近應力區，材料表面先出現一條沿試樣軸向的可見宏觀裂紋，而多條主裂紋的形成與擴展才導致材料的最終破壞；李慶斌等［9］在線彈性斷裂力學基礎上，提出了一種可以解釋混凝土抗拉率效應的斷裂力學模型，得出從細觀角度來看混凝土的強度是材料的固有屬性，與加載速率無關等重要結論。

近幾十年的研究工作中，對混凝土動力特性的研究主要基于室內試驗以及數值試驗來研究它的應力應變關系和破壞形態［10－11］，很難觀測加載過程中試件內部材料及結構發生的細微變化，目前，CT掃描技術是無損檢測混凝土材料內部受力變化的一種有效方法。Buyukozturk［12］通過對基于X射線或γ射線法的CT方法、熱紅外線法、微波法、聲發射法等的對比，發現混凝土CT圖像內骨料、砂漿、孔洞等組分清晰可見，認為X射線CT是研究混凝土內部結構的有效方法。陳厚群等［13］開展了用醫用X射線CT實時監測受靜力壓縮混凝土內部細觀裂紋萌生、擴展、連通過程的試驗，從理論上提出細觀裂紋寬度的計算方法；黨發寧等［14］將破損演化理論應用于混凝土CT圖像的定量分析，利用完整度和破損度的變化分析試樣各點的強度變化，解決了CT數分布范圍廣、不利于定量分析的問題。以上研究均為靜態載荷下的CT掃描試驗。田威等［15］研制了可在醫用CT機上進行動態加載的設備，首次實現了動態實時CT掃描試驗，初次實現對一、二級配中混凝土內部細觀裂紋的實時觀測［16］。

本文從CT試驗出發，利用自行研制的便攜式CT試驗加載機，進行了動力荷載作用下的拉、壓實時CT掃描，從混凝土細觀結構入手，根據和CT數的變化研究混凝土在動態荷載作用下強度及破壞發生的內在機理。

1 混凝土CT實時試驗動力加載系統

混凝土CT指采用X射線CT技術對室內混凝土樣品的內部結構進行無損觀察和研究。一般是對標準混凝土試件沿高度分層掃描，每層厚0.3 mm，所能觀測到的裂紋稱為CT尺度裂紋。目前混凝土力學CT研究的主要成果表現為對室內靜力條件下的試樣進行CT尺度裂紋演化的全過程觀測，可識別的最小裂紋寬度在0.01 mm量級。

本課題成功研制出適合CT掃描用的動力加載設備，是國內外迄今已知的第一臺同類型設備，可在醫用CT機上進行巖石、混凝土的動力拉、壓載荷試驗。材料試驗機的結構如圖1所示，該儀器具有結構輕巧，便于移動，安裝試樣方便，可施加拉、壓動力荷載、運行平穩等優點。圖2是混凝土動力加載CT試驗的全貌。

圖1 CT掃描用的動力加載設備結構示意圖Fig.1 The structure diagram of dynamic loading equipment for CT scanning

圖2 CT機及動力加載儀器系統全貌Fig.2 The panorama of CTmachine and dynamic loading instrument

2 試驗方案

2.1 混凝土試樣的制作

根據大崗山混凝土拱壩的實際配方要求，分別制作了一級配濕篩小試件與二級配濕篩大試件，濕篩小試件的規格為Φ60 mm×120 mm的圓柱體，二級配濕篩大試件的規格為Φ150 mm×300 mm的圓柱體，養護齡期10個月。

2.2 試驗加載方案

首先根據加工好的試件的平均強度，設定加載速率。一般采用先施加荷載控制，再施加位移控制的加載方式，意在加載初期階段，采用荷載控制的方式，當加至接近材料的強度值之前改為位移控制，這樣是為了合理的控制試件破壞前后的裂紋發育。

本試驗機提供的動態加載波形有正弦波、余弦波、方形波、三角波等，一般選用正弦波加載，如圖3所示。

圖3 正弦波形式的動態加載波形Fig.3 The dynamic loading waveform of sine wave

動壓試驗以二級配濕篩大試件conc10試樣為例，加載頻率為1 Hz，加載周期為3 s，先荷載控制，增幅1 kN，至30 kN改位移控制，增幅0.01 mm，每增0.05 mm自動停頓一次，加載至0.7mm時試件斷裂，破壞應力為37 MPa。動拉以二級配濕篩大試件conc41試樣為例，加載頻率為1 Hz，加載周期為3 s，先荷載控制，增幅1 kN，至15 kN改位移控制，增幅0.01 mm，每0.05 mm自動停頓一次。加載至0.5 mm時試件斷裂，破壞應力為4.1 MPa。

2.3 CT掃描試驗步驟

先進行掃描前的準備工作，主要包括試樣的取樣、對中，安裝。當前期準備工作完成后，連接儀器，把試件放在CT機上，進行加載掃描。首先，進行未加載前的初始狀態掃描；然后進行荷載控制的分步加載，并同步進行各次掃描，隨后轉為位移控制加載，為保持應力應變曲線的斜率相同，在設定位移控制的速率時，需根據前階段荷載控制的速率確定位移加載幅值，與前階段的應力應變曲線斜率保持一致。位移控制加載階段掃描時機秉承兩個原則，①加載至接近材料強度時，根據情況適時停頓加載進行掃描；②應力應變曲線有下降趨勢時，保持位移不變進行掃描。最后，直到試件斷裂，停止掃描。

3 CT掃描試驗結果分析

3.1 分析方法

混凝土CT圖像的優點在于可以顯示其內部的細觀裂紋，因此，混凝土CT的主要研究對象就是進行CT圖像分析。本文主要從等密度分割圖、差值圖等不同的圖像分析方法入手對混凝土CT圖像進行分析，深入地挖掘包含在圖像中的豐富信息，利用這些信息對細觀混凝土動態力學特性進行研究，最大限度的利用CT圖像資源。

為了突出某一密度等級的色調，即將圖像的色調密度劃分成若干個等級，并用不同的顏色分別表示不同的密度等級，得到一副彩色的等密度分割圖像。CT掃描斷面圖的等密度彩色圖像有較明顯變化，重點對砂漿區域的變化進行分析。

對同一斷面不同應力階段的兩幅CT圖像進行差值運算，即同樣位置的像素點CT值相減，得到差值圖像，差值圖像之所以能較好地顯示裂紋影像，在于相對于前一幅CT圖像來說，只有裂紋萌生、擴展的部位像素的CT數明顯降低，而其余部位像數點的CT數無明顯變化，因此在差值圖像中只有裂紋產生或擴展部位形成線形或環形影像，其余部位的像素差值絕對值較小，呈現隨機變化。與相應的破壞后的灰度CT圖像相比，裂紋更加清晰，并且CT圖像中不能確定的裂紋也得到確認。原因是差值圖像中的線狀或環狀陰影就是材料損傷大小的直觀表現，并且裂紋影像得到增強。

3.2 動壓荷載下破壞過程分析

以二級配濕篩大試件conc10試樣為例，圖4為試件在動壓荷載作用下的CT圖像及差值圖像。從圖中看出，第一幅為原始圖像，能看到試件骨料的位置；中間兩幅為加載初期進行了差值運算的CT圖像，兩幅圖像幾乎沒有什么區別，骨料經差值運算已經顯示不出來，微裂紋還未形成，所以整個圖像就如同一個均質體圖；隨著加載的繼續，第4幅差值圖像可以很清楚的看到裂紋的發展方向以及破壞位置，可以看出，與靜力加載破壞過程相比，在動力荷載作用下，裂紋發展迅速，破壞過程短，破壞裂紋多，破壞面積大，CT掃描可以較準確的追蹤到裂紋萌生、發展以及完成破壞這樣一個完整的過程。

圖4 動壓荷載下不同加載階段的CT差值圖像Fig.4 The CT difference value images under different dynamic pressure loading

從CT差值圖像上無法清楚地觀察到試件未破壞前發生的變化，主要是因為CT掃描中很難準確地捕捉到試件發生破壞前的時刻，但是，由于受到動力的作用，試件內部結構已經發生了一些細微的變化，比如材料密度的改變。因此可以從CT數的變化角度分析材料內部損傷演化規律，從圖5中CT數在不同加載階段的變化分析，看出共進行了4次掃描，當試件未承受荷載時，進行了第一次掃描，CT數大小為2 589HU；當施加荷載后，CT數為2 592HU，CT數增大，說明在動壓的作用下，材料的密度增大，試件經歷了一個壓密的過程；隨著繼續增大荷載，CT數又減小為2 562HU，同時小于未加載前的CT數，說明了在動壓荷載達到一定值時，材料內部的微裂紋開始出現，材料密度減小，試件發生擴容；隨著繼續增加荷載，CT數急劇減小，為2 504HU，說明了材料內部的裂紋擴大，貫通，試件發生了破壞。從動壓荷載作用下混凝土試件的CT數變化來看，混凝土的密度經歷了一個先增大后減小的過程，試件經歷了壓密、擴容、裂紋貫通直至最后破壞的過程。從掃描CT圖和混凝土破壞后的形態看，動壓作用下，試樣破壞時多個部位同時有裂紋產生，穿過骨料現象增多，破壞速度較快，裂紋起裂、演化具有突發性，破壞面積大，這說明了動力荷載作用下裂紋追隨能量最快路徑發展，與靜力作用下裂紋沿結構軟弱面發展不同。試件從中間壓斷，斷裂面凹凸不平，呈擠壓剪切破壞，破碎面積比較大，有部分骨料發生斷裂，如圖6所示。

圖5 動壓荷載下不同加載階段CT數變化圖Fig.5 The CT number variation under different dynamic pressure loading

圖6 動壓荷載下試件破壞圖Fig.6 The failure of sepcimen under dynamic pressure loading

3.3 動拉荷載下破壞過程分析

以conc41試樣為例，圖7為試件在動拉荷載作用下的CT數等密度分割圖，圖中色彩對比明顯，綠色表示砂漿，白色代表骨料，黑色是孔洞。通過等密度分割可以更清楚的看出各個材料在受力過程中所發生的變化。從前3次掃描圖中可以看出，試件在荷載的作用下，并未發生明顯變化，最后一幅圖，一條黑色的線條貫穿試件，有部分穿過骨料，試件破壞。說明了混凝土試件在受到動拉荷載時，微裂紋突然合并形成一條主裂紋貫穿試件，試件突然斷裂，從CT圖中很難追蹤到破壞發生的先兆，破壞是由一條主裂紋貫穿試件形成的。

圖7 動拉荷載下不同階段CT等密度分割圖Fig.7 The CT isodense segmentation maps under different dynamic tensile loading

圖8 動拉荷載下不同加載階段CT數變化圖Fig.8 The CT number variation under different dynamic tensile loading

圖9 動拉荷載下試件破壞圖Fig.9 The failure of sepcimen under dynamic tensile loading

從CT等密度分割圖中很難觀測到試件在破壞前發生的變化。分析動拉荷載作用下材料密度的變化，從圖8的CT數在不同加載階段的變化可以看出，對試件共進行了4次掃描，當未加載時，進行初次掃描，CT數大小為2 620HU；當施加動拉荷載后（圖9），進行掃描，CT數大小為2 610HU，說明在受到動拉荷載后，試件的密度減小，沒有出現動壓荷載初期的壓密現象，經歷了與動壓荷載不同的受力變形過程；隨著荷載的持續增大，試件內部損傷逐漸積累，微裂紋逐漸形成，密度不斷減小；當進行第三次掃描時，CT數為2 595HU；繼續增大荷載，試件微裂紋貫通，形成宏觀裂縫，試件發生破壞，此時，CT數為2 500HU，減小幅度最大，說明在加荷的最后一步，試件瀕臨破壞，內部損傷達到最大。從CT掃描圖和混凝土破壞后的形態觀察，動拉荷載作用下，破壞是由一條貫穿試件的主裂紋形成，破壞突然，裂縫穿過骨料，斷裂面平整，完全水平，周圍斷口整齊，表現出明顯的脆性破壞。

3.4 混凝土材料動力破壞機理探討

文獻［17］提出了計算試件破裂面積及破壞能量的方法，并計算了靜壓和靜拉作用下試件的破壞面積和破壞能量，結果如表1所示。

表1 CT靜壓、靜拉試件的破壞面積和破壞能Tab.1 Dam age aread and damage energy of static pressure and static tensile sam p les

從表1可以看出，在靜態拉、壓荷載作用下，混凝土抗壓強度是抗拉強度的10倍，而二者單位面積的破壞能卻基本相同，說明了無論是靜壓還是靜拉試驗，試件破壞時單位破壞面上消耗掉的能量是一個定值，說明混凝土試件在不同條件的載荷作用下的強度不同是由于不同應力狀態引起的，應力狀態不同導致裂紋起裂的位置、裂紋的發展方向、發展路徑不同，宏觀反應出其破壞面積不同，而混凝土材料在其破壞時形成單位面積的裂紋所需的能量基本相同，那么試件破壞時破壞面積越大，其破壞能就越大，材料儲存能量越多及破壞時可釋放能就越大，試件的強度就越大。

依據文獻［17］的方法，本文計算了動壓和動拉作用下混凝土試件的破壞面積和破壞能量，如表2所示。

表2 CT動壓、動拉試件的破壞面積和破壞能Tab.1 Damage aread and damage energy of static pressure and static tensile samples

結合表1的數據，從表2中可以看出，試件受動壓時的破壞強度最大，其次為靜壓，受到靜拉時的破壞強度最小；動壓荷載作用下的破壞面積最大，其次為靜壓，動拉和靜拉的破壞面積基本相同。形成單位面積破裂面所消耗的破壞能，動拉和動壓的基本相同，兩者大于靜力荷載作用下的單位面積破壞能，這主要是因為在動力荷載作用下，裂紋會穿過骨料，造成強度的增大需要消耗更多的能量。

動壓荷載作用下，破壞時的裂紋多，有彌散分布于試件內的趨勢，斷裂層面中骨料斷裂點多；破壞是由多條裂紋相互貫通形成的；動拉荷載作用下，由于能量的突然釋放，造成裂紋在極短的時間內突然萌生，擴展并融合，造成裂紋穿過骨料，破壞是由一條主裂紋貫通試件形成的，破壞后的兩段試件各自完整，混凝土表面完好。由動壓和動拉的破壞來看，動力作用下，細觀裂紋生成和發展的速度快，在極短的時間內，由于能量來不及釋放，所以裂紋追隨能量釋放最快路徑發展，而不是沿最弱斷面發展，穿過骨料現象增多，強度得到充分發揮，導致動態強度增大。

從細觀破壞過程來看，動壓荷載作用下，CT數的變化反映了試件經歷了壓密、擴容、裂紋擴展和破壞這幾個發展過程，動拉作用下，CT數的變化說明各加載階段內部大量的微裂紋相互擴展、貫通直至破壞的過程，試件沒有經歷CT數增加過程，材料的密度經歷了一個持續減小的過程。

混凝土試件在動壓、動拉時的應力狀態不同，導致其破壞程度不同，所形成的裂紋面積不同，所需的總能量也不同，最終導致測定的強度不同，應力狀態不同是動壓、動拉強度差異的根本原因。

4 結 論

長期以來，混凝土材料的動態力學特性研究主要采用宏觀力學試驗方法。本文采用X射線CT技術研究混凝土在動態壓、拉荷載作用下的破裂過程。結果表明：

（1）混凝土在動態荷載作用下，能量釋放的快，在極短時間內產生比較大的能量不易找到材料的最薄弱部位去消散，使得內部微裂紋來不及沿著薄弱區擴展，導致微裂縫沿直線傳遞，穿過骨料，出現骨料的較大面積斷裂，這是混凝土動強度高于靜強度的根源。

（2）動壓作用下的起裂點多，破壞面積大，破壞是由多條裂紋相互貫通形成的；動拉作用下的破壞是由一條主裂紋貫通試件產生的，破壞后的兩段試件各自完整，混凝土表面完好，裂紋面小，這是混凝土壓強度高于拉強度的根源。

（3）混凝土材料破壞面積的大小決定了破壞耗能的多少，而破壞耗能的多少決定了破壞強度的大小。

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CT tests for dynamic behavior of concrete with mesoscopic structure

DANG Fa-ning，LEIGuang-yu，DINGWei-hua，LIQian
（Institute of Geotechnical Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，China）

Concrete material under dynamic loads has different characteristics comparing with those under static loads.Here，CT tests of concrete material were investigated taking，plain concrete specimens under dynamic loading as study objects.The effects of concretemeso structure change on itsdynamic characteristics，such as，strength，deformation and damagemorphology under the sine wave dynamic pressure and dynamic tensile load were analyzed.Through studying CT difference images，itwas shown that cracks in concrete under compressive loads grow rapidly，their failure process is short，failure cracks havemany，damage area is large，etc.Through CT number equidensity segmentation image study，it was shown that under dynamic tensile loading，concretemicro cracks suddenlymerge to form amain crack passing through the specimen，the specimen breaks suddenly.Through studying the CT number change law in loading process it was shown that the concrete density decreases after a first increase under the dynamic compressive loads，specimens experience a process of compaction，expansion，crack coalescence until final failure，and under the dynamic tensile load the specimen density continuously drops until its fracture，early without compaction；different stress states of concrete under dynamic compressive loads and dynamic tensile loads lead to its different damage levels，different crack areas formed，different total energy required，and its different strengths neasured finally；different stress states are the essential cause to cause the difference between dynamic tensile strength and dynamic compression one.

concretematerial；CT test；dynamic load；image process；failuremode

TU37

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.24.010

水利部公益性行業科研專項（201201053－03）；陜西省黃土力學與工程重點實驗室重點科研計劃項目（09JS103）；西安理工大學博士基金（106－211107）

2013－11－01 修改稿收到日期：2014－01－09

黨發寧男，博士，教授，1962年生