再生混凝土細觀層次的數字圖像模型分析

秦擁軍，田盼盼，于 江，羅 玲

(新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

再生混凝土細觀層次的數字圖像模型分析

秦擁軍，田盼盼，于 江，羅 玲

(新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

針對再生混凝土已有細觀骨料模型算法復雜、建模理想化和處理技術手段傳統等問題，基于真實骨料圖像，結合數字圖像處理和邊界矢量化技術，通過ANSYS軟件的參數化語言編程，建立了再生混凝土數字圖像細觀模型。應用數字圖像細觀模型模擬了單軸受壓立方體試塊的應變云圖，分析了宏觀力學響應和再生粗骨料對再生混凝土抗壓強度的影響。研究結果表明：大多數再生混凝土裂紋從大骨料邊界產生、發展和形成。再生粗骨料摻量(質量分數)在50%內的再生混凝土，不同骨料模型模擬的抗壓強度值不同。本文提出的數字圖像細觀模型模擬結果均符合試驗現象和力學規律，證明了建模方法的合理性和有效性。

細觀層次；再生混凝土；數字圖像模型；粗骨料；力學性能

0 引言

再生混凝土是發展生態綠色混凝土、實現建筑資源可持續發展的重要途徑之一[1-4]。目前的研究從宏觀層次上很難客觀合理地解釋再生混凝土的裂紋擴展規律、破壞過程及靜、動態破壞機理，且難以描述混凝土材料的軟化行為。因此，研究在不同應力路徑下再生混凝土破壞過程中的損傷微裂紋孕育、發展和貫通過程[5]，明確細觀層次機理是一個不可缺少的關鍵環節[6]。

目前，國內外學者對混凝土細觀層次的力學模型和數值模擬進行了研究，取得了一定成果[7-10]，但仍缺乏成熟的細觀模型[7]，原有的格構模型[8]、M-H模型[9]和隨機力學特性模型[10]等均存在一些不足，如幾何建模過程復雜、建模理想化和處理技術手段傳統等。為確保再生混凝土結構的安全，需要研究細觀力學模型，為再生混凝土裂縫擴展方向及其變化規律的研究提供重要的理論基礎[11]。

數字圖像處理是指將圖像信號利用計算機進行處理轉換成數字信號的過程[12]，具有信息量大、傳輸速度快、作用距離遠等優點，飛速發展的計算機技術使得圖像處理技術成為現代社會快速獲取信息的重要手段之一。圖像分析技術和理論也逐漸應用于再生混凝土材料的研究中。

本文針對再生混凝土細觀骨料模型算法復雜和處理技術手段傳統等問題，基于真實骨料圖像和邊界矢量化技術提出了再生混凝土數字圖像細觀模型，通過試驗驗證了該模型，進一步研究了再生粗骨料摻量和形狀對再生混凝土的影響。

1 再生混凝土數字圖像模型的建立

數字圖像模型是指基于真實骨料圖像，利用數字圖像處理技術和邊界矢量化技術建立的再生混凝土細觀模型。再生混凝土數字圖像模型生成流程如圖1所示。

1.1 幾何模型的生成

根據試驗方案，設計了再生骨料摻量(質量分數，下同)分別為0%、30%和50%的R0、R3和R53組試件，每組3個。由于篇幅有限，本文主要選取R3組第2個試件(R3-2)進行分析，其尺寸為150 mm×150 mm,再生骨料摻量為30%。

應用MATLAB軟件做圖像處理，應用AutoCAD軟件在關鍵點拾取骨料邊界，形成不規則多邊形的骨料。邊界矢量化借助Auto CAD軟件中“面域”功能，將每個骨料矢量處理成整體。

圖1 再生混凝土數字圖像模型生成流程圖

由于Walaraven公式[13]建立了骨料級配和骨料面積的關系，使得細觀骨料模型能夠在二維平面內進行分析[14]，本文模型創建基于二維平面模型開展。

將試件切割處理后，得到如圖2所示的R3-2試件切割圖片，導入ANSYS軟件中，得到如圖3所示的R3-2試件骨料幾何模型。生成幾何模型是進行數字圖像模型模擬的基本條件。

圖2 R3-2試件切割圖片圖3 R3-2試件骨料幾何模型圖

1.2 材料屬性及網格劃分

將模型導入ANSYS軟件，用參數化設計語言(APDL)建立試塊邊界面，通過布爾減運算從邊界面“減去”已有骨料，得到混凝土砂漿面。模型有3種材料：砂漿、原生骨料和再生骨料。自由網格劃分采用網格尺寸為0.002 m 的PLANE82三角形單元。

由于再生混凝土建筑物拆除過程中將不同強度等級、不同種類和不同來源的混凝土混在一起，很難保證再生混凝土成分的單一性，導致再生混凝土性能測試結果有差異[15]，因此很難統一模型中的材料屬性。本文中，數字圖像模型材料屬性參數一方面來自于本課題組試驗數據[16-18]；另一方面借鑒大量其他學者的研究成果[14,19-20]。3種材料的基本力學參數如表1所示。

表1 3種材料的基本力學參數

2 再生混凝土單軸受壓數值模擬

2.1 應變云圖

建立骨料幾何模型后，對不同材料賦相應的材料屬性，模擬R3-2試件再生混凝土單軸受壓過程，得到 R3-2試件應變云圖，如圖4所示。圖4中，MIN和MAX分別表示計算結果的應變最小值和最大值，負值代表壓應變，正值代表拉應變。

圖4 R3-2試件應變云圖

從圖4中可以看出：第1荷載步(見圖4a)，應力較小，再生混凝土變形主要來自骨料和水泥砂漿的較小彈性變形，應變值較小。第17荷載步(見圖4b)，應變逐漸增大，應變區域逐漸增加、擴展、相連，主要出現在骨料與骨料距離較近的砂漿間，但也有少部分應變區域是朝著骨料與骨料距離較大的砂漿間發展。第34荷載步(見圖4c)，砂漿的應變逐漸增大，增大程度比第17荷載步明顯，骨料應變比砂漿應變小。第50荷載步(見圖4d)，砂漿的應變繼續增加，骨料應變也在增加，骨料彈性模量遠大于砂漿，根據胡克定律，在彈性范圍內，應變與彈性模量成反比，應變貫穿再生混凝土內部，最終使得再生混凝土破裂直至完全破壞。

2.2 宏觀響應及裂縫形態

根據滑動裂紋模型理論，在受壓狀態下微裂紋的進一步擴展需要壓應力的持續增長來維持[21]。再生混凝土宏觀裂紋的開展，來自試件應力持續增長的內部損傷發展，是壓應力持續增長的宏觀響應，圖5為3個試件破壞圖和裂紋圖。圖5中：R0-2為R0組第2個試件，R3-2為R3組第2個試件，R5-3為R5組第3個試件。由圖5可看出兩個規律：

(1)大多數裂紋從大骨料邊界產生發展，最終大多數裂紋也是沿著大骨料邊界形成。因為大骨料與砂漿接觸的面積小于同等體積小骨料與砂漿接觸的面積，大骨料相對小骨料握裹力小，所以裂縫首先從大骨料邊界產生。

(2)骨料-骨料間距較小的地方產生發展的裂紋較多。因為骨料-骨料間距較小的地方，受力面積小，應力增長快，加之兩骨料擠壓效果明顯，所以應變增大較快，較多裂紋從骨料-骨料間距較小的地方產生發展。

3 再生粗骨料對再生混凝土抗壓強度的影響

3.1 再生粗骨料摻量對再生混凝土抗壓強度的影響

再生粗骨料摻量分別為0%、30%和50%時，對R0、R3 和R5這3組試件分別進行抗壓強度的研究。再生粗骨料摻量對再生混凝土抗壓強度的影響如圖6所示。由圖6可以看出：再生粗骨料摻量越高，再生混凝土抗壓強度越低。產生上述現象的原因是：再生混凝土是將廢棄混凝土經過破碎、篩分、清洗，并按一定級配和比例配制的混凝土[22]，再生粗骨料外包裹舊砂漿，形成了“石子-舊砂漿”的“薄弱環節”，使得粗骨料性能略弱于原生骨料性能，再生粗骨料替代原生骨料摻入混凝土中，反映到宏觀性能上，表現為混凝土抗壓性能降低。這符合試驗現象和力學規律。

圖5 3個試件破壞圖和裂紋圖

3.2 再生粗骨料形狀對再生混凝土抗壓強度的影響

再生粗骨料摻量分別為0%、30%和50%時，對圓形、多邊形和數字圖像這3種細觀骨料模型進行研究，可得在相同材料參數及軸心受壓條件下，骨料形狀不同，混凝土抗壓強度值也有所不同。再生混凝土試件抗壓強度從大到小依次是：圓形骨料模型>數字圖像骨料模型>多邊形骨料模型，如圖7所示。數字圖像骨料模型是基于真實骨料切片，骨料形狀介于理想的圓形和多邊形之間。圓形骨料的邊緣光滑連續，應力分布均勻，而多邊形骨料尖角及突出部分容易產生應力集中現象[23]。當有力作用于試件時，多邊形骨料尖角及突出部分首先發生破壞，其符合力學試驗現象和規律。

圖6 再生粗骨料摻量對再生混凝土抗壓強度的影響圖7 不同骨料模型對再生混凝土抗壓強度的影響

4 結論

(1)本文建立的數字圖像細觀模型以真實骨料切片為基礎，通過有限元軟件和試驗進行驗證和分析，驗證了此建模方法在再生混凝土單軸壓縮試驗范圍內是可借鑒和使用的。

(2)大多數裂紋從大骨料邊界產生發展，最終大多數裂紋也是沿著大骨料邊界形成。

(3)再生粗骨料摻量50%內的再生混凝土，不同骨料形狀對應的細觀骨料模型模擬的再生混凝土抗壓強度也不同，抗壓強度從大到小依次是：圓形骨料模型>數字圖像骨料模型>多邊形骨料模型。

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國家自然科學基金項目(51668061,51668060)

秦擁軍(1970-),男,江蘇太倉人,副教授,碩士,碩士生導師,主要從事再生混凝土材料方面的研究.

2016-09-05

1672-6871(2017)02-0054-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.02.010

TU528

A