單軸壓縮下透水混凝土的結構損傷演化特征研究

林海興，盧來運，江 鎖，李 楊，李 陽

(中建七局安裝工程有限公司，青海 海東 814000)

0 引 言

透水混凝土是土石壩壩面土工防滲墊層結構的重要材料，具有透氣、透水、輕質、強度高和施工方便等優點[1]。透水混凝土是由粗骨料、硅酸鹽水泥、外摻劑和水等物料拌和成的一種特殊混凝土[2]，與常規混凝土相比，其漿料中不含細骨料，透水混凝土是通過水泥漿對粗骨料的包裹作用，形成多孔蜂窩狀結構。透水混凝土在壩面土工防滲墊層起到迅速導流的作用，可以緩解地下水水位上升對大壩邊坡穩定性的不良影響[3]。透水混凝土是一種復雜的多孔介質材料，其孔隙特征關系到對地下水滲透和流動特性，同時也影響混凝土的宏觀力學性能。對于混凝土孔隙特點的研究是認識土工防滲墊層結構內部地下水賦存、運移和滲透的重要依據，也是預測混凝土力學性質的重要參考[4]。隨著微觀結構分析技術與數值模擬方法的發展，對材料內部微觀結構特點的研究成為一個熱點。由于粗骨料顆粒的不均勻分布和形狀不規則特點，透水混凝土內部的孔隙結構異常復雜，無法用常規的觀察手段對其進行觀測。CT掃描試驗是一種無損的成像技術，在材料的微觀結構探測中被廣泛應用[5]。CT掃描試驗不破壞材料結構，直接獲取孔隙的分布特征，對混凝土的微觀結構觀測具有適用性[6]。

隨著透水混凝土材料在土石壩防滲工程中的應用，材料微觀結構特征對于防滲結構強度性能與服役壽命有十分重要的作用。對于透水混凝土孔隙特征與力學性能的研究，前人已經取得了一些成果[7～8]，但是對于在力學測試過程中，觀測混凝土裂隙演化特點的研究還比較罕見。為了對透水混凝土微觀結構特征開展進一步研究，利用CT技術對單軸壓縮過程中的透水混凝土開展掃描，得到了可視化圖像與量化表征指標，分析了不同變形階段對孔、裂隙分布的影響規律。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用礫石作為粗骨料，骨料最大粒度15.6 mm，經過破碎、篩分，粗骨料粒徑級別為5～15 mm。選用P.C42.5復合硅酸鹽水泥作為凝膠材料。制樣過程中，為了使得混凝土漿料拌和均勻，將粗骨料和硅酸鹽水泥干拌2 min；最后在攪拌桶中倒入一定質量的水和減水劑拌和2 min，透水混凝土的漿料如圖1a所示。在試件成型過程中，采用振動臺振搗方式的成模，先持續振搗60 s，然后進行10次時長為5 s的瞬時振動，將攪拌好的漿料分兩層加入試模。對成型的混凝土采用進行溫度為(20±2)℃，相對濕度為95%的養護，28 d后拆模。進行試驗的試樣為直徑38 mm，高度80 mm的圓柱體試樣，透水混凝土的澆筑試樣如圖1b所示。

圖1 透水混凝土的漿料和試樣

1.2 試驗過程

參照國家標準GB/T17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》，采用伺服型萬能試驗機對混凝土進行單軸壓縮強度測試，得到混凝土樣品的應力-應變曲線，結果如圖2所示。在單軸壓縮過程中，分別在混凝土試樣軸向應變為0.4%、1.1%和1.8%時將試樣取出萬能試驗機，開展CT掃描試驗。圖2所示的是試驗得到的透水混凝土應力-應變曲線，圖片是每個測試點的CT掃描結果示意圖，可以看出在壓縮過程中材料的結構損傷逐漸積累，裂紋明顯擴展。

圖2 透水混凝土的單軸壓縮應力應變曲線

采用工業CT掃描儀進行透水混凝土的掃描試驗。首先，將混凝土試樣放在CT掃描儀中進行掃描，得到試樣的原始二維圖像；然后，采用圖像分析軟件按照灰度值進區域分割；最后，將樣品的連續二維圖像進行疊加顯示，并進行信息提取。

2 試驗結果

2.1 CT掃描圖像

圖3 CT掃描試驗結果示意

由CT掃描試驗得到一系列沿試樣軸向的二維圖像，如圖3所示。在二維混凝土掃描圖像中，由于混凝土砂漿水化物與孔隙密度的差異非常明顯，通過X射線衰減系數可對透水混凝土內部孔隙進行識別。在CT掃描圖像中，孔隙為黑色，水泥砂漿的水化物為深灰色，粗骨料表現為淺灰色。為了便于對比分析單軸壓縮的破壞程度對混凝土裂隙演化規律的影響，對透水混凝土的CT掃描橫截面圖像進行二值化處理以突出顯示孔隙分布，二值化圖片如圖3b所示，可以看出初始狀態下的混凝土內部僅有少量小尺寸孔隙，水泥對骨料間隙的填充效果較好，混凝土整體比較密實。

圖4所示的是不同變形階段的透水混凝土裂隙縱斷面圖像，可以觀察到由CT掃描圖像顯示的孔、裂隙演化過程，經過二值化處理后，圖像具有清晰的可視化的效果。透水混凝土內部結構被劃分成3個不同成分，其中骨料和水泥水化物組成的固相占據大部分面積，孔、裂隙的含量隨軸向應變ε增長而明顯提高。其中，ε=0.4%的試樣的處于彈性變形狀態，混凝土內部以孔隙為主，未出現裂隙，表明其微觀結構的損傷較小；當軸向應變ε=1.2%時，試樣處于峰值應力下的塑性變形階段，混凝土內部的孔隙進一步增加和擴大，并且出現了大量裂隙，表明混凝土試樣在這一階段的損傷效應明顯提高；當軸向應變ε=1.8%時，試樣處于殘余變形階段，結構損傷進一步累積，在透水混凝土內部裂隙相互連通形成復雜的裂隙網絡。

圖4 不同變形階段混凝土的孔、裂隙分布結果

2.2 孔、裂隙的孔徑分布曲線

在分析孔、裂隙尺寸分布時，采用體積等效的方法將所用形狀復雜的孔、裂隙為球體，利用等效半徑表征孔、裂隙尺寸。圖5表征的是不同變形階段的孔、裂隙的等效直徑頻率分布曲線。由圖5可知，在單軸壓縮過程中，孔、裂隙直徑頻率分布曲線隨變形量的增加有明顯改變。處于彈性變形階段的試樣，幾乎90%的等效直徑在50 μm以下，且50%以上的等效直徑<20 μm；在塑性變形階段，大尺寸的孔、裂隙分布頻率明顯上升，最大等效孔徑超過了120 μm，小于50 μm的孔、裂隙含量降至50%以下；進入殘余變形階段后，孔、裂隙的尺寸進一步增加，最大等效孔徑超過了180 μm，50 μm以下的孔、裂隙分布頻率僅為36.5%。說明在單軸壓縮過程中，混凝土內部損傷程度持續發展，孔、裂隙的等效孔徑頻率分布曲線逐漸向大尺寸傾斜。

圖5 不同變形階段的孔徑分布曲線

2.3 不同變形階段的孔、裂隙量化指標

由統計分析對混凝土的孔、裂隙演化規律開展進一步分析，獲取了定量表征透水混凝土材料結構損傷程度的孔隙率、孔隙尺寸指標和孔隙連通度3個重要指標。

2.3.1孔隙率

孔隙率ω是二值化模型中孔、裂隙所占的體積含量，其數值大小為掃描圖像中孔、裂隙像素數量與試樣像素總量的比值。圖6所示的是在不同變形階段中，透水混凝土試樣的孔隙率ω與軸向應變ω之間的關系曲線。由圖6可知，孔隙率ω與軸向應變ε呈指數型函數關系，相關系數平方大于0.96，說明該指數函數可以很好地擬合孔隙率與應變的數學關系。由曲線變化特征發現軸向應變ε在0.4%～1.1%之間時，孔隙率ω由初始狀態的1.71%小幅增長至2.45%；軸向應變ε為1.1%～1.8%過程中，孔隙率ω由2.55%增至6.20%。說明在彈性階段，混凝土孔隙擴展速度較慢，隨變形程度增加到塑性和殘余階段，孔隙率上升速度不斷增加，說明結構損傷逐漸累積并最終導致砂漿結構的破損。

圖6 孔隙率與軸向應變的關系

2.3.2吼道尺寸指標

在透水混凝土的孔、裂隙模型中，按照等效體積原則將孔、裂隙視為喉道形，混凝土中體積最大的裂隙為主裂隙喉道。主裂隙喉道的最大長度L與平均直徑R是描述混凝土孔、裂隙發育程度的重要指標，隨軸向應變增加的變化規律可以表征孔喉的尺寸演化規律，如圖7所示。由圖7可知，吼道尺寸特征參數(L和R)隨軸向應變升高而增大，且L與R隨應變升高呈線性增長趨勢，孔喉尺寸指標反映了主裂隙的發育程度隨變形量增加而呈線性上升。

圖7 孔喉尺寸與軸向應變的關系

連通度指標反映了透水混凝土內部孔、裂隙相互連通的程度[9]，由圖4所示的CT掃描結果發現，在軸向應變升高過程中，材料中的裂隙逐漸連通的現象非常明顯。因此，本研究以最大裂隙的像素數量占總孔隙的像素的比例作為孔隙連通度指標，記為f。不同軸向應變下的混凝土孔隙連通度指標如圖8所示。由圖8可知，彈性變形狀態下的混凝土孔隙連通度很低，表明處于壓密狀態的混凝土內部沒有明顯裂隙連通現象出現；當混凝土試樣進入塑性變形階段后，連通度f超過26%，說明單軸壓縮作用使得混凝土內部裂隙出現了連通現象；進入殘余變形階段的試樣的孔隙連通度進一步增加至58%，且上升的斜率有所提高，說明孔、裂隙在試樣發生破壞以后繼續連通，且連通速率有所增加。

圖8 孔隙連通度與軸向應變的關系

3 微觀機理討論

結合掃描圖像與透水混凝土的破壞特征對試驗現象的微觀機理進行分析。由于彈性階段的透水混凝土受到初始壓密效應的作用，試樣內部的顆粒排列比較致密，孔隙率和孔隙尺寸均較小，且沒有出現裂隙，而由于孔隙數量較多且相互獨立，導致孔隙連通度很低[10]。當荷載逐漸增加時，混凝土內部的壓密效應達到極限，混凝土內部積累大量破壞勢能導致骨料顆粒與凝膠結構發生位移和形變。圖9為混凝土的內部微觀結構，可知初始狀態下的骨料在凝膠結構的粘結作用下排列整齊、緊密，因而具有較強的承載能力。在顆粒間的擠壓應力作用下，骨料顆粒存在轉動、平行錯動趨勢，凝膠結構也逐漸發生破壞，導致材料的破壞程度逐漸增加。隨著破壞程度增加，混凝土內部結構的裂隙開始萌發和擴展，裂隙尺寸隨變形量增長而大幅上升，裂隙間的連通度也大幅增加[10]。當混凝土進入殘余變形階段后，形成錯綜復雜的裂隙網，此時混凝土內部結構有明顯破損。

圖9 混凝土的內部微觀結構示意

4 結 論

(1)利用CT掃描技術獲得透水混凝土的掃描圖像和孔徑分布曲線的變化規律表明裂隙網絡在荷載作用下逐漸擴展和連通。

(2)在單軸壓縮試驗過程中，隨混凝土軸向應變升高，孔隙率保持指數函數上升，孔喉尺寸的量化指標保持線性增長趨勢，孔隙連通度也呈上升趨勢。

(3)透水混凝土在單軸壓縮的破壞過程中，孔、裂隙的擴展現象是由于混凝土內部破壞勢能釋放，從而導致骨料出現位移和凝膠結構發生形變的結果。