基于CT圖像三維重建的高溫下高性能混凝土孔隙衍化分析

石麗娜，杜紅秀，徐瑤瑤

(太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院，太原 030024)

0 引 言

近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模發(fā)展，高性能混凝土因其高工作性、高耐久性、服役環(huán)境多樣性而得到青睞，它可以為建筑提供優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料，為建筑生命提供保障[1]。但因其高致密性和低滲透性，在高溫作用下內(nèi)部微結(jié)構(gòu)損傷嚴重且極易爆裂，導(dǎo)致力學(xué)性能顯著下降[2]。研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維的加入可以抑制高溫作用下混凝土內(nèi)部微裂縫的萌生和發(fā)展及高溫爆裂[3-4]。

混凝土是一種多相的非均質(zhì)復(fù)合材料，對其高溫后的性能可從宏觀、細觀和微觀尺度展開研究[5-8]，本團隊在混凝土高溫后強度、裂縫數(shù)量及孔徑分布等方面進行了研究。在這些多尺度模型中，細觀分析是深入了解混凝土損傷行為的有價值和可行的工具[9-10]。

X射線CT技術(shù)具有良好的空間分辨率，可將掃描得到的圖片重建為三維模型，進而研究其結(jié)構(gòu)，是用于混凝土微結(jié)構(gòu)分析的一種新型無損檢測技術(shù)[11]。目前對高性能混凝土高溫作用后三維重建模擬研究較少。本研究根據(jù)CT掃描數(shù)據(jù)，采用MIMICS軟件對摻與不摻聚丙烯纖維的高性能混凝土進行三維細觀結(jié)構(gòu)的重建，得到不同溫度作用下混凝土的細觀結(jié)構(gòu)圖像，深入研究高性能混凝土高溫作用下微結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，以期為混凝土抗火設(shè)計及火災(zāi)后修復(fù)提供試驗依據(jù)。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥：太原產(chǎn)P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，28 d抗折強度6.8 MPa,28 d抗壓強度46.3 MPa。

粗骨料：5～20 mm連續(xù)粒級、級配合格的石灰石碎石。

細骨料：細度模數(shù)2.89、級配良好的豆羅砂。

礦渣粉：太原產(chǎn)S95級粒化高爐礦渣。

粉煤灰：太原產(chǎn)粉煤灰，Ⅰ級，安定性符合要求。

減水劑：太原產(chǎn)聚羧酸減水劑。

聚丙烯纖維：熔點165 ℃，長度8 mm，直徑25 μm，體積摻量0.2%。

水：自來水。

1.2 配合比

依據(jù)《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CECS 207—2006)、《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJT 221—2010)進行C60強度等級混凝土配合比設(shè)計，制備摻加聚丙烯纖維混凝土(PPHPC)與不摻加聚丙烯纖維混凝土(HPC)，配合比如表1所示。

表1 C60混凝土試驗配合比Table 1 Test mix proportion of C60 concrete /(kg/m3)

1.3 試件制備

依據(jù)《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CECS 207—2006)，制備試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm立方體試塊，設(shè)定混凝土拌合物坍落度為(200±20) mm。選用60 L臥式強制式攪拌機進行混凝土的攪拌，具體流程如圖1所示。

圖1 混凝土攪拌流程圖
Fig.1 Flow chart of concrete mixing

1.4 CT掃描和高溫試驗方法

混凝土養(yǎng)護28 d后，每組各取3個試件進行抗壓強度測試，經(jīng)測試混凝土抗壓強度滿足C60強度。試驗采用CT掃描設(shè)備為μCF225FCB高分辨顯微X射線CT系統(tǒng)，高溫加載裝置為太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院研制的高溫加熱爐，模擬高溫火災(zāi)環(huán)境，如圖2、圖3所示。

圖3 模擬高溫試驗裝置Fig.3 Simulated high temperature test device

圖2 μCF225FCB高分辨顯微CT系統(tǒng)Fig.2 μCF225FCB high-resolution micro-CT system

CT試驗所需試件通過立方體試塊切割、鉆芯得到長5.65 mm、直徑6 mm的圓柱體。試驗步驟為：(1)將試件放入干燥箱中干燥至恒重后放到轉(zhuǎn)動臺上，調(diào)整位置并固定。通過配套軟件調(diào)整轉(zhuǎn)動臺位置，試驗放大倍數(shù)為53.85 倍，先對常溫下試件進行掃描。(2)掃描結(jié)束后，將試件轉(zhuǎn)入高溫爐中進行加熱。設(shè)定目標溫度200 ℃，加熱速率為5 ℃/min，達到目標溫度后恒溫10 min[8]，使試件受熱均勻，之后進行CT掃描。(3)重復(fù)步驟(2)，可獲得300～600 ℃高溫作用后的掃描圖像，其中300 ℃后恒溫10 min，400 ℃、500 ℃后恒溫15 min，600 ℃后恒溫20 min[8]。

2 混凝土三維模型重建

2.1 CT圖像處理

(1)CT圖像預(yù)處理：利用CT掃描系統(tǒng)軟件將掃描數(shù)據(jù)進行圖像重建，得到1 500張試件掃描圖像。

(2)圖像二值化處理：二值化處理是將整個圖像呈現(xiàn)為明顯黑白效果的過程，利用MATLAB軟件中的graythresh函數(shù)(最大類間方差法，即OTSU法)找到閾值[12]并進行二值化處理，批量處理CT圖像，圖像重建及二值化處理后圖片如圖4所示。

圖4 CT重建圖及二值化處理后圖片F(xiàn)ig.4 CT reconstruction images and image after binarization

(3)圖像顏色處理：為了使混凝土基體、孔隙及混凝土以外區(qū)域在軟件中進行重建時有明顯界限，需對圖像進行顏色處理，區(qū)分混凝土基體、孔隙以及外部區(qū)域灰度值。將圖像導(dǎo)入Photoshop中，先將黑白兩種顏色進行反相處理。然后進行背景更換處理，將混凝土以外區(qū)域更改為藍色。

2.2 三維重建過程及數(shù)據(jù)處理

將預(yù)處理后的圖像導(dǎo)入MIMICS，選用命令Mask重建混凝土基體和孔隙裂隙兩個蒙版，通過Calculate Masks建立混凝土基體和孔隙裂隙兩部分模型，重建后可得到各溫度下HPC和PPHPC共12個模型，常溫時混凝土的三維重構(gòu)圖見圖5。利用命令A(yù)nalyze Pores可對模型進行孔隙體積、表面積、數(shù)量、孔隙分布等分析。

圖5 20 ℃時混凝土三維重構(gòu)模型Fig.5 3D reconstruction model of concrete at 20 ℃

3 結(jié)果與討論

試驗對比分析摻與不摻聚丙烯纖維混凝土高溫后內(nèi)部孔隙變化，PPHPC與HPC相比，在其余材料物相變化相同的基礎(chǔ)上，探究聚丙烯纖維經(jīng)過高溫熔化對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。

3.1 高性能混凝土不同溫度作用后孔隙體積衍化分析

混凝土經(jīng)過不同溫度作用后的內(nèi)部孔隙體積及體積增長率見圖6。由圖可知隨作用溫度的升高混凝土內(nèi)部孔隙體積持續(xù)增長。PPHPC原生孔隙較HPC多，但PPHPC增長速率始終低于HPC的增長速率。200 ℃、300 ℃、400 ℃時PPHPC較HPC孔隙體積增長率分別降低65.92%、73.83%、77.44%，500 ℃、600 ℃時PPHPC較HPC孔隙體積增長率分別降低34.39%、43.10%。400 ℃前PPHPC與HPC相比，PPHPC孔隙體積增長率降低的百分比大于400 ℃之后的百分比，表明聚丙烯纖維的熔化在400 ℃前可改善混凝土高溫劣化性能。500 ℃時PPHPC孔隙體積增長速率急劇增大，內(nèi)部劣化嚴重，PPHPC與HPC在600 ℃時孔隙體積比500 ℃時的增長率分別增加9.25%、20.43%，PPHPC的劣化程度較HPC小。

圖6 混凝土內(nèi)部孔隙體積及體積增長率Fig.6 Internal pore volume and volume growth rate of concrete

3.2 高性能混凝土不同溫度作用后孔隙表面積衍化分析

混凝土經(jīng)過不同溫度作用后內(nèi)部孔隙表面積及表面積增長率見圖7。隨作用溫度升高混凝土內(nèi)部孔隙表面積呈現(xiàn)不同幅度的增加。PPHPC原生孔隙較多，孔隙表面積大于HPC，PPHPC在200 ℃時孔隙表面積較常溫時略有下降，200 ℃后孔隙表面積隨作用溫度的升高持續(xù)增大。200 ℃、300 ℃、400 ℃時PPHPC較HPC孔隙表面積增長率分別降低116.19%、63.98%、72.30%，500 ℃、600 ℃時PPHPC較HPC孔隙體積增長率分別降低-57.21%、8.25%。500 ℃時孔隙表面積急劇增長，表面積增長率高于HPC，600 ℃時孔隙表面積增長率比HPC小。原因可能是聚丙烯纖維的熔化可釋放混凝土內(nèi)部蒸汽壓[13]，從而減緩混凝土內(nèi)部孔隙的劣化程度，抑制孔隙的產(chǎn)生及延伸，與孔隙體積的演變規(guī)律基本一致。

圖7 混凝土內(nèi)部孔隙表面積及表面積增長率Fig.7 Internal pore surface area and surface area growth rate of concrete

3.3 高性能混凝土孔隙直徑分布

混凝土內(nèi)部孔隙的孔徑分布隨溫度變化見圖8、圖9。

圖9 PPHPC內(nèi)部孔隙孔徑分布Fig.9 Internal pore size distribution of PPHPC

圖8 HPC內(nèi)部孔隙孔徑分布Fig.8 Internal pore size distribution of HPC

HPC在200 ℃時孔隙總數(shù)量較常溫相比稍有增加；300 ℃、400 ℃時孔隙總數(shù)量繼續(xù)增加，其中孔徑小于20 μm的孔隙數(shù)量增加明顯，混凝土內(nèi)部萌生小孔隙；500 ℃時10～20 μm、40～50 μm孔徑范圍的孔隙數(shù)量增大；600 ℃時各孔徑孔隙數(shù)量急劇上升，混凝土內(nèi)部孔隙受高溫影響劣化較嚴重。

PPHPC在200 ℃時孔徑范圍小于20 μm的孔隙數(shù)量呈明顯增長，其中小于5 μm孔隙數(shù)量增長達80.50%，混凝土內(nèi)部小孔隙較多；300 ℃時小于20 μm孔徑范圍孔隙數(shù)量減小，大于20 μm孔徑孔隙數(shù)量均增大，不同于HPC變化；400 ℃時孔隙數(shù)量變化較小，混凝土內(nèi)部劣化程度較小；500 ℃時各孔徑孔隙數(shù)量增加，微結(jié)構(gòu)劣化程度較大；600 ℃后小于40 μm孔徑范圍孔隙數(shù)量增大，大于40 μm孔徑范圍的孔隙數(shù)量減小。

PPHPC在400 ℃前孔隙變化不同于HPC，200 ℃時由于聚丙烯纖維的熔化有大量孔隙增加，300 ℃時較大孔隙數(shù)量增加，400 ℃時變化緩慢。500 ℃時聚丙烯纖維熔化后留下孔道使孔隙數(shù)量增加較HPC多。聚丙烯纖維的加入在200～400 ℃時可減緩孔隙的增加，改善混凝土的劣化程度。

3.4 高性能混凝土細觀孔隙衍化分析

為了能更好地反映高溫對混凝土內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的影響，基于處理后的CT圖像對混凝土各個溫度作用后同一位置處的孔隙進行提取。將提取后的孔隙圖像導(dǎo)入MIMICS進行重建，重建圖見圖10、圖11。

圖11 PPHPC不同溫度作用后孔隙重建圖Fig.11 Reconstruction of defects after different temperatures of PPHPC

圖10 HPC不同溫度作用后孔隙重建圖Fig.10 Reconstruction of defects after different temperatures of HPC

由圖可知，常溫時HPC與PPHPC原生孔隙間有極少量裂紋，隨著溫度的升高，孔隙周圍開始產(chǎn)生新裂紋，孔隙之間的裂紋也逐漸增多。PPHPC與HPC相比，200～400 ℃后產(chǎn)生的新孔隙較少且孔隙劣化程度較低，說明聚丙烯纖維的加入可改善400 ℃前的劣化程度；500 ℃后PPHPC的孔隙增長明顯高于HPC，該階段發(fā)生了新孔隙的萌生以及原有孔隙發(fā)展、延伸；600 ℃后混凝土內(nèi)部孔隙劣化嚴重，孔隙增多、孔徑變大并連通，但PPHPC劣化程度比HPC小。這與混凝土內(nèi)部孔隙體積、表面積得出的結(jié)論一致。

與HPC相比，PPHPC原生孔隙間裂紋的數(shù)量及長度明顯降低，表明雖然聚丙烯纖維的加入使混凝土原生孔隙增多，但聚丙烯纖維熔化后的孔隙可釋放混凝土內(nèi)部蒸汽壓，抑制高溫爆裂，緩解對高溫劣化的影響。

4 結(jié) 論

(1)混凝土孔隙體積隨作用溫度的增長呈現(xiàn)不同幅度增長，PPHPC的增長速率始終低于HPC，PPHPC在400 ℃之前內(nèi)部孔隙增長率較小，400～600 ℃溫度區(qū)間有較大增長，500 ℃時增長速率最大。

(2)PPHPC孔隙表面積始終大于HPC，HPC內(nèi)部孔隙表面積隨作用溫度的增加呈現(xiàn)不同幅度的增加。PPHPC在200 ℃后孔隙表面積出現(xiàn)下降，此后隨作用溫度的升高持續(xù)增大，PPHPC在400 ℃作用溫度前孔隙表面積增長率始終小于HPC，500 ℃后高于HPC，600 ℃后增長率小于HPC。

(3)混凝土經(jīng)不同溫度作用后，聚丙烯纖維的熔化可在200～400 ℃減緩混凝土小孔隙的增加，有利于抑制高性能混凝土的高溫爆裂，并減緩高溫對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化的影響。