馬心俐

(山東勝利職業(yè)學(xué)院，山東東營 257097)

1 概述

混凝土是當(dāng)代最廣泛使用的建筑材料和最大眾的人造材料，在國家建設(shè)發(fā)展和改革中發(fā)揮了不可替代的作用［1］。實際工程中，混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)常在水環(huán)境中工作，如江河上的攔水大壩、多雨地區(qū)的鐵路軌道板等。由于混凝土結(jié)構(gòu)中存在眾多的孔隙、氣穴和微裂紋，環(huán)境中的自由水會因為水壓和毛細(xì)作用進(jìn)入混凝土內(nèi)部進(jìn)而形成濕態(tài)混凝土。眾多學(xué)者［2-5］對濕態(tài)混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗研究，上述學(xué)者在試驗中制備不同含水率混凝土試件的方法大致分為三類:1)將試件在水中或RH≥95%的條件下養(yǎng)護(hù)之后進(jìn)行不同時間的烘干;2)采用在不同濕度養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)試件;3)采用常規(guī)水浸泡獲取含水試件。這幾種方法會因為不同的烘干時間和養(yǎng)護(hù)條件造成水化程度嚴(yán)重不同。

為了解決目前研究中的問題，本文采用真空飽水法，將水快速導(dǎo)入混凝土試件，從而避免二次水化等因素的影響。使用計算機(jī)斷層掃描技術(shù)(Computerized Tomography，CT)觀測真空飽水后水分在混凝土內(nèi)部的分布和混凝土的孔隙率變化，驗證真空飽水法在混凝土力學(xué)試驗中的適用性。

2 試驗概況

2.1 試驗設(shè)備

真空飽水法是抗氯離子滲透試驗中常用的飽水方法［6］，其原理是使用真空飽水機(jī)(如圖1所示)將混凝土內(nèi)部孔隙中氣體抽出，然后水分快速進(jìn)入混凝土內(nèi)部。CT技術(shù)是通過X射線對試件進(jìn)行掃描獲得不同角度的投影圖像，通過數(shù)學(xué)重構(gòu)得到試件三維CT圖像。試驗中使用的CT設(shè)備如圖2，圖3所示。

圖1 混凝土真空飽水機(jī)

圖2 工業(yè)CT外部圖

圖3 工業(yè)CT內(nèi)部圖

圖4 常規(guī)浸泡

2.2 試件制作

根據(jù)在大壩中常用的混凝土型號，本文試驗混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C25?；炷两M成見表1。制備尺寸為100 mm×200 mm和74 mm×37 mm的試件供后續(xù)試驗采用，本文采用符合美國混凝土學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)的PVC圓柱模具。為了骨料均勻分布于試件中，對于74 mm×37 mm的試件，需要先制備74 mm×150 mm試件再進(jìn)行切割。

表1 混凝土成分

2.3 試驗方案

分別將尺寸為100 mm×200 mm和74 mm×37 mm的混凝土試塊進(jìn)行真空飽水和常規(guī)浸泡(見圖4)，對比真空飽水效果，擬合不同尺寸混凝土試件的飽水曲線。使用CT技術(shù)掃描尺寸為74 mm×37 mm的整個和1/4的混凝土試件并三維重構(gòu)，確定各組分的灰度閾值，觀測水分在混凝土內(nèi)部的分布和真空飽水前后混凝土孔隙率變化。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 混凝土飽水曲線

分別計算經(jīng)過真空飽水法和常規(guī)浸泡法后的混凝土試件含水率，結(jié)果見圖5?？梢园l(fā)現(xiàn)對于100 mm×200 mm的試件，真空飽水3.5 h之后混凝土試件質(zhì)量基本不發(fā)生變化，而混凝土試件在常規(guī)浸泡30 h后質(zhì)量仍在緩慢增加，且含水率與真空飽水法相差0.8%。真空飽水法對74 mm×37 mm的試件進(jìn)行飽水的速度優(yōu)勢更加明顯。由此可見真空飽水法的飽水程度大于常規(guī)浸泡法，大大縮短水中浸泡時間，去除了離子溶蝕現(xiàn)象，避免了烘干法的二次水化不同的現(xiàn)象，保證了僅含水量單一變量設(shè)置。

圖5 不同方法下的混凝土飽水曲線

為了便于后續(xù)制備不同飽和度的試件，將各個含水率增長曲線均按照式(1)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表2。

其中，w為混凝土試件含水率;t為飽水時間，h;A，b，y0均為擬合常數(shù)。

表2 擬合結(jié)果

3.2 水分在混凝土內(nèi)部分布

3.2.1 三維重構(gòu)并切片

使用VG Studio MAX對掃描的兩種尺寸試件進(jìn)行三維重構(gòu)，見圖6。首先使用74 mm×37 mm試件觀測水分分布。沿試件軸向間隔1.85 mm切片，共獲得20片二維斷面。

圖6 三維重構(gòu)

3.2.2 確定灰度閾值

CT掃描系統(tǒng)中的X射線在穿透混凝土內(nèi)部不同成分時的衰減程度不同，在探測器上接收到的信號不同，最后在三維重構(gòu)時，混凝土各成分會體現(xiàn)出不同的灰度。本文利用美國國立衛(wèi)生研究院開發(fā)開源軟件Image-Pro Plus 6.0來確定閾值。

選取如圖7所示的典型CT切面，圖8為沿圖7中虛線讀取的灰度值分布。很容易發(fā)現(xiàn)，在虛線經(jīng)過孔隙時，對應(yīng)的灰度值會降低。圖7中虛線經(jīng)過的能用肉眼觀測到的大孔共計3個，從左向右編號孔1、孔2和孔3。圖8可以顯示，三個大孔的灰度值并不在同一范圍，這是因為孔2中自由水使CT掃描后的灰度增大?？?暴露在外界無法存儲自由水，孔3是封閉孔，自由水無法進(jìn)入內(nèi)部?？梢钥闯?，水泥和骨料的灰度值大于110，自由水的灰度值介于80與110，孔隙或裂隙的灰度值小于80。

圖7 CT切片圖像

圖8 灰度分布曲線

圖9 切面灰度直方圖

3.2.3 水分分布

圖9為整個切片上的灰度直方分布圖，可以看出，整個圖片的灰度基本在50～160之間。根據(jù)上述閾值的選擇，自由水對應(yīng)的灰度值為80～110，將圖片中這些部分高亮顯示如圖10a)所示，同時在三維重構(gòu)實體中高亮水分如圖10b)所示?？梢钥闯稣婵诊査螅杂伤呀?jīng)進(jìn)入混凝土試件內(nèi)部并且分布較為均勻，基本不存在濕度梯度。因此，真空飽水法能夠快速制備含水混凝土試件。

圖10 水分分布

3.3 真空飽水前后孔隙對比

為了方便分析和對比，從真空飽水前后的三維重構(gòu)試件重切取一個如圖11所示的規(guī)則長方體。并將長方體切片得到如圖12所示的二維圖片。

圖11 規(guī)則長方體

圖12 試件二維切片

將在真空飽水前后的試件取相同位置統(tǒng)計灰度，并作于一圖中，見圖13。將混凝土分為三部分，分別為孔隙、水泥砂漿、粗骨料。通過對比真空飽水前后灰度曲線可以發(fā)現(xiàn)，粗骨料的灰度沒有明顯變化，水泥砂漿含有許多微裂紋和孔隙，自由水進(jìn)入會增加水泥砂漿區(qū)域的密度，進(jìn)而降低CT掃描后的灰度值，大孔隙區(qū)域會因為含有自由水而使該區(qū)域的灰度產(chǎn)生更大的降低。

圖13 飽水前后灰度對比

根據(jù)3.2中確定灰度閾值的方法，可以得到真空飽水前后的孔隙對應(yīng)的灰度區(qū)間分別為0～133和0～160。依據(jù)式(2)分別計算真空飽水前后的20個切片上的孔隙率p，作于圖14?？梢钥闯?，散點基本均勻落在y=x直線上或附近，這表明混凝土試件在真空飽水前后的孔隙率并無變化。

圖14 試件孔隙分布

4 結(jié)語

1)真空飽水法能夠快速制備不同含水率的混凝土試件，相較于常規(guī)浸泡法，真空飽水法的飽水程度更大且時間更短，試件尺寸越大，真空飽水法的優(yōu)勢越明顯。在短時間內(nèi)制備不同含水狀態(tài)的混凝土試件，能夠去除二次水化和離子溶蝕現(xiàn)象對試驗單一變量設(shè)置的干擾。2)通過CT掃描技術(shù)可以三維重構(gòu)混凝土試件，根據(jù)灰度曲線，采用區(qū)域跟蹤法可以分離出混凝土試件內(nèi)部骨料、水泥和孔隙各相。統(tǒng)計不同灰度的像素點數(shù)可以計算出混凝土孔隙率，觀測到自由水在混凝土內(nèi)部的分布。3)真空飽水法能夠使水分進(jìn)入試件中心內(nèi)部，減小試件切面上的濕度梯度，保證水分均勻分布，便于建立含水混凝土的計算模型。通過試件真空飽水前后相同部位的試件CT切片顯示，真空飽水操作對混凝土孔隙率基本沒有影響，不會對混凝土造成損傷，因此真空飽水法可在力學(xué)試驗中應(yīng)用。