桥梁高性能混凝土CT切片微观结构分析.pdf

2 0 1 5 年 第 1 0期 (总 第 3 1 2期) Nu m b e r 1 0 i n 2 0 1 5 ( T o t a l N o 3 1 2) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE ORE TI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 1 0 0 0 7 桥 梁高性 能混凝 土 C T切 片微观 结构分析 史英豪。 ， 杜红秀 ，杨军 ， 吴佳 ， 阎蕊珍 ( 1 太原理 _ 上 大学 建筑 与t木工 程学 院 ，西 太原 0 3 0 0 2 4 ； 2 L L I 竹交通 建没监删 总公司 ，I lJ l 太原 0 3 0 0 1 2 ) 摘要：基于山西地方原材料 ， 依托高平至沁水高速公路工程项 目， 对常温下 C 5 5高性能混凝土试件在标准养护条件 7 、 2 8 d两 个不同龄期下进行 r x射线 C T扫描试验 ， 从定性 和定量两个角度分析 _r 其 内部微观结构变化与龄期的关系 ， 并得出 J 混凝 上 内部微结构随龄期的变化曲线 ， 对高性能混凝土的抗压强度等宏观力学性能 及耐久性能 的研究提供了依据 司 时 对 山西地区 公路桥梁 L 部结构常蹦预应力高性能混凝十施工控制 有重要的参考价值 关键词：桥梁； 高性能混凝士； C T扫描 ； 微观分析 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 l 文献标志码： A 文章编号 ： l 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 1 0 0 0 2 6 0 3 An al y si s o f hi gh per f or ma nce conc r e t e mi cr os t r uc t ur e i n br i dge bas ed on CT s l i c es S HI Yi n g h a o ，D U Ho n g xi u YANG J u n ， W U YAN Ru i z h e n 。 ( 1 Co l l e g e o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ， T a i y u a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4， Ch i n a 2 S h a n x i T r a ffic Co n s t r u c t i o n S u p e r v i s i o n Co mp a n y， Ta i y u a n 0 3 0 0 1 2， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： T h e b e h a v i o r o f C 5 5 h i g h p e rf o r ma n c e c o n c r e t e ( HP C) b a s e d o n S h a n x i l o c a l r a w ma t e r i a l s ， r e l i e d o n t h e s u p e r s t ruc t u r e o f b r i d g e i n h ig h wa y p r o j e c t f r o m Ga o p i n g t o Qi n s h u i ， wa s c a r r i e d O U t b y C T s c a n t e s t T h r o u g h t h e t e s t i n g a t r o o m t e mp e r a t u r e s t a n d a r d c u r e d f o r 7d a n d 2 8 d， f r o m t wo a n g l e s o f q ua l i t a t i v e a n d q u a n t i t a t i v e a n a l ys i s t h e r e l a t i o n s h i p b e t we en t h e v a r i a t i o n o f m i c r o s t r u c t me a n d t h e a g e wa s a c hi e ve d Me a n wh i l e， t h e r e l e v a n t r e g r e s s i o n mo d e l a nd t h e ma t h e ma t i c s mo d e l for t h e i n t e r n a l mi c r os t l u c t u r e v a r i a t i o n o f HP c wi t h t h e a g e wa s a l s o e s t a bl i s h e d p r o v i di n g t h e b a s i s fo r t h e ma c r o me c h a n i c a l c o mp r e s s i v e s tr e n g t h a n d d u r a b i l i t y o f HP C f or t h e p r e s t r e s s e d HP C c o m mo n l y u s e d i n t h e s u p e r s t r u c t u r e o f h i g h wa y b r i dg e s i n S h a n x i r e g i o n， a l s o h a v i n g a n i mp o r t a n t r e f e r e n c e v a l u e f o r t h e s u p e r s t r u c t u r e o f hi g h wa y br i d g e s o f c o m mo n l y u s e d p r e s t r e s s e d HPC c o n s t r u c t i o n c o n t r o1 Ke y wor ds： b r i d g e； h i g h p e rfo r ma n c e c o n c r e t e； CT s c a n； mi c r oa n a l y s i s 与普通混凝 土相 比 ， 高性 能混凝土 具有较高 强度 、 高 耐久性 和高体积稳定性等特点 ， 应用于公路桥梁预应力施 j 二 中 ， 对于提高公路桥梁质量 ， 保证公路桥 梁的安伞 ， 具有 重要意义 。 日前配制高性能混凝土 的技 术途 径中 ， 使用 高效外加剂 及掺加粉煤灰 、 矿粉作为掺合料是 比较成熟的 方法 ， 由于高活性 的多组分胶凝材料可 以有效改善混凝土 内部微观结构 ， 提高混凝土 的力学性 能 ， 因此本研究 高 性能混凝土 中， 除本地常用工程 材料 外 ， 还掺人 了山西 地 产 业废料矿粉掺合料 混凝土是由粗骨料 、 水 泥砂浆基体 和二 者之间 的界 面所组成的非均匀三相复合材料 ， 其 内部结构具有多尺 度性 。 以往 对混凝土材料的研究 多偏重于宏观力学性 能及 其劣化趋势 ， 但却 忽略 了混凝 土材料 在细微 观方 面的 缺 陷 如 ： 骨料界面 、 孔洞以及随机分 布的微裂纹在荷载作用 下的扩展对混凝土力学性能的影响 。 因此本项 V I 依托于 高平至沁水高速公路上部结构实际工程 ， 对常用 C 5 5高性 能混凝土在标准养护条件 7 、 2 8 d两 个不同龄期下进 行了 X射线 C T扫描试验及对比分析 ， 从定性和定 量两 个角度 分析 J 其 内部微观结构变化 与龄期的关系 ， 以期为L l i 阿地 区公路桥梁上部结 构高性 能混凝 土的抗 压强度等宏观 力 学性 能及耐久性的研究提供依据 ， 同时也对控制实 际施 I 进度 ， 保证结构安 全， 降低建设成本具有重要恋义 1 试 验 方 案 1 1 试验 原材料 本试验采用高平 沁水高速 公路 工程桥 梁 I 部结 构 C 5 5高性 能 混 凝 土 所 用 原 材 料 。 水 泥 ： t l i 西 产 威 顿 牌 P O 5 2 5级 ， 2 8 d抗压强度为 5 8 5 MP a ； 细骨料 ： 天然石 英砂 ， 区中砂 ， 细度模数为 2 7 8 ； 粗骨料 ： 石灰石碎石， 5 2 0 mm连 续级 配 ， 其 中 5 1 0 mlT l占 4 0 ， 1 0 2 0 mm 占 6 0 ， 压碎指标 为 1 1 ； 矿 物掺 合 料： l J J 西 曲沃 旭尔 缱材 $ 9 5级矿粉 ； 高效外加剂 ： 山西黄河新型化 = H J S X A 型 聚羧酸高效减水剂 ， 减水卒 2 9 ； 拌 和水 ： 自来水： 收稿 日期 ： 2 0 1 5 一 叭一 1 2 基 金项 目： 1 i I I 省交通厅资金资助项 _I ( 2 0 1 3 4 8 8 ) ； I国家 自然科学资金资助项 日( 5 1 2 7 8 3 2 5) ； 国家 f 然科学 资金资助项 2 6 1 2混 凝 土 配合 比 混凝 土 设 计 强 度 等 级 为 C 5 5 ， 设 计 坍 落 度 为 1 6 0 2 0 0 m m， 人模坍 落度 2 0 0 mm， 保水性 、 黏 聚性均 良好 ， 配 合比见表 1 。 表 1 混 凝土配 合 比 k g m 1 3 试件制作 本试 验 采 用 1 5 0 mm 的 标 准 立 方 体 试 件 ， 按 照 G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 普通混凝土力学性 能试 验方法 之规 定进行试件制作 ， 试件成型 2 4 h后拆模 ， 并放入标 准养护 室养护池 中养护 ， 达到试验设定龄期后取 出进行试验。 C T扫描试验 ： 在 1 5 0 m m标 准立方 体试块上 经钻取 、 切割并打磨后取 6 mm 5 6 5 m m 的小 圆柱体进行 C T 扫描试验。 本试验龄期设定为： 7 、 2 8 d 。 1 4试验设备及 方法 本试验采用太原理工 大学 与 中国工程物理 研究 院应 用电子研究所一起研 制的 I x C F 2 2 5 F C B型高分辨显微 C T 系统 ， C T试验系统见 图 1 。 该设备 的技术 指标为 ： x射线 接收器为 P a x s c a n 4 0 3 0平板探测器 ， 成像窗 口为 4 0 6 mm 2 9 3 m m， 有效窗 【 _】 为 4 0 6 m m x 2 8 2 m m。 该 没备可 以对各 种金属和非金属材料实施连续 C T扫描分 析 ， 试件 的尺寸 大小在 西1 5 0 mm范同 ， 放 大倍 数为 1 4 0 0倍 ， 扫描单 元的分辨率为 0 51 9 4 t x m。 I f 转 台 、炙 及试件 微焦 点X光机 数 宁平板探 测器 水平移 动机构 机庳 图 1 p CF 2 2 5 F CB型 高分辨 显微 C T试验 系统 2 试验 结果及 分析 x射线 C T技术 是无损探 测混凝 土 内部 细观裂纹 萌 生 、 扩展 、 贯通的有效手段 。 经过对 x射线 C T重建后 的 图像是所研究物体全部 的体积元对 x射线 的线 衰减系数 的分布 。 为进一步提高 C T图像 中各部分的对 比度和 分辨率 ， 便于观察混凝土内部结构的变化。 在实际应用 中， 通常将( 值转化为 C T值 ， 因为线衰减系数 ( 和材料 的密度 成 比例火系， 而 每个 C T值又表示 该点 的线 衰减 系数 ， 所 以每个点的 C T值表示各点相对应 的密度值。 为便于统计 分析 ， 本试验将 C T值转变为灰度值， 该值 的变化范围从 0 到 2 5 5 ， 其中黑色为 0 ， 白色为 2 5 5 ， 数值的大小反映图像 中 各点的颜色深浅 ， 图像 中颜色越深代表该点 的物质密度越 小 ， 从而颜色从黑色过渡到 白色相应地 衷 灰度值从小到 大 ， 物质密度从小到大。 本试验采用 文献 4 试验方 法 ， C T试件扫描 尺寸 为 西6 m m 5 6 5 mm。 扫描 完成后 ， 利用 微 C T计 算机 系 统 中图像重建模块 ， 将试件 C T扫描的透视图重建成 l 5 0 0 张横截面图像( X Y面) 进行分 析研究 从 2 f 1 町以直 观地看到混凝土各层 的孔隙分 布 、 孔径 大小 、 裂隙生长和 灰度变化等微观特征。 2 1 标准养护条件下 C 5 5高性能混凝土 C T图像 定 性 分 析 对 C 5 5 H P C试件进行扫描 、 重 建， 考虑成像误差 与混 凝土的非均 匀 随机性 ， 去除 阴影 较 大的 像 ， 挑 选 9 0 0 、 l 0 0 0 、 1 1 0 0 、 1 2 0 0 、 l 3 0 0 、 l 4 0 0层作 为代表层 ， 图 2为 9 0 01 4 0 0层 ( 间隔 1 0 0层 ) 的 C T扫描 图。 从图 2中可够观察剑 ， C 5 5 H P C在标准养护 7 、 2 8 d 龄 期下， 各扫描层上都有明显气孔、 微孔等的原始缺陷， 孔隙 大部分都位 于砂浆 体 中， 孔 隙分 佰不均 匀。 第 l 1 0 0层 、 l 2 0 0层 、 1 3 0 0 层 中出现的孔隙孔径都 比较大。 第 9 0 0层 、 1 0 0 0层 的孔 隙分布均匀 ， 孔隙的数量比其他层多 ， 孔隙尺 寸相对较小 。 第 1 4 0 0层 的孔隙数量较 少， n孔隙尺寸 比 其他层都小 。 与标准养护 7 d龄期下相 比较 ， 2 8 d龄期下 各相应扫描层 中孔 隙数量较少。 ( a ) 7 d 龄期 下x 射线c T 【窭 像 ( b ) 2 8 d 龄期X射线CTI冬 1 像 图2常温下 C 5 5高性能混凝土 X Y 平面 X射线 C T图像 2 2 标准养护条件下 C 5 5高性能混凝土 C T图像 定量分析 ( 1 ) 阈值的确定及混凝土 C T图像二值化 为了进一步对 C T图像进 行定量分析 ， 引入 闽值进行 分割 ， 在 C T图像二值化中将 比闽值大 的所有像索点转换 为 白色， 比阈值小的像素点转换 为黑色 。 27 本试验采用 O T S U疗法进行闽值 计算 ， 找 到了最大化 类间方差的闽值 T， 闽值分布在 7 ( ) 一 7 4之间。 C 5 5高性能 混凝土在标准养护条件 7、 2 8 d龄期下 X Y 平面各代表层 的阈值如表 2及图 3所示。 表 2 不 同龄 期 05 5高 性能 混凝 土各 代表层 横截 面的 阈值 戮 图3不同龄期下 C 5 5高性能混凝土各代表层横截面的阈值 在二值化图像 中， 灰度值为 0的像素点表示试件 内部 的孑 L 隙 一 黑色部分 ， 灰度值 为 1的像素点则表示 试什 内部 的无孔 隙部分 一白色 部分。 罔 4为 9 0 0l 4 0 0层 ( 间隔 1 0 0层 ) 的 C T扫描二值化 。 与图 2埘 比可 见， 经过 闽值 分割后 的二 二 值化 图像中混凝土内部 的孔 隙更为清晰 叮见 ， 町作为计算混凝土 内部孔 隙率的依据。 1 2 0 0 层 1 3 0 0 层 1 4 0 0 层 ( a ) 7 d 龄期下x 射线C T 像的二值化 像 9 0 0 层 1 2 0 0 层 I 3 0 0 层 1 4 0 0 层 ( b ) 2 8 d 龄期下X 射线c T 像 的二 值化图 像 图4常温下 6 5 5高性能混凝土 ) f 平面 X射线 G T 图像的二值化图像 ( 2 ) C 5 5高性能混凝土内部孔隙率分析 利用图像分析软件对标 准养 护条件下高性能 混凝土 二 值化 图像分析并计算混凝土内部孑 L 隙率 ， 如表 3所示 。 28 表 3 C 5 5高性能混凝土各代表层的子 L 隙率 从表 3中可分析得 出标准养护 条件 2 8 d龄期下 W ,J L 隙率明显小于 7 d龄期 下的孔隙率。 由此可 知 ， 标准养护 条件下 C 5 5高性能混凝土 内部孔 隙率 随着养护周期 的增 长而不断地减小 。 3 结 论 结合高平至沁水高速公路 程项 目， 通过对山西 省内 桥梁上部结构 常用 C 5 5高性能 混凝土 C T切 片微观结构 分析 ， 得 出如下基本结论 ： ( 1 ) 在标准养护 7 、 2 8 d不同龄期下 ， 选取 C T生成 的 图像巾 X Y平而 6个代表层 ， 定性 分析 出各扫 描层 都 有 日 】 显 的微孔 等原始缺陷 ， 孔 隙大部分都位 于砂浆体 中， 彳 层孑 L 径大小、 孔隙数量 、 分布不均匀。 山于所用混凝土 中 各组分不均匀 ， 造成混凝土内部孔隙分布 、 数量 、 大小不均 匀 ， 较大的孔隙大部 分位于粗骨料边缘附近。 ( 2 ) 通过对标准养护 7 、 2 8 d不 同龄期 下 C 5 5高性能 混凝土内部孔隙数量 、 大小 、 分布 等微观结构 的对 比分析 ， 得 出孔隙牢不断减小 ， 密实度 卡 j 应 提高 ， C 5 5高性能 混凝 土的抗压强度随着龄期的增长 【f Ij 不断增强。 ( 3 ) 高性能混凝土通过 C T切片进行微 观结 构分析 ， 为公路桥梁上部结构预应力 混凝土构件宏观 力学性 能及 耐久性能的研究提供 了依据， 同时也对加快施 T进 度 、 确 保结构安全及降低建设成本具有霭要意义 参考 文献 ： 1 汤建良 公路桥梁施工中高性能混凝土的运用探究 J 四川建 材 ， 2 0 1 3 ( 1 ) ： 1 4 1 +1 4 4 E 2 高祥彪 ， 钱春香 ， 钱桂枫 ， 等 复掺粉煤灰与矿渣微粉对 高强混 凝土力学性能的影响 J 2 1 世纪建筑材料， 2 0 1 0 ( 2 ) E 3 3汤书军 混凝土材料细观力学模型与破坏分析E D3 南京 ： 河海 大学， 2 0 0 6 4 3聂小青 高强混凝土 C T切片细观结构识别与分析 D3 太原： 太原理工大学， 2 0 1 3 E 5 3田威 混凝土损伤演化的 C T研究及其在细观数值模拟中的应 用E D 3 西安 ： 西安理工大学 ， 2 0 0 9 E 6 3党发宁 ， 刘彦文 ， 丁卫华 ， 等 基于破损演化理论的混凝土 C T 图像定量分析E J 3 岩石力学与工程学报， 2 0 0 7 ( 8 ) 第一作者 ： 史英豪( 1 9 8 8 一) ， 男， 硕士研究生 ， 主要从事混凝土材 料及结构耐久性研究。 联 系地 址 联 系 电话 通 讯作 者 联 系电话 太原市万柏林区迎泽西大街 7 9 号 太原理工大学建筑 与土木工程学院( 0 3 0 0 2 4 ) l 5 7 3 51 6 1 2 2 8 杜红秀( 1 9 6 2一 ) ， 女， 博 士， 教授 ， 主要从事混凝土材 料及结构耐久性研究。 1 3 7 5 3l OO 81 5 嘁 一 一 一 。 l