数字图像技术在再生混凝土性能分析中的应用.pdf

第 1 7卷第 3期 2 O 1 4年 6月 建筑材料学报 j oURNAL OF BUI L DI NG MATE RI ALS Vo 1 1 7 No 3 J u n ， 2 0 1 4 文章编 号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 4 5 9 0 6 数 字 图像 技术在 再生混凝土性能分 析 中的应用 肖建庄 ， 李 宏 。 ， 袁俊 强 ( 1 同济大学 建筑工程系 ， 上海 2 0 0 0 9 2 ； 2 同济大学 先进土木工程材料教育部 重点实验室 ， 上海 2 0 1 8 0 4 ； 3 浙江省建筑设计研究 院， 浙江 杭州 3 1 0 0 0 6 ) 摘 要 ：利 用数 字 图像 处理技 术 ， 对再 生混 凝 土弯折 试件 的疲 劳破 坏 断裂 面进 行 了统 计研 究 ， 得到 了 其 统计 特征 ， 分析 了再 生混凝 土 疲 劳应 力水 平 与 骨 料 脱黏 面积 比例 的 相 互 关 系 对 骨 料 与砂 浆 的 边界进行提取 ， 建立了能够真 实反映再 生混凝土粗骨料 分布的二维细观数值模型， 为分析再 生混 凝 土 的 性 能 提 供 了 重 要 依 据 关键 词 ： 再 生混凝 土 ；数 字 图像 处 理 ；脱黏 面积 ；细观模 型 中图分 类号 ： T U5 2 8 0 1 6 文献标 志 码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 4 0 3 0 1 6 App l i c a t i o n o f Di g i t a l I m a g e Te c h ni q u e i n Be h a v i o r An a l y s i s o f Re c y c l e d Ag g r e g a t e Co n c r e t e XI AO Ji a n z h u a n g ， Lf Ho n g ， Y UAN Ju n q i a n g ( 1 De p a r t me n t o f Bu i l d i n g En g i n e e r i n g，To n g j i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2，Ch i n a ；2 Ke y La b o r a t o r y o f Ad v a n c e d Ci v i l En g i n e e r i n g Ma t e r i a l s o f Mi n i s t r y o f Ed u c a t i o n，To n g j i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4，Ch i n a 3 Zh e j i a n g P r o v i n c e I n s t i t u t e o I Ar c h i t e c t u r a l De s i g n a n d Re s e a r c h，Ha n g z h o u 3 1 0 0 0 6 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：U s i ng t h e di g i t a l i ma g e pr oc e s s i ng t e c hn i qu e，a s t a t i s t i c a l r e s e a r c h wa s un de r t a ke n o n t he c r o s s s e c t i o n of t he s pe c i me n of r e c y c l e d a g gr e ga t e c o nc r e t e a f t e r f a t i gu e f a i l ur e The s t a t i s t i c a l c ha r a c t e r i s t i c s o f t he f r a c t ur e s u r f a c e a nd t he r e l a t i on s h i p be t we e n t h e de b on d i ng a r e a r a t i o o f t he a gg r e g a t e a n d t h e f a t i gu e s t r e s s l e v e l wa s e s t a bl i s he d a nd a na l yz e d A t wo di m e n s i o n a l nu m e r i c a l mod e l t h a t c a n r e f l e c t t he di s t r i b u t i on o f r e c y c l e d c o a r s e a gg r e g a t e wa s bu i l t ，whi c h p r ov i d e s t he i mpo r t a n t b a s e f o r t h e a n a l ys i s o f t he be h a v i or of r e c y c l e d a gg r e ga t e c o nc r e t e Ke y wo r d s ：r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e ( RAC)；d i g i t a l i ma g e p r o c e s s i n g ；d e b o n d i n g a r e a ；me s o s c o p i e mo d e l 再 生 骨 料 混 凝 土l 1 ( r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e ， RAC ) 是利 用 废 混 凝 土 破 碎 加工 而成 的再 生 骨料部分或全部替代 天然骨料 配制而成 的新 混凝 土 ， 简 称 再 生 混 凝 土 ( r e c y c l e d c o n c r e t e ，RC ) 再 生 混 凝 土技 术 的开发 与应 用 ， 一方 面 ， 可解决 大 量废 混 凝 土处 理 困难 以及 由此造 成 的生态 环境 日益 恶 化 等 问题 ， 另一方 面 ， 用废 混凝 土加 工成 的再 生 骨料 替 代 天然骨料 ， 可缓解天然骨料 日趋匮乏 的压力并降低 大量 开 采砂 石对 生态 环 境 的破 坏 ， 符 合 建 筑 业 可 持 续发 展 的要 求 再 生混 凝 土 由水 泥 砂浆 、 粗 细骨 料 及 二者之 间 的界面 等组 成 ， 是 具有 复杂结 构 的非 均质 、 多尺度 ( 微观、 细观、 宏观) 复合材料体系， 其宏观行 为所表现出的不规则性 、 不确定性和非线性等特征 ， 正是其 内部结构 复杂性的反映 数字 图像处理技术 可直观 地反 映混 凝 土 内部 材 料组 成 的非 均匀 性 ， 表 征 骨料 在混凝 土 中的 随机 分 布 本 文 根 据再 生 混 凝 土 弯折 疲劳试 件 破 坏 后 的 断 面 ， 利 用 数 字 图像 处 理 技术获得了骨料脱黏面积与疲劳应力水平之间的关 系 ， 并对弯折疲劳破坏后 的试件进行切割 ， 采用数字 图像处理技术对切割后的切片进行骨料和砂浆边界 收稿 日期 ： 2 0 1 2 1 2 - 2 7 ；修订 日期 ： 2 0 1 3 0 3 0 8 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 3 2 5 8 0 2 ， 5 1 1 7 8 3 4 0 ) 第一作者 ： 肖建庄( 1 9 6 8 一) ， 男 ， 山东沂南人 ， 同济大学教授 ， 博 士生导 师， 博 士 E ma i l ： j z x t o n g j i e d u c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 6 O 建筑材料学报 第 1 7卷 的提 取 ， 以此 为基 础 获 得 了 能够 反 映 混 凝 土 内部 真 实组 成 结构 的有 限元模 型 ， 并对 混 凝 土 切 片单 轴 受 压进 行 了数值 模拟 1 试件 制作 水 泥 ： P 0 4 2 5 R普 通硅 酸盐 水泥 ； 拌 和水 ： 自 来 水 ； 砂 ： 天 然 黄砂 ； 再 生 粗 骨 料 ( R C A) ： 由上 海 某 工 程废 混凝 土经 颚 式 破 碎 机破 碎 而 成 ， 外 形 介 于碎 石与 卵 石之 间 ， 略 扁 并带 有 棱 角 ， 孔 隙较 多 再 生混 生 混凝 土 的吸水 特性 ， 首 先按 照 普 通 混凝 土 配 合 比 设 计方 法计 算 出各 材 料用 量 ， 然 后 根 据 实测 再 生 粗 骨 料 的有 效 吸水率 即 自然干燥 状态 至饱 和面 干状 态 的吸水 率 ， 计 算 出用 以补偿 再 生粗 骨 料 高 吸水 率 的 那部分水即附加水 的用量 再生混凝土弯折疲劳试 验 共制 作 了 9个 1 5 0 mm 1 5 0 mm 5 5 0 mm 的棱 柱体试 件 ， 按照不 同 的应力水 平分 成 3组 ， 测 试 再生 混 凝 土在弯 折荷 载 作 用 下 的疲 劳 性 能 ， 疲 劳破 坏 后 的断 面尺 寸为 1 5 0 mm1 5 0 mm， 混 凝 土切 片 尺 寸 凝 土 配制强 度等 级 为 C 3 0 ， 配合 比见 表 1 考 虑 到再 为 1 5 0 mm1 5 0 mm3 0 mm 表 1再 生 混 凝 土 配合 比 Ta b l e 1 M i x t u r e p r o p o r t i o n o f r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e 2 脱 黏 面 积 再生混凝土在疲劳荷载作用下的断裂面破坏形 态有骨料 与砂浆脱黏 、 骨料 断裂 以及 砂浆 断裂 3种情 况 粗骨料是 混凝 土 内部 的 主要 组 成部 分 ， 它 的表面 纹理 和力学 强度在很大程度 上影 响着基 体一 粗 骨料界 面过渡 区的力学强度 ， 并对 混凝土 的宏 观力学性 能及 破坏模式 均有较 大 影 响 同时 ， 在 混凝 土 疲 劳破 坏过 程 中， 微观疲 劳裂 纹 生长 机制 有 两种 模 式 ， 一 种是 部 分微 观疲 劳裂纹 穿越 基 体和粗 骨 料 导致 混凝 土 有效 承载截 面积减少 ， 另一种是 部分微 观疲 劳裂纹 沿着粗 骨料与基体的界面过渡区生长并在混凝土内部贯通 汇 聚 ， 最 终导致混 凝 土有 效 承载 截 面积 减少 和破坏 这两 种疲 劳裂纹 生 长机 制在 混凝 土 不 同疲 劳状 态下 各 自所 占的比例 大小 ， 主要取决 于粗 骨料与基 体之 间 力学 性能差异 的程度 和疲劳应 力水平 的高低 若混凝 土疲 劳失效是 以粗 骨料一 基体 界面过 渡 区的逐 步脱 黏 为 主 ， 则混凝土疲劳 断裂后 的断裂面 上将会有 很多 的 粗 骨料脱黏现 象 发生 ； 反之 ， 会在 混 凝 土疲 劳 断裂 面 上 观察到更多粗 骨料 的破碎 由于对 混凝土试 件 内部 微 观疲劳裂纹生 长过程 的实 时监测 和直观 显示 ， 目前 尚存在不可克服的技术障碍 ， 因此本文采用再生混凝 土疲 劳断裂截 面上 脱黏 粗 骨料投 影 面 积与 试件 横 截 面名义 面积 的 比值 ， 来衡量 和表征再 生混凝 土在 不 同 应 力水平下 的疲劳性能具有 理论意义 图 1为再生混凝土弯折试件疲劳破坏后断裂面 的数字图像处理 过程 图 1中首先对试件 断裂面进 行数 字 图像 采集 ( 见 图 1 ( a ) ) ， 由于 断裂 面 中混 凝 土 各相 的灰度值 相 差 不 大 ， 将数 字 图像 中脱 黏 区域 涂 以白色进 行 标 记 ( 见 图 1 ( b ) ) ， 然 后 用 Ma t l a b进 行 二 值 化 处 理 ， 将 脱 黏 区 域 转 换 为 黑 白 图 ( 见 图 1 ( c ) ) ， 最 后计 算 脱 黏 区域 面 积 占整 个 图像 面 积 的 比 值 ， 结果见 表 2 表 2脱 黏 面 积 比 Ta b l e 2 De b o n d i n g a r e a r a t i o b e 一 1 3 1 5 2 0 8 8 O6 b e 一 1 4 1 2 7 4 4 2 8 No t e ： o jJ r e p r e s e n t s f a t ig u e s t r e s s l e v e l ；Nf r e p r e s e n t s f a t ig u e l if e 由表 2可 见 ， 当疲 劳 应 力 水 平 ( ， ) 较 低 时 ， 混凝 土 中骨 料与砂 浆 界面处 的裂缝 随 着荷 载循 环 次 数 的增 加逐 渐贯 通 形 成 整个 裂 缝 面 ， 导 致 骨料 脱 黏 面积较 大 ； 在 疲 劳应 力 水 平 ( f ) 较 高 时 ， 南于 再 生骨料 弹模 较高 ， 应力 集 中明显 ， 可能超 过 了骨 料 的 强度 ， 从而导致其提前破坏的面积相对较大 ， 使得骨 料脱 黏面积 减小 另外 ， 为 了说 明再 生 混凝 土 和 普 通 混凝 土在 疲 劳性 能方 面 的差 异 ， 将 本 文试 验 结果 与其 他 研 究 者 的试 验结果 同时绘制 在 图 2中 由图 2可 见 ， 再 生 混 凝 土和普 通 混 凝 土在 疲 劳性 能 方 面 未 存 在 明显 差 异 ， 。 厂 一 N ( 应力比值一 循环寿命 ) 曲线回归系数接 近 ， 但在相 同的应力水 平 条件下 ， 再 生混凝 土疲 劳 寿 命较 普通 混凝 土疲 劳寿命 长 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 6 4 建筑材料学报 第 1 7卷 参 考文 献 ： E l - I 2 3 4 肖建庄 再 生混凝土 M 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 8 ： 4 X I AO J i a n z h u a n g R e c y c l e d c o n c r e t e M Be i j i n g ： C h i n e s e B u i- l d i n g Co n s t r u c t i o n Pu b l is h i n g P r e s s ， 2 0 0 8： 4 ( i n Ch i n e s e ) PAS KoVA T ， M EYER C Lo w c yc l e f a t i g u e o f p l a i n a nd f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e J AC I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 7 ， 9 4( 4 ) ： 2 7 3 - 2 8 5 GRZ YBOW S KI M M EYER CDa ma g e a c c u mu l a t i o n i n c o n c r e t e w i t h a n d wi t h o u t f i b e r r e i n f o r c e me n t J AC I Ma t e r ia l s J o u r n a l ， 1 9 9 3，9 0( 6 )： 5 9 4 6 04 CACHI M P Ex p e r i me n t a 1 a n d n u me r ic a l a n a l y s i s o f t h e be h a v 一 5 6 i o u r o f s t r u c t u r a l c o n c r e t e u n d e r f a t i g u e l o a d i n g wi t h a p p l ic a t i o n s t O c o n c r e t e p a v e me n t s D P o r t o ： Un i v e r s i t y o f P o r t o ， 1 9 9 9 秦武 ， 杜成斌 ， 孙立 国 基于数字闭像技术的混凝土细观层次 力 学建模 J 水利学报， 2 0 1 1 ， 4 2 ( 4 ) ： 4 3 1 4 3 9 QI N W u， DU Ch e n g b i n， SUN Li gu o Me s o l e v e l a n a l y s i s mo d e l f o r c o n c r e t e b a s e d o n d i g i t a l ima g e p r o c e s s in g J J o u r n a l o f H y d r a u l ic En g i n e e r i n g， 2 0 1 1， 4 2 ( 4 )： 4 3 l 一 4 3 9 ( i n Ch i n e s e ) 于庆磊 基于数 字图像 的岩石类 材料破 裂过程 分析方法 研究 D 沈 阳： 东北大学 ， 2 0 0 8 YU Qi n g l e i Di g i t a l i ma g e p r o c e s s i n g b a s e d nu me r i c a l me t h o d s f o r f a i l u r e p r o c e s s a n a l y s i s o f r o c k l i k e ma t e r i a l s D S h e n y a n g ： No r t h e a s t e r n Un i v e r s i t y， 2 0 0 8 ( i n Ch i n e s e ) ( 上接第 4 5 8页) 8 郑辉 自然环 境下 混凝 土氯离 子 侵蚀 的随 机性 及 寿命预 测 D 杭州 ： 浙江工业大学 ， 2 0 0 9 9 ZHENG H u i Ra n d o mn e s s o f c h l o r i d e io n e r o s i o n i n c o n c r e t e a n d s e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n u n d e r n a t u r a l e n v i r o n me n t D Ha n g z h o u ： Z h e j ia n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ， 2 0 0 9 ( i n Ch i ne s e ) 张俊芝 ， 周剑 ， 鲁列 暴露与养 护时间对混凝 土氯离子 扩散性 能的影响 J 自然灾害学报， 2 0 1 1 ， 2 0 ( 1 ) ： I 一 5 ZHANG J u n z h i ， ZH0U J i a n， LU Li e I n f l u e n c e o f e x p o s u r e a n d c u r i n g t i me o n p e r f o r ma n c e o f c h l o r i n e i o n d i f f us i o n i n 口O 1 1 c o n c r e t e J J o u r n a l o f Na t u r a l Di s a s t e r s ， 2 0 1 1 ， 2 0 ( 1 ) ： 1 - 5 ( i n Ch i ne s e ) M ANGAT P S， M 0I I OY t 3 T Pr e d i c t ion o f l o n g t e r m c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n c o n c r e t e J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e ， 1 9 9 4， 2 7( 6 )： 3 3 8 3 46 刘文军 ， 王军强 氯离子对 钢筋混凝土结构的侵蚀分析 J 混 凝土 ， 2 0 0 7 ( 4 ) ： 2 0 2 2 I I U We n i u n WANG J u n q i a n g A n a l y s i s o f c h l o r i d e i o n d i f f u s i o n i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s J C o n c r e t e ， 2 0 0 7 ( 4 ) ： 2 O 一 2 2 ( i n Chi n e s e ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m