混凝土细观结构动态力学特性CT试验研究

党发宁，雷光宇，丁卫华，李 骞

（西安理工大学岩土工程研究所，西安 710048）

混凝土细观结构动态力学特性CT试验研究

党发宁，雷光宇，丁卫华，李 骞

（西安理工大学岩土工程研究所，西安 710048）

混凝土材料在动载作用下具有与静载不同的特性。从实时CT扫描试验出发，以素混凝土圆柱体试样为研究对象，分析了正弦波动压和动拉荷载作用下，混凝土的细观结构变化对动态力学特性中诸如强度、变形和破损形态的影响。通过CT差值图像研究，得出动压荷载作用下混凝土裂纹具有发展迅速，破坏过程短，破坏裂纹多，破坏面积大等特点；通过CT数等密度分割图研究，得出动拉荷载作用下混凝土微裂纹突然合并形成一条主裂纹贯穿试件，试件突然断裂；通过加载过程中CT数变化规律研究，得出动压荷载作用下混凝土的密度经历了一个先增大后减小的过程，试件经历了压密、扩容、裂纹贯通直至最后破坏的过程，而动拉荷载后试件的密度持续减小直至断裂，荷载初期无压密现象。混凝土试件形成单位面积的压、拉裂纹面所需的能量基本相同，形成单位面积的动力裂纹面所需的能量略大于静力裂纹面所需能量。混凝土动压、动拉的应力状态不同，导致其破坏程度不同，所形成的裂纹面积不同，所需的总能量也不同，最终导致测定的强度不同，应力状态不同是动压、动拉强度差异的根本原因。

混凝土材料；CT试验；动力荷载；图像处理；破坏形态

强烈地震作用下混凝土高拱坝的动力反应和破坏过程极其复杂，大坝结构的抗震设计是否安全、合理，不仅取决于地震动输入的合理性和抗震动力分析方法的正确性，而且还取决于设计采用的大坝混凝土材料的动态力学特性。

近年来，随着近代力学和计算技术的发展，大坝结构的抗震动力分析取得了重大进展；随着试验设备和测试技术的发展与提高，使得大坝结构动力模型试验能较为合理地模拟各种影响因素。相对而言，对于影响高拱坝抗震安全关键因素的大坝混凝土的动力特性研究要滞后的多，进展很小，还存在不少基础性问题需要进一步探索和深化研究［1－2］。同时，对混凝土动力特性的研究主要集中在应变速率对混凝土强度的影响上，从细观结构上研究混凝土变形破坏的资料相对少一些［3－5］。马怀发等［6］总结了混凝土材料动态力学性能的基本规律，提出了动载作用下混凝土材料变形滞后所产生的损伤滞后最终表现为应变率强化效应。Harris等［7］从混凝土坝中取芯进行静动力试验，得到了地震作用下混凝土的抗压、抗拉强度平均增加7%、14.3%的结果；刘传雄等［8］利用SHPB装置对混凝土试样进行了动态压缩试验，借助高速摄影装置获得了试样的变形与破坏过程，得到在动态压缩强度附近应力区，材料表面先出现一条沿试样轴向的可见宏观裂纹，而多条主裂纹的形成与扩展才导致材料的最终破坏；李庆斌等［9］在线弹性断裂力学基础上，提出了一种可以解释混凝土抗拉率效应的断裂力学模型，得出从细观角度来看混凝土的强度是材料的固有属性，与加载速率无关等重要结论。

近几十年的研究工作中，对混凝土动力特性的研究主要基于室内试验以及数值试验来研究它的应力应变关系和破坏形态［10－11］，很难观测加载过程中试件内部材料及结构发生的细微变化，目前，CT扫描技术是无损检测混凝土材料内部受力变化的一种有效方法。Buyukozturk［12］通过对基于X射线或γ射线法的CT方法、热红外线法、微波法、声发射法等的对比，发现混凝土CT图像内骨料、砂浆、孔洞等组分清晰可见，认为X射线CT是研究混凝土内部结构的有效方法。陈厚群等［13］开展了用医用X射线CT实时监测受静力压缩混凝土内部细观裂纹萌生、扩展、连通过程的试验，从理论上提出细观裂纹宽度的计算方法；党发宁等［14］将破损演化理论应用于混凝土CT图像的定量分析，利用完整度和破损度的变化分析试样各点的强度变化，解决了CT数分布范围广、不利于定量分析的问题。以上研究均为静态载荷下的CT扫描试验。田威等［15］研制了可在医用CT机上进行动态加载的设备，首次实现了动态实时CT扫描试验，初次实现对一、二级配中混凝土内部细观裂纹的实时观测［16］。

本文从CT试验出发，利用自行研制的便携式CT试验加载机，进行了动力荷载作用下的拉、压实时CT扫描，从混凝土细观结构入手，根据和CT数的变化研究混凝土在动态荷载作用下强度及破坏发生的内在机理。

1 混凝土CT实时试验动力加载系统

混凝土CT指采用X射线CT技术对室内混凝土样品的内部结构进行无损观察和研究。一般是对标准混凝土试件沿高度分层扫描，每层厚0.3 mm，所能观测到的裂纹称为CT尺度裂纹。目前混凝土力学CT研究的主要成果表现为对室内静力条件下的试样进行CT尺度裂纹演化的全过程观测，可识别的最小裂纹宽度在0.01 mm量级。

本课题成功研制出适合CT扫描用的动力加载设备，是国内外迄今已知的第一台同类型设备，可在医用CT机上进行岩石、混凝土的动力拉、压载荷试验。材料试验机的结构如图1所示，该仪器具有结构轻巧，便于移动，安装试样方便，可施加拉、压动力荷载、运行平稳等优点。图2是混凝土动力加载CT试验的全貌。

图1 CT扫描用的动力加载设备结构示意图Fig.1 The structure diagram of dynamic loading equipment for CT scanning

图2 CT机及动力加载仪器系统全貌Fig.2 The panorama of CTmachine and dynamic loading instrument

2 试验方案

2.1 混凝土试样的制作

根据大岗山混凝土拱坝的实际配方要求，分别制作了一级配湿筛小试件与二级配湿筛大试件，湿筛小试件的规格为Φ60 mm×120 mm的圆柱体，二级配湿筛大试件的规格为Φ150 mm×300 mm的圆柱体，养护龄期10个月。

2.2 试验加载方案

首先根据加工好的试件的平均强度，设定加载速率。一般采用先施加荷载控制，再施加位移控制的加载方式，意在加载初期阶段，采用荷载控制的方式，当加至接近材料的强度值之前改为位移控制，这样是为了合理的控制试件破坏前后的裂纹发育。

本试验机提供的动态加载波形有正弦波、余弦波、方形波、三角波等，一般选用正弦波加载，如图3所示。

图3 正弦波形式的动态加载波形Fig.3 The dynamic loading waveform of sine wave

动压试验以二级配湿筛大试件conc10试样为例，加载频率为1 Hz，加载周期为3 s，先荷载控制，增幅1 kN，至30 kN改位移控制，增幅0.01 mm，每增0.05 mm自动停顿一次，加载至0.7mm时试件断裂，破坏应力为37 MPa。动拉以二级配湿筛大试件conc41试样为例，加载频率为1 Hz，加载周期为3 s，先荷载控制，增幅1 kN，至15 kN改位移控制，增幅0.01 mm，每0.05 mm自动停顿一次。加载至0.5 mm时试件断裂，破坏应力为4.1 MPa。

2.3 CT扫描试验步骤

先进行扫描前的准备工作，主要包括试样的取样、对中，安装。当前期准备工作完成后，连接仪器，把试件放在CT机上，进行加载扫描。首先，进行未加载前的初始状态扫描；然后进行荷载控制的分步加载，并同步进行各次扫描，随后转为位移控制加载，为保持应力应变曲线的斜率相同，在设定位移控制的速率时，需根据前阶段荷载控制的速率确定位移加载幅值，与前阶段的应力应变曲线斜率保持一致。位移控制加载阶段扫描时机秉承两个原则，①加载至接近材料强度时，根据情况适时停顿加载进行扫描；②应力应变曲线有下降趋势时，保持位移不变进行扫描。最后，直到试件断裂，停止扫描。

3 CT扫描试验结果分析

3.1 分析方法

混凝土CT图像的优点在于可以显示其内部的细观裂纹，因此，混凝土CT的主要研究对象就是进行CT图像分析。本文主要从等密度分割图、差值图等不同的图像分析方法入手对混凝土CT图像进行分析，深入地挖掘包含在图像中的丰富信息，利用这些信息对细观混凝土动态力学特性进行研究，最大限度的利用CT图像资源。

为了突出某一密度等级的色调，即将图像的色调密度划分成若干个等级，并用不同的颜色分别表示不同的密度等级，得到一副彩色的等密度分割图像。CT扫描断面图的等密度彩色图像有较明显变化，重点对砂浆区域的变化进行分析。

对同一断面不同应力阶段的两幅CT图像进行差值运算，即同样位置的像素点CT值相减，得到差值图像，差值图像之所以能较好地显示裂纹影像，在于相对于前一幅CT图像来说，只有裂纹萌生、扩展的部位像素的CT数明显降低，而其余部位像数点的CT数无明显变化，因此在差值图像中只有裂纹产生或扩展部位形成线形或环形影像，其余部位的像素差值绝对值较小，呈现随机变化。与相应的破坏后的灰度CT图像相比，裂纹更加清晰，并且CT图像中不能确定的裂纹也得到确认。原因是差值图像中的线状或环状阴影就是材料损伤大小的直观表现，并且裂纹影像得到增强。

3.2 动压荷载下破坏过程分析

以二级配湿筛大试件conc10试样为例，图4为试件在动压荷载作用下的CT图像及差值图像。从图中看出，第一幅为原始图像，能看到试件骨料的位置；中间两幅为加载初期进行了差值运算的CT图像，两幅图像几乎没有什么区别，骨料经差值运算已经显示不出来，微裂纹还未形成，所以整个图像就如同一个均质体图；随着加载的继续，第4幅差值图像可以很清楚的看到裂纹的发展方向以及破坏位置，可以看出，与静力加载破坏过程相比，在动力荷载作用下，裂纹发展迅速，破坏过程短，破坏裂纹多，破坏面积大，CT扫描可以较准确的追踪到裂纹萌生、发展以及完成破坏这样一个完整的过程。

图4 动压荷载下不同加载阶段的CT差值图像Fig.4 The CT difference value images under different dynamic pressure loading

从CT差值图像上无法清楚地观察到试件未破坏前发生的变化，主要是因为CT扫描中很难准确地捕捉到试件发生破坏前的时刻，但是，由于受到动力的作用，试件内部结构已经发生了一些细微的变化，比如材料密度的改变。因此可以从CT数的变化角度分析材料内部损伤演化规律，从图5中CT数在不同加载阶段的变化分析，看出共进行了4次扫描，当试件未承受荷载时，进行了第一次扫描，CT数大小为2 589HU；当施加荷载后，CT数为2 592HU，CT数增大，说明在动压的作用下，材料的密度增大，试件经历了一个压密的过程；随着继续增大荷载，CT数又减小为2 562HU，同时小于未加载前的CT数，说明了在动压荷载达到一定值时，材料内部的微裂纹开始出现，材料密度减小，试件发生扩容；随着继续增加荷载，CT数急剧减小，为2 504HU，说明了材料内部的裂纹扩大，贯通，试件发生了破坏。从动压荷载作用下混凝土试件的CT数变化来看，混凝土的密度经历了一个先增大后减小的过程，试件经历了压密、扩容、裂纹贯通直至最后破坏的过程。从扫描CT图和混凝土破坏后的形态看，动压作用下，试样破坏时多个部位同时有裂纹产生，穿过骨料现象增多，破坏速度较快，裂纹起裂、演化具有突发性，破坏面积大，这说明了动力荷载作用下裂纹追随能量最快路径发展，与静力作用下裂纹沿结构软弱面发展不同。试件从中间压断，断裂面凹凸不平，呈挤压剪切破坏，破碎面积比较大，有部分骨料发生断裂，如图6所示。

图5 动压荷载下不同加载阶段CT数变化图Fig.5 The CT number variation under different dynamic pressure loading

图6 动压荷载下试件破坏图Fig.6 The failure of sepcimen under dynamic pressure loading

3.3 动拉荷载下破坏过程分析

以conc41试样为例，图7为试件在动拉荷载作用下的CT数等密度分割图，图中色彩对比明显，绿色表示砂浆，白色代表骨料，黑色是孔洞。通过等密度分割可以更清楚的看出各个材料在受力过程中所发生的变化。从前3次扫描图中可以看出，试件在荷载的作用下，并未发生明显变化，最后一幅图，一条黑色的线条贯穿试件，有部分穿过骨料，试件破坏。说明了混凝土试件在受到动拉荷载时，微裂纹突然合并形成一条主裂纹贯穿试件，试件突然断裂，从CT图中很难追踪到破坏发生的先兆，破坏是由一条主裂纹贯穿试件形成的。

图7 动拉荷载下不同阶段CT等密度分割图Fig.7 The CT isodense segmentation maps under different dynamic tensile loading

图8 动拉荷载下不同加载阶段CT数变化图Fig.8 The CT number variation under different dynamic tensile loading

图9 动拉荷载下试件破坏图Fig.9 The failure of sepcimen under dynamic tensile loading

从CT等密度分割图中很难观测到试件在破坏前发生的变化。分析动拉荷载作用下材料密度的变化，从图8的CT数在不同加载阶段的变化可以看出，对试件共进行了4次扫描，当未加载时，进行初次扫描，CT数大小为2 620HU；当施加动拉荷载后（图9），进行扫描，CT数大小为2 610HU，说明在受到动拉荷载后，试件的密度减小，没有出现动压荷载初期的压密现象，经历了与动压荷载不同的受力变形过程；随着荷载的持续增大，试件内部损伤逐渐积累，微裂纹逐渐形成，密度不断减小；当进行第三次扫描时，CT数为2 595HU；继续增大荷载，试件微裂纹贯通，形成宏观裂缝，试件发生破坏，此时，CT数为2 500HU，减小幅度最大，说明在加荷的最后一步，试件濒临破坏，内部损伤达到最大。从CT扫描图和混凝土破坏后的形态观察，动拉荷载作用下，破坏是由一条贯穿试件的主裂纹形成，破坏突然，裂缝穿过骨料，断裂面平整，完全水平，周围断口整齐，表现出明显的脆性破坏。

3.4 混凝土材料动力破坏机理探讨

文献［17］提出了计算试件破裂面积及破坏能量的方法，并计算了静压和静拉作用下试件的破坏面积和破坏能量，结果如表1所示。

表1 CT静压、静拉试件的破坏面积和破坏能Tab.1 Dam age aread and damage energy of static pressure and static tensile sam p les

从表1可以看出，在静态拉、压荷载作用下，混凝土抗压强度是抗拉强度的10倍，而二者单位面积的破坏能却基本相同，说明了无论是静压还是静拉试验，试件破坏时单位破坏面上消耗掉的能量是一个定值，说明混凝土试件在不同条件的载荷作用下的强度不同是由于不同应力状态引起的，应力状态不同导致裂纹起裂的位置、裂纹的发展方向、发展路径不同，宏观反应出其破坏面积不同，而混凝土材料在其破坏时形成单位面积的裂纹所需的能量基本相同，那么试件破坏时破坏面积越大，其破坏能就越大，材料储存能量越多及破坏时可释放能就越大，试件的强度就越大。

依据文献［17］的方法，本文计算了动压和动拉作用下混凝土试件的破坏面积和破坏能量，如表2所示。

表2 CT动压、动拉试件的破坏面积和破坏能Tab.1 Damage aread and damage energy of static pressure and static tensile samples

结合表1的数据，从表2中可以看出，试件受动压时的破坏强度最大，其次为静压，受到静拉时的破坏强度最小；动压荷载作用下的破坏面积最大，其次为静压，动拉和静拉的破坏面积基本相同。形成单位面积破裂面所消耗的破坏能，动拉和动压的基本相同，两者大于静力荷载作用下的单位面积破坏能，这主要是因为在动力荷载作用下，裂纹会穿过骨料，造成强度的增大需要消耗更多的能量。

动压荷载作用下，破坏时的裂纹多，有弥散分布于试件内的趋势，断裂层面中骨料断裂点多；破坏是由多条裂纹相互贯通形成的；动拉荷载作用下，由于能量的突然释放，造成裂纹在极短的时间内突然萌生，扩展并融合，造成裂纹穿过骨料，破坏是由一条主裂纹贯通试件形成的，破坏后的两段试件各自完整，混凝土表面完好。由动压和动拉的破坏来看，动力作用下，细观裂纹生成和发展的速度快，在极短的时间内，由于能量来不及释放，所以裂纹追随能量释放最快路径发展，而不是沿最弱断面发展，穿过骨料现象增多，强度得到充分发挥，导致动态强度增大。

从细观破坏过程来看，动压荷载作用下，CT数的变化反映了试件经历了压密、扩容、裂纹扩展和破坏这几个发展过程，动拉作用下，CT数的变化说明各加载阶段内部大量的微裂纹相互扩展、贯通直至破坏的过程，试件没有经历CT数增加过程，材料的密度经历了一个持续减小的过程。

混凝土试件在动压、动拉时的应力状态不同，导致其破坏程度不同，所形成的裂纹面积不同，所需的总能量也不同，最终导致测定的强度不同，应力状态不同是动压、动拉强度差异的根本原因。

4 结 论

长期以来，混凝土材料的动态力学特性研究主要采用宏观力学试验方法。本文采用X射线CT技术研究混凝土在动态压、拉荷载作用下的破裂过程。结果表明：

（1）混凝土在动态荷载作用下，能量释放的快，在极短时间内产生比较大的能量不易找到材料的最薄弱部位去消散，使得内部微裂纹来不及沿着薄弱区扩展，导致微裂缝沿直线传递，穿过骨料，出现骨料的较大面积断裂，这是混凝土动强度高于静强度的根源。

（2）动压作用下的起裂点多，破坏面积大，破坏是由多条裂纹相互贯通形成的；动拉作用下的破坏是由一条主裂纹贯通试件产生的，破坏后的两段试件各自完整，混凝土表面完好，裂纹面小，这是混凝土压强度高于拉强度的根源。

（3）混凝土材料破坏面积的大小决定了破坏耗能的多少，而破坏耗能的多少决定了破坏强度的大小。

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CT tests for dynamic behavior of concrete with mesoscopic structure

DANG Fa-ning，LEIGuang-yu，DINGWei-hua，LIQian
（Institute of Geotechnical Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，China）

Concrete material under dynamic loads has different characteristics comparing with those under static loads.Here，CT tests of concrete material were investigated taking，plain concrete specimens under dynamic loading as study objects.The effects of concretemeso structure change on itsdynamic characteristics，such as，strength，deformation and damagemorphology under the sine wave dynamic pressure and dynamic tensile load were analyzed.Through studying CT difference images，itwas shown that cracks in concrete under compressive loads grow rapidly，their failure process is short，failure cracks havemany，damage area is large，etc.Through CT number equidensity segmentation image study，it was shown that under dynamic tensile loading，concretemicro cracks suddenlymerge to form amain crack passing through the specimen，the specimen breaks suddenly.Through studying the CT number change law in loading process it was shown that the concrete density decreases after a first increase under the dynamic compressive loads，specimens experience a process of compaction，expansion，crack coalescence until final failure，and under the dynamic tensile load the specimen density continuously drops until its fracture，early without compaction；different stress states of concrete under dynamic compressive loads and dynamic tensile loads lead to its different damage levels，different crack areas formed，different total energy required，and its different strengths neasured finally；different stress states are the essential cause to cause the difference between dynamic tensile strength and dynamic compression one.

concretematerial；CT test；dynamic load；image process；failuremode

TU37

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.24.010

水利部公益性行业科研专项（201201053－03）；陕西省黄土力学与工程重点实验室重点科研计划项目（09JS103）；西安理工大学博士基金（106－211107）

2013－11－01 修改稿收到日期：2014－01－09

党发宁男，博士，教授，1962年生