基于CT 技术的混凝土真空饱水法适用性研究

马心俐

(山东胜利职业学院，山东东营 257097)

1 概述

混凝土是当代最广泛使用的建筑材料和最大众的人造材料，在国家建设发展和改革中发挥了不可替代的作用［1］。实际工程中，混凝土结构经常在水环境中工作，如江河上的拦水大坝、多雨地区的铁路轨道板等。由于混凝土结构中存在众多的孔隙、气穴和微裂纹，环境中的自由水会因为水压和毛细作用进入混凝土内部进而形成湿态混凝土。众多学者［2-5］对湿态混凝土的力学性能进行了试验研究，上述学者在试验中制备不同含水率混凝土试件的方法大致分为三类:1)将试件在水中或RH≥95%的条件下养护之后进行不同时间的烘干;2)采用在不同湿度养护条件下养护试件;3)采用常规水浸泡获取含水试件。这几种方法会因为不同的烘干时间和养护条件造成水化程度严重不同。

为了解决目前研究中的问题，本文采用真空饱水法，将水快速导入混凝土试件，从而避免二次水化等因素的影响。使用计算机断层扫描技术(Computerized Tomography，CT)观测真空饱水后水分在混凝土内部的分布和混凝土的孔隙率变化，验证真空饱水法在混凝土力学试验中的适用性。

2 试验概况

2.1 试验设备

真空饱水法是抗氯离子渗透试验中常用的饱水方法［6］，其原理是使用真空饱水机(如图1所示)将混凝土内部孔隙中气体抽出，然后水分快速进入混凝土内部。CT技术是通过X射线对试件进行扫描获得不同角度的投影图像，通过数学重构得到试件三维CT图像。试验中使用的CT设备如图2，图3所示。

图1 混凝土真空饱水机

图2 工业CT外部图

图3 工业CT内部图

图4 常规浸泡

2.2 试件制作

根据在大坝中常用的混凝土型号，本文试验混凝土设计强度等级为C25。混凝土组成见表1。制备尺寸为100 mm×200 mm和74 mm×37 mm的试件供后续试验采用，本文采用符合美国混凝土学会标准的PVC圆柱模具。为了骨料均匀分布于试件中，对于74 mm×37 mm的试件，需要先制备74 mm×150 mm试件再进行切割。

表1 混凝土成分

2.3 试验方案

分别将尺寸为100 mm×200 mm和74 mm×37 mm的混凝土试块进行真空饱水和常规浸泡(见图4)，对比真空饱水效果，拟合不同尺寸混凝土试件的饱水曲线。使用CT技术扫描尺寸为74 mm×37 mm的整个和1/4的混凝土试件并三维重构，确定各组分的灰度阈值，观测水分在混凝土内部的分布和真空饱水前后混凝土孔隙率变化。

3 试验结果与分析

3.1 混凝土饱水曲线

分别计算经过真空饱水法和常规浸泡法后的混凝土试件含水率，结果见图5。可以发现对于100 mm×200 mm的试件，真空饱水3.5 h之后混凝土试件质量基本不发生变化，而混凝土试件在常规浸泡30 h后质量仍在缓慢增加，且含水率与真空饱水法相差0.8%。真空饱水法对74 mm×37 mm的试件进行饱水的速度优势更加明显。由此可见真空饱水法的饱水程度大于常规浸泡法，大大缩短水中浸泡时间，去除了离子溶蚀现象，避免了烘干法的二次水化不同的现象，保证了仅含水量单一变量设置。

图5 不同方法下的混凝土饱水曲线

为了便于后续制备不同饱和度的试件，将各个含水率增长曲线均按照式(1)进行拟合，拟合结果见表2。

其中，w为混凝土试件含水率;t为饱水时间，h;A，b，y0均为拟合常数。

表2 拟合结果

3.2 水分在混凝土内部分布

3.2.1 三维重构并切片

使用VG Studio MAX对扫描的两种尺寸试件进行三维重构，见图6。首先使用74 mm×37 mm试件观测水分分布。沿试件轴向间隔1.85 mm切片，共获得20片二维断面。

图6 三维重构

3.2.2 确定灰度阈值

CT扫描系统中的X射线在穿透混凝土内部不同成分时的衰减程度不同，在探测器上接收到的信号不同，最后在三维重构时，混凝土各成分会体现出不同的灰度。本文利用美国国立卫生研究院开发开源软件Image-Pro Plus 6.0来确定阈值。

选取如图7所示的典型CT切面，图8为沿图7中虚线读取的灰度值分布。很容易发现，在虚线经过孔隙时，对应的灰度值会降低。图7中虚线经过的能用肉眼观测到的大孔共计3个，从左向右编号孔1、孔2和孔3。图8可以显示，三个大孔的灰度值并不在同一范围，这是因为孔2中自由水使CT扫描后的灰度增大。孔1暴露在外界无法存储自由水，孔3是封闭孔，自由水无法进入内部。可以看出，水泥和骨料的灰度值大于110，自由水的灰度值介于80与110，孔隙或裂隙的灰度值小于80。

图7 CT切片图像

图8 灰度分布曲线

图9 切面灰度直方图

3.2.3 水分分布

图9为整个切片上的灰度直方分布图，可以看出，整个图片的灰度基本在50～160之间。根据上述阈值的选择，自由水对应的灰度值为80～110，将图片中这些部分高亮显示如图10a)所示，同时在三维重构实体中高亮水分如图10b)所示。可以看出真空饱水后，自由水已经进入混凝土试件内部并且分布较为均匀，基本不存在湿度梯度。因此，真空饱水法能够快速制备含水混凝土试件。

图10 水分分布

3.3 真空饱水前后孔隙对比

为了方便分析和对比，从真空饱水前后的三维重构试件重切取一个如图11所示的规则长方体。并将长方体切片得到如图12所示的二维图片。

图11 规则长方体

图12 试件二维切片

将在真空饱水前后的试件取相同位置统计灰度，并作于一图中，见图13。将混凝土分为三部分，分别为孔隙、水泥砂浆、粗骨料。通过对比真空饱水前后灰度曲线可以发现，粗骨料的灰度没有明显变化，水泥砂浆含有许多微裂纹和孔隙，自由水进入会增加水泥砂浆区域的密度，进而降低CT扫描后的灰度值，大孔隙区域会因为含有自由水而使该区域的灰度产生更大的降低。

图13 饱水前后灰度对比

根据3.2中确定灰度阈值的方法，可以得到真空饱水前后的孔隙对应的灰度区间分别为0～133和0～160。依据式(2)分别计算真空饱水前后的20个切片上的孔隙率p，作于图14。可以看出，散点基本均匀落在y=x直线上或附近，这表明混凝土试件在真空饱水前后的孔隙率并无变化。

图14 试件孔隙分布

4 结语

1)真空饱水法能够快速制备不同含水率的混凝土试件，相较于常规浸泡法，真空饱水法的饱水程度更大且时间更短，试件尺寸越大，真空饱水法的优势越明显。在短时间内制备不同含水状态的混凝土试件，能够去除二次水化和离子溶蚀现象对试验单一变量设置的干扰。2)通过CT扫描技术可以三维重构混凝土试件，根据灰度曲线，采用区域跟踪法可以分离出混凝土试件内部骨料、水泥和孔隙各相。统计不同灰度的像素点数可以计算出混凝土孔隙率，观测到自由水在混凝土内部的分布。3)真空饱水法能够使水分进入试件中心内部，减小试件切面上的湿度梯度，保证水分均匀分布，便于建立含水混凝土的计算模型。通过试件真空饱水前后相同部位的试件CT切片显示，真空饱水操作对混凝土孔隙率基本没有影响，不会对混凝土造成损伤，因此真空饱水法可在力学试验中应用。