基于X-CT的C60高性能混凝土高温细观结构损伤研究

2020-03-12杜红秀樊亚男

建筑材料学报 2020年1期

杜红秀，樊亚男

(太原理工大学土木工程学院，山西太原 030024)

目前国内外对高性能混凝土(HPC)高温性能的研究，从以往以宏观力学性能劣化规律为主逐渐向细微观分析方向发展[1-2]，结合扫描电镜、压汞、核磁共振冷冻法等先进试验方法，探讨材料细微观结构与宏观性能的关系成为了研究热点[3-6].对HPC的高温爆裂问题，从细微观角度分析，更能揭示其宏观爆裂的本质.目前多数学者认为HPC爆裂的根本原因是致密的微结构，因而在混凝土中掺入适当尺寸和数量的聚丙烯纤维，有利于高温下混凝土内部孔隙蒸汽压的释放，从而改善混凝土的高温性能[7-9].

X射线计算机断层扫描(X-CT)技术，能无损检测出材料和结构的内部变化，同时具有较高的分辨能力.将其应用于混凝土细观结构的试验研究，能清晰直观地检测混凝土内部细观缺陷萌生、扩展和贯通的劣化衍化过程[10-12].本文对20～600℃温度下HPC和掺0.2%聚丙烯纤维C60高性能混凝土(PPHPC)的细观结构进行X-CT试验，探究其细观结构变化特征以及对混凝土性能的影响.

1 原料及试验方法

1.1 原材料及配合比

水泥，太原产P·O 42.5水泥；细骨料，河砂，Ⅱ区中砂，细度模数2.95，级配合格；粗骨料，石灰石碎石，5～20mm连续粒级，级配合格；掺和料，S95级矿粉，Ⅱ级粉煤灰；聚丙烯纤维，直径25μm，长度8mm，熔点165℃左右，汽化温度340℃左右，体积分数0.2%；减水剂，聚羧酸高性能减水剂；拌和水，自来水.混凝土配合比见表1.

表1 C60混凝土配合比

1.2 试件制备

根据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》制备HPC和PPHPC的标准立方体试件，试件拆模后放入(20±2)℃的Ca(OH)2饱和溶液养护池中养护28d；X-CT试验的试件为直径6mm、长 20mm 的圆柱体芯样，从立方体试件中钻取得到[13].

1.3 试验方法

1.3.1混凝土强度试件高温处理方法

采用SRJX型箱式电阻炉加热，额定温度 1200℃，功率15kW，升温速率为10℃/min.模拟火灾温度分别设定为200、300、400、500、600℃这5个等级，试件中心预埋热电偶的温度与设定温度一致时，恒温15min，使混凝土内外温度保持一致，即为烧透[8]；常温(20℃)作为对比组.

1.3.2混凝土力学性能试验方法

混凝土立方体抗压强度试验根据GB/T 50081—2002标准测试.

1.3.3X-CT试验

X-CT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共同研制的μCF225FCB型高分辨率显微X-CT系统，如图1所示.该设备可以对各种金属和非金属材料实施连续CT扫描分析，试件的直径大小在1～50mm范围，放大倍数为1～400倍，扫描单元的分辨率为0.5～194.0μm.利用该系统对混凝土细观结构进行X-CT扫描及图像重建.

混凝土X-CT试件高温处理采用太原理工大学采矿工艺研究所自制的高温气氛炉与X-CT机配套使用，如图2所示.试验时将试件固定在X-CT机上，采用高温气氛炉加热，目标温度为20～600℃，当温度升高至目标温度后恒温15min，然后移开高温气氛炉，进行CT扫描.利用X-CT系统中的图像重建模块，将试件扫描数据重建成1500张横截面图像.

图1 X-CT试验设备Fig.1 X-CT test equipment

图2 试件、模拟图及高温炉Fig.2 Specimen,simulation and heating furnace

1.3.4X-CT图像分析

采用Image-ProPlus图像处理软件对X-CT图像进行二值化处理并分析，得到混凝土材料的孔隙数量、孔隙面积、孔隙直径、缺陷率等参数.运用Photoshop提取X-CT图像中的裂缝，采用Roberts边缘检测器及Matlab软件分别对裂缝进行边缘检测及骨化，得到裂缝的面积、长度、宽度和周长等参数[14].

2 结果及分析

2.1 高温对混凝土抗压强度的影响

高温后混凝土的抗压强度(fcu,t)试验结果见图3。由图3可见：高性能混凝土的fcu,t随着温度升高基本呈线性下降趋势；除常温抗压强度(fcu)外，各温度下掺纤维混凝土的抗压强度大于素混凝土； 400℃ 之前随温度升高抗压强度下降幅度较小， 400℃ 之后抗压强度下降幅度明显增大；PPHPC的抗压强度损失率((fcu-fcu,t)/fcu)均低于HPC，表明聚丙烯纤维的掺入可以改善混凝土的高温性能。

2.2 混凝土X-CT试验结果与分析

X-CT是基于X射线与物质之间的相互作用，X射线的衰减系数与材料密度成比例，X射线穿过物质被吸收后的衰减值即为每个像素点的CT值，代表各点的密度分布.为便于统计，将CT值转变为0到255的灰度值，其中黑色为0，白色为255，图像中颜色越深代表该点的物质密度越小[13].

图3 高温对C60混凝土抗压强度的影响Fig.3 Effect of high temperature on fcu,t of C60 concrete

混凝土是一种非均质、多孔、多层次的复合材料，内部各相密度不同，由大到小分别为：细骨料、粗骨料、浆体、孔(裂)隙.对试件进行CT扫描及图像重建可以获得混凝土灰度图像，图像中密度越高则颜色越亮，反之，孔隙、裂隙等缺陷趋于黑色[15].因此从 X-CT 图像中可以直观观察到混凝土各组分分布情况，孔隙、裂隙劣化衍化过程以及混凝土内部高温损伤的情况.选取HPC和PPHPC第750层的X-CT图像及其二值化图像作为代表层，如图4、5所示.

图4 不同温度处理后的混凝土第750层X-CT图像Fig.4 750th layer’s X-CT images of concrete at different temperatures

由图4、5可知：常温下混凝土内部分布有不同尺寸和形状的原生缺陷，主要表现为孔隙和裂隙，孔隙集中在砂浆区，HPC图像孔隙大小相对均匀； 200℃ 时，HPC孔隙更加清晰，沿粗细骨料、浆体各相界面周围新增加许多裂隙，PPHPC也在此阶段开始增加少许新裂隙，但变化不明显；300℃时，HPC沿各相界面周围的裂隙更加清晰，明显将各相分隔，呈现初步的龟裂状态，而PPHPC在此阶段的裂隙继续增多，原来的小孔隙相互连通为较大的孔隙，但数量较少，未出现龟裂现象；400℃时，HPC孔隙、裂隙明显扩展，并相互连通，龟裂状态进一步加剧，而PPHPC在400℃下的劣化状况与HPC在300℃时的状态基本一致；500℃时，HPC整体变化不明显，但PPHPC龟裂现象明显；600℃时，HPC与PPHPC损伤劣化程度均趋于严重，裂隙宽而多，并进一步与孔隙相互贯通.

图5 不同温度处理后的混凝土第750层二值化图像Fig.5 750th layer’s binary images of concrete at different temperatures

2.3 混凝土的细观孔结构参数

挑选每个温度下X-CT图像第350、450、550、650、750、850、950、1050、1150、1250层，作为代表层进行分析.采用Image-ProPlus图像处理软件对 X-CT 图像进行二值化处理，得到了混凝土材料的缺陷率、孔隙数量、孔隙分布等参数，结果如图6、7所示.本文中缺陷率为混凝土内部孔隙、裂隙等缺陷的面积总和与该层图像面积之比.

由图6可见：除PPHPC不高于300℃时的情况之外，随着温度的升高，HPC及PPHPC在不同孔径下的孔隙数量均随温度升高而增加；各温度下，HPC与PPHPC内部均呈现出孔径越大、孔隙数量越少的规律；小于50μm孔径的孔隙数量分布较多，大于 50μm 孔径的孔隙数量基本不变.对于HPC，当受火温度不高于300℃时，小于50μm的孔隙数量随着温度升高增加幅度较大；从300℃到500℃，小于50μm的孔隙数量增加幅度较小；从500℃到600℃，小于50μm的孔隙数量大幅度增加，表明HPC劣化加剧，500℃为HPC劣化损伤的阈值温度.对于PPHPC，小于 50μm 的孔隙数量在200～300℃时均少于常温时，在400℃时略高于常温时.在500～600℃时，孔隙数量基本相同，但较常温时大幅度增加，表明400℃之前微结构劣化轻微，500℃之后劣化加剧，此时10～20μm孔径的孔隙数量增长最多，20～50μm孔径的孔隙增长幅度最大.500℃之前，PPHPC劣化滞后于HPC，表明掺入聚丙烯纤维可以改善HPC的高温性能.

图6 不同孔径下C60混凝土孔隙数量分布

由图7可见，常温时，PPHPC缺陷率高于HPC，随着温度的升高，两者的缺陷率均不断增加，且HPC缺陷增长率明显高于PPHPC.常温下存在的原生微小孔隙多是分散的，随着温度的升高，孔隙、裂隙等缺陷不断衍化，相互连通、扩张，最后劣化成为较大孔隙.

图7 温度对C60混凝土缺陷率的影响Fig.7 Effect of temperature on defect rate of C60 concrete

2.4 受火温度与缺陷率对混凝土强度的影响

根据温度对混凝土抗压强度(见图3)及缺陷率(见图7)影响的测试结果，通过数据统计分析，建立受火温度(t)与内部缺陷率(P)双参数对HPC和PPHPC抗压强度的影响回归关系式.

HPC：

fcu,t=82.85077-0.04888t-7.50434P，R2=0.9608

(1)

PPHPC：

fcu,t=114.10375-0.01602t-20.1509P,

R2=0.9774

(2)

式中：t为温度，℃；P为混凝土缺陷率，%.

C60混凝土平均强度与温度、缺陷率的关系：

fcu,t=67.15831-0.03687t-1.65463P

-2.33174×10-4t2,R2=0.9215

(3)

3 混凝土裂缝提取结果与分析

选取300℃后HPC及400℃后PPHPC第750层X-CT图像为代表层，对其中的裂缝进行提取、处理和测量，得到裂缝参数随温度变化的规律，研究裂缝萌生、扩展的全过程.试验发现，与常温时相比， 300℃ 时PPHPC的X-CT图像裂缝没有劣化、扩展，故其长度、宽度、面积、周长均为0.经提取，在第750层层HPC共有28条裂缝，PPHPC共有31条裂缝，统计结果见表2.本文各选取1条具有代表性的裂缝进行衍化分析，结果见图8.

由图8和表2可见：随着温度升高，混凝土内部各条裂缝的长度、宽度、面积和周长总体呈增长趋势，但PPHPC的增长幅度低于HPC，说明PPHPC劣化滞后于HPC，即掺入聚丙烯纤维可以改善HPC的高温性能.