基于CT 技術的混凝土真空飽水法適用性研究

馬心俐

(山東勝利職業學院，山東東營 257097)

1 概述

混凝土是當代最廣泛使用的建筑材料和最大眾的人造材料，在國家建設發展和改革中發揮了不可替代的作用［1］。實際工程中，混凝土結構經常在水環境中工作，如江河上的攔水大壩、多雨地區的鐵路軌道板等。由于混凝土結構中存在眾多的孔隙、氣穴和微裂紋，環境中的自由水會因為水壓和毛細作用進入混凝土內部進而形成濕態混凝土。眾多學者［2-5］對濕態混凝土的力學性能進行了試驗研究，上述學者在試驗中制備不同含水率混凝土試件的方法大致分為三類:1)將試件在水中或RH≥95%的條件下養護之后進行不同時間的烘干;2)采用在不同濕度養護條件下養護試件;3)采用常規水浸泡獲取含水試件。這幾種方法會因為不同的烘干時間和養護條件造成水化程度嚴重不同。

為了解決目前研究中的問題，本文采用真空飽水法，將水快速導入混凝土試件，從而避免二次水化等因素的影響。使用計算機斷層掃描技術(Computerized Tomography，CT)觀測真空飽水后水分在混凝土內部的分布和混凝土的孔隙率變化，驗證真空飽水法在混凝土力學試驗中的適用性。

2 試驗概況

2.1 試驗設備

真空飽水法是抗氯離子滲透試驗中常用的飽水方法［6］，其原理是使用真空飽水機(如圖1所示)將混凝土內部孔隙中氣體抽出，然后水分快速進入混凝土內部。CT技術是通過X射線對試件進行掃描獲得不同角度的投影圖像，通過數學重構得到試件三維CT圖像。試驗中使用的CT設備如圖2，圖3所示。

圖1 混凝土真空飽水機

圖2 工業CT外部圖

圖3 工業CT內部圖

圖4 常規浸泡

2.2 試件制作

根據在大壩中常用的混凝土型號，本文試驗混凝土設計強度等級為C25。混凝土組成見表1。制備尺寸為100 mm×200 mm和74 mm×37 mm的試件供后續試驗采用，本文采用符合美國混凝土學會標準的PVC圓柱模具。為了骨料均勻分布于試件中，對于74 mm×37 mm的試件，需要先制備74 mm×150 mm試件再進行切割。

表1 混凝土成分

2.3 試驗方案

分別將尺寸為100 mm×200 mm和74 mm×37 mm的混凝土試塊進行真空飽水和常規浸泡(見圖4)，對比真空飽水效果，擬合不同尺寸混凝土試件的飽水曲線。使用CT技術掃描尺寸為74 mm×37 mm的整個和1/4的混凝土試件并三維重構，確定各組分的灰度閾值，觀測水分在混凝土內部的分布和真空飽水前后混凝土孔隙率變化。

3 試驗結果與分析

3.1 混凝土飽水曲線

分別計算經過真空飽水法和常規浸泡法后的混凝土試件含水率，結果見圖5。可以發現對于100 mm×200 mm的試件，真空飽水3.5 h之后混凝土試件質量基本不發生變化，而混凝土試件在常規浸泡30 h后質量仍在緩慢增加，且含水率與真空飽水法相差0.8%。真空飽水法對74 mm×37 mm的試件進行飽水的速度優勢更加明顯。由此可見真空飽水法的飽水程度大于常規浸泡法，大大縮短水中浸泡時間，去除了離子溶蝕現象，避免了烘干法的二次水化不同的現象，保證了僅含水量單一變量設置。

圖5 不同方法下的混凝土飽水曲線

為了便于后續制備不同飽和度的試件，將各個含水率增長曲線均按照式(1)進行擬合，擬合結果見表2。

其中，w為混凝土試件含水率;t為飽水時間，h;A，b，y0均為擬合常數。

表2 擬合結果

3.2 水分在混凝土內部分布

3.2.1 三維重構并切片

使用VG Studio MAX對掃描的兩種尺寸試件進行三維重構，見圖6。首先使用74 mm×37 mm試件觀測水分分布。沿試件軸向間隔1.85 mm切片，共獲得20片二維斷面。

圖6 三維重構

3.2.2 確定灰度閾值

CT掃描系統中的X射線在穿透混凝土內部不同成分時的衰減程度不同，在探測器上接收到的信號不同，最后在三維重構時，混凝土各成分會體現出不同的灰度。本文利用美國國立衛生研究院開發開源軟件Image-Pro Plus 6.0來確定閾值。

選取如圖7所示的典型CT切面，圖8為沿圖7中虛線讀取的灰度值分布。很容易發現，在虛線經過孔隙時，對應的灰度值會降低。圖7中虛線經過的能用肉眼觀測到的大孔共計3個，從左向右編號孔1、孔2和孔3。圖8可以顯示，三個大孔的灰度值并不在同一范圍，這是因為孔2中自由水使CT掃描后的灰度增大。孔1暴露在外界無法存儲自由水，孔3是封閉孔，自由水無法進入內部。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與110，孔隙或裂隙的灰度值小于80。

圖7 CT切片圖像

圖8 灰度分布曲線

圖9 切面灰度直方圖

3.2.3 水分分布

圖9為整個切片上的灰度直方分布圖，可以看出，整個圖片的灰度基本在50～160之間。根據上述閾值的選擇，自由水對應的灰度值為80～110，將圖片中這些部分高亮顯示如圖10a)所示，同時在三維重構實體中高亮水分如圖10b)所示。可以看出真空飽水后，自由水已經進入混凝土試件內部并且分布較為均勻，基本不存在濕度梯度。因此，真空飽水法能夠快速制備含水混凝土試件。

圖10 水分分布

3.3 真空飽水前后孔隙對比

為了方便分析和對比，從真空飽水前后的三維重構試件重切取一個如圖11所示的規則長方體。并將長方體切片得到如圖12所示的二維圖片。

圖11 規則長方體

圖12 試件二維切片

將在真空飽水前后的試件取相同位置統計灰度，并作于一圖中，見圖13。將混凝土分為三部分，分別為孔隙、水泥砂漿、粗骨料。通過對比真空飽水前后灰度曲線可以發現，粗骨料的灰度沒有明顯變化，水泥砂漿含有許多微裂紋和孔隙，自由水進入會增加水泥砂漿區域的密度，進而降低CT掃描后的灰度值，大孔隙區域會因為含有自由水而使該區域的灰度產生更大的降低。

圖13 飽水前后灰度對比

根據3.2中確定灰度閾值的方法，可以得到真空飽水前后的孔隙對應的灰度區間分別為0～133和0～160。依據式(2)分別計算真空飽水前后的20個切片上的孔隙率p，作于圖14。可以看出，散點基本均勻落在y=x直線上或附近，這表明混凝土試件在真空飽水前后的孔隙率并無變化。

圖14 試件孔隙分布

4 結語

1)真空飽水法能夠快速制備不同含水率的混凝土試件，相較于常規浸泡法，真空飽水法的飽水程度更大且時間更短，試件尺寸越大，真空飽水法的優勢越明顯。在短時間內制備不同含水狀態的混凝土試件，能夠去除二次水化和離子溶蝕現象對試驗單一變量設置的干擾。2)通過CT掃描技術可以三維重構混凝土試件，根據灰度曲線，采用區域跟蹤法可以分離出混凝土試件內部骨料、水泥和孔隙各相。統計不同灰度的像素點數可以計算出混凝土孔隙率，觀測到自由水在混凝土內部的分布。3)真空飽水法能夠使水分進入試件中心內部，減小試件切面上的濕度梯度，保證水分均勻分布，便于建立含水混凝土的計算模型。通過試件真空飽水前后相同部位的試件CT切片顯示，真空飽水操作對混凝土孔隙率基本沒有影響，不會對混凝土造成損傷，因此真空飽水法可在力學試驗中應用。