水力沖擊混凝土裂紋擴(kuò)展機(jī)理及CT尺度損傷研究

劉佳亮， 張 娣， 王夢(mèng)瑾

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 2.重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074； 3.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)與材料教育部工程研究中心，重慶 400074)

混凝土作為重要的建筑材料，廣泛應(yīng)用于建筑、交通、水利、礦業(yè)等眾多領(lǐng)域，由于載荷、風(fēng)化、腐蝕、溫差效應(yīng)等因素的影響，混凝土結(jié)構(gòu)維修改造任務(wù)會(huì)日益增重。目前對(duì)于混凝土出現(xiàn)的裂縫、孔洞、邊緣破損、板拱起等病害的維修，普遍采用振動(dòng)錘、風(fēng)鎬、炮機(jī)等傳統(tǒng)機(jī)械方法破除，露出鋼筋以便重新澆筑、翻新。事實(shí)證明這些方法存在作業(yè)環(huán)境差、工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，而且無(wú)法區(qū)分混凝土性能強(qiáng)弱，施工質(zhì)量較差，極易產(chǎn)生新裂紋，造成混凝土鋼筋松動(dòng)，修復(fù)質(zhì)量無(wú)法保證。

水力破除混凝土是一種突破傳統(tǒng)機(jī)械方式的破碎技術(shù)，具有振動(dòng)小、無(wú)污染及可選擇性破除等特點(diǎn)，在質(zhì)量、安全、環(huán)保等方面優(yōu)勢(shì)明顯。但由于水力破碎混凝土過(guò)程十分短暫(微秒級(jí))，涉及流體與固體非線性碰撞動(dòng)力耦合問(wèn)題，且作用機(jī)理較復(fù)雜，混凝土在水力作用下的破壞機(jī)理尚不明晰，水力破除混凝土技術(shù)仍存在門(mén)檻泵壓較高，比能耗較大，局部精確破碎及可控致裂技術(shù)不足等問(wèn)題，而解決以上問(wèn)題關(guān)鍵建立在對(duì)水力沖擊混凝土裂紋擴(kuò)展、致?lián)p特征研究之上。

許多學(xué)者采用理論分析及數(shù)值模擬方法，對(duì)水力侵徹脆性材料，如混凝土、巖石等的力學(xué)行為及規(guī)律進(jìn)行研究，取得了一定的研究成果。李萬(wàn)莉等[1]利用細(xì)觀損傷力學(xué)理論建立了射流作用下混凝土路面碎裂的微結(jié)構(gòu)損傷模型，研究了射流沖擊混凝土表面Von-Mises等效應(yīng)力。穆朝民等[2]以質(zhì)量守恒與動(dòng)量守恒定律為基礎(chǔ)，建立了高壓水射流沖擊煤體的力學(xué)模型，分析了煤體在高壓射流沖擊下破碎區(qū)與擴(kuò)孔區(qū)的力學(xué)特征。Jiang等[3]以基于光滑粒子流(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)和有限元(Finite Element Analysis, FEA)耦合算法建立了高壓水射流沖擊破巖數(shù)值模型，探討了水射流損傷破巖過(guò)程中巖石失效、裂紋擴(kuò)展以及巖石內(nèi)部損傷變化歷程。盧義玉等[4]運(yùn)用拉格朗日方法描述了巖石質(zhì)點(diǎn)的位移場(chǎng)和速度場(chǎng)，分析了超高壓水射流沖擊下巖石破裂時(shí)序演化過(guò)程。司鵠等[5-6]分別運(yùn)用任意拉格朗日-歐拉流固耦合罰函數(shù)算法和光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法建立了脈沖射流破巖數(shù)值模型，結(jié)合巖石巖性分析了脈沖振幅和脈沖頻率對(duì)破巖效率的影響脈沖振幅和脈沖頻率對(duì)破巖效率的影響，以及脈沖射流在破巖過(guò)程中應(yīng)力波的形成、傳播及衰減過(guò)程。陸朝暉等[7]基于 VOF(Volume of Fluid)模型和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，建立了兩相流瞬態(tài)計(jì)算模型，研究了截?cái)嗍矫}沖水射流流體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演變動(dòng)力特征與沖蝕硬巖能力。

以上研究促進(jìn)了人們對(duì)水力致裂力學(xué)機(jī)理認(rèn)識(shí)，但在細(xì)觀水平上，混凝土是由骨料、砂漿、交界面的黏結(jié)層組成的非均質(zhì)材料，多相異彈模界面及骨料隨機(jī)空間分布會(huì)影響混凝土宏細(xì)觀力學(xué)性能及破壞模式，再加上水力沖擊混凝土的瞬時(shí)非線性流固耦合問(wèn)題，理論分析和數(shù)值模擬需對(duì)水力侵徹物理過(guò)程進(jìn)行大量簡(jiǎn)化，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與水力沖擊混凝土真實(shí)物理力學(xué)過(guò)程往往有一定差距。

計(jì)算機(jī)層析成像(Computerized Tomography，CT)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料內(nèi)部破壞的無(wú)損量度，為研究水力沖擊混凝土內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)提供了有效途徑。而且，通過(guò)圖像處理技術(shù)(Image Processing Technology, IPT)，還可以對(duì)CT直觀成像進(jìn)行多尺度、多維度后處理，深度挖掘材料的深層致裂、損傷信息。如陳厚群等[8]通過(guò)變換差值CT圖像中像素值的閾值范圍，分析了混凝土裂紋的分布特點(diǎn)，探討了識(shí)別混凝土CT圖像中裂紋及其形態(tài)的判據(jù)。黨發(fā)寧等[9]將破損演化理論應(yīng)用于混凝土CT圖像的定量分析，引入了完整度和破損度概念，研究了混凝土內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)及裂紋變化的特點(diǎn)。He等[10]提出了一種基于改進(jìn)幾何活動(dòng)輪廓模型(Geometric Active Contour, GAC)的CT圖像分割技術(shù)，提高了混凝土CT圖像分割效果；趙亮等[11]提出了一種基于多尺度信念傳播的混凝土CT 圖像分割方法，通過(guò)構(gòu)造金字塔狀柵格圖進(jìn)行消息傳輸，提高了圖像分割率和分割精度；湯積仁等[12]借助圖像處理技術(shù)對(duì)磨料射流作用下巖石破壞的CT圖像進(jìn)行處理，直觀揭示了磨料射流破巖機(jī)制。

鑒此，本文基于CT掃描技術(shù)，對(duì)水力沖擊混凝土的細(xì)觀破裂狀態(tài)進(jìn)行全方位檢測(cè)，結(jié)合液固碰撞理論，開(kāi)展水力作用下混凝土致裂機(jī)制及裂紋擴(kuò)展特征相關(guān)研究；并進(jìn)一步對(duì)CT掃描圖像直方圖均衡化、閾值分割處理，利用建立的圖像灰度值的損傷表征方法，探索水力沖擊混凝土裂紋近域CT尺度損傷分布特征。研究結(jié)果可為提升水力破除混凝土技術(shù)應(yīng)用水平，提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 水力沖擊混凝土CT試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)所用高壓水力設(shè)備為金箭JJ-I42*1313型懸臂式切割機(jī)，采用PC控制器/交流伺服系統(tǒng)，線性直線導(dǎo)軌保證切割精度，高壓水力設(shè)備主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。試驗(yàn)所用CT掃描設(shè)備為重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的西門(mén)子高端智能平臺(tái)SOMATOMScope16排螺旋CT，可以實(shí)現(xiàn)16層/360°，0.6 s/360°快速掃描，并配備了西門(mén)子X(jué)線數(shù)字化成像系統(tǒng)銳柯DR-NOVA、顯微整板探測(cè)器、高性能微焦球管以及飛焦點(diǎn)技術(shù)，可確保優(yōu)質(zhì)的圖像質(zhì)量，CT掃描設(shè)備如圖2所示。

圖1 高壓水力設(shè)備及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 試驗(yàn)材料

高壓水力沖擊試驗(yàn)所用混凝土試件為100 mm×100 mm×100 mm立方體，原材料：水泥(P.O 32.5)，河砂(16～31.5 mm中砂、碎石)，外加劑JM-Ⅱ。水泥、河砂、碎石、水、外加劑配合比，1∶2.39∶4.27∶0.51∶0.01。

圖2 SOMATOM Scope 16 CT掃描設(shè)備

1.3 試驗(yàn)方法及步驟

在射流直徑為1.2 mm、射流速度為600 m/s、靶距為3.0 mm、流量為3.2 L/min及沖擊角度為90°工況下對(duì)混凝土進(jìn)行沖擊破碎，然后通過(guò)西門(mén)子高端智能平臺(tái)SOMATOMScope16排螺旋CT掃描儀對(duì)破碎后混凝土試件進(jìn)行掃描。掃描前首先進(jìn)行試件調(diào)平，在定位片上調(diào)節(jié)掃描框的各個(gè)邊界與混凝土試件尺寸相符合，然后設(shè)置掃描層間隔為0.6 mm，重建范圍為100 mm，采取平掃方式進(jìn)行掃描，過(guò)程如圖3所示。掃描完成后進(jìn)行影像重建，提取混凝土試件內(nèi)部典型裂紋，為混凝土試件內(nèi)部裂紋形態(tài)以及擴(kuò)展規(guī)律研究提供基礎(chǔ)信息及圖像。

圖3 水力破碎混凝土掃描示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 致裂機(jī)制

結(jié)合已有液固沖擊理論基礎(chǔ)，以及水力破碎混凝土內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)CT掃描圖像，分析水力致裂混凝土的力學(xué)機(jī)制。當(dāng)高速射流初始接觸混凝土表面時(shí)，流速會(huì)驟然降低，造成壓力大幅度波動(dòng)，誘發(fā)破壞性極大的水錘效應(yīng)。水錘破壞力與水流動(dòng)量有關(guān)，根據(jù)沖量定理，可以得到水錘壓力Pwh

(1)

式中：Pwh為水錘壓力；v為射流的沖擊速度；ρw，cw分別為水的密度與沖擊波在水介質(zhì)中的傳播速度；ρs，cs分別為混凝土的密度與沖擊波在混凝土中的傳播速度[13]。

在水錘壓力Pwh作用下，水力沖擊中心區(qū)被急劇壓縮，在水力邊緣會(huì)形成強(qiáng)烈剪應(yīng)力，由于骨料與砂漿基體過(guò)渡區(qū)界面(Interfacial Transition Zone, ITZ)強(qiáng)度最低，裂紋優(yōu)先沿界面發(fā)生破壞，形成沿骨擴(kuò)展的表面裂紋①，如圖4所示。

圖4 水力沖擊下混凝土典型致裂形態(tài)

水錘壓力Pwh為瞬時(shí)作用，持續(xù)時(shí)間極短，在后續(xù)水力持續(xù)慣性作用下，會(huì)形成穩(wěn)定的伯努利滯止壓力。滯止壓力Ps已遠(yuǎn)小于水錘壓力Pwh，但仍可在混凝土液固接觸中心產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓縮作用，在壓應(yīng)力強(qiáng)烈擠壓下形成粉碎區(qū)，并被高速水流的沖運(yùn)作用攜走，在液固接觸區(qū)形成“V”狀錐形破碎核②。同時(shí)，由于水力沖擊是一個(gè)高頻動(dòng)態(tài)過(guò)程，混凝土受到的壓應(yīng)力存在急劇的加、卸載，混凝土的卸載恢復(fù)會(huì)在壓應(yīng)力作用區(qū)形成強(qiáng)大的拉伸應(yīng)力，根據(jù)裂紋擴(kuò)展能量最小原則，最先在破碎核周?chē)墓橇吓c砂漿基體過(guò)渡區(qū)界面產(chǎn)生環(huán)向拉伸裂紋③。沖擊中心的壓應(yīng)力使混凝土液固接觸區(qū)兩側(cè)介質(zhì)受到指向沖擊軸心方向拉伸作用，導(dǎo)致混凝土表面的宏觀表面裂紋①繼續(xù)擴(kuò)展。

由圖4還可知，在混凝土邊界處產(chǎn)生與主裂紋未貫通的環(huán)向裂紋④，其產(chǎn)生機(jī)制可以解釋為：水力沖擊激發(fā)的應(yīng)力波在混凝土內(nèi)部自由傳播，當(dāng)傳導(dǎo)至混凝土邊界時(shí)無(wú)法透射，便于邊界面發(fā)生反射后與后續(xù)波形成疊加效應(yīng)，在混凝土邊界附近區(qū)域出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中作用在混凝土內(nèi)部天然裂隙或過(guò)渡區(qū)界面時(shí)，即形成獨(dú)立于主裂紋之外的新裂紋擴(kuò)展。

混凝土內(nèi)部出現(xiàn)裂紋后，流體會(huì)在壓力驅(qū)動(dòng)下侵入混凝土裂隙空間，在裂紋縫端產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)，使裂紋沿自由面方向加速?gòu)堥_(kāi)、擴(kuò)展及貫通，而且裂紋出現(xiàn)會(huì)增加混凝土滲透系數(shù)，從而加速混凝土的潰裂[14]，由達(dá)西定律可知

q=KFΔh/L

(2)

式中：q為滲流量；K為滲透系數(shù)；F為過(guò)水?dāng)嗝妫沪為滲流路徑上的水頭損失；L為滲流路徑長(zhǎng)度。

由流體流動(dòng)立方定律

(3)

式中：k為水力傳導(dǎo)系數(shù)；Δp為壓強(qiáng)差；L為裂紋長(zhǎng)度；a為裂紋寬度。

聯(lián)立式(3)并將F=at(其中：t為單位長(zhǎng)度。)代入式(2)，可得滲透系數(shù)K的表達(dá)式

K=ka2γ

(4)

式中：k、γ為常數(shù)，當(dāng)水力沖擊作用使混凝土產(chǎn)生裂紋后，a將變大。根據(jù)式(4)，K與a2成正比，將呈指數(shù)增長(zhǎng)，水壓也會(huì)明顯增大，從而激發(fā)裂紋附近產(chǎn)生更多裂紋，形成連鎖反應(yīng)，致使混凝土出現(xiàn)大體積破碎，形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)，最終發(fā)生整體潰裂，如圖5所示。

圖5 水力沖擊下混凝土宏觀潰裂

2.2 裂紋擴(kuò)展特征

通過(guò)對(duì)水力致裂混凝土CT掃描圖像的裂紋擴(kuò)展細(xì)觀形態(tài)進(jìn)行提取和識(shí)別，可將裂紋擴(kuò)展路徑可分為5種典型情況：①沿骨料與砂漿基體過(guò)渡區(qū)界面擴(kuò)展；②基體擴(kuò)展；③穿骨傳播；④分岔傳播；⑤裂紋止裂，如圖6所示。

對(duì)裂紋擴(kuò)展路徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得出沿骨料與砂漿基體過(guò)渡區(qū)界面擴(kuò)展是混凝土內(nèi)部裂紋萌生及擴(kuò)展的主要形式，并且裂紋在粗骨料與砂漿基體過(guò)渡區(qū)傳播尤為明顯。根據(jù)混凝土界面過(guò)渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)及特征，可知骨料與砂漿基體過(guò)渡區(qū)界面為高孔隙率，多微裂隙結(jié)構(gòu)，未水化水泥顆粒少，Ca/Si比大，含有較多Ca(OH)2和鈣礬石Aft，且Ca(OH)2出現(xiàn)擇優(yōu)取向[15]，是高壓水滲透、劈裂優(yōu)先區(qū)域，可以較充分發(fā)生水楔作用，為裂紋擴(kuò)展的低耗能區(qū)和易作用區(qū)。同時(shí)，由于粗骨料的尺寸大于細(xì)骨料的尺寸，骨料的“邊界效應(yīng)”，以及對(duì)水泥顆粒堆積狀態(tài)的影響更為明顯，過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)特征更為顯著。因此，水力沖擊下混凝土裂紋傳播最優(yōu)先選擇沿粗骨料與砂漿基體過(guò)渡區(qū)界面?zhèn)鞑ィ蝺?yōu)先選擇穿過(guò)附近區(qū)域細(xì)骨料與砂漿基體界面。當(dāng)裂紋傳至骨料與砂漿基體過(guò)渡區(qū)末端時(shí)，如周?chē)鸀榉橇蠀^(qū)，則會(huì)與砂漿基體中天然缺陷、孔洞及初始裂紋等相融合，在砂漿基體內(nèi)向縱深繼續(xù)傳播。由于界面相分布隨機(jī)性，裂紋傳播過(guò)程呈現(xiàn)顯著的曲折穿行特征，形成如圖7所示的典型水力致裂混凝土CT掃描圖中裂紋傳播路徑。

圖6 水力沖擊混凝土裂紋細(xì)觀擴(kuò)展路徑

圖7 水力沖擊混凝土ITZ擴(kuò)展裂紋及ITZ結(jié)構(gòu)特征

Fig.7 The crack propagation in ITZ of the concrete by hydraulic impacting and ITZ structure characteristic

水力沖擊誘發(fā)的應(yīng)力波在混凝土內(nèi)傳播，可分為縱波(P)和橫波(S)，經(jīng)過(guò)邊界反射后又可以形成PP、PS、SP、SS疊加波，水力連續(xù)沖擊使混凝土內(nèi)部應(yīng)力波動(dòng)狀態(tài)十分復(fù)雜，當(dāng)初始應(yīng)力波和反射波在裂紋尖端相遇時(shí)，導(dǎo)致裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的大幅提高，如此時(shí)裂紋尖端與骨料垂直或呈大夾角相遇時(shí)，能量得以向骨料充分釋放。當(dāng)骨料內(nèi)應(yīng)力強(qiáng)度因子KI大于骨料斷裂韌度KIC時(shí)，裂紋將貫入至骨料內(nèi)部，形成“穿骨傳播”，使骨料發(fā)生宏觀裂損、劈裂，如圖8所示典型的穿骨裂紋。

從水力致裂混凝土CT掃描圖中可以發(fā)現(xiàn)，裂紋連續(xù)擴(kuò)展過(guò)程中存在大量的分岔行為，分岔傳播的本質(zhì)是應(yīng)力波效應(yīng)和裂紋動(dòng)能的協(xié)同作用結(jié)果。當(dāng)應(yīng)力波疊加出現(xiàn)在裂紋擴(kuò)展自由面時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子KI發(fā)展到較高水平，裂紋會(huì)加速擴(kuò)展，同時(shí)裂紋動(dòng)能也會(huì)釋放部分能量，當(dāng)能量釋放率瞬時(shí)峰值Gmax≥2RS(裂紋擴(kuò)展阻力)時(shí)[16-17]，意味著應(yīng)變能釋放率達(dá)到同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩條裂紋擴(kuò)展所需能量，即導(dǎo)致主裂紋傳播路徑重新形成分支，發(fā)生分岔現(xiàn)象。

圖8 穿骨傳播與分岔傳播

在水力沖擊載荷下，混凝土破碎區(qū)維度不斷增大，內(nèi)部裂紋也不斷向縱深擴(kuò)展，隨著水力作用距離增加其收斂性會(huì)逐漸降低，水力貫入所抵抗的壁面摩擦(Wall Friction)會(huì)急劇增加，同時(shí)，逆向反彈流與后續(xù)射流會(huì)在裂隙內(nèi)形成強(qiáng)烈剪切與擾動(dòng)(Fluid-Flow Disturbances)，會(huì)造成水力攜能迅速降低，水力沖擊誘發(fā)的應(yīng)力波效應(yīng)大幅減弱。而且，混凝土內(nèi)裂紋的貫通，會(huì)一定程度上造成高壓水的泄漏，削減水楔作用效果。當(dāng)裂紋傳播路徑到達(dá)某一特定點(diǎn)，不再滿足斷裂力學(xué)裂紋起裂判據(jù)，便會(huì)出現(xiàn)裂紋止裂。

3 CT尺度損傷

在水力荷載沖擊作用下，混凝土內(nèi)部裂紋會(huì)以沿骨料與砂漿基體過(guò)渡區(qū)擴(kuò)展、基體擴(kuò)展及穿骨擴(kuò)展的方式向自由面進(jìn)行傳播，裂紋的交織和相互貫通，最終使混凝土發(fā)生體積破壞。混凝土內(nèi)部未破碎區(qū)域損傷分布及劣化特征，是評(píng)估混凝土殘余強(qiáng)度的理論依據(jù)，與水力破碎混凝土技術(shù)的安全性密切相關(guān)。

3.1 圖像處理方法

為了實(shí)現(xiàn)裂紋近域的CT尺度損傷的觀測(cè)與研究，必須消除CT掃描過(guò)程設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境干擾及噪音等不確定因素的影響，并強(qiáng)化CT圖像的感觀信息分辨及追蹤損傷能力，需借助圖像分析技術(shù)對(duì)致裂混凝土的CT掃描圖像后處理。

首先，通過(guò)直方圖均衡化處理技術(shù)，在不影響CT掃描圖像整體對(duì)比度前提下，增強(qiáng)細(xì)觀結(jié)構(gòu)的局部對(duì)比度，使得CT圖像中更突出顯示各細(xì)觀結(jié)構(gòu)差異性。圖像處理主要過(guò)程包括：圖像預(yù)處理，讀入彩色圖像將其灰度化、繪制直方圖、直方圖均衡化、圖像均衡化。混凝土為多相材料，各相CT數(shù)相差較大，因此經(jīng)過(guò)直方圖均衡化后，可以采用閾值分割技術(shù)提取裂紋近域的損傷，閾值分割算法判定準(zhǔn)則如下[18]

(5)

式中：f(i,j)為第i行，第j列的CT數(shù)；ξ為損傷的閾值，通過(guò)選取合適的閾值ξ可以將圖像二值化，當(dāng)f(i,j)≤ξ時(shí)，歸為損傷區(qū)；當(dāng)f(i,j) >ξ時(shí)，歸為基體和骨料。

3.2 損傷分布特征

圖9即為混凝土CT掃描圖的閾值分割處理結(jié)果，可清晰地展示混凝土內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)。為研究混凝土內(nèi)部損傷空間分布特征，并避免區(qū)域位置的隨機(jī)性影響，以通過(guò)主裂紋分岔點(diǎn)O的直線為邊界，沿裂紋擴(kuò)展方向由近及遠(yuǎn)逐層選取Section A、Section B、Section C及Section D，作為損傷研究典型區(qū)域。通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)混凝土內(nèi)部存在大量的“斑白”，尤其是在裂紋充分?jǐn)U展區(qū)域Section A為 “斑白”的高密度區(qū)，在Section B、Section C 及Section D，雖然也存在部分“斑白”，但 “斑白”密度明顯較小。表明Section A除了混凝土天然損傷外，必然包含了水力致裂誘發(fā)的損傷。

為了進(jìn)一步量化致裂混凝土內(nèi)部損傷分布特征，提出了一種基于圖像灰度值的損傷表征方法。CT掃描圖像損傷點(diǎn)與無(wú)損點(diǎn)所反映圖像灰度的差異性十分明顯，可根據(jù)該點(diǎn)的灰度值間接表征損傷。即以像素(Pixel，px)為長(zhǎng)度計(jì)量單位對(duì)選定的CT掃描圖像區(qū)域進(jìn)行柵格化，得到單像素范圍內(nèi)的灰度值(Gray value)，通過(guò)提取和統(tǒng)計(jì)選定區(qū)域內(nèi)圖像灰度值，定量反映該區(qū)域內(nèi)的損傷分布情況，圖10為基于灰度值的混凝土損傷表征示意圖。

圖9 水力沖擊混凝土CT掃描圖閾值分割

Fig.9 The threshold segmentation of the CT scanning image of the concrete by hydraulic impacting

本試驗(yàn)得到的CT掃描圖像大小為303 px×303 px，可劃分為303×303=91 809個(gè)像素點(diǎn)，綜合每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值，組建完全灰度值303×303矩陣，如圖11所示。分別提取水力沖擊前、后Section A、Section B、Section C及Section D內(nèi)灰度平均值信息，計(jì)算該區(qū)域內(nèi)的灰度平均值，如圖12所示。從圖12可知，水力沖擊前各區(qū)域灰度平均值較高，且較為接近，而水力沖擊后裂紋擴(kuò)展較充分的Section A灰度值GVSection A出現(xiàn)降低，明顯小于Section B、Section C及Section D的灰度值GVSection B≈GVSection C≈GVSection D。因此，結(jié)合圖像灰度值與損傷表征關(guān)系，可定量表明Section A的損傷值遠(yuǎn)大于混凝土內(nèi)部其它區(qū)域，為水力沖擊混凝土主要致?lián)p影響區(qū)。

圖10 基于灰度值的混凝土損傷表征示意圖

圖11 100×100灰度值矩陣

圖12 Section A、Section B、Section C及Section D灰度平均值

Fig.12 The average values of the grey values in Section A, Section B, Section C and Section D

在灰度值矩陣中任取一列目的灰度值信息，可得到其在空間上波動(dòng)規(guī)律，如圖13所示。通過(guò)對(duì)比該列目CT掃描圖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，可以看到裂紋1、裂紋2出現(xiàn)的位置即為灰度值變化曲線的最小值，與實(shí)際情況相符合。通過(guò)對(duì)比骨料2～骨料5與灰度值波谷位置，可以發(fā)現(xiàn)骨料邊界基本與波谷點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，結(jié)合圖像灰度值與損傷表征關(guān)系，說(shuō)明水力沖擊作用在骨料與砂漿基體過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生了損傷；在距離裂紋相對(duì)較遠(yuǎn)區(qū)域，可以發(fā)現(xiàn)骨料1、骨料6邊界對(duì)應(yīng)的灰度值沒(méi)有出現(xiàn)明顯的波谷，但仍存在極值點(diǎn)①和②、極值點(diǎn)③和④，說(shuō)明隨著距離增加，應(yīng)力波效應(yīng)衰減，對(duì)界面相造成的損傷已較為微弱。根據(jù)以上現(xiàn)象，可表明水力強(qiáng)沖擊作用除在混凝土內(nèi)部形成破碎區(qū)及誘發(fā)宏觀裂紋外，還會(huì)在非破碎區(qū)相對(duì)薄弱的骨料與砂漿基體過(guò)渡區(qū)形成明顯的損傷，并且距離裂紋越近，損傷劣化程度越明顯。

圖13 典型列目灰度值與CT掃描圖

4 結(jié) 論

(1)結(jié)合混凝土細(xì)觀破裂全方位CT掃描圖及液固碰撞理論分析，闡釋了水力沖擊下混凝土典型致裂形態(tài)：V狀錐形破碎核、徑向裂紋及環(huán)向裂紋的發(fā)展形成力學(xué)機(jī)理，描述了水力沖擊混凝土“啟裂-擴(kuò)展-潰裂”的物理過(guò)程。

(2)對(duì)水力致裂混凝土CT掃描圖像裂紋擴(kuò)展細(xì)觀形態(tài)進(jìn)行提取和識(shí)別，揭示了5種典型水力致裂裂紋的擴(kuò)展特征和力學(xué)機(jī)制。

(3)提出了一種基于圖像灰度值的損傷表征方法，定量地表明水力強(qiáng)沖擊作用會(huì)在混凝土未破碎區(qū)的骨料與砂漿基體過(guò)渡區(qū)形成明顯的損傷，并且距離裂紋越近，損傷劣化程度越嚴(yán)重。