CT技術下摻煤矸石和電石渣的生土材料損傷演化及孔隙研究

張坤, 衛楊楊, 邵鑫輝, 蘭官奇, 蘆白茹, 付智勇

(1.西安石油大學土木工程學院, 西安 710065; 2.西安石油大學博士后創新基地/基建處, 西安 710065; 3.西安石油大學機械工程學院, 西安 710065; 4.西安歐亞學院人居環境學院, 西安 710065)

生土是全世界應用最廣泛、歷史最悠久的建筑材料之一[1]。它是一種綠色環保的建筑材料,該材料擁有很好的保溫性、隔熱性、再生性和可降解性[2-3]。生土結構是指用未經過焙燒處理的土壤或只經過簡單加工處理土壤與木材、石頭等天然材料進行組合構成的建筑結構[4]。以生土為母材構建的建筑稱為生土建筑,此類建筑可就地取材、易于施工、造價低廉、節省能源,也可以融于自然,有利于保護環境和維持生態平衡。但是傳統生土材料存在強度低、耐水性差、體積穩定性差等問題,嚴重制約了生土建筑結構的推廣和應用[5]。

大量研究表明,通過將生土材料與其他改性材料進行混合處理,可以提高生土材料的力學性能,從而更好地應用于生土建筑。錢覺時等[6]研究了聚羧酸減水劑對改性生土材料的影響,結果表明,聚羧酸減水劑可以有效改善生土材料的耐水性能,可以使生土材料的內部結構變得更加緊實。馬奇等[7]利用羧甲基纖維素對生土材料進行改性處理,可以顯著提高生土材料的無側限抗壓強度和劈裂抗拉強度。黎超等[8]通過《水泥膠砂強度檢驗方法》( GB/T 17671—2021)進行測試,試驗表明,改性生土具有較高的抗壓、抗折強度,56 d抗壓強度可達11.3 MPa,抗折強度達到3.2 MPa。Olumuyiwa等[9]利用陶瓷廢料粉塵作為添加劑來穩定紅土的土工特性,結果顯示可以利用陶瓷廢料粉塵來穩定紅土進而實現經濟性、耐用性和環境優勢。Siddiqua等[10]利用MgCl2溶液提高生土的濕陷性,解決了可崩解土的問題,降低了巖土工程應用的困難程度。

綜上所述,現今對生土材料的研究基本處于宏觀方面,多集中在材料的抗壓試驗、抗折試驗、吸水及耐水試驗等方面。但生土材料是一類多相介質的混合物,內部結構復雜,具有獨特的物理性質與力學性能,特別是作為一種建筑母材,微觀上的研究顯得尤為重要。計算機斷層掃描(computed tomography,CT)技術是研究材料內部損傷變化的理想方式之一,利用X射線在不同物質的衰減系數不同得到CT圖像,通過CT圖像可以清楚地看見裂紋的產生和發展[11]。因此,可以利用CT技術從微觀上研究生土材料的破壞機理,揭示材料內部的損傷發展規律,為生土材料研究提供新的方法與思路。

在課題組研究基礎[12]上,提選最優配方,對摻入煤矸石、電石渣的改性生土立方體試件進行CT掃描試驗,研究試件的受壓全過程和損傷演化規律。通過CT掃描試驗,得到試件在動荷載作用下各掃描斷面的CT圖像與CT數,分析各掃描斷面灰度圖像,研究不同載荷下CT數與應力的關系,采用閾值分析方法,建立材料孔隙與材料損傷之間的聯系,以揭示改性生土材料損傷隨應力變化的發展規律,從細觀層面探究改性生土材料受壓直至破壞全過程,材料的損傷破壞機理、損傷演化規律,為改性生土材料的力學本構研究提供參考。

1 CT試驗

1.1 CT技術原理

CT是電子計算機X射線斷層掃描技術的簡稱,是由射線發射器發出射線、穿透材料,并收集射線衰減后的信息,通過信號數據成像原理,最終輸出CT灰度圖像[13]。CT數是對CT圖像的定量描述,被檢測物體的X射線衰減系數與CT數的關系如式(1)所示,其中CT數與μ成正比,μ與材料的密度也成正比,CT數隨材料密度、密實度的增大而增大。

(1)

式(1)中:μ為被測物質X射線衰竭系數;μw為水的X射線衰竭系數。

1.2 試驗過程

試驗設備為西安市兒童醫院飛利浦牌醫用螺旋CT,此設備的掃描切層厚度為0.6 mm,空間分辨率≥1 200×1 600,檢測層有效厚度為100 mm,X射線管最大電壓為120 kV。

根據課題組研究成果和裝置進行CT掃描試驗,用千斤頂對試件進行加載,力學傳感器觀察壓力的大小,當試件到預定載荷后停止加載,并將CT動態檢測裝置放入CT掃描機中進行掃描,保存CT圖像并對CT數值進行記錄。CT試驗裝置如圖1所示。

圖1 CT試驗裝置Fig.1 CT test sets

1.3 試驗載荷的確定

根據文獻[12]可知,在煤矸石、電石渣與生土混合的改性生土試件中,DM6組試件抗壓強度、材料離散性最好,所以選用DM6組配比試件進行CT掃描試驗。通過對本組試件荷載位移數據進行統計計算,用Origin軟件繪制DM6組試件應力-應變曲線,如圖2(a)所示。采用最小二乘法,計算本組試件平均應力-應變曲線。根據統計數據拐點,定義O、A、B、C和D點。結合試件抗壓試驗過程,由圖2(b)分析可知,曲線OA段為試件壓縮階段,AB段為試件近似彈性受力階段,BC段為試件彈塑性受力階段,CD段為試件塑性破壞階段。O點為試驗起始點。A點為曲線下凹段與直線段的交點,B點為曲線上凸段與直線段的交點,C點為峰值載荷點,在該載荷下試件內部已經嚴重破壞。D點為試件完全破壞荷載點,根據抗壓試驗方案,該點為峰值載荷的70%。表明以上5個點數據波動特性明顯,物理意義明確,,因此,選用O、A、B、C、D點所對應的載荷作為階段荷載進行CT掃描試驗,它們對應的載荷分別為0、0.43、1.31、1.60、0.99 MPa。

DM6-1～DM6-6表示DM6組中煤矸石和電石渣配比不同的6個試件圖2 試件的應力-應變曲線及平均值曲線Fig.2 Stress-strain curves and mean curves of specimens

1.4 CT掃描面的確定

試件各受力階段掃描斷面分為XY橫斷面和YZ縱斷面,如圖3(a)和圖3(b)所示。將沿Z軸方向離試件頂面10 mm處作為第一個XY掃描斷面,隨后自上而下每間20 mm為一個掃描斷面,分別為XY-1、XY-2、XY-3、XY-4和XY-5。以離OYZ面10 mm處作為第一個YZ掃描斷面,然后每間隔20 mm定義一個掃描斷面,分別為YZ-1、YZ-2、YZ-3、YZ-4和YZ-5。將CT掃描斷面網格劃分為9宮格,每一個區域的面積都為1 089 mm2(33 mm×33 mm),網格劃分結果如圖3(c)所示。

圖3 掃描面的確定和網格劃分結果Fig.3 Scanning surface determination and meshing results

2 試驗結果分析

2.1 CT掃描斷面圖像結果分析

2.1.1XY面CT圖像分析

本次試驗所用煤矸石主要來自陜西省彬州市文家坡煤礦,所用電石渣主要來自陜西省西安市西化氯堿化工有限責任公司。作為生土改性摻料,煤矸石的主要成分是SiO2和Al2O3,電石渣的主要成分是CaO,CaO和水發生水化反應生成CaCO3。煤矸石和電石渣電離出的Ca2+和SiO2與Al2O3產生膠凝物質并填充土體,使顆粒間的空隙更加密實[14]。在灰度圖中,不同的CT數表示材料內部不同密度,密度越大材料顆粒粘結較為緊密,多為素土和煤矸石與電石渣產生的凝膠物質。XY掃描斷面與試件受力方向垂直如圖3所示。

如圖4所示,XY-1斷面和XY-2斷面的CT掃描圖的顏色均為灰色,表明試件材料混合均勻。XY-3斷面的CT圖中有沿對角線方向的劃痕,此劃痕是制作試件時材料填充拉毛面。在應力σ=0.43 MPa時,XY斷面左上角靠近試件邊緣的區域均產生了裂縫,依據圖片處理軟件測量得到XY-1斷面的裂縫長度約為20 mm,XY-2斷面的裂縫長度約為40 mm,XY-3斷面、XY-4斷面、XY-5斷面的裂縫長度依次變短,裂縫的位置也在向下移動。表明在該應力作用下產生了貫穿整個試件的裂縫。其中,試件中間的裂縫最大,這是由于動態應力狀態試件被壓實,距離受壓面距離較遠部位受到的破壞比其他部位明顯。XY-2斷面右下角產生裂縫,并向下延伸,XY-3斷面右上角出現一條向左下方發展的裂縫,裂隙的寬度約為2 mm,XY-4和XY-5斷面與XY-3斷面破壞相似但是裂縫的寬度逐漸變小,表明此裂縫從XY-5斷面一直向上延伸到XY-3斷面,導致XY-2斷面出現明顯裂縫。

σ為應力圖4 XY面各階段灰度圖Fig.4 Grayscale diagram of the XY plane by phase

當應力增加到1.31 MPa時,試件XY-1斷面僅有細微裂縫產生,均沒有出現明顯裂縫。XY-2、XY-3和XY-4斷面都在右下角出現顯著裂縫并向下延伸,伴隨有細微裂縫出現。XY-5斷面在試件底端產生細微裂縫。當試件受荷應力達到峰值時,XY-1斷面四周出現細裂縫。但其他XY斷面沿著已有的裂縫產生大量新的裂縫,當應力減少至0.99 MPa時,所有XY斷面不僅產生了新的裂縫,已有的裂縫的寬度增加,所有裂縫都通過不同的路徑貫通并連接在一起。

通過CT動態加載試驗細觀損傷研究,試件的裂縫多是從四周向內部延伸,表明試件內部的密實度高,抵御材料破壞的能力強。內部密實度高是因為在制作試件的過程中被壓得比較緊,脫模的過程中試件四周與模具有摩擦,導致四周的材料比較松散。所以在應力的作用下試件的四周發生松散而內部沒有發生太大的變化。

2.1.2YZ斷面CT圖像分析

YZ縱斷面與受力方向平行,對掃描斷面的灰度圖進行結果分析。如圖5所示,其中YZ-1和YZ-5掃描斷面顏色比其他掃描斷面深,表明這兩個掃描斷面的密度較差、材料密實度低、土顆粒之間的黏結性差。分析原因YZ-1斷面與ZY-5斷面距離試件邊緣較近,試件制作過程邊緣土體材料未被壓實。在試件受荷時試件邊緣抵御變形能力相比內部較差,試件的裂縫多出現在邊緣位置。

圖5 YZ面各階段灰度圖Fig.5 Grayscale diagram of the YZ plane by phase

試件受荷應力σ=0.43 MPa時,試件的每個掃描斷面均出現裂縫,裂縫在YZ-5斷面至YZ-1斷面逐漸向中間位置靠攏,并且從試件右下角一直延伸到上端,最終貫穿試件,發展狀態明顯,發展過程規律。當試件受荷應力在1.31 MPa時,試件每個掃描斷面變化顯著,土顆粒材料之間密實度降低,本掃描層密度變小。當試件受荷達到峰值應力時,試件內部裂縫發展迅速,YZ-1斷面的裂縫增加較快。當試件受荷應力為0.99 MPa時,試件內部各部位出現大量細微裂縫,隨著裂縫寬度的增加,裂縫之間貫穿或聯通。

2.2 CT數的分析

2.2.1XY面的CT數據分析

XY掃描斷面CT數變化規律如圖6所示。可以看出,XY-1斷面此時應力為0.43 MPa,CT數從小到大依次為I、C、G、H、F、A、D、B、E,范圍為792～911 Hu(Hu為DR、CT等醫療設備中球管的熱容量單位)。相同應力狀態下試件的角部密度大于試件邊部,材料在受到動態荷載時,邊部產生松動出現大量裂縫,角部由于應力集中被壓實。當應力增加到1.31 MPa時,CT數從小到大依次為A、C、B、I、G、E、F、D、H, F、H、G、C、和I 5個區域的CT數增加,H區域因受力土體壓縮密度增大,H區域增加了6.7%。當應力增加到1.60 MPa時,CT數從小到大依次為B、A、G、I、C、D、E、F、H,H、F、E和I 4個區域CT數變化不顯著,B區域CT數波動減小了6%是由于“環箍效應”影響。當應力減小到0.99 MPa時,試件破壞嚴重,CT數的變化顯著。A區域土體材料開裂嚴重密度減小,CT數減小了23.9%,其他區域亦在減小。E區域CT數基本沒有變化,試件中心的密度增大,土體顆粒發生擠密作用。

圖6 XY掃描斷面各區域CT平均數Fig.6 CT average for each region of the XY scan section

XY-2斷面在各階段應力作用下E區域的CT數最大,A區域的CT數最小。與XY-1斷面相同,試件角部的CT數均小于其他部位,試件中心CT數最大。因為XY-3斷面位于試件的中心,隨應力的增大材料發生擠密效應密度增大,CT數也隨之增大。但是,應力達到0.43 MPa時,XY-3斷面C區域的CT數最小,此斷面邊部的密度大于角部。XY-4斷面A、B、D、E區域的CT數在各階段應力的作用下變化不明顯并保持在796～894 Hu,在應力作用下試件此區域密度大,未產生明顯的裂縫和孔洞。XY-5斷面與承壓板下表面距離近,應力為0.43～1.31 MPa時,各個區域的CT數變化不明顯。應力增加至1.60 MPa時,試件A、B、D、E區域CT數均大于其他區域。當應力減小到0.99 MPa時,XY-5斷面的CT數均開始下降,試件C區域的變化顯著,CT數減小了22.5%。

影響XY掃描斷面CT數主要包括試件制作時土體的的壓實度和脫模時試件表面造成的初始損傷,同時在進行抗壓試驗時,各階段應力大小對試件密度影響顯著。壓實法制作試件時,底部土體的密實度大于上部。由于試件脫模時的初始缺陷導致試驗時容易產生孔隙和裂縫。由于“環箍效應”的影響,XY-2斷面產生的孔隙和裂縫更多,試件自身重力的影響作用表現在試件的底部,重力和應力的雙重作用使得試件底部接近承壓板的位置破壞程度更大。

2.2.2YZ斷面的CT數據分析

YZ斷面與受力方向平行,相比于XY斷面更易產生孔隙和裂縫。YZ-1斷面CT數變化規律如圖7(a)所示。當應力為0.43 MPa時,YZ-1斷面F區域的CT數最大(860 Hu),E區域的CT數最小(763 Hu)。試件的初始孔隙與此應力狀態下基本相同。當應力增加到1.31 MPa時, 除D區域外CT數逐漸變小,I區域變化最大,CT數減小15%。表明試件因應力的增大孔隙增多,裂縫發展迅速,CT數出現明顯的減小現象。當應力增加到1.60 MPa時,所有區域的CT數都在增加。試件在此應力狀態下被壓縮,孔隙和裂縫減少,試件內部土體顆粒間發生擠密作用。其中,I區域的變化最大,增加了14%,接近承壓板處試件因壓縮而密度增大。當應力減小到0.99 MPa,各個區域CT數均在減小,其中F區域CT數變化最大,減小了22%。隨著應力的減小,材料破壞程度愈發明顯,孔隙和裂縫增多顯著。

圖7 YZ掃描斷面各區域CT平均數Fig.7 CT average for each region of the YZ scan section

YZ-2斷面在各階段應力作用下,A區域的CT數是最小的,B、E、H 3個區域比其他區域的CT數大,此時該斷面中部的密度大于左右兩個邊部,角部密度大于邊部密度,此斷面靠近試件的中心,由于試件制作時試模對土顆粒具有約束作用,故CT數表現此類特點。YZ-3斷面位于試件的中心,H區域的CT數一直是最大的,I區域一直是最小的。H區域緊貼下承壓板,I區域位于試件的邊部,表明試件越靠近中心越貼近承壓板密度越高,I區域因試件角部的應力集中導致產生大量孔隙和裂縫。YZ-4斷面在各階段應力作用下CT數的變化規律與YZ-3斷面基本相同。YZ-5斷面的CT數在前3個應力階段較集中且變化不明顯,保持在719～886 Hu范圍內,H區域的CT數始終是最大的。但應力減小到0.99 MPa時,各區域CT數均減小,其中I區域的變化率最大,減小了44%。

3 材料孔隙率及損傷分析

3.1 孔隙率與強度的關系分析

孔隙率指的是材料中的孔隙體積與自然狀態下體積的比值。借助Imagin J圖形分析軟件對CT灰度圖進行計算,得到不同掃描斷面的孔隙率,將XY-1～XY-5斷面在不同應力狀態下進行閾值劃分,深色區域是孔隙和裂縫,各掃描斷面的破壞情況和裂縫的發展狀態如圖8所示,不同應力狀態下XY掃描面的孔隙率數值變化情況如圖9所示。當應力σ=0.43 MPa時,XY-2斷面孔隙率最大(0.12),XY-4斷面孔隙率最小(0.04), 中間XY-3斷面與XY-4斷面孔隙率僅相差0.26%。該應力狀態下,離試件上接觸面10 mm的斷面孔隙率變化小,而離試件下接觸面10 mm的斷面孔隙率變化大。此時,試件不僅受到荷載的作用,同時受到重力的影響,導致試件下部孔隙率大于試件上部。當應力增加到1.31 MPa時,XY-2斷面的孔隙率最小(0.03),比初始孔隙率增加了200%,比上一個應力狀態減少了75%。因為中間斷面受到“環箍效應”影響,導致試件在距離上接觸面三分之一處發生多軸受壓效應,試件應力表現為四周小,中間大的狀態,試件中部被壓實,而四周隨裂縫的增多,土體顆粒逐漸失去黏結力而剝離。XY-5斷面的孔隙率最大(0.14),該掃描斷面也是孔隙率增幅最大的區域,XY-5斷面靠近試件底部,受力部分靠近試驗壓力板,荷載的變化對該區域的影響顯著。應力最大時,XY-1斷面的孔隙率最大(0.12),XY-4斷面的孔隙率最小(0.04)。XY-1斷面、XY-2斷面和XY-3斷面的孔隙率在增加,XY-1面的變化率最大,比初始孔隙率增加了500%,比上一個應力狀態增加了200%。XY-4斷面和XY-5斷面的孔隙率在減小,XY-5斷面的變化率最大,比初始孔隙率增加了100%,比上一個應力狀態減少了43%。分析原因:裂縫和孔隙導致孔隙率增加。應力增加試件被壓縮,裂縫和孔隙減少導致試件的密實度增加,孔隙率減小。應力的增大使試件上部分的裂縫、孔隙增大,而下部分變得更加密實。峰值載荷后,XY-1斷面、XY-2斷面的孔隙率開始減小,其他斷面的孔隙率開始增加,原因是在應力應變曲線下降段試件剛度退化,裂縫和孔隙得到顯現和延伸,密實度高的斷面在應力減小以后孔隙縮小,孔隙率減小。

紅色區域為試件的孔隙和裂縫圖8 XY 掃描斷面閾值劃分結果Fig.8 XY scan section threshold delineation results

圖9 不同應力狀態下XY掃描面的孔隙率變化圖Fig.9 Porosity variation in XY scanned surface for different stress states

3.2 生土材料損傷因子的計算

在動態載荷的作用下,XY掃描斷面的平均孔隙率和損傷度的變化如表1所示。

表1 XY掃面斷面的平均孔隙率和損傷度的變化Table 1 Changes in mean porosity and damage degree of XY scan cross-section

根據表1可知,在動態載荷的作用下,改性生土試件的孔隙率先增加再減小隨后繼續增加。材料初始孔隙率為2.14。應力增加到0.43 MPa時,試件的孔隙率增加顯著(6.64),比初始孔隙率增加了210%。應力增加導致生土和摻料之間的黏結性受到了破壞,產生了孔隙和裂縫使得試件的孔隙率變化顯著。應力σ=1.31 MPa時,孔隙率比初始孔隙率增加了170%,比上一個應力狀態減少了12.95%。這是因為應力增加試件的孔隙和裂縫受到壓縮,導致孔隙率變小。應力增加到峰值載荷時,孔隙率的數值進一步變大,比初始孔隙率增加了263%,試件破壞嚴重。隨著繼續加載,孔隙率繼續增大,比初始孔隙率增加了316%。此時,試件因破壞材料剝離嚴重,裂縫貫穿試件,并和孔孔隙連接,孔隙率增大。

為了進一步研究改性生土試件在受荷情況下孔隙率的變化對材料細觀破損的影響,建立損傷度指標[15],即在動態載荷作用下發生損傷的試件的孔隙率,相對于無載荷條件下改性生土試件孔隙率的變化,構建損傷評價公式為

(2)

式(2)中:DF-T為改性生土試件在不同載荷作用下的損傷度;P0為無載荷條件下試件的孔隙率;P(n)為不同載荷作用下試件的孔隙率;n為不同的載荷數。

從表1可知,試件的損傷度的變化趨勢也呈現出先增加再減小最后繼續增加的趨勢。在應力σ=1.31 MPa時的損傷度最低,為1.70。當應力增加到1.60 MPa時,損傷度為2.59,增加了52.3%。應力減小后,損傷度慢慢增加,當應力σ=0.99 MPa時損傷度達到最大,為3.16。

4 結論

(1)在不同應力狀態下,XY掃描斷面的CT圖像中裂縫是從四周開始以環狀的形式向內部延伸,試件內部的密實度高,抵御材料破壞的能力強。YZ掃描斷面的裂縫從上下表面產生,向下延伸并貫通整個試件,試件邊緣抵御變形能力相比內部較差。XY-1斷面、XY-5斷面、YZ-1斷面和YZ-5斷面的裂縫相比其他斷面更加明顯。

(2)通過對各掃描斷面CT數的分析,試件底部土體的密實度大于上部。由于“環箍效應”的影響,XY-2斷面的CT數明顯小于其他斷面,此處破壞嚴重,產生大量的孔隙和裂縫。XY斷面E區域在各應力狀態下CT數值高,此區域位于掃描斷面的中心,土體密度大,一直處于被壓實狀態。YZ掃描斷面的CT數值變化不明顯,但此斷面H區域在各應力狀態下CT數高于其他,是此區域位于試件下部且緊貼受壓板而導致的。

(3)當應力為0～1.31 MPa時,試件孔隙率上部的變化大于試件下部。在應力為1.60 MPa時,試件內部各部位孔隙率變化明顯,相對于上一應力狀態,變化幅度為-43%～500%。峰值荷載后,XY-1斷面、XY-2斷面的孔隙率開始減小,其他斷面的孔隙率開始增加,此時試件剛度退化,裂紋和孔隙得到顯現和延伸,密實度高的斷面在應力減少后孔隙率變小。

(4)以孔隙率為指標建立損傷因子,得到此類改性生土材料的損傷度DF-T。損傷度表現出隨應力的增加先增大后減小再增大的規律。應力為0.43 MPa時的損傷度是2.10,應力為1.31 MPa時損傷度變小為1.70,應力為1.60 MPa時損傷度繼續增加到2.59。應力為0.99 MPa時,損傷度繼續增加,為3.16。運用損傷度可以為改性生土材料損傷本構關系的建立提供參考。