基于X-CT的C60高性能混凝土高溫細觀結構損傷研究

杜紅秀， 樊亞男

(太原理工大學 土木工程學院， 山西 太原 030024)

目前國內外對高性能混凝土(HPC)高溫性能的研究，從以往以宏觀力學性能劣化規律為主逐漸向細微觀分析方向發展[1-2]，結合掃描電鏡、壓汞、核磁共振冷凍法等先進試驗方法，探討材料細微觀結構與宏觀性能的關系成為了研究熱點[3-6].對HPC的高溫爆裂問題，從細微觀角度分析，更能揭示其宏觀爆裂的本質.目前多數學者認為HPC爆裂的根本原因是致密的微結構，因而在混凝土中摻入適當尺寸和數量的聚丙烯纖維，有利于高溫下混凝土內部孔隙蒸汽壓的釋放，從而改善混凝土的高溫性能[7-9].

X射線計算機斷層掃描(X-CT)技術，能無損檢測出材料和結構的內部變化，同時具有較高的分辨能力.將其應用于混凝土細觀結構的試驗研究，能清晰直觀地檢測混凝土內部細觀缺陷萌生、擴展和貫通的劣化衍化過程[10-12].本文對20～600℃溫度下HPC和摻0.2%聚丙烯纖維C60高性能混凝土(PPHPC)的細觀結構進行X-CT試驗，探究其細觀結構變化特征以及對混凝土性能的影響.

1 原料及試驗方法

1.1 原材料及配合比

水泥，太原產P·O 42.5水泥；細骨料，河砂，Ⅱ區中砂，細度模數2.95，級配合格；粗骨料，石灰石碎石，5～20mm連續粒級，級配合格；摻和料，S95級礦粉，Ⅱ級粉煤灰；聚丙烯纖維，直徑25μm，長度8mm，熔點165℃左右，汽化溫度340℃左右，體積分數0.2%；減水劑，聚羧酸高性能減水劑；拌和水，自來水.混凝土配合比見表1.

表1 C60混凝土配合比

1.2 試件制備

根據GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》制備HPC和PPHPC的標準立方體試件，試件拆模后放入(20±2)℃的Ca(OH)2飽和溶液養護池中養護28d；X-CT試驗的試件為直徑6mm、長 20mm 的圓柱體芯樣，從立方體試件中鉆取得到[13].

1.3 試驗方法

1.3.1混凝土強度試件高溫處理方法

采用SRJX型箱式電阻爐加熱，額定溫度 1200℃，功率15kW，升溫速率為10℃/min.模擬火災溫度分別設定為200、300、400、500、600℃這5個等級，試件中心預埋熱電偶的溫度與設定溫度一致時，恒溫15min，使混凝土內外溫度保持一致，即為燒透[8]；常溫(20℃)作為對比組.

1.3.2混凝土力學性能試驗方法

混凝土立方體抗壓強度試驗根據GB/T 50081—2002標準測試.

1.3.3X-CT試驗

X-CT試驗采用太原理工大學與中國工程物理研究院應用電子研究所共同研制的μCF225FCB型高分辨率顯微X-CT系統，如圖1所示.該設備可以對各種金屬和非金屬材料實施連續CT掃描分析，試件的直徑大小在1～50mm范圍，放大倍數為1～400倍，掃描單元的分辨率為0.5～194.0μm.利用該系統對混凝土細觀結構進行X-CT掃描及圖像重建.

混凝土X-CT試件高溫處理采用太原理工大學采礦工藝研究所自制的高溫氣氛爐與X-CT機配套使用，如圖2所示.試驗時將試件固定在X-CT機上，采用高溫氣氛爐加熱，目標溫度為20～600℃，當溫度升高至目標溫度后恒溫15min，然后移開高溫氣氛爐，進行CT掃描.利用X-CT系統中的圖像重建模塊，將試件掃描數據重建成1500張橫截面圖像.

圖1 X-CT試驗設備Fig.1 X-CT test equipment

圖2 試件、模擬圖及高溫爐Fig.2 Specimen,simulation and heating furnace

1.3.4X-CT圖像分析

采用Image-ProPlus圖像處理軟件對X-CT圖像進行二值化處理并分析，得到混凝土材料的孔隙數量、孔隙面積、孔隙直徑、缺陷率等參數.運用Photoshop提取X-CT圖像中的裂縫，采用Roberts邊緣檢測器及Matlab軟件分別對裂縫進行邊緣檢測及骨化，得到裂縫的面積、長度、寬度和周長等參數[14].

2 結果及分析

2.1 高溫對混凝土抗壓強度的影響

高溫后混凝土的抗壓強度(fcu,t)試驗結果見 圖3。由圖3可見：高性能混凝土的fcu,t隨著溫度升高基本呈線性下降趨勢；除常溫抗壓強度(fcu)外，各溫度下摻纖維混凝土的抗壓強度大于素混凝土； 400℃ 之前隨溫度升高抗壓強度下降幅度較小， 400℃ 之后抗壓強度下降幅度明顯增大；PPHPC的抗壓強度損失率((fcu-fcu,t)/fcu)均低于HPC，表明聚丙烯纖維的摻入可以改善混凝土的高溫性能。

2.2 混凝土X-CT試驗結果與分析

X-CT是基于X射線與物質之間的相互作用，X射線的衰減系數與材料密度成比例，X射線穿過物質被吸收后的衰減值即為每個像素點的CT值，代表各點的密度分布.為便于統計，將CT值轉變為0到255的灰度值，其中黑色為0，白色為255，圖像中顏色越深代表該點的物質密度越小[13].

圖3 高溫對C60混凝土抗壓強度的影響Fig.3 Effect of high temperature on fcu,t of C60 concrete

混凝土是一種非均質、多孔、多層次的復合材料，內部各相密度不同，由大到小分別為：細骨料、粗骨料、漿體、孔(裂)隙.對試件進行CT掃描及圖像重建可以獲得混凝土灰度圖像，圖像中密度越高則顏色越亮，反之，孔隙、裂隙等缺陷趨于黑色[15].因此從 X-CT 圖像中可以直觀觀察到混凝土各組分分布情況，孔隙、裂隙劣化衍化過程以及混凝土內部高溫損傷的情況.選取HPC和PPHPC第750層的X-CT圖像及其二值化圖像作為代表層，如圖4、5所示.

圖4 不同溫度處理后的混凝土第750層X-CT圖像Fig.4 750th layer’s X-CT images of concrete at different temperatures

由圖4、5可知：常溫下混凝土內部分布有不同尺寸和形狀的原生缺陷，主要表現為孔隙和裂隙，孔隙集中在砂漿區，HPC圖像孔隙大小相對均勻； 200℃ 時，HPC孔隙更加清晰，沿粗細骨料、漿體各相界面周圍新增加許多裂隙，PPHPC也在此階段開始增加少許新裂隙，但變化不明顯；300℃時，HPC沿各相界面周圍的裂隙更加清晰，明顯將各相分隔，呈現初步的龜裂狀態，而PPHPC在此階段的裂隙繼續增多，原來的小孔隙相互連通為較大的孔隙，但數量較少，未出現龜裂現象；400℃時，HPC孔隙、裂隙明顯擴展，并相互連通，龜裂狀態進一步加劇，而PPHPC在400℃下的劣化狀況與HPC在300℃時的狀態基本一致；500℃時，HPC整體變化不明顯，但PPHPC龜裂現象明顯；600℃時，HPC與PPHPC損傷劣化程度均趨于嚴重，裂隙寬而多，并進一步與孔隙相互貫通.

圖5 不同溫度處理后的混凝土第750層二值化圖像Fig.5 750th layer’s binary images of concrete at different temperatures

2.3 混凝土的細觀孔結構參數

挑選每個溫度下X-CT圖像第350、450、550、650、750、850、950、1050、1150、1250層，作為代表層進行分析.采用Image-ProPlus圖像處理軟件對 X-CT 圖像進行二值化處理，得到了混凝土材料的缺陷率、孔隙數量、孔隙分布等參數，結果如圖6、7所示.本文中缺陷率為混凝土內部孔隙、裂隙等缺陷的面積總和與該層圖像面積之比.

由圖6可見：除PPHPC不高于300℃時的情況之外，隨著溫度的升高，HPC及PPHPC在不同孔徑下的孔隙數量均隨溫度升高而增加；各溫度下，HPC與PPHPC內部均呈現出孔徑越大、孔隙數量越少的規律；小于50μm孔徑的孔隙數量分布較多，大于 50μm 孔徑的孔隙數量基本不變.對于HPC，當受火溫度不高于300℃時，小于50μm的孔隙數量隨著溫度升高增加幅度較大；從300℃到500℃，小于50μm的孔隙數量增加幅度較??；從500℃到600℃，小于50μm的孔隙數量大幅度增加，表明HPC劣化加劇，500℃為HPC劣化損傷的閾值溫度.對于PPHPC，小于 50μm 的孔隙數量在200～300℃時均少于常溫時，在400℃時略高于常溫時.在500～600℃時，孔隙數量基本相同，但較常溫時大幅度增加，表明400℃之前微結構劣化輕微，500℃之后劣化加劇，此時10～20μm孔徑的孔隙數量增長最多，20～50μm孔徑的孔隙增長幅度最大.500℃之前，PPHPC劣化滯后于HPC，表明摻入聚丙烯纖維可以改善HPC的高溫性能.

圖6 不同孔徑下C60混凝土孔隙數量分布

由圖7可見，常溫時，PPHPC缺陷率高于HPC，隨著溫度的升高，兩者的缺陷率均不斷增加，且HPC缺陷增長率明顯高于PPHPC.常溫下存在的原生微小孔隙多是分散的，隨著溫度的升高，孔隙、裂隙等缺陷不斷衍化，相互連通、擴張，最后劣化成為較大孔隙.

圖7 溫度對C60混凝土缺陷率的影響Fig.7 Effect of temperature on defect rate of C60 concrete

2.4 受火溫度與缺陷率對混凝土強度的影響

根據溫度對混凝土抗壓強度(見圖3)及缺陷率(見圖7)影響的測試結果，通過數據統計分析，建立受火溫度(t)與內部缺陷率(P)雙參數對HPC和PPHPC抗壓強度的影響回歸關系式.

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為溫度，℃；P為混凝土缺陷率，%.

C60混凝土平均強度與溫度、缺陷率的關系：

fcu,t=67.15831-0.03687t-1.65463P

-2.33174×10-4t2,R2=0.9215

(3)

3 混凝土裂縫提取結果與分析

選取300℃后HPC及400℃后PPHPC第750層X-CT圖像為代表層，對其中的裂縫進行提取、處理和測量，得到裂縫參數隨溫度變化的規律，研究裂縫萌生、擴展的全過程.試驗發現，與常溫時相比， 300℃ 時PPHPC的X-CT圖像裂縫沒有劣化、擴展，故其長度、寬度、面積、周長均為0.經提取，在第750層層HPC共有28條裂縫，PPHPC共有31條裂縫，統計結果見表2.本文各選取1條具有代表性的裂縫進行衍化分析，結果見圖8.

由圖8和表2可見：隨著溫度升高，混凝土內部各條裂縫的長度、寬度、面積和周長總體呈增長趨勢，但PPHPC的增長幅度低于HPC，說明PPHPC劣化滯后于HPC，即摻入聚丙烯纖維可以改善HPC的高溫性能.

圖8 混凝土裂縫隨溫度的變化Fig.8 Concrete cracks change with temperature

表2 X-CT圖像裂縫信息

4 結論

(1)隨著受火溫度的升高，C60混凝土強度(HPC)呈下降趨勢；摻0.2%聚丙烯纖維C60高性能混凝土(PPHPC)抗壓強度隨溫度變化規律與HPC基本相同；PPHPC抗壓強度損失率低于HPC.

(2)隨著受火溫度的升高，混凝土細觀結構劣化衍化漸趨嚴重；400℃時PPHPC與300℃時HPC的劣化狀態基本一致，聚丙烯纖維的摻入延遲、緩解了混凝土高溫后內部缺陷劣化的發生和發展.

(3)隨著受火溫度的升高，混凝土缺陷率及平均孔徑均呈增大趨勢；400℃后PPHPC孔隙數量明顯高于HPC；PPHPC孔隙增長率比HPC低.受火溫度與缺陷率是影響混凝土強度的主要因素.

(4)隨著受火溫度的升高，混凝土裂縫長度、寬度、面積和周長均呈增大趨勢.