混凝土冻融损伤过程微裂纹研究.doc

1、研究意义 混凝土冻融损伤过程的本质是内部微裂纹不断出现和扩展的过程，混凝土的各项宏观物理力学性能与其内部微裂纹结构状态密切相关。现有的混凝土冻融损伤评价方法有共振频率法、超声波波速法或X射线CT法，均是混凝土损伤程度的宏观、唯象的表征和评价方法，难以直观反映混凝土冻融损伤过程中微裂纹的萌生和扩展情况。 基于数字图像处理技术对混凝土内部微裂纹结构特征进行量化表征和分析，进而建立混凝土宏观力学性能变化与微裂纹特征参数之间的对应关系，可揭示混凝土冻融损伤的本质，为混凝土冻融损伤程度的评价提供一个科学合理的、更直观的方法。 国际上基于微裂纹图像定量分析技术对建筑物中混凝土的劣化状况进行诊断已有10余年的历史，而我国在该领域的研究几乎是空白，本项研究有望建立混凝土冻融损伤的更直观和本质化的评价方法，并填补国内在混凝土微裂纹图像量化分析领域研究的空白，进一步提升我国在混凝土老化损伤评价、健康诊断领域的研究水平。 2、国内外研究现状综述 冻融破坏是指硬化混凝土在浸水饱和或潮湿状态下，由于温度正负交替变化，内部孔隙水形成冻结膨胀压、渗透压及水中盐类的结晶压等，产生疲劳应力，造成混凝土由表及里逐渐剥蚀的一种破坏现象[1]。冻融破坏是我国东北、华北和西北地区的水工混凝土建筑物的主要病害之一。对混凝土建筑物所经受的冻融损伤程度进行正确合理的诊断和评价是修补和养护混凝土建筑物、延长建筑物寿命的前提。 2.1 现有冻融损伤评价方法的不足 常用的对混凝土冻融损伤的评价方法有共振频率法[2]、超声波波速法[3]及X射线CT法[4]。共振频率法是最常用的评价混凝土抗冻能力的方法，已经纳入我国的水利行业标准。规范规定以相对动弹模的变化（由共振频率计算得到）来评价混凝土的损伤程度，且规定相对动弹模降低为初始值的60%即认为混凝土已经受冻破坏[2]。超声波波速法也是常用的检测混凝土内部缺陷的方法，赵霄龙等[3]发现通过超声波波速的相对变化来构筑损伤变量D=1-υ’2/-υ2（υ 和υ’分别为完好和受损混凝土的超声波波速），也可以很好地评价混凝土的冻融劣化程度。日本学者Suzuki[4]采用X射线CT设备对经不同冻融劣化程度的混凝土芯样进行了扫描，发现CT数（反映混凝土对X射线吸收能力的高低）可反映混凝土芯样受劣化程度的大小：严重冻融劣化的芯样的平均CT值最低，而未经冻融劣化的芯样的平均CT值最高。 以上这些用于冻融损伤评价的方法都属无损方法，其共同优点是操作方便快捷，不破坏试件，可进行长时间的跟踪测量。但这些方法也有其不可克服的缺点：①不能反映混凝土损伤的本质，即不能反映混凝土内部微裂纹的萌生和扩展情况；②只能用于冻融损伤的相对大小评价，其绝对值无法用于混凝土内部损伤程度的评价。 鉴于以上原因，本项目将探索能反映混凝土受冻损伤本质的方法，开展基于微裂纹结构量化分析对冻融损伤进行评价和诊断的研究。 2.2 混凝土微裂纹定量分析研究现状 混凝土的冻融损伤是一个物理变化过程，即混凝土内部的微裂纹不断出现和扩展的过程[1]。获取混凝土内部的微裂纹结构图像并对之进行定量分析，进而建立混凝土宏观性能和微观微裂纹结构参数之间的对应关系，可直观地反映混凝土内部的冻融损伤程度。 微裂纹结构特征量化研究一般分为三个主要过程：微裂纹的浸渍染色、微裂纹的自动提取、微裂纹结构特征的量化分析。微裂纹的浸渍染色的目的是增强图像中微裂纹与背景（基体）的对比度，以便更容易观察到微裂纹并对之进行处理；在此基础上采用自动图像处理技术或手工描图的方式剔除各种杂点、噪声即可得到我们感兴趣的微裂纹图像；然后采用图像形态学等图像处理技术，对微裂纹图像进行自动量测，即可得到微裂纹结构特征参数。 2.2.1 混凝土微裂纹浸渍方法研究现状 半个多世纪以来，研究人员提出和发展了多种用于水泥基材料内部微裂纹观测和分析的浸渍染色方法，这些方法按染色介质分，可分为墨水浸染法、酒精浸染法、伍德合金（Wood Metal）浸染法、荧光环氧浸染法及墨水-荧光环氧两阶段浸染法；按浸渍染色的环境压力区分，分为高压浸染法、真空浸染法、常压浸染和真空-高压两阶段浸染法。为常用微裂纹浸渍染色方法的优缺点比较。 表1 常用微裂纹浸渍染色方法优缺点比较 优点 缺点 适用范围 墨水浸染法[5-8] 不需要真空、高压或者干燥处理，减小了预处理过程引入的微裂纹 ①不能用于过分开裂的水泥基材料；②引起裂缝部分甚至完全闭合，使浸渍不彻底；③有机溶剂会引起水化硅酸钙、钙矾石的部分脱水；④浸渍时间长，一般需要数天时间 普通混凝土 荧光酒精置换法[9, 10] ①不需要真空、高压或者干燥处理，减小了预处理过程引入的微裂纹；②浸渍深度高；③可用于确定基体中的水灰比 ①不能用于开裂严重的水泥基材料；②有机溶剂会引起水化硅酸钙、钙矾石的部分脱水；③ 浸渍