数字图像技术在再生混凝土性能分析中的应用

肖建庄， 李 宏， 袁俊强

（1.同济大学 建筑工程系，上海 200092；2.同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 201804；3.浙江省建筑设计研究院，浙江 杭州 310006）

再生骨料混凝土［1］（recycled aggregate concrete，RAC）是利用废混凝土破碎加工而成的再生骨料部分或全部替代天然骨料配制而成的新混凝土，简称再生混凝土（recycled concrete，RC）.再生混凝土技术的开发与应用，一方面，可解决大量废混凝土处理困难以及由此造成的生态环境日益恶化等问题，另一方面，用废混凝土加工成的再生骨料替代天然骨料，可缓解天然骨料日趋匮乏的压力并降低大量开采砂石对生态环境的破坏，符合建筑业可持续发展的要求.再生混凝土由水泥砂浆、粗细骨料及二者之间的界面等组成，是具有复杂结构的非均质、多尺度（微观、细观、宏观）复合材料体系，其宏观行为所表现出的不规则性、不确定性和非线性等特征，正是其内部结构复杂性的反映.数字图像处理技术可直观地反映混凝土内部材料组成的非均匀性，表征骨料在混凝土中的随机分布.本文根据再生混凝土弯折疲劳试件破坏后的断面，利用数字图像处理技术获得了骨料脱黏面积与疲劳应力水平之间的关系，并对弯折疲劳破坏后的试件进行切割，采用数字图像处理技术对切割后的切片进行骨料和砂浆边界的提取，以此为基础获得了能够反映混凝土内部真实组成结构的有限元模型，并对混凝土切片单轴受压进行了数值模拟.

1 试件制作

水泥：P·O 42.5R普通硅酸盐水泥；拌和水：自来水；砂：天然黄砂；再生粗骨料（RCA）：由上海某工程废混凝土经颚式破碎机破碎而成，外形介于碎石与卵石之间，略扁并带有棱角，孔隙较多.再生混凝土配制强度等级为C30，配合比见表1.考虑到再生混凝土的吸水特性，首先按照普通混凝土配合比设计方法计算出各材料用量，然后根据实测再生粗骨料的有效吸水率即自然干燥状态至饱和面干状态的吸水率，计算出用以补偿再生粗骨料高吸水率的那部分水即附加水的用量.再生混凝土弯折疲劳试验共制作了9个150mm×150mm×550mm的棱柱体试件，按照不同的应力水平分成3组，测试再生混凝土在弯折荷载作用下的疲劳性能，疲劳破坏后的断面尺寸为150mm×150mm，混凝土切片尺寸为150mm×150mm×30mm.

表1 再生混凝土配合比Table 1 Mixture proportion of recycled aggregate concrete

2 脱黏面积

再生混凝土在疲劳荷载作用下的断裂面破坏形态有骨料与砂浆脱黏、骨料断裂以及砂浆断裂3种情况.粗骨料是混凝土内部的主要组成部分，它的表面纹理和力学强度在很大程度上影响着基体－粗骨料界面过渡区的力学强度，并对混凝土的宏观力学性能及破坏模式均有较大影响.同时，在混凝土疲劳破坏过程中，微观疲劳裂纹生长机制有两种模式，一种是部分微观疲劳裂纹穿越基体和粗骨料导致混凝土有效承载截面积减少，另一种是部分微观疲劳裂纹沿着粗骨料与基体的界面过渡区生长并在混凝土内部贯通汇聚，最终导致混凝土有效承载截面积减少和破坏.这两种疲劳裂纹生长机制在混凝土不同疲劳状态下各自所占的比例大小，主要取决于粗骨料与基体之间力学性能差异的程度和疲劳应力水平的高低.若混凝土疲劳失效是以粗骨料－基体界面过渡区的逐步脱黏为主，则混凝土疲劳断裂后的断裂面上将会有很多的粗骨料脱黏现象发生；反之，会在混凝土疲劳断裂面上观察到更多粗骨料的破碎.由于对混凝土试件内部微观疲劳裂纹生长过程的实时监测和直观显示，目前尚存在不可克服的技术障碍，因此本文采用再生混凝土疲劳断裂截面上脱黏粗骨料投影面积与试件横截面名义面积的比值，来衡量和表征再生混凝土在不同应力水平下的疲劳性能具有理论意义.

图1为再生混凝土弯折试件疲劳破坏后断裂面的数字图像处理过程.图1中首先对试件断裂面进行数字图像采集（见图1（a）），由于断裂面中混凝土各相的灰度值相差不大，将数字图像中脱黏区域涂以白色进行标记（见图1（b）），然后用 Matlab进行二值化处理，将脱黏区域转换为黑白图（见图1（c）），最后计算脱黏区域面积占整个图像面积的比值，结果见表2.

表2 脱黏面积比Table 2 Debonding area ratio

由表2可见，当疲劳应力水平（σc／fc）较低时，混凝土中骨料与砂浆界面处的裂缝随着荷载循环次数的增加逐渐贯通形成整个裂缝面，导致骨料脱黏面积较大；在疲劳应力水平（σc／fc）较高时，由于再生骨料弹模较高，应力集中明显，可能超过了骨料的强度，从而导致其提前破坏的面积相对较大，使得骨料脱黏面积减小.

另外，为了说明再生混凝土和普通混凝土在疲劳性能方面的差异，将本文试验结果与其他研究者的试验结果同时绘制在图2中.由图2可见，再生混凝土和普通混凝土在疲劳性能方面未存在明显差异，σc／fc－Nf（应力比值－循环寿命）曲线回归系数接近，但在相同的应力水平条件下，再生混凝土疲劳寿命较普通混凝土疲劳寿命长.

图1 再生混凝土脱黏面积图像处理过程Fig.1 Digital image processing of debonding area of recycled aggregate concrete

图2 受压疲劳荷载作用下再生混凝土的σc／fc－Nf曲线Fig.2 σc／fc－Nfcurves of RAC under uniaxial compressive loading

3 混凝土截面数字图像处理

混凝土力学试验是研究其断裂过程和宏观力学性质的基本手段.但由于试验条件的限制，其试验结果往往不能反映试件的材料特性.细观力学数值模拟，在计算模型合理和混凝土各相材料特性数据足够准确的条件下，不仅可取代部分试验，而且能够避开试验条件的客观限制和人为因素对其结果的影响.

二维细观数值模型的建立主要分为3步：第1步，对再生混凝士弯折疲劳试件进行机械切割并对切割后的表面使用数码相机拍摄以获得截面数字图像；第2步，对所获得的数字图像进行处理，由于切片中砂浆和部分骨料的灰度值比较接近，在灰度转化前，将骨料部分颜色进行突出显示，对骨料和砂浆部分进行边缘检测，获得骨料和砂浆的边缘坐标；第3步，将图像处理之后的混凝士细观结构边缘坐标导入有限元分析软件，获得实体模型，为建立二维细观混凝土有限元模型作准备.

图3为混凝土切片和图像处理过程.

图3 混凝土切片和图像处理过程Fig.3 Concrete slice and digital image processing

由图3可见，由于部分骨料和砂浆的灰度值比较接近，将混凝土切片的数字图像（图3（a））直接通过Matlab二值化处理所获得的图像（图3（b））中骨料与砂浆的界面非常模糊，还有些骨料未识别出来；将混凝土切片试件中骨料突出显示（见图3（c）），再将该图像经Matlab二值化处理所得到图3（d）中骨料和砂浆的界面非常清晰，为边缘检测提供了基础.

混凝土截面数字图像经过上述处理后，骨料区域和砂浆区域对比分明，骨料的形状清晰可见，可以方便地对图像边界进行提取.选取处理边缘连续性方面较好的Canny边缘检测方法进行边界提取［5－6］，处理结果如图4所示.

图4 截面整体图像边界提取结果Fig.4 Boundary extraction of whole section

由图4可见，混凝土截面边界清晰，数据连续且闭合，能够较好地表征混凝土细观结构.

对混凝土截面数字照片进行处理后得到了骨料和砂浆的边界，其结果与真实结构较吻合.提取骨料边缘坐标结果并导入商用软件Ansys中，先依据骨料边缘坐标数据生成骨料区域数值模型，再将剩余部分生成砂浆模型，最后得到混凝土截面实体模型和有限元模型，如图5所示.

图5 混凝土截面实体模型和有限元模型Fig.5 Solid model and finite element model of concrete section

在混凝土实体模型中考虑到有骨料和砂浆2种介质，故采用solid 65单元对骨料和砂浆进行网格划分.骨料单元采用线性各向同性模型，弹性模量取为60GPa，泊松比取为0.16；砂浆单元采用多线性等向强化准则，弹性模量取为30GPa，泊松比取为0.22，采用 Willam－Warnker破坏准则.约束有限元模型的所有底部自由度，顶部约束X向和Z向自由度，采用位移加载.砂浆本构模型如图6所示.

图6 砂浆单压本构模型Fig.6 Uniaxial constitutive model of mortar

4 混凝土静力受压模拟

混凝土切片有限元模型在位移控制作用下，破坏过程见图7.由图7可见，混凝土切片破坏的地方基本为砂浆和骨料交界面处.

有限元模拟得出的混凝土切片应力－应变关系如图8所示.

30mm厚的再生混凝土切片静载试验的应力－应变关系，如图9所示.

图7 混凝土切片压碎图Fig.7 Crushed concrete slice

图8 混凝土切片有限元分析所得应力－应变关系Fig.8 Compressive stress－strain relation by finite element model of concrete section

图9 30mm厚再生混凝土切片静载试验应力－应变关系Fig.9 Stress－strain relation by static testing of concrete slice with 30mm thickness

由图8，9可见，有限元模拟得出的混凝土切片应力－应变关系的上升段与静载试验得到的应力－应变关系相接近.

再生混凝土切片在静力荷载作用下，裂缝发展规律大致如图10所示.在达到破坏荷载σ0约50%时，裂缝首先出现于砂浆中，随着荷载的增大，萌生于砂浆中的裂纹逐渐增大，部分裂纹与骨料周围产生的裂缝相互贯通，从而生成绕过骨料的裂缝.随着荷载的增加，在应力集中处，砂浆中的裂纹扩展受阻时也会贯通骨料，最后在荷载接近破坏荷载时，在再生混凝土的侧面出现贯通裂缝，如图11所示.由于侧面裂缝的延伸方向与加载方向平行，所以可以认为材料膨胀和最后破坏是由于遍布试件内部的与所受载方向平行的内部拉伸微裂缝逐渐发展造成的.当这些微裂缝开始形成连通的裂缝时便发生试件整体的破坏.

图10 混凝土的应力应变与微裂缝的关系Fig.10 Relation of micro cracks and stress－strain

图11 再生混凝土切片静载裂缝发展Fig.11 Crack development of concrete slice

5 结论

（1）数字图像处理技术可以作为再生混凝土破坏机理分析的一种有效手段.

（2）再生混凝土在疲劳荷载作用下，随着疲劳应力水平的提高，再生粗骨料与砂浆的脱黏面积有降低的趋势.

（3）通过数字图像处理技术获得的有限元模型能够真实反映再生混凝土的受力状态，试验结果与数值模拟的破坏状态相同，两者的应力－应变关系曲线相近.

［1］ 肖建庄.再生混凝土［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008：4.XIAO Jianzhuang.Recycled concrete［M］.Beijing：Chinese Building Construction Publishing Press，2008：4.（in Chinese）

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