水力冲击混凝土裂纹扩展机理及CT尺度损伤研究

刘佳亮， 张 娣， 王梦瑾

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074； 2.重庆交通大学 交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆 400074； 3.重庆交通大学 山区桥梁结构与材料教育部工程研究中心，重庆 400074)

混凝土作为重要的建筑材料，广泛应用于建筑、交通、水利、矿业等众多领域，由于载荷、风化、腐蚀、温差效应等因素的影响，混凝土结构维修改造任务会日益增重。目前对于混凝土出现的裂缝、孔洞、边缘破损、板拱起等病害的维修，普遍采用振动锤、风镐、炮机等传统机械方法破除，露出钢筋以便重新浇筑、翻新。事实证明这些方法存在作业环境差、工作效率低、劳动强度大等问题，而且无法区分混凝土性能强弱，施工质量较差，极易产生新裂纹，造成混凝土钢筋松动，修复质量无法保证。

水力破除混凝土是一种突破传统机械方式的破碎技术，具有振动小、无污染及可选择性破除等特点，在质量、安全、环保等方面优势明显。但由于水力破碎混凝土过程十分短暂(微秒级)，涉及流体与固体非线性碰撞动力耦合问题，且作用机理较复杂，混凝土在水力作用下的破坏机理尚不明晰，水力破除混凝土技术仍存在门槛泵压较高，比能耗较大，局部精确破碎及可控致裂技术不足等问题，而解决以上问题关键建立在对水力冲击混凝土裂纹扩展、致损特征研究之上。

许多学者采用理论分析及数值模拟方法，对水力侵彻脆性材料，如混凝土、岩石等的力学行为及规律进行研究，取得了一定的研究成果。李万莉等[1]利用细观损伤力学理论建立了射流作用下混凝土路面碎裂的微结构损伤模型，研究了射流冲击混凝土表面Von-Mises等效应力。穆朝民等[2]以质量守恒与动量守恒定律为基础，建立了高压水射流冲击煤体的力学模型，分析了煤体在高压射流冲击下破碎区与扩孔区的力学特征。Jiang等[3]以基于光滑粒子流(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)和有限元(Finite Element Analysis, FEA)耦合算法建立了高压水射流冲击破岩数值模型，探讨了水射流损伤破岩过程中岩石失效、裂纹扩展以及岩石内部损伤变化历程。卢义玉等[4]运用拉格朗日方法描述了岩石质点的位移场和速度场，分析了超高压水射流冲击下岩石破裂时序演化过程。司鹄等[5-6]分别运用任意拉格朗日-欧拉流固耦合罚函数算法和光滑粒子流体动力学方法建立了脉冲射流破岩数值模型，结合岩石岩性分析了脉冲振幅和脉冲频率对破岩效率的影响脉冲振幅和脉冲频率对破岩效率的影响，以及脉冲射流在破岩过程中应力波的形成、传播及衰减过程。陆朝晖等[7]基于 VOF(Volume of Fluid)模型和动网格技术，建立了两相流瞬态计算模型，研究了截断式脉冲水射流流体结构的动态演变动力特征与冲蚀硬岩能力。

以上研究促进了人们对水力致裂力学机理认识，但在细观水平上，混凝土是由骨料、砂浆、交界面的黏结层组成的非均质材料，多相异弹模界面及骨料随机空间分布会影响混凝土宏细观力学性能及破坏模式，再加上水力冲击混凝土的瞬时非线性流固耦合问题，理论分析和数值模拟需对水力侵彻物理过程进行大量简化，导致计算结果与水力冲击混凝土真实物理力学过程往往有一定差距。

计算机层析成像(Computerized Tomography，CT)技术可以实现对材料内部破坏的无损量度，为研究水力冲击混凝土内部细观结构提供了有效途径。而且，通过图像处理技术(Image Processing Technology, IPT)，还可以对CT直观成像进行多尺度、多维度后处理，深度挖掘材料的深层致裂、损伤信息。如陈厚群等[8]通过变换差值CT图像中像素值的阈值范围，分析了混凝土裂纹的分布特点，探讨了识别混凝土CT图像中裂纹及其形态的判据。党发宁等[9]将破损演化理论应用于混凝土CT图像的定量分析，引入了完整度和破损度概念，研究了混凝土内部细观结构及裂纹变化的特点。He等[10]提出了一种基于改进几何活动轮廓模型(Geometric Active Contour, GAC)的CT图像分割技术，提高了混凝土CT图像分割效果；赵亮等[11]提出了一种基于多尺度信念传播的混凝土CT 图像分割方法，通过构造金字塔状栅格图进行消息传输，提高了图像分割率和分割精度；汤积仁等[12]借助图像处理技术对磨料射流作用下岩石破坏的CT图像进行处理，直观揭示了磨料射流破岩机制。

鉴此，本文基于CT扫描技术，对水力冲击混凝土的细观破裂状态进行全方位检测，结合液固碰撞理论，开展水力作用下混凝土致裂机制及裂纹扩展特征相关研究；并进一步对CT扫描图像直方图均衡化、阈值分割处理，利用建立的图像灰度值的损伤表征方法，探索水力冲击混凝土裂纹近域CT尺度损伤分布特征。研究结果可为提升水力破除混凝土技术应用水平，提供重要的理论依据和技术参考。

1 水力冲击混凝土CT试验

1.1 试验设备

本试验所用高压水力设备为金箭JJ-I42*1313型悬臂式切割机，采用PC控制器/交流伺服系统，线性直线导轨保证切割精度，高压水力设备主要系统结构，如图1所示。试验所用CT扫描设备为重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室的西门子高端智能平台SOMATOMScope16排螺旋CT，可以实现16层/360°，0.6 s/360°快速扫描，并配备了西门子X线数字化成像系统锐柯DR-NOVA、显微整板探测器、高性能微焦球管以及飞焦点技术，可确保优质的图像质量，CT扫描设备如图2所示。

图1 高压水力设备及系统结构

1.2 试验材料

高压水力冲击试验所用混凝土试件为100 mm×100 mm×100 mm立方体，原材料：水泥(P.O 32.5)，河砂(16～31.5 mm中砂、碎石)，外加剂JM-Ⅱ。水泥、河砂、碎石、水、外加剂配合比，1∶2.39∶4.27∶0.51∶0.01。

图2 SOMATOM Scope 16 CT扫描设备

1.3 试验方法及步骤

在射流直径为1.2 mm、射流速度为600 m/s、靶距为3.0 mm、流量为3.2 L/min及冲击角度为90°工况下对混凝土进行冲击破碎，然后通过西门子高端智能平台SOMATOMScope16排螺旋CT扫描仪对破碎后混凝土试件进行扫描。扫描前首先进行试件调平，在定位片上调节扫描框的各个边界与混凝土试件尺寸相符合，然后设置扫描层间隔为0.6 mm，重建范围为100 mm，采取平扫方式进行扫描，过程如图3所示。扫描完成后进行影像重建，提取混凝土试件内部典型裂纹，为混凝土试件内部裂纹形态以及扩展规律研究提供基础信息及图像。

图3 水力破碎混凝土扫描示意图

2 试验结果与分析

2.1 致裂机制

结合已有液固冲击理论基础，以及水力破碎混凝土内部细观结构CT扫描图像，分析水力致裂混凝土的力学机制。当高速射流初始接触混凝土表面时，流速会骤然降低，造成压力大幅度波动，诱发破坏性极大的水锤效应。水锤破坏力与水流动量有关，根据冲量定理，可以得到水锤压力Pwh

(1)

式中：Pwh为水锤压力；v为射流的冲击速度；ρw，cw分别为水的密度与冲击波在水介质中的传播速度；ρs，cs分别为混凝土的密度与冲击波在混凝土中的传播速度[13]。

在水锤压力Pwh作用下，水力冲击中心区被急剧压缩，在水力边缘会形成强烈剪应力，由于骨料与砂浆基体过渡区界面(Interfacial Transition Zone, ITZ)强度最低，裂纹优先沿界面发生破坏，形成沿骨扩展的表面裂纹①，如图4所示。

图4 水力冲击下混凝土典型致裂形态

水锤压力Pwh为瞬时作用，持续时间极短，在后续水力持续惯性作用下，会形成稳定的伯努利滞止压力。滞止压力Ps已远小于水锤压力Pwh，但仍可在混凝土液固接触中心产生强烈的压缩作用，在压应力强烈挤压下形成粉碎区，并被高速水流的冲运作用携走，在液固接触区形成“V”状锥形破碎核②。同时，由于水力冲击是一个高频动态过程，混凝土受到的压应力存在急剧的加、卸载，混凝土的卸载恢复会在压应力作用区形成强大的拉伸应力，根据裂纹扩展能量最小原则，最先在破碎核周围的骨料与砂浆基体过渡区界面产生环向拉伸裂纹③。冲击中心的压应力使混凝土液固接触区两侧介质受到指向冲击轴心方向拉伸作用，导致混凝土表面的宏观表面裂纹①继续扩展。

由图4还可知，在混凝土边界处产生与主裂纹未贯通的环向裂纹④，其产生机制可以解释为：水力冲击激发的应力波在混凝土内部自由传播，当传导至混凝土边界时无法透射，便于边界面发生反射后与后续波形成叠加效应，在混凝土边界附近区域出现局部应力集中，当应力集中作用在混凝土内部天然裂隙或过渡区界面时，即形成独立于主裂纹之外的新裂纹扩展。

混凝土内部出现裂纹后，流体会在压力驱动下侵入混凝土裂隙空间，在裂纹缝端产生应力集中区，使裂纹沿自由面方向加速张开、扩展及贯通，而且裂纹出现会增加混凝土渗透系数，从而加速混凝土的溃裂[14]，由达西定律可知

q=KFΔh/L

(2)

式中：q为渗流量；K为渗透系数；F为过水断面；Δh为渗流路径上的水头损失；L为渗流路径长度。

由流体流动立方定律

(3)

式中：k为水力传导系数；Δp为压强差；L为裂纹长度；a为裂纹宽度。

联立式(3)并将F=at(其中：t为单位长度。)代入式(2)，可得渗透系数K的表达式

K=ka2γ

(4)

式中：k、γ为常数，当水力冲击作用使混凝土产生裂纹后，a将变大。根据式(4)，K与a2成正比，将呈指数增长，水压也会明显增大，从而激发裂纹附近产生更多裂纹，形成连锁反应，致使混凝土出现大体积破碎，形成复杂裂缝网，最终发生整体溃裂，如图5所示。

图5 水力冲击下混凝土宏观溃裂

2.2 裂纹扩展特征

通过对水力致裂混凝土CT扫描图像的裂纹扩展细观形态进行提取和识别，可将裂纹扩展路径可分为5种典型情况：①沿骨料与砂浆基体过渡区界面扩展；②基体扩展；③穿骨传播；④分岔传播；⑤裂纹止裂，如图6所示。

对裂纹扩展路径进行统计，可以得出沿骨料与砂浆基体过渡区界面扩展是混凝土内部裂纹萌生及扩展的主要形式，并且裂纹在粗骨料与砂浆基体过渡区传播尤为明显。根据混凝土界面过渡区微观结构及特征，可知骨料与砂浆基体过渡区界面为高孔隙率，多微裂隙结构，未水化水泥颗粒少，Ca/Si比大，含有较多Ca(OH)2和钙矾石Aft，且Ca(OH)2出现择优取向[15]，是高压水渗透、劈裂优先区域，可以较充分发生水楔作用，为裂纹扩展的低耗能区和易作用区。同时，由于粗骨料的尺寸大于细骨料的尺寸，骨料的“边界效应”，以及对水泥颗粒堆积状态的影响更为明显，过渡区结构特征更为显著。因此，水力冲击下混凝土裂纹传播最优先选择沿粗骨料与砂浆基体过渡区界面传播，次优先选择穿过附近区域细骨料与砂浆基体界面。当裂纹传至骨料与砂浆基体过渡区末端时，如周围为乏骨料区，则会与砂浆基体中天然缺陷、孔洞及初始裂纹等相融合，在砂浆基体内向纵深继续传播。由于界面相分布随机性，裂纹传播过程呈现显著的曲折穿行特征，形成如图7所示的典型水力致裂混凝土CT扫描图中裂纹传播路径。

图6 水力冲击混凝土裂纹细观扩展路径

图7 水力冲击混凝土ITZ扩展裂纹及ITZ结构特征

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

水力冲击诱发的应力波在混凝土内传播，可分为纵波(P)和横波(S)，经过边界反射后又可以形成PP、PS、SP、SS叠加波，水力连续冲击使混凝土内部应力波动状态十分复杂，当初始应力波和反射波在裂纹尖端相遇时，导致裂纹尖端应力强度因子的大幅提高，如此时裂纹尖端与骨料垂直或呈大夹角相遇时，能量得以向骨料充分释放。当骨料内应力强度因子KI大于骨料断裂韧度KIC时，裂纹将贯入至骨料内部，形成“穿骨传播”，使骨料发生宏观裂损、劈裂，如图8所示典型的穿骨裂纹。

从水力致裂混凝土CT扫描图中可以发现，裂纹连续扩展过程中存在大量的分岔行为，分岔传播的本质是应力波效应和裂纹动能的协同作用结果。当应力波叠加出现在裂纹扩展自由面时，应力强度因子KI发展到较高水平，裂纹会加速扩展，同时裂纹动能也会释放部分能量，当能量释放率瞬时峰值Gmax≥2RS(裂纹扩展阻力)时[16-17]，意味着应变能释放率达到同时驱动两条裂纹扩展所需能量，即导致主裂纹传播路径重新形成分支，发生分岔现象。

图8 穿骨传播与分岔传播

在水力冲击载荷下，混凝土破碎区维度不断增大，内部裂纹也不断向纵深扩展，随着水力作用距离增加其收敛性会逐渐降低，水力贯入所抵抗的壁面摩擦(Wall Friction)会急剧增加，同时，逆向反弹流与后续射流会在裂隙内形成强烈剪切与扰动(Fluid-Flow Disturbances)，会造成水力携能迅速降低，水力冲击诱发的应力波效应大幅减弱。而且，混凝土内裂纹的贯通，会一定程度上造成高压水的泄漏，削减水楔作用效果。当裂纹传播路径到达某一特定点，不再满足断裂力学裂纹起裂判据，便会出现裂纹止裂。

3 CT尺度损伤

在水力荷载冲击作用下，混凝土内部裂纹会以沿骨料与砂浆基体过渡区扩展、基体扩展及穿骨扩展的方式向自由面进行传播，裂纹的交织和相互贯通，最终使混凝土发生体积破坏。混凝土内部未破碎区域损伤分布及劣化特征，是评估混凝土残余强度的理论依据，与水力破碎混凝土技术的安全性密切相关。

3.1 图像处理方法

为了实现裂纹近域的CT尺度损伤的观测与研究，必须消除CT扫描过程设备状态、环境干扰及噪音等不确定因素的影响，并强化CT图像的感观信息分辨及追踪损伤能力，需借助图像分析技术对致裂混凝土的CT扫描图像后处理。

首先，通过直方图均衡化处理技术，在不影响CT扫描图像整体对比度前提下，增强细观结构的局部对比度，使得CT图像中更突出显示各细观结构差异性。图像处理主要过程包括：图像预处理，读入彩色图像将其灰度化、绘制直方图、直方图均衡化、图像均衡化。混凝土为多相材料，各相CT数相差较大，因此经过直方图均衡化后，可以采用阈值分割技术提取裂纹近域的损伤，阈值分割算法判定准则如下[18]

(5)

式中：f(i,j)为第i行，第j列的CT数；ξ为损伤的阈值，通过选取合适的阈值ξ可以将图像二值化，当f(i,j)≤ξ时，归为损伤区；当f(i,j) >ξ时，归为基体和骨料。

3.2 损伤分布特征

图9即为混凝土CT扫描图的阈值分割处理结果，可清晰地展示混凝土内部细观结构。为研究混凝土内部损伤空间分布特征，并避免区域位置的随机性影响，以通过主裂纹分岔点O的直线为边界，沿裂纹扩展方向由近及远逐层选取Section A、Section B、Section C及Section D，作为损伤研究典型区域。通过观测发现混凝土内部存在大量的“斑白”，尤其是在裂纹充分扩展区域Section A为 “斑白”的高密度区，在Section B、Section C 及Section D，虽然也存在部分“斑白”，但 “斑白”密度明显较小。表明Section A除了混凝土天然损伤外，必然包含了水力致裂诱发的损伤。

为了进一步量化致裂混凝土内部损伤分布特征，提出了一种基于图像灰度值的损伤表征方法。CT扫描图像损伤点与无损点所反映图像灰度的差异性十分明显，可根据该点的灰度值间接表征损伤。即以像素(Pixel，px)为长度计量单位对选定的CT扫描图像区域进行栅格化，得到单像素范围内的灰度值(Gray value)，通过提取和统计选定区域内图像灰度值，定量反映该区域内的损伤分布情况，图10为基于灰度值的混凝土损伤表征示意图。

图9 水力冲击混凝土CT扫描图阈值分割

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

本试验得到的CT扫描图像大小为303 px×303 px，可划分为303×303=91 809个像素点，综合每个像素点的灰度值，组建完全灰度值303×303矩阵，如图11所示。分别提取水力冲击前、后Section A、Section B、Section C及Section D内灰度平均值信息，计算该区域内的灰度平均值，如图12所示。从图12可知，水力冲击前各区域灰度平均值较高，且较为接近，而水力冲击后裂纹扩展较充分的Section A灰度值GVSection A出现降低，明显小于Section B、Section C及Section D的灰度值GVSection B≈GVSection C≈GVSection D。因此，结合图像灰度值与损伤表征关系，可定量表明Section A的损伤值远大于混凝土内部其它区域，为水力冲击混凝土主要致损影响区。

图10 基于灰度值的混凝土损伤表征示意图

图11 100×100灰度值矩阵

图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

在灰度值矩阵中任取一列目的灰度值信息，可得到其在空间上波动规律，如图13所示。通过对比该列目CT扫描图的细观结构，可以看到裂纹1、裂纹2出现的位置即为灰度值变化曲线的最小值，与实际情况相符合。通过对比骨料2～骨料5与灰度值波谷位置，可以发现骨料边界基本与波谷点相对应，结合图像灰度值与损伤表征关系，说明水力冲击作用在骨料与砂浆基体过渡区产生了损伤；在距离裂纹相对较远区域，可以发现骨料1、骨料6边界对应的灰度值没有出现明显的波谷，但仍存在极值点①和②、极值点③和④，说明随着距离增加，应力波效应衰减，对界面相造成的损伤已较为微弱。根据以上现象，可表明水力强冲击作用除在混凝土内部形成破碎区及诱发宏观裂纹外，还会在非破碎区相对薄弱的骨料与砂浆基体过渡区形成明显的损伤，并且距离裂纹越近，损伤劣化程度越明显。

图13 典型列目灰度值与CT扫描图

4 结 论

(1)结合混凝土细观破裂全方位CT扫描图及液固碰撞理论分析，阐释了水力冲击下混凝土典型致裂形态：V状锥形破碎核、径向裂纹及环向裂纹的发展形成力学机理，描述了水力冲击混凝土“启裂-扩展-溃裂”的物理过程。

(2)对水力致裂混凝土CT扫描图像裂纹扩展细观形态进行提取和识别，揭示了5种典型水力致裂裂纹的扩展特征和力学机制。

(3)提出了一种基于图像灰度值的损伤表征方法，定量地表明水力强冲击作用会在混凝土未破碎区的骨料与砂浆基体过渡区形成明显的损伤，并且距离裂纹越近，损伤劣化程度越严重。