单轴压缩下透水混凝土的结构损伤演化特征研究

林海兴，卢来运，江 锁，李 杨，李 阳

(中建七局安装工程有限公司，青海 海东 814000)

0 引 言

透水混凝土是土石坝坝面土工防渗垫层结构的重要材料，具有透气、透水、轻质、强度高和施工方便等优点[1]。透水混凝土是由粗骨料、硅酸盐水泥、外掺剂和水等物料拌和成的一种特殊混凝土[2]，与常规混凝土相比，其浆料中不含细骨料，透水混凝土是通过水泥浆对粗骨料的包裹作用，形成多孔蜂窝状结构。透水混凝土在坝面土工防渗垫层起到迅速导流的作用，可以缓解地下水水位上升对大坝边坡稳定性的不良影响[3]。透水混凝土是一种复杂的多孔介质材料，其孔隙特征关系到对地下水渗透和流动特性，同时也影响混凝土的宏观力学性能。对于混凝土孔隙特点的研究是认识土工防渗垫层结构内部地下水赋存、运移和渗透的重要依据，也是预测混凝土力学性质的重要参考[4]。随着微观结构分析技术与数值模拟方法的发展，对材料内部微观结构特点的研究成为一个热点。由于粗骨料颗粒的不均匀分布和形状不规则特点，透水混凝土内部的孔隙结构异常复杂，无法用常规的观察手段对其进行观测。CT扫描试验是一种无损的成像技术，在材料的微观结构探测中被广泛应用[5]。CT扫描试验不破坏材料结构，直接获取孔隙的分布特征，对混凝土的微观结构观测具有适用性[6]。

随着透水混凝土材料在土石坝防渗工程中的应用，材料微观结构特征对于防渗结构强度性能与服役寿命有十分重要的作用。对于透水混凝土孔隙特征与力学性能的研究，前人已经取得了一些成果[7～8]，但是对于在力学测试过程中，观测混凝土裂隙演化特点的研究还比较罕见。为了对透水混凝土微观结构特征开展进一步研究，利用CT技术对单轴压缩过程中的透水混凝土开展扫描，得到了可视化图像与量化表征指标，分析了不同变形阶段对孔、裂隙分布的影响规律。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验采用砾石作为粗骨料，骨料最大粒度15.6 mm，经过破碎、筛分，粗骨料粒径级别为5～15 mm。选用P.C42.5复合硅酸盐水泥作为凝胶材料。制样过程中，为了使得混凝土浆料拌和均匀，将粗骨料和硅酸盐水泥干拌2 min；最后在搅拌桶中倒入一定质量的水和减水剂拌和2 min，透水混凝土的浆料如图1a所示。在试件成型过程中，采用振动台振捣方式的成模，先持续振捣60 s，然后进行10次时长为5 s的瞬时振动，将搅拌好的浆料分两层加入试模。对成型的混凝土采用进行温度为(20±2)℃，相对湿度为95%的养护，28 d后拆模。进行试验的试样为直径38 mm，高度80 mm的圆柱体试样，透水混凝土的浇筑试样如图1b所示。

图1 透水混凝土的浆料和试样

1.2 试验过程

参照国家标准GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》，采用伺服型万能试验机对混凝土进行单轴压缩强度测试，得到混凝土样品的应力-应变曲线，结果如图2所示。在单轴压缩过程中，分别在混凝土试样轴向应变为0.4%、1.1%和1.8%时将试样取出万能试验机，开展CT扫描试验。图2所示的是试验得到的透水混凝土应力-应变曲线，图片是每个测试点的CT扫描结果示意图，可以看出在压缩过程中材料的结构损伤逐渐积累，裂纹明显扩展。

图2 透水混凝土的单轴压缩应力应变曲线

采用工业CT扫描仪进行透水混凝土的扫描试验。首先，将混凝土试样放在CT扫描仪中进行扫描，得到试样的原始二维图像；然后，采用图像分析软件按照灰度值进区域分割；最后，将样品的连续二维图像进行叠加显示，并进行信息提取。

2 试验结果

2.1 CT扫描图像

图3 CT扫描试验结果示意

由CT扫描试验得到一系列沿试样轴向的二维图像，如图3所示。在二维混凝土扫描图像中，由于混凝土砂浆水化物与孔隙密度的差异非常明显，通过X射线衰减系数可对透水混凝土内部孔隙进行识别。在CT扫描图像中，孔隙为黑色，水泥砂浆的水化物为深灰色，粗骨料表现为浅灰色。为了便于对比分析单轴压缩的破坏程度对混凝土裂隙演化规律的影响，对透水混凝土的CT扫描横截面图像进行二值化处理以突出显示孔隙分布，二值化图片如图3b所示，可以看出初始状态下的混凝土内部仅有少量小尺寸孔隙，水泥对骨料间隙的填充效果较好，混凝土整体比较密实。

图4所示的是不同变形阶段的透水混凝土裂隙纵断面图像，可以观察到由CT扫描图像显示的孔、裂隙演化过程，经过二值化处理后，图像具有清晰的可视化的效果。透水混凝土内部结构被划分成3个不同成分，其中骨料和水泥水化物组成的固相占据大部分面积，孔、裂隙的含量随轴向应变ε增长而明显提高。其中，ε=0.4%的试样的处于弹性变形状态，混凝土内部以孔隙为主，未出现裂隙，表明其微观结构的损伤较小；当轴向应变ε=1.2%时，试样处于峰值应力下的塑性变形阶段，混凝土内部的孔隙进一步增加和扩大，并且出现了大量裂隙，表明混凝土试样在这一阶段的损伤效应明显提高；当轴向应变ε=1.8%时，试样处于残余变形阶段，结构损伤进一步累积，在透水混凝土内部裂隙相互连通形成复杂的裂隙网络。

图4 不同变形阶段混凝土的孔、裂隙分布结果

2.2 孔、裂隙的孔径分布曲线

在分析孔、裂隙尺寸分布时，采用体积等效的方法将所用形状复杂的孔、裂隙为球体，利用等效半径表征孔、裂隙尺寸。图5表征的是不同变形阶段的孔、裂隙的等效直径频率分布曲线。由图5可知，在单轴压缩过程中，孔、裂隙直径频率分布曲线随变形量的增加有明显改变。处于弹性变形阶段的试样，几乎90%的等效直径在50 μm以下，且50%以上的等效直径<20 μm；在塑性变形阶段，大尺寸的孔、裂隙分布频率明显上升，最大等效孔径超过了120 μm，小于50 μm的孔、裂隙含量降至50%以下；进入残余变形阶段后，孔、裂隙的尺寸进一步增加，最大等效孔径超过了180 μm，50 μm以下的孔、裂隙分布频率仅为36.5%。说明在单轴压缩过程中，混凝土内部损伤程度持续发展，孔、裂隙的等效孔径频率分布曲线逐渐向大尺寸倾斜。

图5 不同变形阶段的孔径分布曲线

2.3 不同变形阶段的孔、裂隙量化指标

由统计分析对混凝土的孔、裂隙演化规律开展进一步分析，获取了定量表征透水混凝土材料结构损伤程度的孔隙率、孔隙尺寸指标和孔隙连通度3个重要指标。

2.3.1孔隙率

孔隙率ω是二值化模型中孔、裂隙所占的体积含量，其数值大小为扫描图像中孔、裂隙像素数量与试样像素总量的比值。图6所示的是在不同变形阶段中，透水混凝土试样的孔隙率ω与轴向应变ω之间的关系曲线。由图6可知，孔隙率ω与轴向应变ε呈指数型函数关系，相关系数平方大于0.96，说明该指数函数可以很好地拟合孔隙率与应变的数学关系。由曲线变化特征发现轴向应变ε在0.4%～1.1%之间时，孔隙率ω由初始状态的1.71%小幅增长至2.45%；轴向应变ε为1.1%～1.8%过程中，孔隙率ω由2.55%增至6.20%。说明在弹性阶段，混凝土孔隙扩展速度较慢，随变形程度增加到塑性和残余阶段，孔隙率上升速度不断增加，说明结构损伤逐渐累积并最终导致砂浆结构的破损。

图6 孔隙率与轴向应变的关系

2.3.2吼道尺寸指标

在透水混凝土的孔、裂隙模型中，按照等效体积原则将孔、裂隙视为喉道形，混凝土中体积最大的裂隙为主裂隙喉道。主裂隙喉道的最大长度L与平均直径R是描述混凝土孔、裂隙发育程度的重要指标，随轴向应变增加的变化规律可以表征孔喉的尺寸演化规律，如图7所示。由图7可知，吼道尺寸特征参数(L和R)随轴向应变升高而增大，且L与R随应变升高呈线性增长趋势，孔喉尺寸指标反映了主裂隙的发育程度随变形量增加而呈线性上升。

图7 孔喉尺寸与轴向应变的关系

连通度指标反映了透水混凝土内部孔、裂隙相互连通的程度[9]，由图4所示的CT扫描结果发现，在轴向应变升高过程中，材料中的裂隙逐渐连通的现象非常明显。因此，本研究以最大裂隙的像素数量占总孔隙的像素的比例作为孔隙连通度指标，记为f。不同轴向应变下的混凝土孔隙连通度指标如图8所示。由图8可知，弹性变形状态下的混凝土孔隙连通度很低，表明处于压密状态的混凝土内部没有明显裂隙连通现象出现；当混凝土试样进入塑性变形阶段后，连通度f超过26%，说明单轴压缩作用使得混凝土内部裂隙出现了连通现象；进入残余变形阶段的试样的孔隙连通度进一步增加至58%，且上升的斜率有所提高，说明孔、裂隙在试样发生破坏以后继续连通，且连通速率有所增加。

图8 孔隙连通度与轴向应变的关系

3 微观机理讨论

结合扫描图像与透水混凝土的破坏特征对试验现象的微观机理进行分析。由于弹性阶段的透水混凝土受到初始压密效应的作用，试样内部的颗粒排列比较致密，孔隙率和孔隙尺寸均较小，且没有出现裂隙，而由于孔隙数量较多且相互独立，导致孔隙连通度很低[10]。当荷载逐渐增加时，混凝土内部的压密效应达到极限，混凝土内部积累大量破坏势能导致骨料颗粒与凝胶结构发生位移和形变。图9为混凝土的内部微观结构，可知初始状态下的骨料在凝胶结构的粘结作用下排列整齐、紧密，因而具有较强的承载能力。在颗粒间的挤压应力作用下，骨料颗粒存在转动、平行错动趋势，凝胶结构也逐渐发生破坏，导致材料的破坏程度逐渐增加。随着破坏程度增加，混凝土内部结构的裂隙开始萌发和扩展，裂隙尺寸随变形量增长而大幅上升，裂隙间的连通度也大幅增加[10]。当混凝土进入残余变形阶段后，形成错综复杂的裂隙网，此时混凝土内部结构有明显破损。

图9 混凝土的内部微观结构示意

4 结 论

(1)利用CT扫描技术获得透水混凝土的扫描图像和孔径分布曲线的变化规律表明裂隙网络在荷载作用下逐渐扩展和连通。

(2)在单轴压缩试验过程中，随混凝土轴向应变升高，孔隙率保持指数函数上升，孔喉尺寸的量化指标保持线性增长趋势，孔隙连通度也呈上升趋势。

(3)透水混凝土在单轴压缩的破坏过程中，孔、裂隙的扩展现象是由于混凝土内部破坏势能释放，从而导致骨料出现位移和凝胶结构发生形变的结果。