混凝土材料细观力学试验技术研究综述

胡力绳，曹 浪，王红强，杨 琴，贾 超，朱珂正

1.中铁二局集团有限公司，四川 成都 610000

2.深圳中铁二局工程有限公司，广东 深圳 518000

3.西华大学土木建筑与环境学院，四川 成都 610039

从细观尺度上看，混凝土是由骨料、砂浆、孔隙三相组成的复合材料。细观层面主要研究混凝土各相材料的力学性能及内部微裂缝等初始缺陷的产生与发展。随着自动控制系统和电液伺服加载系统在结构试验中的广泛应用，能够为试件提供不同的应力状态。然而，混凝土材料在各种应力状态下，难以直接观测到其内部的损伤破裂过程，因此需要一些可以直观分析研究混凝土材料内部破裂过程的方法[1]。

1 声发射技术

声发射技术是指通过灵敏的声发射仪或声射频度仪等接收设备，对材料或构件进行动态无损检测的技术。混凝土材料在外部荷载作用下产生形变及内部损伤扩展演化的同时，会伴有能量波的释放，即声发射现象。因此，研究人员通过对声发射信号进行统计和研究，可以测定微裂缝的大小、方向以及类型，并推断出材料内部损伤程度。

在国外，Berthaud等[2]利用声发射技术观测混凝土受拉试验中单条微裂缝的产生及发展过程，发现其周围确实存在损伤区；Sagar等[3-4]通过声发射试验研究了混凝土试件的断裂能，并将数值模拟方法与声发射相结合，讨论了混凝土中的损伤分布。在国内，李建涛等[5]、陈伟强等[6]分别利用声发射技术对混凝土破裂过程进行观测，揭示了混凝土破裂过程中内部损伤演化和声发射频数的对应关系，进一步认识了混凝土的破裂机理。

声发射技术作为一种动态无损监测手段，由于对被检件的要求不高，同时也适用于难以或不能接近环境下（如极端温度）的监测，并且声发射现象在固体中是普遍存在的，因此该方法被应用于岩石类混凝土材料细观试验研究中。但是该方法具有局限性，仅在在动态情况下才能形成声发射信号，无法监测静态缺陷状态，且易受外界噪声的干扰。在声波传播过程中，由于波的衰减、反射这一复杂过程，使原始信号产生变化，从而干扰对声发射源的捕捉。

2 CT扫描技术

X射线CT扫描技术基于20世纪建立的层析学理论，其将物体组分的参数与其投影联系起来。CT设备通过发射X射线照射到物体上，根据透过物体射线的衰减情况，显示出物体任意断面的CT图像，以此获得物体内部结构的详细信息。

国外学者在20世纪80年代末开始将CT扫描技术运用到混凝土的研究中。Morgan等[7]最早通过医用CT对混凝土进行扫描观测；Lawer等[8]利用CT扫描分析了试件内部裂纹的三维特征；Suzuki等[9]采用相同方法评价冻融混凝土损伤。在国内，杨更社等[10]基于CT数的空间分布规律对混凝土的损伤情况和规律进行了分析描述，并提出以CT数为损伤变量并应用于与混凝土损伤的本构关系。仵彦卿等[11]、丁卫华等[12]分别对单轴、三轴加载下的岩石进行了CT试验，根据结果将其损伤破坏过程划分成不同阶段，并对其演化机理进行了分析研究。陈薇等[13]利用CT扫描技术研究了高性能混凝土在高温环境下内部孔隙的一系列扩展演化过程，并对其高温裂爆机理进行了分析探讨。刘京红等[14]通过工业CT对单轴压缩状态下的混凝土试样进行了扫描，基于CT图像得出了不同加载程度下混凝土裂纹及孔隙的变化规律。田威等[15]研制出了与医用CT配套的便携式动态加载装置，对混凝土进行了单轴压缩试验的实时扫描观测，并对试验数据进行拟合分析后得到了关于应变和损伤变量的经验公式，提出了分段的损伤演化方程及损伤本构模型。

随着科学技术的不断发展，张臻等[16]通过对CT图像进行分割处理后，利用Amira、MIMICS等专业软件，基于CT图片能够得到混凝土的三维重构模型，还可以实现内部损伤的可视化或是有限元模拟分析，为真实反映混凝土材料内部结构和深入研究混凝土材料损伤劣化机理开辟了新的途径。

利用CT扫描技术可以对材料内部损伤的扩展演化进行观察，但是由于CT设备精度及扫描速率的限制，CT技术用于观测裂纹等内部缺陷的实时动态扩展仍处在探索阶段，对荷载作用下混凝土的破坏过程仍无法实现完全意义上的实时观测。

3 光学检测方法

目前较为常用的光学类检测方法主要有光学显微镜法及电子显微镜法等。电子显微镜法主要分为扫描电子显微镜和透射电子显微镜，后者具有更高的分辨率，可达到0.2～0.3nm级，但是该方法对试样的厚薄程度要求较为严格，因此在实际运用时多选用扫描电镜技术。光学显微镜法是通过光学原理，即凸透镜放大成像原理，将微小的物体放大到人眼能够分辨识别的尺寸。由于该方法简便高效，且能够直观地获取被测物体的成像，普遍与扫描电镜相结合应用于岩石类混凝土材料的裂缝、孔隙等微观构造的定量分析研究。谢和平等[17]、刘小明等[18]通过扫描电镜和光学显微镜对岩石断口的裂缝和形貌进行了观察，研究探讨了岩石断裂时裂缝及扩展演化过程，进一步探讨了围岩的岩爆机理。赵金侠等[19]为了优化超高性能混凝土的制备方法，进行了轴压试验和扫描电镜试验，分析了水胶比等因素对其力学性能的影响及内部微观结构的影响规律。王宗熙等[20]通过扫描电镜观察了不同配比的粉煤灰混凝土溶蚀后细观结构的分布情况，并探讨了其机理。何锐等[21]为了研究高原气候环境对混凝土力学性能的影响及作用机理，利用扫描电镜和原子力显微镜对其内部细观结构进行了分析。

通过上述研究可知，光学显微镜及电子显微镜技术被广泛应用于细观力学试验研究，但是其也存在一定的局限性，如根据试验设备的选取，对被测物体的体积大小具有一定的要求，且仅能对试样表面的细观结构破损演化过程进行观测，代表性较低。

随着技术手段的发展，相关研究人员逐渐将数字散斑相关方法的光力学检测技术与其他光学检测方法相结合运用到混凝土的细观试验中，且取得了较好的试验效果。王怀文等[22]、彭瑞东等[23]将数字散斑相关方法与配有扫描电镜的伺服实验机相结合，并对其精度和误差进行了分析讨论，能够更加准确地对SEM图像中细微观变形进行定量分析。黄正红等[24]对混凝土试样进行了张拉荷载试验，并通过数字散斑相关方法获取了位移场等值线分布特征，基于此，进一步研究了混凝土在张拉应力作用下内部裂缝的真实扩展演化规律及裂纹交汇方式。目前数字散斑相关方法的应用趋势主要是与扫描电镜等具有较高分辨率及放大倍数的方法手段相结合，对放大倍数环境下的细微观变形场进行测量分析。但是在大变形、大转角测量和精度问题方面仍存在一定的局限性，要想使该方法具有更好的实际运用效果，研究人员需要对相关的数学算法进行改进。

4 结束语

上述研究成果可以帮助研究人员在荷载作用下对混凝土材料内部的细观结构及其损伤演化过程进行观测和定量分析。但是由于试验技术和设备自身的影响，上述技术方法主要应用于简单荷载情况下的混凝土材料分析，而实际工程中混凝土结构的受力情况是更加复杂多样的，且各种技术方法都具有一定的缺陷和局限性。因此，对于混凝土类材料的细观力学试验，研究人员需要不断创新和突破现有技术方法的局限性。