基于CT图像三维重建的高温下高性能混凝土孔隙衍化分析

石丽娜，杜红秀，徐瑶瑶

(太原理工大学土木工程学院，太原 030024)

0 引 言

近年来，随着我国基础设施大规模发展，高性能混凝土因其高工作性、高耐久性、服役环境多样性而得到青睐，它可以为建筑提供优质的结构材料，为建筑生命提供保障[1]。但因其高致密性和低渗透性，在高温作用下内部微结构损伤严重且极易爆裂，导致力学性能显著下降[2]。研究发现，聚丙烯纤维的加入可以抑制高温作用下混凝土内部微裂缝的萌生和发展及高温爆裂[3-4]。

混凝土是一种多相的非均质复合材料，对其高温后的性能可从宏观、细观和微观尺度展开研究[5-8]，本团队在混凝土高温后强度、裂缝数量及孔径分布等方面进行了研究。在这些多尺度模型中，细观分析是深入了解混凝土损伤行为的有价值和可行的工具[9-10]。

X射线CT技术具有良好的空间分辨率，可将扫描得到的图片重建为三维模型，进而研究其结构，是用于混凝土微结构分析的一种新型无损检测技术[11]。目前对高性能混凝土高温作用后三维重建模拟研究较少。本研究根据CT扫描数据，采用MIMICS软件对掺与不掺聚丙烯纤维的高性能混凝土进行三维细观结构的重建，得到不同温度作用下混凝土的细观结构图像，深入研究高性能混凝土高温作用下微结构的变化规律，以期为混凝土抗火设计及火灾后修复提供试验依据。

1 实 验

1.1 原材料

水泥：太原产P·O 42.5普通硅酸盐水泥，28 d抗折强度6.8 MPa,28 d抗压强度46.3 MPa。

粗骨料：5～20 mm连续粒级、级配合格的石灰石碎石。

细骨料：细度模数2.89、级配良好的豆罗砂。

矿渣粉：太原产S95级粒化高炉矿渣。

粉煤灰：太原产粉煤灰，Ⅰ级，安定性符合要求。

减水剂：太原产聚羧酸减水剂。

聚丙烯纤维：熔点165 ℃，长度8 mm，直径25 μm，体积掺量0.2%。

水：自来水。

1.2 配合比

依据《高性能混凝土应用技术规程》(CECS 207—2006)、《纤维混凝土应用技术规程》(JGJT 221—2010)进行C60强度等级混凝土配合比设计，制备掺加聚丙烯纤维混凝土(PPHPC)与不掺加聚丙烯纤维混凝土(HPC)，配合比如表1所示。

表1 C60混凝土试验配合比Table 1 Test mix proportion of C60 concrete /(kg/m3)

1.3 试件制备

依据《高性能混凝土应用技术规程》(CECS 207—2006)，制备试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm立方体试块，设定混凝土拌合物坍落度为(200±20) mm。选用60 L卧式强制式搅拌机进行混凝土的搅拌，具体流程如图1所示。

图1 混凝土搅拌流程图
Fig.1 Flow chart of concrete mixing

1.4 CT扫描和高温试验方法

混凝土养护28 d后，每组各取3个试件进行抗压强度测试，经测试混凝土抗压强度满足C60强度。试验采用CT扫描设备为μCF225FCB高分辨显微X射线CT系统，高温加载装置为太原理工大学矿业工程学院研制的高温加热炉，模拟高温火灾环境，如图2、图3所示。

图3 模拟高温试验装置Fig.3 Simulated high temperature test device

图2 μCF225FCB高分辨显微CT系统Fig.2 μCF225FCB high-resolution micro-CT system

CT试验所需试件通过立方体试块切割、钻芯得到长5.65 mm、直径6 mm的圆柱体。试验步骤为：(1)将试件放入干燥箱中干燥至恒重后放到转动台上，调整位置并固定。通过配套软件调整转动台位置，试验放大倍数为53.85 倍，先对常温下试件进行扫描。(2)扫描结束后，将试件转入高温炉中进行加热。设定目标温度200 ℃，加热速率为5 ℃/min，达到目标温度后恒温10 min[8]，使试件受热均匀，之后进行CT扫描。(3)重复步骤(2)，可获得300～600 ℃高温作用后的扫描图像，其中300 ℃后恒温10 min，400 ℃、500 ℃后恒温15 min，600 ℃后恒温20 min[8]。

2 混凝土三维模型重建

2.1 CT图像处理

(1)CT图像预处理：利用CT扫描系统软件将扫描数据进行图像重建，得到1 500张试件扫描图像。

(2)图像二值化处理：二值化处理是将整个图像呈现为明显黑白效果的过程，利用MATLAB软件中的graythresh函数(最大类间方差法，即OTSU法)找到阈值[12]并进行二值化处理，批量处理CT图像，图像重建及二值化处理后图片如图4所示。

图4 CT重建图及二值化处理后图片Fig.4 CT reconstruction images and image after binarization

(3)图像颜色处理：为了使混凝土基体、孔隙及混凝土以外区域在软件中进行重建时有明显界限，需对图像进行颜色处理，区分混凝土基体、孔隙以及外部区域灰度值。将图像导入Photoshop中，先将黑白两种颜色进行反相处理。然后进行背景更换处理，将混凝土以外区域更改为蓝色。

2.2 三维重建过程及数据处理

将预处理后的图像导入MIMICS，选用命令Mask重建混凝土基体和孔隙裂隙两个蒙版，通过Calculate Masks建立混凝土基体和孔隙裂隙两部分模型，重建后可得到各温度下HPC和PPHPC共12个模型，常温时混凝土的三维重构图见图5。利用命令Analyze Pores可对模型进行孔隙体积、表面积、数量、孔隙分布等分析。

图5 20 ℃时混凝土三维重构模型Fig.5 3D reconstruction model of concrete at 20 ℃

3 结果与讨论

试验对比分析掺与不掺聚丙烯纤维混凝土高温后内部孔隙变化，PPHPC与HPC相比，在其余材料物相变化相同的基础上，探究聚丙烯纤维经过高温熔化对混凝土内部结构的影响。

3.1 高性能混凝土不同温度作用后孔隙体积衍化分析

混凝土经过不同温度作用后的内部孔隙体积及体积增长率见图6。由图可知随作用温度的升高混凝土内部孔隙体积持续增长。PPHPC原生孔隙较HPC多，但PPHPC增长速率始终低于HPC的增长速率。200 ℃、300 ℃、400 ℃时PPHPC较HPC孔隙体积增长率分别降低65.92%、73.83%、77.44%，500 ℃、600 ℃时PPHPC较HPC孔隙体积增长率分别降低34.39%、43.10%。400 ℃前PPHPC与HPC相比，PPHPC孔隙体积增长率降低的百分比大于400 ℃之后的百分比，表明聚丙烯纤维的熔化在400 ℃前可改善混凝土高温劣化性能。500 ℃时PPHPC孔隙体积增长速率急剧增大，内部劣化严重，PPHPC与HPC在600 ℃时孔隙体积比500 ℃时的增长率分别增加9.25%、20.43%，PPHPC的劣化程度较HPC小。

图6 混凝土内部孔隙体积及体积增长率Fig.6 Internal pore volume and volume growth rate of concrete

3.2 高性能混凝土不同温度作用后孔隙表面积衍化分析

混凝土经过不同温度作用后内部孔隙表面积及表面积增长率见图7。随作用温度升高混凝土内部孔隙表面积呈现不同幅度的增加。PPHPC原生孔隙较多，孔隙表面积大于HPC，PPHPC在200 ℃时孔隙表面积较常温时略有下降，200 ℃后孔隙表面积随作用温度的升高持续增大。200 ℃、300 ℃、400 ℃时PPHPC较HPC孔隙表面积增长率分别降低116.19%、63.98%、72.30%，500 ℃、600 ℃时PPHPC较HPC孔隙体积增长率分别降低-57.21%、8.25%。500 ℃时孔隙表面积急剧增长，表面积增长率高于HPC，600 ℃时孔隙表面积增长率比HPC小。原因可能是聚丙烯纤维的熔化可释放混凝土内部蒸汽压[13]，从而减缓混凝土内部孔隙的劣化程度，抑制孔隙的产生及延伸，与孔隙体积的演变规律基本一致。

图7 混凝土内部孔隙表面积及表面积增长率Fig.7 Internal pore surface area and surface area growth rate of concrete

3.3 高性能混凝土孔隙直径分布

混凝土内部孔隙的孔径分布随温度变化见图8、图9。

图9 PPHPC内部孔隙孔径分布Fig.9 Internal pore size distribution of PPHPC

图8 HPC内部孔隙孔径分布Fig.8 Internal pore size distribution of HPC

HPC在200 ℃时孔隙总数量较常温相比稍有增加；300 ℃、400 ℃时孔隙总数量继续增加，其中孔径小于20 μm的孔隙数量增加明显，混凝土内部萌生小孔隙；500 ℃时10～20 μm、40～50 μm孔径范围的孔隙数量增大；600 ℃时各孔径孔隙数量急剧上升，混凝土内部孔隙受高温影响劣化较严重。

PPHPC在200 ℃时孔径范围小于20 μm的孔隙数量呈明显增长，其中小于5 μm孔隙数量增长达80.50%，混凝土内部小孔隙较多；300 ℃时小于20 μm孔径范围孔隙数量减小，大于20 μm孔径孔隙数量均增大，不同于HPC变化；400 ℃时孔隙数量变化较小，混凝土内部劣化程度较小；500 ℃时各孔径孔隙数量增加，微结构劣化程度较大；600 ℃后小于40 μm孔径范围孔隙数量增大，大于40 μm孔径范围的孔隙数量减小。

PPHPC在400 ℃前孔隙变化不同于HPC，200 ℃时由于聚丙烯纤维的熔化有大量孔隙增加，300 ℃时较大孔隙数量增加，400 ℃时变化缓慢。500 ℃时聚丙烯纤维熔化后留下孔道使孔隙数量增加较HPC多。聚丙烯纤维的加入在200～400 ℃时可减缓孔隙的增加，改善混凝土的劣化程度。

3.4 高性能混凝土细观孔隙衍化分析

为了能更好地反映高温对混凝土内部微结构的影响，基于处理后的CT图像对混凝土各个温度作用后同一位置处的孔隙进行提取。将提取后的孔隙图像导入MIMICS进行重建，重建图见图10、图11。

图11 PPHPC不同温度作用后孔隙重建图Fig.11 Reconstruction of defects after different temperatures of PPHPC

图10 HPC不同温度作用后孔隙重建图Fig.10 Reconstruction of defects after different temperatures of HPC

由图可知，常温时HPC与PPHPC原生孔隙间有极少量裂纹，随着温度的升高，孔隙周围开始产生新裂纹，孔隙之间的裂纹也逐渐增多。PPHPC与HPC相比，200～400 ℃后产生的新孔隙较少且孔隙劣化程度较低，说明聚丙烯纤维的加入可改善400 ℃前的劣化程度；500 ℃后PPHPC的孔隙增长明显高于HPC，该阶段发生了新孔隙的萌生以及原有孔隙发展、延伸；600 ℃后混凝土内部孔隙劣化严重，孔隙增多、孔径变大并连通，但PPHPC劣化程度比HPC小。这与混凝土内部孔隙体积、表面积得出的结论一致。

与HPC相比，PPHPC原生孔隙间裂纹的数量及长度明显降低，表明虽然聚丙烯纤维的加入使混凝土原生孔隙增多，但聚丙烯纤维熔化后的孔隙可释放混凝土内部蒸汽压，抑制高温爆裂，缓解对高温劣化的影响。

4 结 论

(1)混凝土孔隙体积随作用温度的增长呈现不同幅度增长，PPHPC的增长速率始终低于HPC，PPHPC在400 ℃之前内部孔隙增长率较小，400～600 ℃温度区间有较大增长，500 ℃时增长速率最大。

(2)PPHPC孔隙表面积始终大于HPC，HPC内部孔隙表面积随作用温度的增加呈现不同幅度的增加。PPHPC在200 ℃后孔隙表面积出现下降，此后随作用温度的升高持续增大，PPHPC在400 ℃作用温度前孔隙表面积增长率始终小于HPC，500 ℃后高于HPC，600 ℃后增长率小于HPC。

(3)混凝土经不同温度作用后，聚丙烯纤维的熔化可在200～400 ℃减缓混凝土小孔隙的增加，有利于抑制高性能混凝土的高温爆裂，并减缓高温对混凝土内部结构劣化的影响。