1、新技术新产品一_INew TechnologyProductsCT技术在混凝土中的应用郝景宏(三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌443002)摘 要：采用CT技术进行混凝土内部结构无损探测，源于20-世-8E,80年代，并由最初对cT图像的认识逐步深化为对混凝土裂纹演化规律的分析和应用研究。cT是研究混凝土和岩石内部裂纹演化规律的有效手段。关键词：x射线混凝土cT；裂纹识别；图像处理在混凝土力学领域，采用数值方法模拟各种工况下结构的变形、破坏过程时，需要采用不同的本构关系。混凝土单轴拉伸、单轴压缩、劈拉、剪切、常三轴、卸荷条件下的变形和破坏过程的细观机理差别较大。混凝土结构从变形到破坏要经历材料
2、的渐进损伤到以裂纹结构演化为主的两个阶段，其中后一个阶段的变化细节对研究裂纹模型建立和力学特性研究都具有重要意义。混凝土裂纹演化过程的观察和描述已经成为混凝土CT研究解决问题的关键。混凝土的CT研究在国外仅有30年的历史，而在我国只有十几年的历史。近年来，x射线混凝土的CT研究已经成为混凝土材料细jl!ll破裂过程的热点课题。目前虽取得了一些进展，但仍处于研究的初级阶段。根据CT基本原理，混凝土各组分物理密度不同，反映在CT图像上各部位的CT数不同，从而形成骨料、砂浆、孔洞等灰度不同的影像图。混凝土试件受力产生细观裂纹后。相应的CT图像部位灰度降低，形成线状或环状影像，称之为cT尺度裂纹，属于
3、基于X射线CT分辨率条件下的细观裂纹，是混凝土CT的主要研究对象。目前关于裂纹具体形状的描述和萌生时间的判定问题尚未解决，关于混凝土CT图像中裂纹的定量分析进展不大。裂纹模式识别、空间定位和演化过程描述等问题依然存在。这些已经成为制约混凝土CT发展的瓶颈问题。所以，基于模糊数学理论，采用数据挖掘、图像处理技术提取CT图像巾除CT数以外的间接信息，分析混凝土的损伤演化过程，识别混凝土初始损伤及演化裂纹，定量评估混凝土裂纹发展状态是未来的研究趋势。62 CHINA CONCRETE 201008 NO141混凝土材料的CT实验研究现状上世纪80年代。Morgan等首次采用医用cT对混凝土小试件进行
4、CT扫描，获得了比较清晰的骨料、砂浆、裂纹的混凝土断面图像。Oral Buyukozturk：il亘过对基于x射线或1射线的cT方法、热红外线法、微波法、声发射法等的对比，发现骨料、砂浆、孔洞等组分在CT图像中清晰可见，认为x射线CT是研究混凝土内部结构的有效方法。John等采用数字图像关联术分析昆凝土表面破裂模式，采用x射线cT分析三维裂纹内部特征，发现DIC适合于观察混凝土表面的小裂纹，x射线CT描述混凝土内部大裂纹更有效，两种方法结合能体现裂纹演化过程中内部结构特征的影响，并讨论r骨料形状、裂纹形状对混凝土强度和韧性的影响。由于从细观尺度研究混凝土材料力学性质只是最近十几年的热点课题，且
5、专门做混凝土细观破坏实验的CT扫描利用率太低，尽管国外x射线CT在混凝土的组分和结构研究中应用广泛，但目前国内利用x射线cT研究混凝土相当少，发展进程缓慢。陈厚群等根据CT物理原理和差值图像运算建立了混凝土CT图像中裂纹区域的定量分析方法，从理论上探讨了以往在混凝土CT图像中受骨料影响裂纹是否出现难以确定及裂纹出现后其具体区域也无法确定的难题，为定量描述裂纹形态和位置奠定了基础。周尚志等应用x射线CT对单轴压缩条件下混凝土的细观破裂过程进行了实时扫描观测，获得了混凝土试件内部CT尺度裂纹开裂、扩展、连通的全过程CT图像。CT图像显示，混凝土材料进入屈服阶段的现象是不同的cT尺度裂纹各自变形和扩
6、万方数据展。裂纹发生部位在砂浆与骨料之间。进入软化阶段的现象是不同的CT尺度裂纹相互贯通。分析结果表明。非线性阶段CT尺度裂纹的扩展和变形对混凝土强度和变形有决定性影响。陈厚群等通过分析混凝士试件各扫描断面大统计区域平均cT数变化，表明静力压缩条件下混凝土在强度峰值前的CT数呈均匀变化，表现为整体压密和扩容。小统计域平均CT数变化则对裂纹萌生更敏感。对CT图像进行等密度分割，可以精确地显示裂纹萌生部位和扩展过程。姜袁等基于CT扫描的DICOM格式原始数据的调用，建立了混凝士或钢纤维混凝土真实细观结构的三维模型，避免采用普通物理光学图像或256色灰度图建寺细观结构而导致信息大量损失的不足，较好地
7、体现了混凝土的非均质性。缪仑对混凝土试件进行超声波检测实验。并研究了超声CT图像的重建理论。黄靓利用超声CT实验研究了基于双参量的混凝七内部缺陷判别。吴丽琴通过图像分析与CT数的分布描述材料的损伤特性，从细观角度上揭示混凝土内部破裂过程，即初裂应力，裂纹扩展过程。唐修生利用常规超声波技术对混凝土的损伤断裂特性进行实验研究，并研究了各种反演算法的计算效果。王婷以探测混凝土构建内部缺陷为研究同的，将红外成像技术与超声CT成像技术相结合，采用数据融合技术进行混凝土i维网像的定量分析与缺陷类型的定性评价。首次将红外图像融合技术引人混凝土结构缺陷探测巾，为实现对混凝土结构内部缺陷的分析提供了全面、精细的
8、图像信息。研究表明，超声CT是研究混凝土内部损伤的一种町行方法，也便于对大体积混凝士做无损探伤，但在研究混凝土细观破损机理方面，x射线CT有其无法比拟的优势。首先，应用超声波时，波穿过被测试物体将产生明显的折射、反射、散射等物理过程，不利于图像重建；其次，x射线CT扫描图像在清晰度，精度等方面都有超声crr-不能企及的优势。2 xll,t线混凝土内部裂纹的研究现状丁卫华首先提jcT尺度的概念，其含义是基于x射线CT设备分辨率水平(一般在10一l mm)，通过图像处理后，能够从CT图像中识别的特定物质或结构的最小尺度。虽然x射线用于岩石细观结构研究要晚于在混凝土中的应用，但在岩石cT尺度裂纹研究
9、领域已经超越了对混凝土的研究。葛修润进行了三轴和单轴荷载作用下煤岩破坏全过程的细观损伤演化规律的实时动态实验，定义了一个基于CT数的新的损伤变量：通过单轴压缩荷载作用下岩石蠕变细观损伤演化CT实时实验，得到了岩石蠕变损伤演化全过程中从裂纹萌生、伸长、增宽、分叉、断裂到破坏等各个阶段清晰的CT图像，从CT数和CT图像的变化规律出发，对岩石蠕变损伤三个阶段的扩展细观机制进行了分析，完成r裂纹宽度、长度随时间发展的变化规律的定量研究。丁卫华基于x射线密度损伤增量公式推导fi岩石体应变公式，得到岩石内部裂纹宽度的普适性计算公式，测得岩石中两条CT尺度裂纹在不同应力阶段的宽度，并与有文献进行r比较验证。
10、从整体来看，目前关于混凝土、岩石cT图像中裂纹具体形状的描述和裂纹萌生时问如何判定的问题尚未解决。有学者指出，合成材料巾窄裂纹与宽裂纹在CT图像的纵剖面卜要采用不同的方法进行。还有学者指出，动态条件下CT图像中裂纹宽度的测量与静态有所不同，可把同一扫描断面、不同应力状态的岩石CT图像中裂纹变化过程进行比较，比静态CT图像巾裂纹宽度的测量多了一个有利条件。动态裂纹测量的精度可以达到001mm量级，而静态裂纹测量的精度只有01mm。国内夕t-JL乎没有对混凝土CT图像进行定量分析的报道。然而，混凝土CT图像中的裂纹演化过程追踪和描述已经成为制约混凝士CT发展的不争事实。受当前研究手段和相关专业的发
11、展不足等主客观条件的制约，混凝土内部裂纹定量分析研究工作刚刚起步。借鉴岩石材料内部裂纹研究的经验，运用和改进岩石裂纹定量分析的相关理论及算法，为混凝土细观结构的深入研究提供帮助。这些对于实现混凝土细观力学CT实验研究意义重大，同时具有广阔的应用前景。3结论与展望1CT技术的应用是岩石和混凝土力学研究的热点课题。发展历史虽然只有短短的30多年，但已取得一些成果。混凝土CT发展的历史和研究成果表明x射线混凝土CT是研究岩石和混凝土内部裂纹演化规律的有效手段。2混凝土cT成果的应用研究，包括三维图像重建、裂纹三维空间状态的表达方式及随应力变化的演化方式。3为更精确地获取混凝土CT网像，亟待改进与CT
12、设备配套的混凝土力学实验设备，减小图像噪声，为基于图像处理方法识别混凝士CT裂纹提供客观条件；4需要深入挖掘混凝土CT数据成果，采用模糊数学理论、数学聚类、人T智能等方法，识别混凝土细观裂纹，解决长期制约混凝土CT发展的瓶颈问题。5为获得相关部位更加精确的密度变化信息，需要X,1“CT物理原理进一步研究，深入分析CT数变化。墨参考文献：(略)作者简介郝景密男，硕士研究生。,馥14101 201000混凝土世界 63万方数据CT技术在混凝土中的应用作者： 郝景宏作者单位： 三峡大学,土木与建筑学院,湖北,宜昌,443002刊名： 混凝土世界英文刊名： BUILDING DECORATION MATERIALS WORLD年，卷(期)： 2010，“(8)被引用次数： 0次本文链接：http:/
