基于数字图像处理的混凝土损伤评价方法研究_百度文库.DOCVIP

科技导航 混凝 基于数字图像处理的混凝土损伤 评价方法研究 李曙光 陈改新 纪国晋 （中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室 北京 100038）摘 要：我国上世纪50年代～70年代之间修建的一批混凝土坝已不可避免地开始老化，对这些老坝中混凝土的损伤程度、老化状态进行科学合理的评价是当务之急。当前混凝土损伤的评价方法包括自振频率法、超声波波速法、CT数法和损伤评价因子法。前三种方法均是损伤的宏观唯像的表征，难以揭示混凝土损伤的本质，即微裂纹的萌生和扩展。损伤评价因子法所得结果受岩相学家的经验影响很大，主观性较强。本文提出一种基于真空环氧浸渍技术和数字图像处理技术评价混凝土损伤的微裂纹定量分析方法。对分别经受碱骨料反应（AAR）损伤和冻融（FT）损伤的混凝土试件进行力学性能测试和微裂纹定量分析，结果表明随着AAR或FT损伤度的增加，混凝土内微裂纹的长度密度和面积密度均增大。研究结果还表明，受AAR或FT损伤混凝土的宏观性能如抗弯强度、抗拉强度、损伤度等与微裂纹的长度密度之间均有很好的相关关系。基于数字图像处理的微裂纹定量分析技术有望发展成为评价混凝土损伤程度和老化状态的一种新方法。关键词：混凝土；损伤评价；碱骨料；冻融；微裂纹定量分析；数字图像处理 土 世 界混凝 引言 据不完全统计，全世界范围内有超过100座混凝土坝发生了严重的碱骨料反应[1]。 冻融（Freezing-thawing，FT）是最常见的导致混凝土老化的外因。冻融破坏是指硬化混凝土在浸水饱和或潮湿状态下，由于温度正负交替变化，内部孔隙水形成冻结膨胀压、渗透压及水中盐类的结晶压等，产生疲劳应力，造成混凝土由表及里逐渐剥蚀的一种破坏现象[4]。冻融破坏是寒冷地区水工建筑物的一种老化特征和主要病害之一，我国东北、华北和西北地区的水工混凝土建筑物几乎都有不同程度的冻融破坏发生[4]。 几十年来，研究者探索了多种用于混凝土AAR损伤程度、冻融损伤程度的评价方法，如自振频率法[5-7]、超声波波速法[2,7-9]、CT数法[10]（CT数法可反映混凝土对X射线的吸收能力）和损伤评价因子法（Damage Rating Index，便快捷、不破坏试件，但它们均是混凝土损伤的宏观、唯 收稿日期：2013-04-15 我国上世纪50年代～70年代之间修建的一批混凝土坝已不可避免地开始老化，对这些老坝中混凝土的损伤程度、老化状态进行科学合理的评价是当务之急。大坝混凝土的老化因素可分为两种：内部因素（如水泥的持续水化、碱骨料反应等）和外部因素（如冻融循环、干湿循环、侵蚀性离子等）。 碱骨料反应（Alkali-aggregate reaction，AAR）在世界范围内是最常见的导致混凝土老化的内因。AAR是指混凝土中含有的有效碱性物质（Na2O+0.658K2O）与骨料中的活性成分发生膨胀性化学反应，导致混凝土损伤开裂的现象[1]。AAR发生后混凝土的抗折强度、弹性模量等力学性能以及渗透性能、耐久性能等明显下降[2,3]，最终会使混凝土结构失效破坏，因此AAR素有混凝土“癌症”之称。 土 世 界 像的表征，不能反映混凝土损伤的本质，即不能直观地表 58 CHINA CONCRETE 2013.06 NO.48 混 凝 DRI）[11-14]。前三种方法均属于无损检测方法，虽然操作方 土 世 界 科技导航 世 界 土 征混凝土内部微裂纹的萌生和扩展情况。受技术水平的限制，CT设备的分辨率和观测范围存在制约关系，因此难以 岩相分析结果表明，骨料中含有约5%～12%的微晶石英，经测试该骨料具有潜在碱-硅酸反应活性。粗骨料最大粒径为40mm。 对要经受冻融劣化的混凝土试件（F系列），水泥中掺加I级粉煤灰。粗骨料为两级配砾石，细骨料为人工砂。 分辨尺寸5cm以上的混凝土试件内部的10μm~50μm宽的微裂纹[15,16]。 DRI法是由加拿大学者Grattan-Bellew[11]提出的用于 混凝 评价混凝土内部AAR损伤程度的方法。该方法基于岩相分析对混凝土切片内部与AAR相关的各种缺陷（如存在微裂纹的骨料、存在微裂纹的水泥浆基体等）进行识别和统计，然后将不同类型的缺陷赋予不同的权重并进行加权平均得到混凝土损伤评价因子（Damage Rating Index）。然而，DRI法的定量分析结果受岩相学家的经验影响很大，主观性较强，如Berude[17]的研究结果就表明DRI法无法区分轻微和严重受AAR影响的混凝土。另外，迄今为止尚没有统一的DRI测试标准方法，导致DRI法难以在评价混凝土损伤方面进一步发挥作用。 随着光学显微技术和数字图像处理（digital-image- 1.2 配合比 混凝土系列A和F的配合比见表1。所用减水剂为萘系高效减水剂，引气剂为松香类引气剂。对于A系列