一種採用CT技術研究高溫損傷混凝土缺陷演化的方法與流程

2023-11-08 21:07:17 1

本發明涉及一種研究高溫損傷混凝土缺陷演化的方法，具體涉及一種採用x射線ct技術研究高溫損傷混凝土缺陷演化的方法。

背景技術：

高性能混凝土火災劣化機理及其損傷評估，是解決現代工程結構提高抗火性能及災後損傷鑑定的瓶頸與難點，而揭示其內部微結構高溫劣化演化規律及機理則是解決該難題的關鍵，有研究人員利用數字圖像關聯術對混凝土表面的破裂情況進行了分析和研究，並發現此方法對混凝土表面的小裂紋的觀測更有效，之後分析了二維斷層裂紋的內部特徵，採用的主要是x射線ct法，並發現該方法適合於觀察混凝土內部的大裂紋，把兩種方法結合起來使用能有效的體現出裂紋萌生和演化過程對混凝土細觀結構變化情況的影響，並利用不同骨料形成的試件在ct設備下做壓縮掃描實驗，對其破裂過程有一個詳盡的認識，從而可以清楚的看到它們對混凝土強度的影響作用。

有研究人員在混凝土細觀損傷的ct試驗基礎上，以密度損傷(ct數變化)變量為基礎，並建立混凝土分段損傷演化方程，以此進行了混凝土試件單軸受壓的細觀損傷數值模擬。並從混凝土破壞圖和荷載。位移曲線圖兩方面比較了數值模擬結果與ct試驗結果，結果表明，試件破壞時裂紋擴展過程與ct觀測到的相似，實現了將細觀密度損傷與試件的宏觀力學性能的劣化相聯繫，為改進試驗設計提供了力學依據，並使在可靠和有效的前提下用數值方法取代部分試驗成為可能。

隨著近年來科技的進步和試驗研究的發展，高新技術被廣泛地應用於混凝土的高溫性能研究中，其中x射線ct試驗已成為研究混凝土材料細觀結構演化過程的熱點課題。

技術實現要素：

本發明旨在提供一種採用ct技術研究高溫損傷混凝土缺陷演化的方法。

本發明提供了一種採用ct技術研究高溫損傷混凝土缺陷演化方法，包括以下步驟：

步驟一：實驗準備

①試驗原材料

水泥、礦物摻合料、骨料、外加劑、自來水等；

②混凝土配合比：

根據《普通混凝土配合比設計規程》(jgj55-2011)以及jgj/t281-2012《高強混凝土應用技術規程》設計，試驗混凝土強度等級設計為c40～c80。

③試件設計

試驗混凝土強度等級設計為c40～c80。

③試件設計

製作立方體抗壓強度試塊，且在混凝土試塊中放置一熱電偶，熱電偶置於試塊中心。ct掃描試件通過從製作的混凝土試塊中鑽芯取樣。

步驟二：實驗方法

①混凝土攪拌成型

②加熱機制

先將馬弗爐爐膛溫度從室溫加熱至目標溫度，再將試件放入馬弗爐，關閉爐門，這時爐膛內的溫度稍有下降，當爐膛內溫度再次升高到所需目標溫度後，保持恆溫。馬弗爐平均升溫速率為5℃/min～10℃/min，電阻爐配有自動控制器，可自行控制爐膛內的溫度，當達到所需溫度後保持恆溫，通過熱電偶測定試件內外溫度，當爐內顯示溫度與熱電偶外接傳感器顯示溫度一致時，即認為燒透。取出試件，讓其在自然條件下冷卻。

x射線ct掃描試件經過101型電熱鼓風乾燥箱乾燥24h至恆重，立即裝入試樣瓶中，乾燥溫度100℃。為了能真實地反應不同溫度下混凝土孔隙、裂隙的發生發展規律，在ct機上固定好混凝土試樣後，不再拆裝，採用加熱裝置去直接加熱，再進行ct掃描，這樣就實現了不同溫度下相同位置的混凝土內部裂隙的對比分析。

氣氛爐在自然氣氛下對同一個試塊進行連續加熱，每達到一個目標溫度後恆溫20min，然後進行x射線ct掃描，得到混凝土試塊的x射線ct掃描圖像。

步驟三：x射線ct掃描

採用工業ct系統，工業ct系統的計算機系統可以實現對顯微ct圖像的數字圖像處理和ct重建，主要分兩個模塊：圖像重建和二進位處理。

步驟四：混凝土試件的x射線ct圖像重建

利用工業ct計算機系統中圖像重建模塊，將試件ct掃描的透視圖重建成1500張橫截面圖像(x-y面)，將1500張橫截面圖像組合再進行正交切片，可生成2041張試件正交切片圖像(x-z面)。考慮成像誤差與混凝土的非均勻隨機性，去除陰影較大的圖像，在ct生成圖像中利用x射線ct圖像可以直接觀測混凝土各層各溫度下孔隙分布、孔徑變化、裂隙生長、灰度變化；

步驟五：x射線ct圖像二值化處理

為建立高溫後混凝土內部缺陷與溫度、強度等的相互關係，提出缺陷率的概念。

缺陷率即為混凝土內部缺陷面積的總和與試件表面積的比值(利用image-proplus圖像分析軟體可以得到混凝土內部缺陷面積的總和)。表達式如下：

其中，c表示層數，pc表示缺陷率，mc表示試件內部缺陷的面積總和，m為試件表面積。

①閾值的選取

閾值即指一個臨界值，在ct圖像二值化中將所有比閾值大的像素點轉換為白色，比閾值小的像素點轉換為黑色。本試驗採用otsu方法計算閾值，該方法方法基於原始圖像的直方圖，假設一個離散概率密度函數：

其中，n是圖像中的像素總數，nq是灰度級為rq的像素數目，l是圖像中所有可能的灰度級數。假設選定一個閾值k，c0是一組灰度級為[0，1，...，k-1]的像素，cl是一組灰度級為【k，k+1，...，l-1】的像素。otsu方法選擇最大化類間方差的閾值k，類間方差定義：

其中，

在matlab中，利用函數graythresh，繪製ct圖像關於灰度值的直方圖，找到最大化的閾值t。

各代表層的閾值均值取同一代表層不同溫度下ct圖像閾值的平均值；不同溫度下的閾值均值取同一溫度下不同代表層ct圖像閾值的平均值。

②圖像二值化

對於常溫下混凝土x射線ct圖像的二值化圖像：

假設圖形函數f(x,y)，將合適閾值處理後的圖像g(x,y)定義為

標註為1的像素對應於對象，而標註為0的像素對應於背景，t為閾值。二值化圖像中灰度值為0的像素點表示試件內部缺陷；灰度值為1時，表示試件中除缺陷的部分。

步驟六：混凝土內部缺陷率演化分析

利用ipp圖像分析軟體，分析二值化圖像，統計ct圖像中灰度值為0的像素點個數以nc表示，所有像素點個數以n表示，其中nc＝mc、n＝m，缺陷率計算高溫後各代表層的缺陷率。

步驟七：異常值判定

本試驗採用格拉布斯檢驗法，對相同溫度下的n個缺陷率值進行異常值判定。將同一溫度下的n個缺陷率值按從小到大的順序排列，分別記為x1、x2、...、xn，如有偏離正常值，最先懷疑的不是最小值就是最大值，取平均值與最小值之差和平均值與最大值之差，使差值較大的值為可疑值。統計量gi按下式計算：

其中：i是可疑值的排列序號；

平均值：

標準差：

取檢驗水平α＝5％，gi與臨界值g95(n)比較，如果gi>g95(n)，則能判斷該測量數據是異常值，需要剔除，如果giig95(n)，仍然是異常值，剔除；如果gi<g95(n)，不是異常值，則不剔除。只需補一組數據。以此類推。

步驟八：混凝土內部缺陷率的影響因素

①利用數理統計中兩因素方差分析，研究不同代表層的選取和不同溫度作用兩個因素對混凝土內部缺陷的影響。

②用excel軟體對溫度和缺陷率進行缺陷擬合。

本發明應用ct技術研究高溫損傷混凝土缺陷演化的方法是通過數字圖像關聯術對高溫損傷混凝土進行分析和研究。在研究過程中，製作一定規格的混凝土抗壓試塊，並用加熱裝置對該試塊進行加熱，加熱完成後採用x射線ct試驗技術對試塊進行掃描，得出一系列ct圖像，進行圖像重建以及圖像的二值化處理。閾值的選取直接影響ct圖像中ct數的分析。所以要更精確的對閾值進行選取和異常值判定。利用image-proplus圖像分析軟體，定量分析混凝土試件的二值化圖像，得出了高溫後試件不同代表層的缺陷率，分析了影響缺陷率的因素和影響最大的溫度閾值區段。直觀地分析不同溫度下混凝土的抗爆裂性能，同時利用數理統計的方法，科學嚴謹地描述其高溫後的內部細觀結構變化。

本發明的有益效果：

(1)提出了將ct技術用於混凝土高溫性能分析中；

(2)採用了實時加熱裝置；提高了測試的準確性；

(3)通過缺陷分析進行數值研究；結合強度試驗，建立了能反映材料細觀結構特徵和力學行為的本構關係，對研究高溫損傷混凝土缺陷有重要意義。

附圖說明

圖1為本發明試件中熱電偶的放置示意圖。

圖2常溫下高強混凝土x射線ct圖像。

圖3高溫後高強混凝土第1200層x射線ct圖像。

圖4高溫後高強混凝土正交切面x射線ct圖像。

圖5各代表層ct圖像閾值的均值。

圖6不同溫度下ct圖像的閾值均值。

圖7常溫下高強混凝土x射線ct圖像的二值化圖像。

圖8不同溫度作用下高強混凝土內部缺陷率均值。

圖中：1為熱電偶，2為溫度傳感器。

具體實施方式

下面通過實施例來進一步說明本發明，但不局限於以下實施例。

實施例：

步驟一：實驗準備

高強混凝土配合比

試件設計強度等級為c80。

立方體抗壓強度試塊採用150mm×150mm×150mm，且在高強混凝土試件每個目標溫度對應的一塊試塊中放置一熱電偶，熱電偶置於試塊中心，如圖1所示。

ct掃描試件利用鑽芯取樣，試件尺寸φ6mm×20mm。

步驟二：實驗方法

①混凝土攪拌成型

②加熱機制

立方體抗壓強度高溫試驗採用srjx型箱式電阻爐，其額定電壓為220v，輸出功率為15kw，最高工作溫度1200℃，爐膛尺寸長×寬×高為：600mm×400mm×400mm。目標加熱溫度為100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃。

本實驗採用如下溫升制度：先將馬弗爐爐膛溫度從室溫加熱至目標溫度，再將試件放入馬弗爐，關閉爐門，這時爐膛內的溫度稍有下降，當爐膛內溫度再次升高到所需目標溫度後，保持恆溫。馬弗爐平均升溫速率為5℃/min～10℃/min，電阻爐配有自動控制器，可自行控制爐膛內的溫度，當達到所需溫度後保持恆溫，通過熱電偶測定試件內外溫度，當爐內顯示溫度與熱電偶外接傳感器顯示溫度一致時，即認為燒透。取出試件，讓其在自然條件下冷卻。

本電阻爐工作性能穩定，爐膛溫度波動保持在±10℃以內，可以滿足試驗精確度的要求。

本試驗採用太原理工大學採礦工藝研究所研製的高溫氣氛爐與ct機配套使用。氣氛爐的體積很小,外形尺寸為φ100mm×150mm，爐堂尺寸φ20mm×80mm，採用內外兩層保溫層，300w電阻絲加熱，爐子的底部為開放式，便於試樣的出入。氣氛爐固定在旋轉託架上，託架和可伸縮支柱之間通過螺母連接，託架可以在水平方向旋轉，調節氣氛爐的水平位置，可伸縮支柱調節氣氛爐的垂直位置。

充氣管和溫度傳感器與氣氛爐之間用耐高溫膠粘結，試樣用耐高溫膠粘到石英管上，石英管夾到轉臺上，加熱時，移動託架和支柱使氣氛爐將試樣罩住，試樣處於氣氛爐爐膛的中間為宜。氣氛爐平均升溫速率為10℃/min，溫控精度為±1℃。

將試件置於高溫氣氛爐中，自然氣氛下，目標加熱溫度為200℃、300℃、400℃、500℃、600℃，x射線ct試驗的常溫時刻代表的是100℃烘乾溫度。氣氛爐在自然氣氛下連續加熱，到達目標溫度後恆溫20min，進行ct掃描。

步驟三：x射線ct掃描

本試驗採用太原理工大學與中國工程物理研究院應用電子研究所共同研製的μcf225fcb高分辨顯微ct系統，該系統的x射線成像系統包括：高精度工作轉臺和夾具、x光機、數字平板探測器、水平移動機構、機座和採集分析系統等。

x光機是x射線發射裝置，由陰極電子槍產生電子，經高壓場加速，高速電子束轟擊陽極靶(靶材料為鈹)產生x射線。x光機的最小焦點尺寸為3μm，射線錐角25°，最小焦距4.5mm，高壓範圍10～225kv，電流0.01～3ma。

本系統採用paxscan4030平板探測器作為x射線接收器，其能分辨材料內部的微小缺陷尺寸。探測器面板尺寸：500mm×367mm×47mm，成像窗口：406mm×293mm，有效窗口：406mm×282mm。

μcf225fcb高分辨顯微ct系統的技術指標：該系統可以對不同種類的金屬和非金屬材料進行三維ct掃描分析，試件尺寸範圍在φ1mm～50mm之間，放大倍數為1～400倍，掃描單元的解析度為0.5μm～194μm。

本實驗採用管電壓80kv，管電流90μa，放大倍數53.85倍。

μcf225fcb高分辨顯微ct系統的計算機系統可以實現對顯微ct圖像的數字圖像處理和ct重建，主要分兩個模塊：圖像重建和二進位處理。圖像重建：採用大錐角三維重建模塊，對ct圖像進行中值濾波；選用合適的焦距和偏移值，對ct圖像進行三維重建，生成高解析度的橫截面圖像，圖像均為8比特圖像。在二進位模塊中，對ct圖像進行正交切片、圖像格式轉換。

ct圖像掃描實際高度為5.65mm，試件掃描尺寸φ6mm×5.65mm。

步驟四：混凝土試件的x射線ct圖像重建

考慮成像誤差與混凝土的非均勻隨機性，去除陰影較大的圖像，在ct生成圖像中挑選x_y面上300層、400層、500層、600層、700層、800層、900層、1000層、1100層、1200層作為代表層，見圖2、圖3。選取x_z面中的第985層圖像，其為對應直徑最大時的正交切片圖像，見圖4。

步驟五：x射線ct圖像二值化處理

①閾值的選取

下表為不同溫度下pphsc各代表層橫截面的閾值。由於混凝土為非均勻體，各代表層之間的相互線衰減係數不同，因此各體積元代表的灰度值不同，各代表層閾值差異明顯。閾值分布在18～57之間。

不同溫度下高強混凝土各代表層橫截面的閾值

圖5和圖6分別表示各代表層和不同溫度下ct圖像的閾值均值。各代表層的閾值均值取同一代表層不同溫度下ct圖像閾值的平均值；不同溫度下的閾值均值取同一溫度下不同代表層ct圖像閾值的平均值。由圖5可知，各代表層ct圖像的閾值差異明顯，閾值範圍在25.3～41.5之間，差值為16.2，該差值大於ct圖像所有閾值均值的46％；由圖6可知，不同溫度下ct圖像的閾值相差較小。

閾值範圍在31.8～37.7之間，差值為5.9，該差值為ct圖像所有閾值均值的16.8％，且除400℃和500℃外，ct圖像閾值差距更小。

②圖像二值化

如圖7所示，二值化圖像缺陷明顯，反映真實，可以作為計算缺陷率的依據。

步驟六：混凝土內部缺陷率演化分析

高溫後各代表層的缺陷率

步驟七：異常值判定

gi統計量表

gi與臨界值g95(10)比較，g95(10)＝2.176，gi均小於g95(10)，則其中無異常值。

步驟八：混凝土內部缺陷率的影響因素

①利用數理統計中兩因素方差分析，研究不同代表層的選取和不同溫度作用兩個因素對混凝土內部缺陷的影響。

兩因素方差分析表

由上表分析得選取的不同代表層和不同溫度均對高強混凝土內部缺陷率影響高度顯著。

②用excel軟體對溫度和缺陷率進行缺陷擬合。如圖8所示。