地基沉降作用下混凝土结构内部损伤状态X射线试验研究_荣建.pdf

第 53 卷 第 5 期2023 年 3 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.5Mar.2023 DOI:10.19701/j.jzjg.20210724 第第一一作作者者:荣建,硕士,高级工程师,一级建造师,主要从事地下和结构工程施工技术与理论研究,Email:rj8152 。通通信信作作者者:王颖轶,博士,副研究员,主要从事土木工程相关研究,Email:987600 。地基沉降作用下混凝土结构内部损伤状态 X 射线试验研究荣 建1,王颖轶2(1 上海城建市政工程(集团)有限公司,上海 200065;2 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海 200243)摘要:采用足尺模型模拟地基沉降对养护期混凝土结构影响,通过对典型混凝土样本的大功率 X 射线切片扫描和三维重构,研究了不同养护龄期混凝土在地基沉降作用下内部结构、微裂缝及其断裂损伤状态。结果表明:地基沉降量及沉降时间对混凝土胶结状态有不同程度影响,地基沉降量越大,其粗骨料与周围的胶结情况越差,内部微裂缝出现的概率更高;初凝混凝土受地基沉降作用后,粗骨料周边易被折断或拉裂,萌生张拉裂缝;混凝土内部孔隙、裂纹、缺陷等损伤区域在地基沉降作用下存在扩展演化和微裂缝相互贯通和断裂局部化的可能性,对结构抗渗性和耐久性存在影响。研究结果可为大型污水处理池等混凝土结构抗渗设计提供参考。关键词:地基沉降;混凝土微结构;X 射线切片扫描;三维重构;断裂损伤评价 中图分类号:TU317 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)05-0076-07引用本文 荣建,王颖轶.地基沉降作用下混凝土结构内部损伤状态 X 射线试验研究J.建筑结构,2023,53(5):76-82,75.RONG Jian,WANG Yingyi.X-ray experimental study on internal damage state of concrete structure under the action of foundation settlementJ.Building Structure,2023,53(5):76-82,75.X-ray experimental study on internal damage state of concrete structure under the action of foundation settlement RONG Jian1,WANG Yingyi2(1 Shanghai Urban Construction Municipal Engineering(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 200065,China;2 School of Naval Architecture,Ocean&Civil Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200243,China)Abstract:The full-scale model was used to simulate the influence of foundation settlement on concrete structure in curing period.Through high-power X-ray slice scanning and 3D reconstruction of typical concrete samples,the internal structure,micro cracks and fracture damage state of concrete under the action of foundation settlement in different curing periods were studied.The results show that the settlement amount and settlement time of the foundation have different degrees of influence on the cementation state of the concrete.The greater the settlement amount of the foundation is,the worse the cementation between the coarse aggregate and the surroundings is,and the higher the probability of internal micro cracks is.After the initial set concrete is disturbed by the foundation settlement,the periphery of coarse aggregate is easy to be broken or cracked around,and tensile cracks are initiated.Under the action of foundation settlement,the damage areas such as pores,cracks and defects in concrete have the possibility of propagation evolution,micro-cracks interpenetrate each other and fracture localization,which have an impact on the impermeability and durability of the structure.The research results can provide a reference for the impermeability design of concrete structures such as large sewage treatment ponds.Keywords:foundation settlement;microstructure of concrete;X-ray slice scan;3D reconstruction;fracture damage assessment 0前言 对大型污水处理池类大体积混凝土结构而言,因其功能需求和使用环境特殊性,结构的抗裂防渗至关重要。大量研究表明1-3,混凝土结构的渗透性与内部孔隙、空洞、裂缝等密切相关,裂缝等内部不良微结构的形成与扩展机理复杂,影响因素涉及混凝土材料及配比、施工质量、养护条件、地质条件等。对于大体积混凝土结构,一方面由于施工工期长,昼夜温差和季节性温差大,混凝土在热胀冷缩第 53 卷 第 5 期荣 建,等.地基沉降作用下混凝土结构内部损伤状态 X 射线试验研究的条件下没有及时改变混凝土的配比方式和保养措施,导致裂缝产生和扩展4-5;另一方面,混凝土外层和水泥释放的热量温差过大也会导致温度裂缝的出现,并且这类裂缝一般都比较深。在混凝土全寿命周期内(尤其养护期内),自然环境、地基和环境条件不良影响下极易产生结构裂缝并随环境因素恶化而扩展。例如,受地下水、污水、雨水等长时间浸泡,导致地基不均匀沉降,从而造成混凝土沉陷裂缝的产生等。尤其在施工过程或混凝土养护期内,结构抗拉强度低,极易产生地基沉降裂缝。对于大体积混凝土施工过程中因非均匀流变软土地基差异沉降诱发结构裂缝产生与演化的问题,尚少见到系统的研究。此外,施工过程中,由于混凝土硬化后水分蒸发引起其表面干缩,干缩达到一定程度后就会在混凝土的表面留下细小的裂痕。综上所述,大体积混凝土抗裂防渗的关键问题是温度裂缝和变形(差异沉降)裂缝的预防与控制技术。迄今虽有许多探索性研究和技术实施案例,但由于地基条件、水化热等的复杂性,研究成果尚无法满足实际工程建设的要求。本文将通过大比例结构模型模拟地基差异沉降对混凝土结构影响,采用大功率 X 射线显微镜对混凝土样本进行扫描和图像三维重构6-11,研究不同养护期混凝土在地基沉降作用下内部结构、微裂缝及其断裂损伤状态,以期为污水处理池类大体积混凝土结构抗地基沉降强度及耐久性设计提供参考。1试验研究方案1.1 地基沉降混凝土结构模型1.1.1 地基沉降现场模拟现场混凝土试验相似模型平台共 4 座,每座平台共 8 跨,每跨的长度为 2m,每跨下部设置厚钢板避免平台由于自重而下沉,分别用来模拟在养护龄期 1、3、7、14d 时受到地基沉降的影响。平台下部设置竖向位移可调底板和高精度竖向位移测量系统,根据工程现场地层非均匀特性,设计构建地层差异性竖向位移的机械调控系统、模拟沉降位移量监测系统。地基沉降模拟平台及混凝土结构见图 1。对于混凝土试样在每跨上模拟不同的地基沉降,考虑到混凝土变形裂缝主要由差异沉降形成,试验中模拟不同差异沉降相对值 0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%(每跨模拟一种沉降值),研究差异沉降对不同龄期混凝土裂缝形成的影响。模拟点采用 2 000mm 等间距布置,4 种养护龄期模拟沉降方法相同。为提高精度,试验中采用竖向螺旋螺距调节控制。控制操作程序如下:图 1 相似模型及混凝土结构(1)模型结构搭建后,采用电子水平尺检测模型结构上部表面的平整度和水平状态。(2)调整螺栓上部横杆并调整检测模拟控制点上部表面水平状态。(3)标注竖向位移调节螺栓的初始位置(作为模型零位移控制点及模拟位移调节参照点)。1.1.2 模型混凝土浇筑和养护浇筑措施:在混凝土浇筑、抹平之后混凝土终凝之前进行多次表面压实抹光,这样可以避免或一定程度预防混凝土在养护龄期较短时就产生裂缝;在混凝土浇筑后的抹面压平工序中,试样表面不可以进行敲打、振捣等操作,确保试样能正确反映模拟地基沉降的作用效果。养护措施:应该对混凝土进行保湿养护。凝土初凝后应及时洒水保湿养护,重要部位养护采用保水较好的塑料薄膜、草袋、麻袋等进行保湿。有时除覆盖塑料薄膜之外,还应覆盖无纺布,并对混凝土定期洒水或者蓄水养护,必要时涂刷养护剂。1.2 试验样本制作 对养护龄期 1、3、7、14d 的混凝土结构模型施加地基差异沉降,并将混凝土结构模型养护至满龄。对模型进行钻芯取样,分别在每个地基沉降对应的1、3、7、14d 龄期混凝土结构中各取 8 个试样,每个试样位于各平台每跨的跨中位置。A、B、C、D 组分别是在养护龄期为 1、3、7、14d 时模拟地基沉降混凝土试样。取样工具采用金刚石钻,取样直径为 3cm。取样步骤如下:77建 筑 结 构2023 年(1)在每个混凝土模型试样区的每跨跨中用红色记号笔进行标记,标记红线平行于混凝土模型试样长度方向。(2)根据标记使用金刚石钻进行分区取样,为了方便操作,取样皆贯穿混凝土层。(3)清理试样表面杂物,晾干。(4)根据取样位置对取得的每个试样进行编号,收集试样。共获得四个平台混凝土试样 32 块,如图 2 所示。图 2 钻芯取样样本1.3 试验测试方法 X 射线显微镜的空间分辨率高达 700nm,可在原位状态(变温/拉伸/压缩)下表征样品的三维特性,在不损伤或改变混凝土试样三维结构的前提下,能清晰扫描出最细小的微裂缝,统计分析孔隙度,展现混凝土各种组分的空间分布状态和骨料彼此间的胶结变异情况。将 X 射线显微镜虚拟切片的扫描数据导入专门的 Dragonfly 软件,可以进行样品的三维重构和性能指标如孔隙率等统计分析。通过扫描混凝土试样,获得表征图像,然后进行样品的三维重构分析,主要从结构内部微观裂缝、孔隙和粗骨料着手进行统计分析,探究不同养护期混凝土裂缝受地基沉降的影响。1.3.1 X 射线显微镜无损原位三维成像原理X 射线成像的原理基本上对应于光学显微镜并遵循几何光学原理。关键部件是光学显微镜镜头的成像和增益光学器件。由于 X 射线波