工业CT层析扫描技术在混凝土微结构研究中的应用现状浅析.pdf
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1、第 3 5卷 , 第 1期 2 0 1 0 年 2 月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 5。No 1 F e b , 2 0 1 0 工业 C T层析扫描技术在混凝土微结构研 究中的 应用现状浅析 高英力 , ( 1 长沙理工大学 交通运输工程学院 ,湖南 长沙 胡柏 学 ,罗 阳青 4 1 0 1 1 4 ; 2 湖南省交通科学研究院 , 湖南 长沙4 1 0 0 1 5 ) 摘要 工业 C T计算机层 析扫描技术在 国际上被公认为是当前无损检测手段 中最为有效 、 实用 的一种 。2 1 世纪 以来 , 该技术在混凝土微结构裂
2、缝研究 、 损伤机制 、 界面分析等方面逐 步开始 了初步 的应用 。在对 国内外工业 C T层析扫描技术在混凝土微结构研究 中的应用情况进 行深入分 析调查基础上 , 总结 得出 了该技 术在混凝 土微结 构无损检测中的应用特 点、 范围 、 初步研究成果以及 未来 的发展方 向, 可为工业 C T层析扫描技术 在混凝土材 料机 理研究 中的扩大应用提供一定 的参考依据 。 关键 词】工业 C T ; 混凝土 ; 无损检测 ;微观结构 ;现状 【 中图分类号 T U 5 2 8 4 5 文献标识码 】A 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 5 9
3、 0 5 Pr e s e n t Co n d i t i 0 n Br i e f An a l y s i s a b o u t I n d u s t r i a l Co mp u t e d To m o g r a p h y Us i n g i n t h e M i c r o s t r uc t u r e Re s e a r c h o f Co nc r e t e GAO Yi ng l i ,HU Ba i x ue ,LUO Yang qi n ( 1 S c h o o l o f T r a f f i c a n d T r a n s p o r
4、t a t i o n E n g i n e e r i n g ,C h a n g s h a Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , Ch a n g s h a,Hun a n 41 01 1 4, Ch i na; 2Hu n a n Co mmu n i c a t i o n s Re s e a r c h I ns t i t u t e,Ch a n g s h a, Hu n a n 4 1 0 0 1 5C h i n a ) Ab s t r a c t I n d u s t
5、 r i a l C o m p u t e d T o mo g r a p h y( I C T )i s r e c o g n i z e d a s t h e m o s t e f f e c t i v e a n d p r a c t i c a l n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g t e c h n o l o g y i n t h e wo r l d S i n c e t h e 2 1 s t c e n t u r y,I CT t e c h n o l o g y ha s b e g u n t o u
6、s e i n t h e mi c r o s t r uc t u r e c r a c k s,d a ma g e me c h a n i s m a n d i n t e r f a c e a n a l y s i s o f t h e c o n c r e t e Ba s e d o n t h e a n a l y s i s a n d i n v e s t i g a t i o n a b o u t t h e a p p l i e d c o nd i t i o n o f I C T u s i n g i n t h e c o n c r
7、e t e mi c r o s t r u c t u r e,s o me k e y p r o b l e ms i n n o n - d e s t r u c t i v e t e s t i n g o f c o n c r e t e mi c r o s t r u c t ur e, whi c h c o n s i s t o f c ha r a c t e r i s t i c s , s c o p e,r e s e a r c h r e s u l t s a n d f u t u r e d e v e l o p me n t d i r e
8、c t i o n s o f I CT t e c hn o l o g y, we r e s u mma r i z e d a n d s o l v e d,a n d S O pr o v i d i ng c e r t a i n r e f e r e n c e s f o r I C T t e c hn o l o g y u s i n g e x t e n s i v e l y i n t h e c o nc r e t e mi c r o - s t r uc t u r e me c h a n i s m a n a l y z i n g K e y
9、 w o r d s i n d u s t r i a l c o mp u t e d t o m o g r a p h y ;c o n c r e t e ;n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g ;m i c r o s t r u c t u r e ; p r e s e n t c o n d i t i o n 0 前 言 工 业 C T( I n d u s t r i a l C o m p u t e d T o m o g r a p h y , 简 称 I C T ) ” 计算机层析扫描技术 , 是在传统 c T技术基
10、础上发 展起来 的 。它 运用 多角度投 影 、 全方位扫 描 、 探测设备接收以及图像重建技术等 , 以获取检测层 面的清 晰图像 。将 C T技 术 应用 于 无损 检测 始 于 上世纪 7 0年代 中后期 , 最初被 应用 于医学 领域 。到 9 0年代 , 随着 计 算 机科 学 与材 料 科 学 研 究 的 进 步 , C T层析 扫描技 术得 到 了进 一 步发 展 , 工业 C T装 置 的性能相 比医用 C T , 其射线源能量更高 , 穿透能力 更强, 准确性、 自动化程度进一步改善, 已在航空 、 航 天 、 军工 、 核 能 、 石油 、 电子 、 机 械 以及新 型 复
11、合 材料 等诸多领域得到了广泛应用, 成为当前无损检测技 术 中最为 有效 的测试手 段 。 土木 工程 中应用最 为广 泛的人 造材料 混 凝 收稿 日期 2 0 0 9 1 2 2 0 基金项 目】湖南 省 自然科学基金项 目( 0 9 J J 4 0 2 3 ) ; 中国博士后科学基金项 目( 2 0 0 9 0 4 5 0 9 8 6 ) 作者简介高英力( 1 9 7 7 一) , 男 , 湖北松滋人 , 博士 , 副教授 ; 研究方向 : 高强高性能混凝土 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路工程 3 5卷 土 , 是 由水 泥 、 骨 料 ( 粗
12、 、 细 骨 料 ) 、 水 、 外 加 剂 、 掺合 料等按比例拌合硬化生成的一种多相复合材料 。由 于组成材料各 自不同的特点导致了硬化后混凝土在 整 体上是 一种不 同于 钢材 、 沥 青 等 建筑 材 料 的 非均 相 复合结 构 , 表 现在微 结构 上 , 主要 呈 现 出内部 的多 孔 形态 、 微 裂纹 的不 确定性 、 以及 骨料 与水泥 浆 的界 面效应等 , 即使是精心制备的高强高性能混凝土 , 也 会 不 同程 度地 含有 微 孔 隙 和微 裂 纹 。因 此 , 混凝 土微结构的高度不匀质和复杂性 , 使得通过建立模 型并准确预测其性能较为困难 , 必须借助一定 的材
13、料 测试技 术 , 对 混凝 土 各 组分 微 结 构 孔 隙和 性 能进 行 试验并 调控 。而采 用无损 检测技 术 , 尤 其工 业 C T 计 算机层 析扫 描技术 对混凝 土微 结构 孔 隙及 界 面进 行 分析是 当前 逐步 兴起 , 并 已证 明是 较 为有 效 的一 种混凝 土微结 构分析 检测 方法 , 具有精 度 高 、 可持 续 性好等诸多优点。本文针对 当前 国内外将工业 C T 层析 扫描技术 用 于混 凝 土微结 构研究 的应 用情 况进 行 了归 纳总结 , 对其 应用 特点 、 范 围以及应用 成果 等 进行 了评 价 , 并提 出了进一 步 的研究 发展方 向
14、 。 1 工业 C T层析扫描技术简介 工业 C T计算机层析扫描成像技术的基本工作 原理为: 利用 x射线在被测工件无损状态下 , 从多 个方向以扫描方式透射被检测物体某断层 , 用专 门 的探测器把 经过被检物射线 衰减后 的信息采集下 来 , 通过计算机采用专门的图像重建算法 , 把被扫描 断面 以二维 或三维 灰 度 图像形 式 展 现 出来 , 其 检测 直观结果就是被检断层的断面图像。通过这种断层 图像就可以清晰地看清被检 物该断层 内的结构层 次、 材质情况 、 有无缺陷 , 帮助质检人员作 出正确的 结论 。其技 术原 理示 意图如 图 1 所 示 。 图 1 工业 C T层析
15、扫描技术原 理示意图 Fi g ur e 1 S c h e ma t i c di a g r a m o f t e c hn i ca l p r i n c i p l e o f I CT 工业 C T计 算 机层 析 扫描 成像 技 术 的特点 主 要 在于 : 精度高 , 数据采集多样化。工业 C T可 以非 接触、 非破坏地检测物体内部结构 , 得到没有重叠的 数字化图像 , 不仅可 以精确地给 出物体 内部细节的 三维位置数据, 还可 以定量地给 出细节 的辐射密度 数据 , 而关 于辐射 密度 数据 的采集 , 正是 任何 其它无 损检测手段所不具备的重要特点 。 检测对象
16、更广泛。相 比医用 C T检测技术 , 工业 C T检测对象要广泛 的多, 从 微米 级的集成电 路到直径 1 m以上的大型工件 , 从密度低 于水的木 材或其它多孔材料到高原子序数的重金属材料 , 都 是工业 C T的检测 对象 。 可 较好 地 实 现 被 检试 样 内部结 构 的三 维 重 建 。随着 工业 C T技 术 的深入 发展 , 工业 C T检测 系 统中已经发展建立 了先进 的计算机图像重建算法, 通过三维锥束 C T射线采 集数据, 可 以重建被检试 样内部结构的三维立体表现 图, 而通过重建 图像可 以更好地观测材料内部结构的层次、 缺陷 、 损伤以及 构造 等 。 当前
17、 , 工业 C T层 析 扫描 技 术 的 主要 应 用 范 围 包括 : 工业构件内部探伤检测。工业上 , 许多复杂 零件内部缺 陷 的检 测, 无 法用 常规无 损检测 方法 ( 照相或超 声 检测 ) 进行 探 伤 , 而工 业 C T具 有 较 高 的测试精 度 , 达到 微米级 范 围 , 可 以有效 实现对 工业 构 件微小 缺 陷的 的检测 和确定 。 材料分布的均匀性探测。工业 C T可以较好 地 对材 料 内部 的不 均 匀 性 作 出 准确 判 断 , 通 过对 试 样 内部密度分布的检测 , 可 以准确定位复合材料内 部可能存在的不均匀部分 , 为研究者及工程人员及 时作
18、出调整及改 良提供一定的图像参考 。 材料的疲劳损伤效应 的研究 。疲 劳破坏是 工程构 件 中一种 常见 的破 坏 形 式 , 其本 质 就 是 疲 劳 裂纹 的萌 生和 扩 展 , 工 业 C T能 在 无损 的 条 件 下 直 接观 测疲 劳试验 过 程 中 内部 结 构 的变 化 , 对 材 料 力 学的本构关系以及试验过程物质的变化给出确定甚 至定 量 的描述 。 由此 可见 , 工 业 C T层 析 扫 描 技 术 能 够对 材 料 内部 ( 尤其 无序 、 不均 匀 的混 合 材料 ) 微 结 构 特征 和 演化 规律 进 行 无 损 状 态 下 的 定 性 及 定 量 检 测
19、。因 此 , 对于 土木 工程 中大 量 应 用 的结 构 材 料 混 凝 土 , 其内部存在大量微裂纹和孔隙 , 且随着外界荷载 及环境效应的作用而发展 变化 , 而工业 C T测试技 术对 混凝 土 内部 结 构的变 化则 具有较 好 的适用 性和 针对性, 值得在混凝土性能检测 中进行推广 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 l期 高英力 , 等 : 工业 C T层析扫描技术在混凝土微结构研究 中的应用现状浅析 6 3 一 步
20、 改进和优 化 。工业 C T的发 展 目前 已经 发 展到 第四代 ( 锥束扫描方式) , 从现有 的研究看 , 由于 以前 的扫描设 备在检 测方 面的局 限性 , 扫 描时 间过长 、 精度有 限 , 因 而扫 描 层 数通 常 不 多 , 导致 图 像 的重 建 以二 维居 多 , 三 维 图像 重 建技 术 及 算法 尚 需 要进 一步改进 和优 化 。 针对 混凝 土 固有 的结 构 缺 陷 浆 骨 界 面 过 渡 区 的 C T检 测 研 究 还 不 多 。研 究 资 料 表 明 , 混 凝土 微结 构 中 的 5 08 0 m 左 右 的浆 骨 界 面过 渡 区 ( 也 称 “
21、 第 三 相 ” ) 被 认 为 是 混 凝 土 的 薄 弱 环 节 , 尤 其 C a ( O H) 等 水 化物 在 界 面 区会 产 生 富集 , 并具有 一定 的取 向性 , 导致 材料 性 能 的 弱化 。由于 该过渡 区尺度 较小 , 一般难 以进行定 量研 究 , 因此可 借 助 C T层 析 扫 描技 术 进 行 无 损 监 测 , 并 进 行 实 时 图像重 建 , 有助 于对 混 凝 土微 结 构 劣化 过 程进 行 定 量 表征 , 因此 , 对 混 凝 土浆 骨 界 面过 渡 区 的研 究 , 将 是工业 C T层析 扫描技 术 在后 续 应用 研究 中 的重点 发展方
22、 向 。 2 3未来发展 方 向 在 对应 用 情况 进 行分 析评 价 基 础上 , 可 以提 出 未来工业 C T层 析扫描 技术 在 混凝 土 微结 构 研究 领 域 的发展 趋势 及方 向 : 在提高工业 C T设备软、 硬件要求前提下, 应 进 一步将 该无损 检测 技术用 于对混 凝 土微 结构 在非 荷载效 应 ( 环境 效应 、 收缩 变形 等 ) 导 致 的 内部 裂纹 产生 、 发 展及孔 隙变 化的研 究 。 进一步借助工业 C T检测技术对混凝土( 尤 其密实度较高的高强高性能混凝土) 微结构的浆骨 界面过 渡区性 能监 测 及定 量 分 析 , 并 建 立 相关 的数
23、 值 分析模 型 。 当前的工业 C T主要是针对工业构件的探伤 研 究而 发展起 来的 , 因此对 于混凝 土等无 序 、 非 均相 复合材 料的微 结构 研 究 , 尚需 要 进一 步 发 展 和完 善 三维图像重建的算法及程序 , 使之适用性更广泛。 3 结 论 对工业 C T计 算 机 层 析 扫 描 技 术 的 工 作 原 理 、 技术特 点 以及 应用 范 围进 行 了归纳总结 , 评 价 了 其 应用于 混凝土微 结构 特征检 测研究 的可行 性 。 总结了国内外将 C T层析扫描检测技术应用 于混凝 土微 结 构 研 究 的 应 用 现状 及 其 主 要 研 究 成 果 , 并
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