混凝土CT试验的问题与展望
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摘要：随着试验技术的发展， CT技术已应用于混凝土内部结构和裂纹演化过程的研究。 近年来混凝土CT试验在无损检测、细观损伤机理等方面取得了一定成果。分析了目前混凝土CT试验研究工作存在的问题，并对未来的发展趋势进行了展望。
关键词：混凝土；CT试验；试验设备
1 引言
计算机横截面扫描(Computerized Tomography，简称CT) 技术是20世纪70年代发展起来的一门边缘性学科，主要涉及数学、物理等学科。1971年9月第一个CT装置安装在Atkinson Morley医院，CT技术首先在医学诊断上获得应用。CT作为一种技术，以数学理论为依托，又与现代微电子与计算技术相支撑，在其他领域得到广泛应用。根据CT机起发展的时时间和构造性能，大致可以分为5代，各代CT机的主要特点如下：
（1）第1代CT。为旋转-平移扫描方式， X射线管是用油冷固定阳极，扫描X射线束为笔形束，探测器一般是1～3个。扫描时，X射线管和探测器环绕物体作旋转和同步直线平移运动。
（2）第2代CT。仍为旋转-平移扫描方式，X射线束由笔形改为5°～20°的小扇形束，探测器增加到3～30个，扫描时间缩短，一般在20s～1min/层。
（3）第3代CT。扫描方式为旋转-旋转方式，X射线束是30°～45°较宽的扇形束，探测器数量增加到300～800个，扫描时间进一步缩短，一般均在几秒钟，最快速度0.5s，实现了亚秒级扫描。这种方式的探测器数组排成彼此无空隙的弧形，数据采集以X射线管为焦点，随着X射线管的旋转得到不同方位的投影。
（4）第4代CT。为固定-旋转方式(螺旋CT属此型)，第4代CT机的探测器呈360°环状固定排列在机架内，这类CT机的探测器更多，达600～1500个，扫描方式是仅X射线管旋转，X射线束的扇形角比第3代CT机更大，达50°～90°，因此也减少了X射线管的负载，扫描时间再一次缩短。
（5）第5代CT。在成像过程中X射线管不需环绕机架作机械运动，用电子束方法产生旋转的X射线源，再穿透物体由探测器接受，这种CT机称为电子束CT（也称超高速CT），特点是扫描速度很快，50～100ms/层，每秒最多可扫34层，就其扫描速度是普通CT的40倍，螺旋CT的20倍。
经过将近40年的多次革新，CT设备的性能显著提高（主要表现在扫描速度和成像质量），应用领域也大为拓宽。CT技术的最大优点在于能无损地检测出材料和结构的内部变化，同时具有较高的分辨能力。
1986年日本首先研制成功室内受压岩样弹性波CT机[1]，用该机对受压岩样内部裂纹发展过程进行了研究，取得了丰硕成果，这标志着CT技术被引人了岩石力学领域，成为岩石力学CT技术研究和应用的开端。国内关于X射线CT研究混凝土的报道，最早的是张新华（1988）[2]所得到的 CT 图像，分析、检查了不同应力水平下的混凝土梁和砂浆及水泥石试件的断裂过程。
本文混凝土CT试验是指采用CT方法获得各种试验条件下混凝土试样扫描断面的CT图像及从CT图像中提取混凝土结构演化信息的一系列工作。混凝土各组成部分物理密度不同，反映在CT图像上各点的CT数（正比于物理密度）上，从而形成骨料、砂浆、孔洞等灰度不同的影像图，这就是CT物理原理。
如何利用CT技术实现混凝土物理力学试验是近年来混凝土性能研究的一个热点课题，包括实现试验设备和CT机配套以及对CT扫描获得的数据进行有效分析。本文浅析混凝土CT试验存在的问题，以引起相关研究者的共同关注，从而促进混凝土CT试验发展。
2混凝土CT试验存在的问题
2.1CT空间分辨率的问题
混凝土骨料和砂浆的交界层的厚度为10～50μm，混凝土破坏从交界层的微裂隙开始，随着损伤的发展基质（骨料、砂浆）裂缝与交界层裂缝桥接导致混凝土破坏。混凝土孔隙结构的类型和特征见表1。
表1混凝土孔隙结构的类型和特征
研究混凝土细观破损机理需要空间分辨率需要达到103µm的数量级，而当前混凝土CT试验一般采用的医用CT（Medical Computed Tomography，简称MCT）空间分辨率只有0.15～0.35mm，不能从CT图像做深入的分析破损机理，只能通过CT数进行分析。随着CT技术的发展，现在工业CT（Industrial Computed Tomography，简称ICT）的空间分辨率达到5～20µm，Micro-CT（Micro-computed tomography，也叫μCT）的空间分辨率达到2～50µm，Nano-CT（Nano-Computed Tomography，简称纳米CT）的空间分辨率达到50～200 X 10-3µm。由于混凝土试样尺寸的问题，工业CT比较适于解决空间分辨率不足的问题。
2.2与CT机配套的试验设备问题
为了实现实时扫描的目的，需要与CT机配套的试验机。目前国内只有两台专门研制的与CT机配套的试验设备，一台是1997年在葛修润院士主持下，中科院兰州寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室研制的“CT三轴加载设备”；另外一台是2006年在陈厚群院士主持下，西安理工大学岩土所研制的“便携式混凝土CT试验动态加载设备”。[3]
这两台试验设备都是配合医用CT机的前提下研制的，因此对试验设备的体积、重量有所限制。试验设备的最大试验力（前者为400kN，后者为100kN）和刚度不足以对大级配混凝土试样进行试验。可以考虑CT机和试验设备相互配合，研制专门的CT机和试验机，不会相互限制，或者尽可能减少对试验加载设备的运行和加载功能的影响，使各自的功能都得以发挥。
2.3其他问题
第一，如何是获得在各种加载条件下包含裂纹演化过程的混凝土CT图像。依赖于硬件设备：①与CT配套的试验设备性能；②具有合理扫描速度和分辨率的CT扫描机。第二，设计合理的试验方案，保证捕捉到裂纹演化过程的CT图像。这依赖于试验水平，即研究细观裂纹出现时样品宏观应力应变规律判断裂纹是否出现，以便决定扫描时机，提高扫描效率。第三，研究从CT图像中提取裂纹信息的方法，尽早地发现裂纹萌生点，并客观地表达裂纹演化过程。第四，研究裂纹的描述方法和显示方法，给CT裂纹数据以形象，为探索特定荷载条件下裂纹演化规律提供方便，启发、开拓研究思路。第五，研究建立混凝土细观裂纹模型的方法，建立各种荷载条件下裂纹演化模型，验证数值模拟试验结果，为理论研究提供一些线索。第六，以此为基础，研究混凝土CT成果的应用问题。包括两个方面：从工程中提出适合于CT研究的问题，CT成果如何服务于工程实践。
3结论与展望
混凝土CT试验到目前为止已经取得一些的研究成果，对试验如何开展已经取得了一定的经验。本文认为混凝土CT试验是研究混凝土内部裂纹演化规律的有效手段，突破混凝土材料性能和力学性能研究一把钥匙。充分发挥国内研究优势，借鉴国外经验， 混凝土CT试验的研究工作将会推动混凝土细观损伤力学的发展，为从细观层次上揭示混凝土动态强度变化机理提供科学依据。
混凝土CT试验进一步的工作是研制专门的工业CT机，提高扫描速度。工业CT的优势在于空间分辨率大大高于医用CT，达到观测混凝土微裂隙的要求。研制与其配套的加载设备，增加加载设备的出力和刚度，从而实现大级配混凝土试样在各种加载条件下的CT试验。随着CT技术、机械制造水平、电子控制水平等相关学科的发展，CT机和加载设备的性能也会得到大的提高。随着研究的深入，混凝土试验将会从单轴应力状态向多轴应力状态发展，从静态应力状态向动态应力状态发展，这又将会进一步推动混凝土CT试验研究的进步。
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