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1、1、研究意义混凝土冻融损伤过程的本质是内部微裂纹不断出现和扩展的过程，混凝土的各项宏观物理力学性能与其内部微裂纹结构状态密切相关。现有的混凝土冻融损伤评价方法有共振频率法、超声波波速法或 X 射线 CT 法，均是混凝土损伤程度的宏观、唯象的表征和评价方法，难以直观反映混凝土冻融损伤过程中微裂纹的萌生和扩展情况。基于数字图像处理技术对混凝土内部微裂纹结构特征进行量化表征和分析，进而建立混凝土宏观力学性能变化与微裂纹特征参数之间的对应关系，可揭示混凝土冻融损伤的本质，为混凝土冻融损伤程度的评价提供一个科学合理的、更直观的方法。国际上基于微裂纹图像定量分析技术对建筑物中混凝土的劣化状况进行诊断已有
2、10 余年的历史，而我国在该领域的研究几乎是空白，本项研究有望建立混凝土冻融损伤的更直观和本质化的评价方法，并填补国内在混凝土微裂纹图像量化分析领域研究的空白，进一步提升我国在混凝土老化损伤评价、健康诊断领域的研究水平。2、国内外研究现状综述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 1。冻融破坏是我国东北、华北和西北地区的水工混凝土建筑物的主要病害之一。对混凝土建筑物所经受的冻融损伤程度进行正确合理的诊断和评价是修补和养护混凝土建筑物、延长建筑物寿命的前提。2
3、.1 现有冻融损伤评价方法的不足常用的对混凝土冻融损伤的评价方法有共振频率法 2、超声波波速法 3及X 射线 CT 法 4。共振频率法是最常用的评价混凝土抗冻能力的方法，已经纳入我国的水利行业标准。规范规定以相对动弹模的变化（由共振频率计算得到）来评价混凝土的损伤程度，且规定相对动弹模降低为初始值的 60%即认为混凝土已经受冻破坏 2。超声波波速法也是常用的检测混凝土内部缺陷的方法，赵霄龙等 3发现通过超声波波速的相对变化来构筑损伤变量 D=1-2/-2（ 和 分别为完好和受损混凝土的超声波波速），也可以很好地评价混凝土的冻融劣化程度。日本学者 Suzuki4采用 X 射线 CT 设备对经不同
4、冻融劣化程度的混凝土芯样进行了扫描，发现 CT 数（反映混凝土对 X 射线吸收能力的高低）可反映混凝土芯样受劣化程度的大小：严重冻融劣化的芯样的平均 CT 值最低，而未经冻融劣化的芯样的平均 CT 值最高。以上这些用于冻融损伤评价的方法都属无损方法，其共同优点是操作方便快捷，不破坏试件，可进行长时间的跟踪测量。但这些方法也有其不可克服的缺点：不能反映混凝土损伤的本质，即不能反映混凝土内部微裂纹的萌生和扩展情况； 只能用于冻融损伤的相对大小评价，其绝对值无法用于混凝土内部损伤程度的评价。鉴于以上原因，本项目将探索能反映混凝土受冻损伤本质的方法，开展基于微裂纹结构量化分析对冻融损伤进行评价和诊断的
5、研究。2.2 混凝土微裂纹定量分析研究现状混凝土的冻融损伤是一个物理变化过程，即混凝土内部的微裂纹不断出现和扩展的过程 1。获取混凝土内部的微裂纹结构图像并对之进行定量分析，进而建立混凝土宏观性能和微观微裂纹结构参数之间的对应关系，可直观地反映混凝土内部的冻融损伤程度。微裂纹结构特征量化研究一般分为三个主要过程：微裂纹的浸渍染色、微裂纹的自动提取、微裂纹结构特征的量化分析。微裂纹的浸渍染色的目的是增强图像中微裂纹与背景（基体）的对比度，以便更容易观察到微裂纹并对之进行处理；在此基础上采用自动图像处理技术或手工描图的方式剔除各种杂点、噪声即可得到我们感兴趣的微裂纹图像；然后采用图像形态学等图像处
6、理技术，对微裂纹图像进行自动量测，即可得到微裂纹结构特征参数。2.2.1 混凝土微裂纹浸渍方法研究现状半个多世纪以来，研究人员提出和发展了多种用于水泥基材料内部微裂纹观测和分析的浸渍染色方法，这些方法按染色介质分，可分为墨水浸染法、酒精浸染法、伍德合金（Wood Metal）浸染法、荧光环氧浸染法及墨水-荧光环氧两阶段浸染法；按浸渍染色的环境压力区分，分为高压浸染法、真空浸染法、常压浸染和真空-高压两阶段浸染法。表 1 为常用微裂纹浸渍染色方法的优缺点比较。表 1 常用微裂纹浸渍染色方法优缺点比较优点 缺点 适用范围墨水浸染法 5-8不需要真空、高压或者干燥处理，减小了预处理过程引入的微裂纹不
7、能用于过分开裂的水泥基材料；引起裂缝部分甚至完全闭合，使浸渍不彻底；有机溶剂会引起水化硅酸钙、钙矾石的部分脱水；浸渍时间长，一般需要数天时间普通混凝土荧光酒精置换法 9, 10不需要真空、高压或者干燥处理，减小了预处理过程引入的微裂纹；浸渍深度高；可用于确定基体中的水灰比不能用于开裂严重的水泥基材料；有机溶剂会引起水化硅酸钙、钙矾石的部分脱水； 浸渍时间长，一般需要数天时间高强混凝土（低水灰比）真空环氧浸染法11-14操作相对简单、经济，对设备的要求较低，试验材料容易得到；环氧树脂硬化后具有一定的强度和粘接力，对试件有一定的补强作用，减轻在后续打磨等处理过程中对裂纹的干扰；试样可长期保存样品制
8、备过程中的干燥过程易引入二次微裂纹；真空环境引起水分散失，易引入二次微裂纹；同时浸渍了裂纹和基体中的毛细孔，图像中裂纹和基体对比度不够鲜明水泥净浆、砂浆及普通混凝土伍德合金（ Wood Metal）浸染法15-18扫描电镜图像对比度比环氧树脂浸渍试件更高；采用合适的化学溶剂对水泥基体溶蚀后可得到裂缝的三维立体图像对设备的要求高，过程复杂，施加的高压对试样有一定的破坏作用；对环境温度有特定的要求；合金与水泥基材料的粘结能力差，不利于试样长期保存普通混凝土和高强混凝土墨水-环氧两阶段高压浸染法 15, 16真空浸染的基础上进行高压浸染，浸染深度更深；墨水和环氧两种浸染介质相结合，墨水浸染了基体中的
9、毛细孔，所得图像的对比度比纯环氧浸渍的试件更高对设备的要求高，过程更复杂；试样反复处在真空、高压的环境中，对微裂纹的干扰程度大普通混凝土和高强混凝土从表 1 可以看出，针对冻融损伤这种易引起混凝土表面剥落直至严重劣化的损伤特点，同时考虑到操作的简单和浸染过程中不对微裂纹形态造成过大的干扰，采用真空环氧浸染法对冻融产生的微裂纹进行浸渍染色是最好的选择。2.2.2 微裂纹的自动提取和量化分析将试件内部微裂纹图像存储后，即可根据数据数字图像处理技术对所关注的微裂纹进行提取，为后续的量化分析打下基础。该过程的第一个环节是基于灰度阈值的图像分割技术，即如何确定灰度图像转化为黑白二值图像中的灰度阈值。第二
10、个环节是对分割后的图像进行形状和尺寸分析以将区分裂纹与孔隙、裂纹与噪声。而区分的准则跟图像的放大倍数相关。Soroushian 15根据上百张裂纹图片的手动和自动试算结果确定所需的灰度阈值，指出在 125500 放大倍数下裂纹的形状判别准则为 Ff3.5（Ff，formfactor，长度与宽度的比值)，并在其分析中认为对象长度超过 35 像素才为裂纹。Ammouche 7认为在 2580 放大倍数下，采用 Ff 进行裂纹形状判断的可靠性不高，提出了新的判定准则Fc0.2（Fc=Aob/Acc，Aob 为对象面积， Acc 为其外接圆面积）。微裂纹结构提取出来后，即可对其结构特征进行自动测量和分
11、析。常用于表征裂纹结构的参数有长度、宽度、面积、面积比（裂纹面积与试件面积的比）、密度（单位面积的裂纹长度，裂纹长度与试件面积的比值）、倾角（裂纹与竖直线的夹角）以及裂纹宽度的分布等。以上参数均为二维统计参数，部分学者还结合三维体视学原理，假定混凝土三维结构中任意一个横切面的裂纹统计结果均与所观察到的平面裂纹结构相同，提出了三维参数 18，如比表面积、体积分数、体密度（单位体积中的裂纹长度）等，来对微裂纹结构进行统计分析。但实际混凝土内部微裂纹的分布是跟骨料的分布密切相关的，三维体视学的计算假定并不完全符合实际混凝土，因此基于微裂纹二维结构特征参数的测量和分析当前最为普遍。2.2.3 微裂纹量
12、化分析技术的应用国外研究者 10 多年前已开始研究裂纹浸渍染色和微裂纹量化分析技术，并将之用于结构物混凝土损伤劣化的评估分析中。Ammouche 7, 8采用红墨水浸染法观察分析微裂纹，发现承受单轴峰值荷载时高强混凝土和砂浆试件内部裂纹的密度（长度与面积的比值）比承受荷载前明显增多，但裂纹的倾角变化不明显。Litorowicz 13采用真空荧光环氧浸渍染色技术和微裂纹量化分析系统对早期经受不同时长冷冻的三组混凝土试件内部微裂纹的长度、宽度、面积、面积比、倾角和圆度（roundness）等进行定量分析，给出了抗压强度、水渗入深度和氯离子迁移系数等与裂纹密度之间的关系。Glinicki 12将此系
13、统应用到地板、停车场和隧洞等建筑物的混凝土芯样劣化状态的评价中，认为该方法是常规混凝土结构诊断学的一个重要补充。在普通真空环氧浸渍技术的基础上，Bisschop 11提出先真空环氧浸渍再切片打磨的“裂纹冻结法”研究混凝土干缩微裂纹，从而减少了干燥过程对干缩微裂纹的干扰；通过对人工描绘得到的裂纹图片的定量分析，Bisschop 系统研究了玻璃珠骨料的弹模、级配等因素对水泥基材料干缩微裂纹分布的影响。Soroushian 和 Elzafraney15-17分别采用伍德合金（Wood Metal ）高压浸渍和黑墨水、荧光环氧两阶段高压浸染技术，获得了裂纹与基体的对比度比一般真空环氧浸渍高出很多的微裂
14、纹图像。结合开发的裂纹定量分析软件，Elzafraney研究了一座钢筋混凝土桥面板的劣化情况，发现严重损坏区域和轻微损伤区域的微裂纹结构特征统计参数有显著差异。而我国目前采用裂纹染色技术对混凝土内部微裂纹的量化研究几乎是空白。据所查到的文献，仅有东南大学的孙伟课题组 14采用荧光环氧浸渍染色技术对同时承受冻融循环和受弯疲劳的试件内部微裂纹分布进行了定性观察，但并没有对微裂纹进行量化分析。由以上国内外研究现状可以看出：国外采用微裂纹量化分析技术对建筑物中混凝土进行健康诊断刚刚起步，国内则还是空白；基于数字图像处理技术对混凝土内部微裂纹结构进行量化分析有望揭示混凝土冻融损伤本质、为混凝土冻融损伤提
15、供新的评价方法，并有望为混凝土的健康诊断提供重要的技术支持。3、项目创新点研究开发混凝土微裂纹图像的自动识别和量化分析系统；提出基于数字图像处理的混凝土冻融损伤评价方法及指标；4、参考文献1 李金玉, 曹建国. 水工混凝土耐久性的研究和应用. 北京: 中国电力出版社, 2004.2 中国水利水电科学研究院, 南京水利科学研究院. 水工混凝土试验规程 sl352-2006, 2006.3 赵霄龙, 卫军. 以超声波声速构筑混凝土冻融损伤变量. 第八届全国建设工程无损检测技术学术会议, 中国桂林, 2004. p. 56-61.4 Suzuki T, Ogata H, Takada R, et a
16、l. Use of acoustic emission and x-ray computed tomography for damage evaluation of freezing and thawed concrete. Construction and Building Materials, 2010, 24: 2347-2352.5 Slate F O, Olsefski S. X-rays for study of internal structure and microcracking of concrete. American Concrete Institute - Journal, 1963, 60(5): 575-588.6 Hornain H, Marchand J, Ammouche A, et al. Micros
