基于数字图像处理的混凝土老化状态评价方法研究

Most of the concrete dams built between 1950 and 1970 in China are aging and it is of great significance to identify and evaluate the aging status in the concrete in those dams. However, none of the widely-used damage evaluation parameters such as core strength, resonant frequency, ultrasonic wave velocity, CT value and Damage Rating Index can be used as a reliable parameter for evaluating aging status in concrete. Although quantitative microcrack analysis is applied into the diagnosis of damage degree and aging status for concrete, only limited number of microcrack images taken from local areas of concrete slices are analyzed and the whole microcrack structure are still not revealed. In this proposal quantitative microcrack analyses based on panoramic microcrack images in slices from concrete damaged by alkali-aggregate reaction (AAR) and freezing-thawing (FT) respectively will be made and the evolution rules and evolution mechanisms of microcracks in AAR-damaged and FT-damaged concrete will be thoroughly investigated. The relationship between the evolution of microcrack characteristics and the evolution of macroscopic properties of concrete will be established and a new evaluating method for aging status in concrete based on quantitative microcrack analysis will be eventually proposed.

我国上个世纪50-70年代修建的混凝土坝已进入老化期，对坝体混凝土的老化状态进行正确合理的评价是当务之急。当前常用的混凝土老化状态评价方法如芯样测试法、无损检测法和损伤评价因子法均难以科学合理的评价混凝土的老化状态/损伤程度，无法满足工程需要。尽管一些研究者尝试采用微裂纹定量分析对混凝土进行损伤识别和老化诊断，但这些研究只是针对混凝土切片内局部微裂纹图像进行的量化分析，无法揭示混凝土微裂纹结构的全貌。本项目将基于数字图像处理技术对两种典型损伤老化模式（冻融损伤、AAR损伤）影响下的混凝土内部微裂纹全景结构的演化规律进行定量分析；结合相应的宏观性能测试，建立AAR损伤、冻融损伤过程中混凝土宏观性能演化与微裂纹结构演化之间的对应关系，最终提出基于微裂纹结构特征的大坝混凝土老化状态评价方法。

混凝土老化损伤过程是微裂纹不断萌生和扩展的过程，因此微裂纹定量分析是识别和评估混凝土老化状态的有效手段。然而目前的光学显微镜、扫描电镜等设备均只能针对混凝土切片内局部微裂纹图像进行量化分析，无法揭示混凝土微裂纹结构的全貌。本项目首先基于显微镜学和数字图像处理技术开发完善了混凝土全景微裂纹定量分析系统，研究了冻融、碱骨料反应(AAR)、机械荷载、溶蚀等几种大坝常见劣化因素作用下的混凝土宏观性能演化规律，并揭示了冻融、AAR、机械荷载作用下混凝土内部微裂纹全景结构的演化规律；通过建立不同损伤因素作用下混凝土宏观性能演化与微裂纹结构演化之间的对应关系，最终提出基于微裂纹密度的混凝土老化状态定量评估方法。开发了混凝土界面过渡区网格划分的方法-骨料膨胀法，并建立了三维三相数字混凝土，为进一步通过数值模拟揭示混凝土损伤破坏的细观机理奠定了基础。混凝土全景微裂纹定量分析技术在漫湾大坝混凝土芯样的老化状态评估中进行了成功应用，并得出漫湾大坝混凝土轻微老化的结论，为业主制订大坝的运行维护措施提供了有力支撑。本项目的研究成果可科学、准确地定量评估混凝土损伤程度、老化状态，有望在我国混凝土老坝的竣工验收、安全检查等环节得到广泛应用，具有广阔的应用前景。