CN105259185A - 混凝土内部裂纹数量的测定装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土内部裂纹数量的测定装置及其方法，其中的混凝土内部裂纹数量的测定方法包括如下步骤：(1)制备待测混凝土试件：将待测混凝土样品切割并除去表面灰尘得到可用于测定其内部裂纹数量的混凝土试件；(2)增强孔隙相与基本相的对比度；(3)扫描：采用扫描仪扫描所述对比度增强的样品得到样品扫描图像；(4)测定裂纹数量：从所述扫描图像上得到所述孔隙相的数量、长度和直径；计算每个孔隙相的长径比，所述长径比≥5的孔隙相数量即为所述裂纹的数量。本发明混凝土内部裂纹数量的测定方法具有劳动强度低，成本低廉的优点。

Description

混凝土内部裂纹数量的测定装置及其方法

技术领域

本发明涉及多孔材料检测领域，具体涉及一种混凝土内部裂纹数量的测定装置及其方法。

背景技术

混凝土材料在受到荷载冲击、外部环境作用(冻融循环、硫酸盐侵蚀等)或自身的物理化学变化时将在材料内部产生微裂纹。此类微裂纹的存在将对混凝土材料本身的传输性能产生重大影响，并影响脆性多孔材料的长期服役寿命，因而对混凝土材料因上述因素导致的微裂纹的定量表征迫在眉睫。

因裂纹处于材料内部，肉眼无法直接观察，往往借助工业CT进行观察、或者将材料剖开后高压浸渍伍德合金、荧光树脂或液体，然后利用光学显微镜或电子显微镜进行直接观察。

然而，工业CT存在空间像素和材料尺寸之间的矛盾，使其只能扫描样品直径不大于3cm的样品，否则空间分辨率差，图像无法清晰重构，且工业CT价格昂贵，设备不易得；显微镜观察混凝土材料的微裂纹存在视域和分辨率之间的矛盾，当扩大视域时分辨率随视域的增加而减小，当增加分辨率时，视域随分辨率的增加而减小，且显微镜观察需要人工进行，对于尺寸大的试件，劳动强度大，受主观因素的干扰大。因此，在对面积较大的混凝土材料进行裂纹定量分析时，如何降低成本和劳动强度是目前亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种混凝土内部裂纹数量的测定方法，可以实现对大面积多孔材料中裂纹的定量分析，具有成本低廉，劳动强度低的优点。

本发明方法是通过如下技术方案实现的：

一种混凝土内部裂纹数量的测定方法，包括如下步骤：

(1)制备待测混凝土试件：将待测混凝土样品切割并除去表面灰尘得到可用于测定其内部裂纹数量的混凝土试件；

(2)将所述混凝土试件待测表面涂色，然后向表面涂色的混凝土试件的孔隙相中挤入粉末，所述粉末的颜色与所述样品表面涂色的颜色不同，增强孔隙相与基本相之间的对比度，得到对比度增强的样品；

(3)扫描：采用扫描仪扫描所述对比度增强的样品得到样品扫描图像；

(4)测定裂纹数量：从所述样品扫描图像上得到所述孔隙相的数量、长度和直径；计算每个孔隙相的长径比，所述长径比≥5的孔隙相数量即为所述裂纹的数量。

进一步的，根据所述扫描图像与样品的尺寸比例，样品扫描图像上的孔隙相长度和直径来计算出所述样品中孔隙相的长度和直径，然后得到不同长度裂纹的分布。

进一步的，所述尺寸比例的确定具体包括如下步骤：

将刻度尺置于所述对比度增强的样品表面，用所述扫描仪扫描所述样品和刻度尺，将要分析面朝向平板扫描仪，根据扫描清晰度调节所述扫描仪的分辨率，测量并计算图像中刻度尺与实际尺寸的比例。

进一步的，所述粉末的直径为0.1μm-100μm。

进一步的，所述粉末的直径为：2μm-20μm。

进一步的，所述扫描仪的的分辨率为300-19200dpi。

进一步的，所述扫描仪的的分辨率为2400-9600dpi。

另一方面，一种混凝土内部裂纹数量的测定装置，包括计算机和扫描装置，所述扫描装置包括底座，扫描仪，其与所述计算机连接，所述扫描仪与所述底座之间设有导轨，所述导轨上设置有连接板，所述连接板通过所述导轨上下移动，连接板与底座之间的导轨上设有导轨弹性连接装置，所述连接板上设置有遮光板和样品台，所述样品台与连接板之间设置有样品台弹性连接装置，当所述样品台弹性连接装置处于自然伸长状态时，所述样品台上表面不低于所述遮光板上表面。

进一步的，所述的导轨包括立柱和套在其上的套筒，所述立柱两端分别固定在所述扫描仪和底座上，所述套筒固定在所述连接板上，所述套筒与底座之间设置有弹簧。

进一步的，所述连接板下表面设置有把手。

与现有技术相比本发明申请技术方案的有益效果如下：

光学显微镜和电子显微镜需要人工分析与观察，劳动强度大且结果不准确，而本发明方法实现了裂纹观察的自动化，可以高效准确的对大面积多孔材料内部裂纹进行定量分析，解决了光学显微镜和电子显微镜在观察裂纹时所存在的视域和分辨率的矛盾。

本发明方法采用多孔材料表面涂色，孔隙相填充粉末来实现增强孔隙相和基本相的对比度，相对于光学显微镜和电子显微镜法采用的将材料剖开后高压浸渍伍德合金、荧光树脂或液体相比，操作简单，成本较低。

本发明装置的弹性连接装置可以保证待测样品与扫描仪贴紧，保证了扫描的清晰度和准确度，样品台下的弹性连接装置可以保证遮光板与扫描仪的紧密结合，保证了测定结果的可靠性。

附图说明

图1为本发明混凝土内部裂纹数量的测定装置初始状态的正视图；

图2为本发明混凝土内部裂纹数量的测定装置拉下把手时的正视图；

图3为本发明混凝土内部裂纹数量的测定装置拉下把手时的左视图；

图4为本发明混凝土内部裂纹数量的测定方法中扫描仪到的内部裂纹图像；

图5为本发明混凝土内部裂纹数量的测定方法中渲染后的内部裂纹图像；

图6为本发明混凝土内部裂纹数量的测定方法中孔隙相计数图像；

图7为本发明混凝土内部裂纹数量的测定方法中300dpi下不同长度裂纹数量柱状图；

图8为本发明混凝土内部裂纹数量的测定方法中19200dpi下不同长度裂纹数量柱状图；

图9为本发明混凝土内部裂纹数量的测定方法中4800dpi下不同长度裂纹数量柱状图；

图10为本发明混凝土内部裂纹数量的测定方法中7200dpi下不同冻融循环次数下裂纹平均长度柱状图。

具体实施方式

下面结合具体例子，对本发明进行更具体的阐述。例子中的具体参数仅用于说明本发明而不用于限定范围，本领域内技术人员可以适当修改本发明参数。

实施例1

一种混凝土内部裂纹数量的测定装置，包括计算机和扫描装置，图1为混凝土内部裂纹数量的测定装置正视图，如图1所示，所述扫描装置包括方形底座2，边长为80cm，扫描仪1，其与所述计算机连接，所述扫描仪1与所述底座2外轮廓相同，四角处分别通过铁质立柱6连接，直径为5cm，所述铁质立柱6上套有内径略大于其直径的套筒10，保证套筒10在立柱6上可以自由滑动，套筒6与底座之间设置有弹簧5套筒6上焊接有铁质连接板4，连接板的中部设置有用于承载待测样品的样品台7，所述样品台7与连接板4之间设置有弹簧8，其余部分设置有用于遮挡外部光线的遮光板3，遮光板3不透光，以保证测定结果的准确性，当弹簧8处于自然伸长状态下时，样品台7的上表面与遮光板3的上表面在同一水平面上。

作为优选，连接板下表面设置有把手9，方便下拉连接板4。

图2为混凝土内部裂纹数量的测定装置将连接板拉下时的正视图，图3为混凝土内部裂纹数量的测定装置将连接板拉下时的左视图；如图2和3所示，在测定样品内部裂纹时，拉动把手4使样品台7与扫描仪1之间的空间足以放入样品，然后慢慢放松把手9使遮光板3与扫描仪1贴紧，起到遮光的效果，防止外界光线干扰测定，弹簧8保证了样品与扫描仪1的接触紧密；然后打开扫描仪1并将扫描到的图像数据传输到计算机上，通过计算机上的数据处理软件来分析裂纹的长度和数量。

实施例2

一种混凝土内部裂纹数量的测定方法，包括如下步骤：

(1)制备待测混凝土试件：

按照DL/T5150-2001水工混凝土试验规程中4.25.4试验步骤中的第2步，将含裂纹样品进行预处理：

从含裂纹样品上锯下试件后，洗刷干净，将观测面分别采用400号和800号金刚砂仔细研磨。每次磨完后洗刷干净，再进行下次研磨；最后在抛光机转盘的呢料上涂刷氧化铬，进行抛光，再洗刷干净，在105℃±5℃的烘箱中烘干，然后置于显微镜下试测。当强光低入射角照射在观测面上，观测到表面除了气泡截面和骨料孔隙外，基本是平的，气泡边缘清晰，并能测出尺寸为10μm的气泡截面，即认为该观测截面已加工合格。

(2)孔隙相和基体相对比度增强：

将黑色挥发性颜料均匀无死角地涂抹在抛光后裂纹试件的表面，待颜料挥发后试件平整的表面全部呈现黑色，气孔和裂纹仍显示多孔材料的本底颜色；

将磨细至100μm的白色氧化铝粉末均匀撒布在样品表面，并用刮刀将磨细固体粉末挤入裂纹内，用刮刀刮去多余的粉末，使得裂纹相(白色)和平整的基体表面(黑色)呈现出强烈的对比度；在不发生团聚的情况下，粉末细度越小，能够进入到的裂纹越细，磨细粉末的粒度决定着能够分析的最小裂纹尺寸。对比度增强可以使试件检测在扫描仪上扫描孔隙相更明显。

(3)样品图像扫描

将透明刻度尺置于对比度增强的样品表面，样品连同刻度尺一同进行扫描，所用扫描装置为实施例1中所述的分析装置，拉下把手9，将样品放到样品台7上，然后慢慢放开把手9，使样品与扫描仪1贴紧，打开扫描仪开始扫描并将扫描到的图像数据传输到计算机上，通过计算机进行图像数据处理；其中，平板扫描仪的分辨率为300dpi(300dpi的最小探测长度84.67μm，即尺寸小于84.67μm的孔隙相是不能被正确表征的，若需要表征尺寸更小的孔隙相需采取更大分辨率的扫描仪)，将要分析面朝向平板扫描仪，选定好要使用的扫描分辨率，对样品进行扫描。

扫描仪的成本较低，可以通过移动样品来实现试样分析时存在的视域与检测范围的矛盾。

将扫描分辨率固定为300dpi后，去除透明刻度尺，开始扫描第2步中做好对比度增强的样品，

(4)图像软件定量分析

打开IPP6.0软件，加载扫描好的图片，图4为加载得到的图像，如图4示，其中白色部分为扫描到的孔隙相，黑色部分为扫描到的基体相；利用segmentation工具将白色的裂纹相进行渲染，渲染后的图像如图5所示，从图5可以看到清晰的裂纹相(白色部分为裂纹和气孔，黑色部分为密实的材料基体)；然后在selectmeasurements里选择要测量的数据，利用Count/size功能进行分析对象的计数，带有孔隙相计数的扫描图像如图6所示。

(5)数据分析

对于分析对象A，若A的长度L和其直径D之比大于5则认为目标对象为裂纹(L/D的数值判断可能根据分析对象的不同而取值不同，该值越大，则分析对象为裂纹的可能性越大)，否则认为是不规则孔。

利用IPP6.0软件的数据导出功能，将分析的统计数据导出到Excel表格中，根据选择的裂纹参数进行分析。图7为300dpi下含多孔材料的裂纹分布百分比，从图7可以看出长度为3.5mm以下的裂纹是没有的，这说明300dpi条件下能扫描到的准确的数据在3.5mm以上。

实施例3

一种混凝土内部裂纹数量的测定方法，包括如下步骤：

(1)制备待测混凝土试件：

按照DL/T5150-2001水工混凝土试验规程中4.25.4试验步骤中的第2步，将含裂纹样品进行预处理：

从含裂纹样品上锯下试件后，洗刷干净，将观测面分别采用400号和800号金刚砂仔细研磨。每次磨完后应洗刷干净，再进行下次研磨。最后在抛光机转盘的呢料上涂刷氧化铬，进行抛光，再洗刷干净，在105℃±5℃的烘箱中烘干，然后置于显微镜下试测。当强光低入射角照射在观测面上，观测到表面除了气泡截面和骨料孔隙外，基本是平的，气泡边缘清晰，并能测出尺寸为l0μm的气泡截面，即认为该观测截面已加工合格。

(2)孔隙相和基体相对比度增强：

使用黑色挥发性记号笔均匀无死角地涂抹在抛光后裂纹试件的表面，待油墨挥发后试件平整的表面全部呈现红色，气孔和裂纹仍显示多孔材料的本底颜色；

将磨细至0.1μm的蓝色粉末均匀撒布在样品表面，并用刮刀将磨细固体粉末挤入裂纹内，用刮刀刮去多余的粉末，使得裂纹相(蓝色)和平整的基体表面(红色)呈现出强烈的对比度；在不发生团聚的情况下，粉末细度越小，能够进入到的裂纹越细，磨细粉末的粒度决定着能够分析的最小裂纹尺寸。

(3)样品图像扫描

将透明刻度尺置于对比度增强的样品表面，样品连同刻度尺一同放在办公室常用的平板扫描仪上，其中，平板扫描仪的分辨率为19200dpi，将要分析面朝向平板扫描仪，选定好要使用的扫描分辨率，对样品进行扫描。

将扫描分辨率固定为19200dpi后，去除透明刻度尺，开始扫描第2步中做好对比度增强的样品；从图3可以看到清晰的裂纹相(蓝色部分为裂纹和气孔，红色部分为密实的材料基体)

(4)与(5)与实施例2中的步骤(4)和(5)相同。

图8为19200dpi下含多孔材料的裂纹分布百分比，从图8可以看出19200dpi条件下可以扫描到尺寸较小的孔隙相。

实施例4

将经过10000次疲劳加载后的混凝土试件切割出10cm×10cm的新鲜面，进行打磨、抛光、清洗、干燥后用红色挥发性彩笔均匀涂色在抛光面上(使得混凝土表面全部呈红色，孔隙相内为空)，然后用裁纸刀将颗粒直径为2μm-10μm的氧化铝粉末均匀的刮进孔隙相内(使得混凝土抛光面的孔隙相内填满白色粉末，与表面的红色形成对比)，并将多余的粉末刮掉，制得待扫描的样品S-ready。

然后将带有刻度的透明塑料尺放在S-ready的处理面上，使S-ready-透明塑料尺-扫描仪的样品台三者贴合在一起，采用4800dpi的分辨率开始扫描，得到基准图像S-reference，根据透明塑料尺上的刻度，换算得到图像像素与几何尺寸的比例为1982:1(得到4800dpi分辨率下，S-ready的放大比例，然后换算成几何尺寸)。然后去掉透明塑料尺，继续用4800dpi的分辨率扫描待分析样品S-ready后得到用于分析的图像，然后用ipp6.0软件对白色裂纹相和红色基体相进行分割，得到不同长度裂纹的分布如图9所示。

实施例5

将经过150次、200次冻融循环后的混凝土试件切割出出10cm×10cm的新鲜面，进行打磨、抛光、清洗、干燥后用黑色挥发性彩笔均匀涂色在抛光面上(使得混凝土表面全部呈黑色，孔隙相内为空)，然后用裁纸刀将颗粒直径为2μm-10μm的碳酸钙粉末均匀的刮进孔隙相内(使得混凝土抛光面的孔隙相内填满白色粉末，与表面的红色形成对比)，并将多余的粉末刮掉，制得待扫描的样品S-ready。

然后将带有刻度的透明塑料尺放在S-ready的处理面上，使S-ready-透明塑料尺-扫描仪的样品台三者贴合在一起，采用7200dpi的分辨率开始扫描，得到基准图像S-reference，根据透明塑料尺上的刻度，换算得到图像像素与几何尺寸的比例为2976:1(得到7200dpi分辨率下，S-ready的放大比例，然后换算成几何尺寸。)。然后去掉透明塑料尺，继续用7200dpi的分辨率扫描待分析样品S-ready后得到用于分析的图像，然后用ipp6.0软件对白色裂纹相和黑色基体相进行分割，得到不同冻融循环次数后裂纹的平均长度如图10所示。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种混凝土内部裂纹数量的测定方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)制备待测混凝土试件：将待测混凝土样品切割并除去表面灰尘得到可用于测定其内部裂纹数量的混凝土试件；

(2)将所述混凝土试件待测表面涂色，然后向表面涂色的混凝土试件的孔隙相中挤入粉末，所述粉末的颜色与所述样品表面涂色的颜色不同，增强孔隙相与基本相之间的对比度，得到对比度增强的样品；

(3)扫描：采用扫描仪扫描所述对比度增强的样品得到样品扫描图像；

(4)测定裂纹数量：从所述样品扫描图像上得到所述孔隙相的数量、长度和直径；计算每个孔隙相的长径比，所述长径比≥5的孔隙相数量即为所述裂纹的数量。

2.根据权利要求1所述混凝土内部裂纹数量的测定方法，其特征在于，根据所述扫描图像与样品的尺寸比例，样品扫描图像上的孔隙相长度和直径来计算出所述样品中孔隙相的长度和直径，然后得到不同长度裂纹的分布。

3.根据权利要求2所述混凝土内部裂纹数量的测定方法，其特征在于，所述确定出所述样品扫描图像与所述样品的尺寸比例具体包括如下步骤：

将刻度尺置于所述对比度增强的样品表面，用所述扫描仪扫描所述样品和刻度尺，将要分析面朝向平板扫描仪，根据扫描清晰度调节所述扫描仪的分辨率，测量并计算图像中刻度尺与实际尺寸的比例。

4.根据权利要求1所述混凝土内部裂纹数量的测定方法，其特征在于，所述粉末的直径为0.1μm-100μm。

5.根据权利要求4所述混凝土内部裂纹数量的测定方法，其特征在于，所述粉末的直径为：2μm-20μm。

6.根据权利要求1所述混凝土内部裂纹数量的测定方法，其特征在于，所述扫描仪的的分辨率为300-19200dpi。

7.根据权利要求6所述混凝土内部裂纹数量的测定方法，其特征在于，所述扫描仪的的分辨率为2400-9600dpi。

8.一种混凝土内部裂纹数量的测定装置，其特征在于，包括计算机和扫描装置，所述扫描装置包括底座，扫描仪，其与所述计算机连接，所述扫描仪与所述底座之间设有导轨，所述导轨上设置有连接板，所述连接板通过所述导轨上下移动，连接板与底座之间的导轨上设有导轨弹性连接装置，所述连接板上设置有遮光板和样品台，所述样品台与连接板之间设置有样品台弹性连接装置，当所述样品台弹性连接装置处于自然伸长状态时，所述样品台上表面不低于所述遮光板上表面。

9.根据权利要求8所述的混凝土内部裂纹数量的测定装置，其特征在于，所述的导轨包括立柱和套在其上的套筒，所述立柱两端分别固定在所述扫描仪和底座上，所述套筒固定在所述连接板上，所述套筒与底座之间设置有弹簧。

10.根据权利要求8所述的混凝土内部裂纹数量的测定装置，其特征在于，所述连接板下表面设置有把手。