CN105372168B - 一种混凝土孔隙三维结构的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种混凝土孔隙三维结构的构建方法，利用X射线CT扫描获得的粗糙的孔隙三维结构图像，计算获得混凝土的孔径分布曲线和孔隙率，并通过调整灰度值，使得由粗糙的孔隙三维结构图像计算获得的孔径分布曲线、孔隙率分别与压汞测量获得的孔径分布曲线、孔隙率一致；最终利用调整得到的临界灰度值细化粗糙的孔隙三维结构图像后，获得精细的孔隙三维结构图像。该方法能够最大程度地利用X射线CT的既有分辨率，结合了压汞技术和X射线CT扫描技术构建混凝土材料内部精细的孔隙三维结构图像，克服了仅利用X射线CT获取的混凝土材料内部孔隙三维结构图像时，难以精确区分骨架和孔隙的缺点，以获得混凝土材料内部清晰的孔隙三维结构图像。

Description

一种混凝土孔隙三维结构的构建方法

技术领域

本发明涉及混凝土成像技术领域，具体涉及一种混凝土孔隙三维结构的构建方法。

背景技术

混凝土的孔隙结构对于钢筋混凝土结构物的耐久性有极大的影响，混凝土的耐久性在近年来越来越多地受到重视。因此，检测混凝土内部孔隙分布的精细三维结构具有重要意义。

利用压汞试验和CT扫描都是获得混凝土内部孔隙特征的方法。前者利用汞在不同压力的情况下进入不同内径的孔隙的特点，测量出混凝土孔隙的内径分布，并获得孔隙率。后者利用不同物质对X射线的吸收率不同的特点，获得混凝土内部物质的断面扫描图像，并利用三维重建技术获得内部物质的三维结构图像。

但是，上述两种检测方法在技术上均存在不足，对于压汞技术而言，其只能获得孔径的整体分布信息，但是对孔隙在三维空间中的分布特征无法获得。而CT扫描的方法极大地依赖CT设备的精度，目前大多数CT的精度不超过1μm/像素(MicroCT)，因此，由于受到分辨率的限制，单独使用CT一般无法获得较为清晰的孔隙图像。若是需要获得更加精确的数据，则需要采用同步辐射CT，而同步辐射CT一般需要提前预约，且一年限制2次，由此给实验测量带来很大不便。

另外，一般在获得的CT图像中，所能辨别出的孔隙图像实际上并不是孔隙的真实形态，还存在很多伪影干扰了孔隙形态的识别。主要存在的伪影包括环状伪影、散射伪影和运动伪影。前两种伪影是由于CT设备本身的不稳定性和X射线的散射特点造成的，后者是由于在测量过程中样品发生移动导致的。为了消除伪影的影响，一般会采用如非局部滤波法、蒙特卡罗模拟法和重复多角度照射校正等方法进行数字图像处理。这些方法一定程度上可以获得较为精细的三维结构图，但是缺陷在于计算较为复杂，而且并没有通过实验来证明矫正结果的可靠性。

目前，迫切需要一种在现有X射线CT所能达到的分辨率精度的条件下，获得可靠的混凝土内部孔隙精细的三维结构图的方法。

发明内容

本发明的目的在于，为了克服现有技术中采用CT扫描获得的混凝土内部孔隙的三维结构成像不清晰的技术问题，提供一种混凝土孔隙三维结构的构建方法。该方法能够最大程度地利用CT既有的分辨率，并结合了压汞技术和X射线CT扫描技术构建混凝土材料内部精细的孔隙三维结构图像，从而克服了仅利用X射线CT获取混凝土材料内部孔隙结构时，难以精确区分混凝土内骨架和孔隙的缺点，以获得混凝土材料内部清晰的孔隙三维结构图像。

为实现上述目的，本发明提供了一种混凝土孔隙三维结构的构建方法，该方法包括如下步骤：

步骤1)将混凝土在X射线CT下扫描，获得混凝土的断面扫描图像，该断面扫描图像以不同灰度值的形式区分混凝土内部骨架结构和孔隙结构；

步骤2)将步骤1)中获得的断面扫描图像组合成粗糙的孔隙三维结构图像；

步骤3)利用压汞仪测量获得混凝土的孔隙率和孔径分布曲线；

步骤4)利用粗糙的孔隙三维结构图像计算获得混凝土的孔径分布曲线和孔隙率，并通过调整灰度值得到临界灰度值，该临界灰度值使得由粗糙的孔隙三维结构图像计算获得的孔径分布曲线、孔隙率分别与步骤3)中获得的孔径分布曲线、孔隙率一致；

步骤5)利用步骤4)中调整得到的临界灰度值细化粗糙的孔隙三维结构图像后，最终获得精细的孔隙三维结构图像。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤1)中扫描获得混凝土的断面扫描图像的步骤包括：

将混凝土固定在X射线CT的观测台上进行X射线扫描，从不同角度照射同一断面得到不同角度下X射线的衰减值；

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤1)中粗糙的孔隙三维结构图像的构建步骤包括：将衰减值以矩阵的形式存储在计算机中，然后利用Radon变换的算法把矩阵中的数据构建成三维结构图像。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤4)中利用粗糙的孔隙三维结构图像计算获得混凝土孔隙率的公式为：

其中，S_i表示某一方向第i个断面的面积，表示所述第i个断面中孔隙截面的面积。三维结构图包括不同断面的空隙结构，在某一方向，如x方向划分1～n个均匀分布的连续断面。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤4)中通过调整灰度值得到临界灰度值的步骤包括：

步骤401)通过调整灰度值，选定满足由粗糙的孔隙三维结构图像计算获得的孔隙率和步骤3)中得到的孔隙率相同时的灰度值G₁；

步骤402)通过调整灰度值，选定满足由粗糙的孔隙三维结构图像计算获得的孔径分布曲线和步骤3)中得到的孔径分布曲线相似度最高时的灰度值G₂，所述的孔径分布曲线包括任意一个或一个以上孔径范围内的分布曲线；

步骤403)将灰度值G₁和灰度值G₂的差取到极小值时的阈值作为最终选取的临界灰度值。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤5)具体包括：

步骤501)根据步骤4)中调整得到的临界灰度值，重新划分断面扫描图像中孔隙结构和骨架结构的交界面；

步骤502)利用步骤501)获得的断面扫描图像重组为精细的孔隙三维结构图像。

本发明的一种混凝土孔隙三维结构的构建方法优点在于：

本发明的方法能够最大程度地利用X射线CT的既有分辨率，结合了压汞技术和X射线CT扫描技术构建混凝土材料内部精细的孔隙三维结构图像，克服了仅利用X射线CT获取的混凝土材料内部孔隙三维结构图像时，难以精确区分骨架和孔隙的缺点，以获得混凝土材料内部清晰的孔隙三维结构图像。

附图说明

图1是本发明中的一种混凝土孔隙三维结构的构建方法流程图。

图2是本发明实施例中利用X射线CT扫描混凝土样品的扫描样图。

图3是本发明实施例中对图2示出的扫描样图进行二值化处理后的孔隙图。

图4是本发明实施例中构建的粗糙的孔隙三维结构图像。

图5a是本发明实施例中利用压汞方法测量获得的各孔径和对应的孔隙体积关系图。

图5b本发明实施例中利用压汞方法测量获得的孔径分布曲线图。

图6是本发明实施例中经灰度阈值调整后，由X射线CT扫描获得的孔径分布曲线和压汞方法测量获得的孔径分布曲线的对比图。

图7是本发明实施例中利用临界灰度阈值重建的孔隙三维结构图像。

图8是本发明实施例中经灰度阈值调整前后显示的微观空隙结构对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种混凝土孔隙三维结构的构建方法进行详细说明。

如图1所示，本发明的一种混凝土孔隙三维结构的构建方法，所述的方法包括：

步骤1)将混凝土在X射线CT下扫描，获得混凝土的断面扫描图像，所述的断面扫描图像以不同灰度值的形式区分混凝土内部的骨架结构和孔隙结构；

步骤2)将步骤1)中获得的断面扫描图像组合成粗糙的孔隙三维结构图像；

步骤3)利用压汞仪测量获得混凝土的孔隙率和孔径分布曲线；

步骤4)利用粗糙的孔隙三维结构图像计算获得混凝土的孔径分布曲线和孔隙率，并通过调整灰度值得到临界灰度值，该临界灰度值使得由粗糙的孔隙三维结构图像计算获得的孔径分布曲线、孔隙率分别与步骤3)中获得的孔径分布曲线、孔隙率一致；

步骤5)利用步骤4)中调整得到的临界灰度值细化粗糙的孔隙三维结构图像后，最终获得精细的孔隙三维结构图像。

基于上述混凝土孔隙三维结构的构建方法，利用压汞仪将汞压入混凝土材料内部，包括控制不同进汞压力，使得汞能够进入不同的最小半径值的孔隙中。根据Washburn方程：D＝-4γcosθ/P，其中D为孔径，γ为汞的表面张力，θ为接触角，P为进汞压力。在实际应用中，表面张力γ取为0.480N/m，接触角θ取为140°。在不同压力的作用下，汞能够进入的最小孔径的的孔隙不同，进汞体积等于孔隙体积。通过上述公式，通过对应的进汞压力P可以算出对应的孔径D，而此时总的进汞体积变化量作为该对应压力P下的孔隙体积，于是可以获得孔径D和该孔径范围内的孔隙体积的关系曲线，即孔径分布曲线。在压汞过程中得到的孔隙体积除以总的样品体积，就能够计算得到孔隙率。

另外，所述步骤1)中扫描获得混凝土的断面扫描图像的步骤包括：

将混凝土固定在X射线CT的观测台上进行X射线扫描，从不同角度照射同一断面得到不同角度下X射线的衰减值；

CT扫描是利用不同物质对X射线的吸收率不同的原理，当X射线通过物质后发生衰减，衰减满足Beer-Lambert公式：N＝N₀e^-μL，其中N₀和N分别表示初始光强和射线透射后的光强，L表示物质厚度，μ是材料衰减系数。

所述步骤1)中粗糙的孔隙三维结构图像的构建步骤包括：将衰减值以矩阵的形式存储在计算机中，然后利用Radon变换的算法把矩阵中的数据构建成三维结构图像。

所述步骤4)中利用粗糙的孔隙三维结构图像计算获得混凝土孔隙率的公式可表示为：

其中，S_i表示某一方向第i个断面的面积，表示所述第i个断面中孔隙截面的面积。

所述步骤4)中通过调整灰度值得到临界灰度值的步骤具体包括：

步骤401)通过调整灰度值，选定满足由粗糙的孔隙三维结构图像计算获得的孔隙率和步骤3)中得到的孔隙率相同时的灰度值G₁；

步骤402)通过调整灰度值，选定满足由粗糙的孔隙三维结构图像计算获得的孔径分布曲线和步骤3)中得到的孔径分布曲线相似度最高时的灰度值G₂，所述的孔径分布曲线包括任意一个或一个以上孔径范围内的分布曲线；

步骤403)将灰度值G₁和灰度值G₂的差取到极小值时的阈值作为最终选取的临界灰度值。

所述步骤5)具体包括：

步骤501)根据步骤4)中调整得到的临界灰度值，重新划分断面扫描图像中孔隙结构和骨架结构的交界面；

步骤502)利用步骤501)获得的断面扫描图像重组为精细的孔隙三维结构图像。

下面利用上述混凝土孔隙三维结构的构建方法，以选定的混凝土样品进行孔隙三维结构构建。

将图4所示的构建的粗糙的三维结构图分割为一个个切片(截面)，并利用这些截面图像进行处理；如图2所示，是利用X射线CT扫描混凝土样品的扫描样图。在本实施例中，通过CT扫描获得了该样品x，y，z三个方向的截面RGB图片，扫描精度约为5.5μm/像素，我们选择垂直于z方向的截面图片，进行三维重建。

如图3所示，是本发明实施例中对图2示出的扫描样图进行二值化处理后的孔隙图。在三维重建的过程中，我们首先将RGB图像转化为灰度图像，并用Otsu方法做阈值分割、进行二值化处理后获得孔隙图；获得孔隙图后计算截面面积和孔隙面积就可以获得单层孔隙率，根据公式可以计算整体孔隙率。采用Otsu自适应阈值方法计算出的孔隙率为3.80％。

如图5a、5b所示，我们主要关注孔径大于CT分辨精度5.5μm以上的孔隙部分；压汞实验获得的砂浆试件的整体孔隙率为15.56％，孔径大于5.5μm以上的部分孔隙率为1.78％，占所有孔隙的11.45％。

如图6所示，我们通过CT图像分析获得的孔隙率为：3.8％，比压汞孔隙率多2％，这意味着我们的灰度阈值需要减小。经过计算当阈值为0.1333时，计算孔隙率为1.75％和压汞孔隙率几乎相等，且此时孔径分布曲线也较为接近。

如图7所示，通过和图4进行对比，可以看到区域1中孔隙灰度图的形态发生了变化，区域2中孔隙分布区域也发生了明显的变化。

如图8所示，是经灰度阈值调整前后的微观孔隙结构对比图，该对比图选择了阈值调整前和调整后的孔隙微观形态对比，选择区域为20×20×300像素值的区域。可以看到在阈值调整后，联通孔隙成为非联通孔隙，且部分小孔隙消失。因此利用本方法可以更加精确地判断在某一部位孔隙的分布和联通状态，为结构与材料的计算模拟提供了更加真实的信息。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种混凝土孔隙三维结构的构建方法，其特征在于，所述的方法包括：

步骤1)将混凝土在X射线CT下扫描，获得混凝土的断面扫描图像，所述的断面扫描图像以不同灰度值的形式区分混凝土内部的骨架结构和孔隙结构；

步骤2)将步骤1)中获得的断面扫描图像组合成粗糙的孔隙三维结构图像；

步骤3)利用压汞仪测量获得混凝土的孔隙率和孔径分布曲线；

步骤4)利用粗糙的孔隙三维结构图像计算获得混凝土的孔径分布曲线和孔隙率，并通过调整灰度值阈值得到临界灰度值，该临界灰度值使得由粗糙的孔隙三维结构图像计算获得的孔径分布曲线、孔隙率分别与步骤3)中获得的孔径分布曲线、孔隙率一致；

步骤5)利用步骤4)中调整得到的临界灰度值细化粗糙的孔隙三维结构图像后，最终获得精细的孔隙三维结构图像。

2.根据权利要求1所述的混凝土孔隙三维结构的构建方法，其特征在于，所述步骤1)中扫描获得混凝土的断面扫描图像的步骤包括：将混凝土固定在X射线CT的观测台上进行X射线扫描，从不同角度照射同一断面得到不同角度下X射线的衰减值。

3.根据权利要求2所述的混凝土孔隙三维结构的构建方法，其特征在于，所述步骤1)中粗糙的孔隙三维结构图像的构建步骤包括：将衰减值以矩阵的形式存储在计算机中，然后利用Radon变换的算法把矩阵中的数据构建成三维结构图像。

4.根据权利要求1所述的混凝土孔隙三维结构的构建方法，其特征在于，所述步骤4)中利用粗糙的孔隙三维结构图像计算获得混凝土孔隙率的公式为：

<mrow> <mi>p</mi> <mo>=</mo> <munder> <mi>lim</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> <mi>&amp;infin;</mi> </mrow> </munder> <mfrac> <mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msubsup> <mi>S</mi> <mi>i</mi> <mi>p</mi> </msubsup> </mrow> <mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>S</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，S_i表示某一方向第i个断面的面积，表示所述第i个断面中孔隙截面的面积。

5.根据权利要求1所述的混凝土孔隙三维结构的构建方法，其特征在于，所述步骤4)中通过调整灰度值阈值得到临界灰度值的步骤包括：

步骤401)通过调整灰度值阈值，选定满足由粗糙的孔隙三维结构图像计算获得的孔隙率和步骤3)中得到的孔隙率相同时的灰度值阈值G₁；

步骤402)通过调整灰度值阈值，选定满足由粗糙的孔隙三维结构图像计算获得的孔径分布曲线和步骤3)中得到的孔径分布曲线相似度最高时的灰度值阈值G₂，所述的孔径分布曲线包括任意一个或一个以上孔径范围内的分布曲线；

步骤403)将灰度值阈值G₁和灰度值阈值G₂的差取到极小值时的阈值G₁作为最终选取的临界灰度值。

6.根据权利要求1所述的混凝土孔隙三维结构的构建方法，其特征在于，所述步骤5)具体包括：

步骤501)根据步骤4)中调整得到的临界灰度值，重新划分断面扫描图像中孔隙结构和骨架结构的交界面；

步骤502)利用步骤501)获得的断面扫描图像重组为精细的孔隙三维结构图像。