CN106053168A - 基于3d打印技术的混凝土细观三相结构的可视化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于混凝土结构无损细观检测技术领域，具体公开了一种基于3D打印技术的混凝土材料细观三相结构的可视化方法，包括以下步骤：步骤1，对混凝土试件进行CT扫描，顺序获取混凝土试件的多个二维断层扫描图像；步骤2，对所述多个二维断层扫描图像进行图像分割，并对分割后的图像进行三维模型重建；步骤3，将重建后的三维模型发送至3D打印机，3D打印机对接收到的三维模型进行混凝土试件实体模型的打印。本发明基于三维数字模型，结合3D打印技术，提出对混凝土内部砂浆、骨料、孔隙三相采用不同复合材料进行3D打印，实现了传统制造工艺无法完成的混凝土三相结构内部可视化模型的制备，打印过程高效、可重复。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土结构细观无损检测技术领域，具体涉及一种基于3D打印技术的混凝土材料细观三相结构的可视化方法。
背景技术
在细观层次上，可将混凝土看作由砂浆、骨料及孔隙组成的三相复合材料，由于其细观结构的非均质性，使得混凝土材料各项宏观力学性能存在很大差异。目前为止，国内外针对混凝土细观结构已经进行了较为广泛的试验研究，主要研究方法集中在运用SEM技术和CT技术对混凝土的内部细观结构特征进行检测。然而，当前的研究仅仅停留在数字模型的计算机重建研究阶段，始终未能实现三维模型的实体化，为后期开展细观力学研究代来诸多不便。
3D打印技术的发明是一次生产复杂结构的革命，但在打印复杂的多材料整合产品方面还存在众多困难。此前，已出现了基于CT扫描和3D打印的复杂岩心制备方法，但仍局限于单一材料的产品制备。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于3D打印技术的混凝土材料细观三相结构的可视化方法，本方法利用CT技术和3D打印技术结合多种复合材料实现了三维数字模型实体化，并利用打印材料的自身特性实现了混凝土内部三相结构的可视化。本发明为研究混凝土内部细观三相结构力学性能提供了全新的途径。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种基于3D打印技术的混凝土材料细观三相结构的可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对混凝土试件进行CT扫描，顺序获取混凝土试件的多个二维断层扫描图像；
步骤2，对所述多个二维断层扫描图像进行图像分割，并对分割后的图像进行三维模型重建；
步骤3，将重建后的三维结构模型发送至3D打印机，3D打印机对接收到的三维结构模型进行混凝土试件实体模型的打印。
本发明的特点及进一步地改进为：
步骤1中，对混凝土试件进行CT扫描时，选择间距为0.6mm进行连续扫描。
步骤2包含以下子步骤：
步骤2a，设定混凝土试件中骨料、砂浆、孔隙的阈值范围，根据设定的阈值范围分别对所述多个二维断层扫描图像进行图像分割，对应得到骨料的多个二维断层扫描图像、砂浆的多个二维断层扫描图像和孔隙的多个二维断层扫描图像；
步骤2b，对所述骨料的多个二维断层扫描图像、砂浆的多个二维断层扫描图像和孔隙的多个二维断层扫描图像分别进行三维模型重建，得到混凝土试件的骨料三维模型文件、砂浆三维模型文件、孔隙三维模型文件。
进一步地，步骤2a中，所述骨料的最佳阈值范围为1571Hu～2976Hu，所述砂浆的最佳阈值范围为1375Hu～1570Hu，所述孔隙的最佳阈值范围为-297Hu～1374Hu。
步骤3包含以下子步骤：
步骤3a，将所述混凝土试件的骨料三维模型文件、砂浆三维模型文件、孔隙三维模型文件发送至3D打印机；
步骤3b，3D打印机采用与混凝土试件的骨料、砂浆、孔隙分别相对应的骨料打印材料、砂浆打印材料、孔隙打印材料，进行混凝土试件实体模型的打印。
进一步地，子步骤3b中，3D打印机采用的打印材料具体如下：所述骨料打印材料为非透明光聚物复合材料，所述砂浆打印材料为透明光聚物复合材料，所述孔隙打印材料为网格支撑材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明基于三维数字模型，结合3D打印技术，提出对混凝土内部砂浆、骨料、孔隙三相采用不同复合材料进行3D打印，实现了传统制造工艺无法完成的混凝土三相结构内部可视化模型的制备，打印过程高效、可重复，打印得到的3D模型能够直观准确地复原混凝土试件三相细观结构特征，为研究混凝土材料内部结构分布情况以及今后的力学性能研究提供了全新途径，具有重要的科学研究及工程实践价值。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明一种基于3D打印技术的混凝土材料细观三相结构的可视化方法的步骤流程图；
图2为本发明试验中混凝土试件的部分二维断层CT扫描图；
图3为本发明试验中混凝土试件中骨料的三维结构模型；
图4为本发明试验中混凝土试件中砂浆的三维结构模型；
图5为本发明试验中混凝土试件中孔隙的三维结构模型；
图6为本发明试验中混凝土试件的3D打印三维实体模型图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
参考图1，本发明实施例提供一种基于3D打印技术的混凝土材料细观三相结构的可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对混凝土试件进行CT扫描，顺序获取多个混凝土试件的二维断层扫描图像；
步骤2，对所述多个二维断层扫描图像进行图像分割，并对分割后的图像进行三维结构模型重建；
步骤2包含以下子步骤：
步骤2a，设定混凝土试件中骨料、砂浆、孔隙的阈值范围，根据设定的阈值范围分别对所述多个二维断层扫描图像进行图像分割，对应得到骨料的多个二维断层扫描图像、砂浆的多个二维断层扫描图像和孔隙的多个二维断层扫描图像；
步骤2b，对所述骨料的多个二维断层扫描图像、砂浆的多个二维断层扫描图像和孔隙的多个二维断层扫描图像分别进行三维结构模型重建，得到混凝土试件的骨料三维模型文件、砂浆三维模型文件、孔隙三维模型文件。
步骤3，将重建后的三维结构模型发送至3D打印机，3D打印机对接收到的三维结构模型进行混凝土试件实体模型的打印。
步骤3a，将所述混凝土试件的骨料三维模型文件、砂浆三维模型文件、孔隙三维模型文件发送至3D打印机；
步骤3b，3D打印机采用与混凝土试件的骨料、砂浆、孔隙分别相对应的骨料打印材料、砂浆打印材料、孔隙打印材料，进行混凝土试件实体模型的打印。
本发明的技术方案可以通过如下试验进一步说明。
示例性的，
(1)采用医用CT机对规格为100mm×100mm×100mm的混凝土试件进行CT扫描，顺序获取混凝土试件的多个二维断层扫描图像，部分二维断层扫描图像如图2所示；
医用CT机为Toshiba Aquilion One 320排动态容积CT机，X射线源高压120kV，CCD图像传感器灰阶16bit，扫描速度快，成像时间0.175s；该CT机对试件沿横断层间隔0.6mm进行扫描，获取了170幅混凝土试件的二维断层扫描图像。
(2)设定混凝土试件中骨料的最佳阈值范围为1571Hu～2976Hu，砂浆的最佳阈值范围为1375Hu～1570Hu，孔隙的最佳阈值范围为-297Hu～1374Hu，使用MIMICS三维图像处理软件对混凝土试件的多个二维断层扫描图像进行图像分割，对应得到骨料的多个二维断层扫描图像、砂浆的多个二维断层扫描图像和孔隙的多个二维断层扫描图像；
(3)利用MIMICS三维图像处理软件分别对分割后对应得到骨料的多个二维断层扫描图像、砂浆的多个二维断层扫描图像和孔隙的多个二维断层扫描图像进行三维结构模型重建，从而得到混合土试件的骨料三维模型STL文件、砂浆三维模型STL文件、孔隙三维模型STL文件，如图3～5所示；
骨料的三维模型STL文件中包含了混凝土试件中所有骨料的尺寸及位置分布情况；砂浆的三维模型STL文件中包含了混凝土试件中砂浆的尺寸及位置分布情况；孔隙的三维模型STL文件中包含了混凝土试件中所有孔隙的尺寸及位置分布情况。
(4)将上述骨料三维模型STL文件、砂浆三维模型STL文件、孔隙三维模型STL文件发送至3D打印机，3D打印机采用与混凝土试件的骨料、砂浆、孔隙分别相对应的打印材料对所接收到的三维结构模型进行实体模型的打印；其中，骨料打印材料为非透明光聚物复合材料，砂浆打印材料为透明光聚物复合材料，孔隙打印材料为网格支撑材料。
本实施例中采用Objet 30pro 3D打印机，该打印机成型分辨率高(X轴：600dpi；Y轴：600dpi；Z轴：900dpi)，打印精度为0.1mm，层厚0.028mm；混凝土试件中骨料打印材料选用白色非透明光聚物复合材料Vero White Plus，该材料是以多种光聚物材料为基础，按特定配合比合成的复合材料；孔隙和裂纹打印材料为网格支撑材料Fullcure705，该材料结构疏松，结构强度近似为零，符合混凝土试件内部孔隙及裂纹的实际情况；砂浆打印材料选择透明光聚物复合材料Vero Clear，该材料为透明材料，可通过该材料肉眼观察其内部的孔隙、裂纹及骨料的分布情况。
上述3D打印机的具体方法如下：采用UV光线作为能源，在3D打印机工作台上按骨料、砂浆、孔隙的三维模型STL文件喷洒对应的打印材料，UV光束同时照射使打印材料固化成型，固化完成后，再进行打磨以提高模型透光度，即获得混凝土细观三相结构的3D打印模型，如图6所示；该模型可肉眼观察其内部结构的分布情况，为研究混凝土材料内部结构分布情况以及今后的力学性能研究提供了全新途径，具有重要的科学研究及工程实践价值。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种基于3D打印技术的混凝土材料细观三相结构的可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对混凝土试件进行CT扫描，顺序获取混凝土试件的多个二维断层扫描图像；
步骤2，对所述多个二维断层扫描图像进行图像分割，并对分割后的图像进行三维模型重建；
步骤3，将重建后的三维结构模型发送至3D打印机，3D打印机对接收到的三维模型进行混凝土试件实体模型的打印。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的混凝土材料细观三相结构的可视化方法，其特征在于，步骤2包含以下子步骤：
步骤2a，设定混凝土试件中骨料、砂浆、孔隙的阈值范围，根据设定的阈值范围分别对所述多个二维断层扫描图像进行图像分割，对应得到骨料的多个二维断层扫描图像、砂浆的多个二维断层扫描图像和孔隙的多个二维断层扫描图像；
步骤2b，对所述骨料的多个二维断层扫描图像、砂浆的多个二维断层扫描图像和孔隙的多个二维断层扫描图像分别进行三维结构模型重建，得到混凝土试件的骨料三维模型文件、砂浆三维模型文件、孔隙三维模型文件。
3.根据权利要求2所述的基于3D打印技术的混凝土材料细观三相结构的可视化方法，其特征在于，步骤2a中，所述骨料的最佳阈值范围为1571Hu～2976Hu，所述砂浆的最佳阈值范围为1375Hu～1570Hu，所述孔隙的最佳阈值范围为-297Hu～1374Hu。
4.根据权利要求2所述的基于3D打印技术的混凝土材料细观三相结构的可视化方法，其特征在于，步骤3包含以下子步骤：
步骤3a，将所述混凝土试件的骨料三维模型文件、砂浆三维模型文件、孔隙三维模型文件发送至3D打印机；
步骤3b，3D打印机采用与混凝土试件的骨料、砂浆、孔隙分别相对应的骨料打印材料、砂浆打印材料、孔隙打印材料，进行混凝土试件实体模型的打印。
5.根据权利要求4所述的基于3D打印技术的混凝土材料细观三相结构的可视化方法，其特征在于，子步骤3b中，3D打印机采用的打印材料具体如下：所述骨料打印材料为非透明光聚物复合材料，所述砂浆打印材料为透明光聚物复合材料，所述孔隙打印材料为网格支撑材料。
6.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的混凝土材料细观三相结构的可视化方法，其特征在于，步骤1中，对混凝土试件进行CT扫描时，选择间距为0.6mm进行扫描。
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