CN107064183A - 一种基于ct图像分析混凝土开裂成因的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种混凝土裂缝成因的定量测定和分析方法，对建筑物实体进行实地观察，初步排除非混凝土材料原因导致的开裂；依据开裂严重程度，分别在实体不同部位钻取混凝土芯样，将芯样进行X射线扫描；表征石子分布的均匀性，对所获得的二维切片，分别计算混凝土总面积，为消除量纲的影响，计算一个固定切片步长等间隔中粗骨料占比体积分数Vg或者除粗骨料外部位体积分数VS，分别计算不同深度切片的粗骨料体积分数或除粗骨料外体积分数，采用不同统计工具来定量描述混凝土中石子分布的均匀性，建立混凝土材料裂缝成因的两个重要判据，通过芯样之间的比较，或者与规范限制值进行比较，明确是否由混凝土材料本身导致混凝土结构开裂。

Description

一种基于CT图像分析混凝土开裂成因的方法
技术领域
本发明涉及一种检测与分析技术，属于建筑结构与材料技术领域。
背景技术
混凝土结构开裂成因主要分为材料原因、施工原因、设计原因以及使用原因。其中混凝土材料本身的原因导致结构开裂是混凝土结构开裂的最主要成因。但是由于混凝土材料裂缝成因的复杂性，较难定量或者定性判断混凝土材料裂缝的具体成因，往往通过目测、查阅施工记录、专家经验判断等间接方法来判断，缺乏准确、科学、客观的判断方法。
基于混凝土学原理分析，混凝土材料裂缝主要来源于浆体的收缩，石子在混凝土材料中起到减缩和抵抗开裂的重要作用。工程实践中由于配合比计算失误、称量不准确、浇筑振捣不规范等因素，出现混凝土材料性质裂缝，往往表现在石子体积分数不满足要求或者存在较大的离散性。
本发明针对现有混凝土结构中材料性质裂缝成因确认问题，提供一种准确、科学、客观的无损鉴定方法。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种混凝土材料裂缝成因的定量测定和分析方法，用于判断混凝土结构中出现裂缝的成因分析。
技术方案：本发明是一种混凝土材料裂缝成因的定量测定和分析方法，该方法建立判断混凝土材料性质裂缝成因的客观依据，采用X射线层析扫描法和相关分析软件，通过判定依据的准确测量，获得混凝土结构裂缝成因，具体包括以下步骤：
步骤1.对建筑物实体进行实地观察，初步排除非混凝土材料原因导致的开裂；
步骤2.依据开裂严重程度，分别在实体不同部位钻取混凝土芯样，其中必须包括开裂区域和未开裂区域；在实际条件的允许下，所选取的区域在结构类型、部位、混凝土种类、强度等级、配合比及所用原材料方面应尽可能一致，且混凝土浇筑时间应相近；
步骤3.将芯样进行X射线扫描；先进行三维扫描，获得其内部结构的全息信息，基于灰度理论，由于石子和砂浆存在密度差异，在成像中呈现出不同的灰度值，采用相关图像处理和分析软件，分别计算X\Y\Z轴方向石子和砂浆的体积分数，并与相关配合比报告进行比较，来判断是否是由石子体积分数不足所导致的开裂；如无混凝土配合比报告，则通过不同 裂缝情况样品的石子体积分数比较来判断；
步骤4.为表征石子分布的均匀性，沿着所取混凝土芯样长度方向进行层析扫描，将芯样从表面至混凝土试块内部进行扫描；每间隔一个固定的切片步长d切取芯样横截面的二维切片；
步骤5.对所获得的二维切片，分别计算混凝土总面积F，观察切片中灰度的变化，选取粗骨料面积Fg，其余面积计做Fs；
步骤6.为消除量纲的影响，计算一个固定切片步长等间隔中粗骨料占比体积分数Vg或者除粗骨料外部位体积分数VS，
步骤7.分别计算不同深度切片的粗骨料体积分数或除粗骨料外体积分数，分别记做Vg1、Vg2、Vg3……；或者Vs1、Vs2、Vs3……；
步骤8.采用不同统计工具来定量描述混凝土中石子分布的均匀性，进而推断混凝土本身的均匀性；
步骤9.建立混凝土材料裂缝成因的两个重要判据，
a、芯样中石子体积分数；
b、石子体积分数随混凝土芯样深度变化的分布函数；
通过芯样之间的比较，或者与规范限制值进行比较，明确是否由混凝土材料本身导致混凝土结构开裂。
其中：
所述由混凝土材料本身导致混凝土结构开裂，符合下列三种情况之一者，表明混凝土裂缝成因为材料性质，特别是和石子体积分数密切相关的材料原因；
1)芯样中石子体积分数低于配合比设计理论值；
2)出现裂缝的混凝土芯样中石子体积分数低于未出现裂缝的混凝土芯样中石子体积分数；
3)出现裂缝的混凝土芯样中石子体积分数均匀性低于未出现裂缝的混凝土芯样中石子体积分数均匀性。
所述的采用相关图像处理和分析软件，为Vgstudiomax软件。
所述沿着所取混凝土芯样长度方向进行层析扫描，是等步长分层切片CT扫描，通过图像处理软件分别统计每层石子的体积分数，采用数理统计的方法进行石子分布均匀性的分析。
所述数理统计方法包括：正态分布、线性回归方程、Z比分数。
有益效果：
1)通过现场混凝土结构走访，在不同开裂情况部位取芯样，通过芯样之间形貌特征，特别是石子体积分数的定量分析来获得混凝土材料均匀性；
2)依据三维方向石子体积分数以及不同深度方向石子体积分数的变化，进而判断是否由于混凝土材料石子分布的不均匀性或石子体积分数较小而产生混凝土材料性质的裂缝。
3)基于图像学和统计学来定量描述混凝土材料的均匀程度以及判断开裂成因，能够准确、科学、客观判断混凝土开裂成因，特别是针对材料性质的裂缝。
4)也可用于证明裂缝成因与混凝土均匀性或者石子体积分数无关。
具体实施方式
实施例1：
结合某实际工程和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的一种基于CT图像分析混凝土材料开裂成因的方法为：
步骤1某新建工程，进行工程走访，查阅资料，对照设计图纸，进行混凝土强度等级以及钢筋保护层测试等辅助性质试验，确认裂缝成因与设计、使用因素无关，高度怀疑材料因素。
步骤2在工程现场开裂严重部位和未开裂部位分别钻取芯样分别编号。芯样直径70mm，长度在120mm。目测两组芯样存在石子体积分数和分布上的差异。
步骤3将步骤2所获得的芯样进行X射线层析扫描，扫描参数为200KV电压，0.41mA,使用1mm铝及0.5mm铜滤波片；扫描结束后完成三维重建；获得X\Y\Z轴方向石子总体积分数，并计算石子体积分数总的算术平均值。
步骤4按照0.5-5mm固定切片长度进行X射线层析扫描，本次试验中选择步长为2.5mm。扫描同时，每间隔一个固定的切片步长截取一张芯样横截面的二维切片。
步骤5分别计算二维切片上混凝土总面积、粗骨料面积、除粗料外的面积，获得一系列数据。(Vg1、Vg2、Vg3……)
步骤6分别计算两组比对样品的粗骨料体积分数平均值和标准差。
步骤7将获得的统计数据与混凝土配合比设计报告以及相互之间比较，判断石子体积分数低且分布不均匀是导致某实际工程出现混凝土开裂主要原因。
本发明主要针对混凝土材料性质裂缝成因分析，重点是证实或证伪由于石子不均匀分布以及体积分数偏低导致混凝土开裂情况。属于混凝土材料性质裂缝之中的一种常见情况，但不代表包括混凝土全部材料性质裂缝成因。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体 细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于CT图像分析混凝土材料开裂成因的方法，其特征在于，该方法建立判断混凝土材料性质裂缝成因的客观依据，采用X射线层析扫描法和相关分析软件，通过判定依据的准确测量，获得混凝土结构裂缝成因，具体包括以下步骤：
步骤1.对建筑物实体进行实地观察，初步排除非混凝土材料原因导致的开裂；
步骤2.依据开裂严重程度，分别在实体不同部位钻取混凝土芯样，其中必须包括开裂区域和未开裂区域；在实际条件的允许下，所选取的区域在结构类型、部位、混凝土种类、强度等级、配合比及所用原材料方面应尽可能一致，且混凝土浇筑时间应相近；
步骤3.将芯样进行X射线扫描；先进行三维扫描，获得其内部结构的全息信息，基于灰度理论，由于石子和砂浆存在密度差异，在成像中呈现出不同的灰度值，采用相关图像处理和分析软件，分别计算X\Y\Z轴方向石子和砂浆的体积分数，并与相关配合比报告进行比较，来判断是否是由石子体积分数不足所导致的开裂；如无混凝土配合比报告，则通过不同裂缝情况样品的石子体积分数比较来判断；
步骤4.为表征石子分布的均匀性，沿着所取混凝土芯样长度方向进行层析扫描，将芯样从表面至混凝土试块内部进行扫描；每间隔一个固定的切片步长d切取芯样横截面的二维切片；
步骤5.对所获得的二维切片，分别计算混凝土总面积F，观察切片中灰度的变化，选取粗骨料面积Fg，其余面积计做Fs；
步骤6.为消除量纲的影响，计算一个固定切片步长等间隔中粗骨料占比体积分数Vg或者除粗骨料外部位体积分数VS，
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步骤7.分别计算不同深度切片的粗骨料体积分数或除粗骨料外体积分数，分别记做Vg1、Vg2、Vg3……；或者Vs1、Vs2、Vs3……；
步骤8.采用不同统计工具来定量描述混凝土中石子分布的均匀性，进而推断混凝土本身的均匀性；
步骤9.建立混凝土材料裂缝成因的两个重要判据，
a、芯样中石子体积分数；
b、石子体积分数随混凝土芯样深度变化的分布函数；
通过芯样之间的比较，或者与规范限制值进行比较，明确是否由混凝土材料本身导致混凝土结构开裂。
2.根据权利要求1所述的基于CT图像分析混凝土材料开裂成因的方法，其特征在于，所述由混凝土材料本身导致混凝土结构开裂，符合下列三种情况之一者，表明混凝土裂缝成因为材料性质，特别是和石子体积分数密切相关的材料原因；
1)芯样中石子体积分数低于配合比设计理论值；
2)出现裂缝的混凝土芯样中石子体积分数低于未出现裂缝的混凝土芯样中石子体积分数；
3)出现裂缝的混凝土芯样中石子体积分数均匀性低于未出现裂缝的混凝土芯样中石子体积分数均匀性。
3.根据权利要求1所述的基于CT图像分析混凝土材料开裂成因的方法，其特征在于，所述的采用相关图像处理和分析软件，为Vgstudiomax软件。
4.根据权利要求1所述的基于CT图像分析混凝土材料开裂成因的方法，其特征在于，所述沿着所取混凝土芯样长度方向进行层析扫描，是等步长分层切片CT扫描，通过图像处理软件分别统计每层石子的体积分数，采用数理统计的方法进行石子分布均匀性的分析。
5.根据权利要求1所述的基于CT图像分析混凝土材料开裂成因的方法，其特征在于，所述数理统计方法包括：正态分布、线性回归方程、Z比分数。
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