CN107621436A - 一种水泥混凝土孔结构特征分析系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水泥混凝土孔结构特征分析系统及其测试方法，属于交通运输工程中公路工程技术领域。该分析系统包括涂色装置、抹平装置、图像采集装置和控制分析装置，该系统结构新颖、使用方便，能有效获得水泥混凝土孔结构特征；本发明解决了现有检测手段无法直观、快速了解水泥混凝土内部孔结构数量、大小、分布规律等特征指标的技术问题，本发明通过对水泥混凝土切面进行前期显著的黑白区分处理，明确标识出水泥混凝土内部孔的分布规律，采用数字图像法快速、简便的计算得出气孔的数量、大小及分布情况，为评价水泥混凝土基本性能提供准确的数据，保证水泥混凝土的质量。

Description

一种水泥混凝土孔结构特征分析系统及其测试方法

技术领域

本发明属于交通运输工程中公路工程技术领域，具体涉及一种水泥混凝土孔结构特征分析系统及其测试方法。

背景技术

水泥混凝土本身属于多孔材料，硬化的水泥混凝土中包含有数量不同、大小不一的气孔，是影响水泥混凝土强度和耐久性等基本性能的重要因素，在水泥混凝土中加入聚合物等物质后在机械搅拌过程中会引入过多较泡，硬化后残留气泡直接影响聚合物改性水泥混凝土的宏观性能，测得水泥混凝土中气孔数量、大小和分布，成为了解水泥混凝土宏观性能的关键指标。而现阶段对混凝土进行测量多采用压汞仪，需在外加压力作用下将汞压入水泥混凝土固体孔中进行测试，操作相对复杂，无法及时、直观地观测测试结果，并且无法测试孔径较大的气泡，同时仪器设备价格昂贵，需要较大的经济投入，因此亟需研发一种新型的水泥混凝土内部孔结构分析系统，实现水泥混凝土内部孔结构特征指标的简便、及时、快速的测量，为研究水泥混凝土强度和耐久性等基本性能提供准确的数据。

发明内容

本发明提供一种水泥混凝土孔结构特征分析系统及其测试方法，主要用于解决现有检测手段无法及时、简便、直观了解水泥混凝土内部孔结构特征的技术问题，其主要包括对水泥混凝土切面进行处理、采集图像及对图像进行要素提取三个主要步骤，通过对水泥混凝土切面进行前期显著的黑白区分处理，明确标识出水泥混凝土内部孔的分布规律，采用数字图像法快速、简便的计算得出水泥混凝土在一定平面面积内气孔的数量、大小等参数指标，为分析水泥混凝土基本性能提供准确的参考数据，通过数据分析和反馈机制，确保水泥混凝土的质量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种水泥混凝土孔结构特征分析系统，包括涂色装置、抹平装置、图像采集装置和控制分析装置；

所述的图像采集装置包括遮光支架板、面光源板和图像采集端，所述的面光源板正对测量路面一侧设有平面光源，且中心位置固定有图像采集端；遮光支架板固定于面光源板的四周；

所述的控制分析装置分别通过连接线与面光源板、图像采集端相连，用于控制面光源板、图像采集端的工作，还用于将图像采集端采集到的图像进行分析处理，以获得水泥混凝土孔结构特征指标。

进一步，优选的是，所述的涂色装置包括涂色圆刷、涂色管、阀门和涂料；所述的涂色管的底部连接有涂色圆刷，涂色管上设有阀门，且涂色管内部装有涂料。

进一步，优选的是，所述的抹平装置包括抹平圆板和抹平圆板手柄，抹平圆板手柄底部固定连接有抹平圆板。

进一步，优选的是，所述的图像采集端为摄像装置。

进一步，优选的是，所述的控制分析装置上设有用于开启和关闭控制分析装置的电源开关。

进一步，优选的是，所述的控制分析装置上设有采集按钮，用于控制图像采集端的工作；所述的控制分析装置内设有蓄电池，用于为控制分析装置提供电源。

进一步，优选的是，所述的控制分析装置上设有屏幕和分析按钮，分析按钮控制将图像采集端采集到的图像进行分析处理，得出水泥混凝土孔结构特征指标；之后将图像和图像处理后的结果显示于屏幕上。

一种水泥混凝土孔结构特征测试方法，采用上述任意一项所述的水泥混凝土孔结构特征分析系统，步骤如下：

将待测水泥混凝土切面清扫干净，采用涂色装置将待测水泥混凝土切面均匀抹黑，待切面完全干燥后，采用抹平装置将白色填充材料压入涂黑后水泥混凝土切面上的孔结构内，得到处理好的水泥混凝土切面；

之后将图像采集装置移至处理好的水泥混凝土切面上，打开面光源板上的面光源和图像采集端，通过控制分析装置控制图像采集端进行图像拍摄，之后控制分析装置将拍摄到的图像进行分析处理，得出水泥混凝土孔结构特征指标。

进一步，优选的是，所述的分析处理方法具体为：将采集到图像进行灰度处理，图像转化为由0-255共256个整数灰度级的黑白图像，再对图像进行二值化处理，阀值设置为0.5，二值化后图像像素矩阵用只有0和1的数字表示，1表示白色部分，0表示黑色部分，设二值化后图像像素矩阵为A；读取A矩阵中1的个数为n，表征气孔的数量；读取A矩阵中0的个数为m，则气孔面积占总面积的比例为L=n/（m+n）*100%。

进一步，优选的是，所述的分析处理方法还包括：

设被测水泥混凝土切面的实际面积为A_s；被测切面中白色像素点总和为A_z，即为气孔总面积；孔径大于等于R的气孔面积为A_R，即有：

实际单位面积内像素点个数X=A_z/A_s 式（Ⅰ）；

孔径R对应的像素点个数X_R=π*R*R*X=π*R*R*A_z/A_s 式（Ⅱ）；

式（Ⅱ）中，π为圆周率；

大于等于孔径R的气孔占整个气孔面积的百分比S_R=A_R/A_z*100% 式（Ⅲ）。

本发明中所述的涂色装置内有快干、防水、不易褪色的黑色涂料，填充材料为白色细料，其粒径宜小于等于10μm。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

本发明系统结构新颖、使用方便，能有效获得水泥混凝土孔结构特征；本发明解决了现有检测手段无法及时、直观、快速了解水泥混凝土内部孔结构数量、大小、分布规律等特征指标的技术问题，本发明可以测试孔径大于1000μm的气孔数量及其分布规律，弥补了现有方法无法测试水泥混凝土中大孔的缺陷，本发明通过对水泥混凝土切面进行前期显著的黑白区分处理，明确标识出水泥混凝土内部孔的分布规律，采用数字图像法快速、简便的计算得出气孔的数量、大小及分布情况，为评价水泥混凝土基本性能提供准确的数据，保证水泥混凝土的质量。

附图说明

图1是本发明涂色装置的结构示意图；

图2是本发明抹平装置的结构示意图；

图3是本发明图像采集装置和控制分析装置的结构示意图；

图4是涂黑后的待测切面图像；

图5是填充后的待测切面图像；

图6是二值化处理后的切面图像；

其中，1为涂色圆刷，2为涂色管，3为阀门，4为涂料，5为抹平圆板，6为抹平圆板手柄，7为遮光支架板，8为面光源板，9为图像采集端，10为连接线，11为控制分析装置，12为屏幕，13为开关按钮，14为采集按钮，15为分析按钮，16为蓄电池。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

本技术领域技术人员可以理解的是，本发明中涉及到的相关结构及其实现的功能是在改进后的硬件及其构成的装置、器件或系统上搭载现有技术中常规的计算机软件程序或有关协议就可实现，并非是对现有技术中的计算机软件程序或有关协议进行改进。例如，改进后的计算机硬件系统依然可以通过装载现有的软件操作系统来实现该硬件系统的特定功能。因此，可以理解的是，本发明的创新之处在于对现有技术中硬件的改进及其连接组合关系，而非仅仅是对硬件模块中为实现有关功能而搭载的软件或协议的改进。

本技术领域技术人员可以理解的是，本发明中提到的相关结构是用于执行本申请中所述操作、方法、流程中的步骤、措施、方案中的一项或多项的硬件设备。所述硬件设备可以为所需的目的而专门设计和制造，或者也可以采用通用计算机中的已知设备或已知的其他硬件设备。所述通用计算机有存储在其内的程序选择性地激活或重构。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

如图1~3所示，一种水泥混凝土孔结构特征分析系统，包括涂色装置、抹平装置、图像采集装置和控制分析装置11；

所述的图像采集装置包括遮光支架板7、面光源板8和图像采集端9，所述的面光源板8正对测量路面一侧设有平面光源，且中心位置固定有图像采集端9；遮光支架板7固定于面光源板8的四周；

所述的控制分析装置11分别通过连接线10与面光源板8、图像采集端9相连，用于控制面光源板8、图像采集端9的工作，还用于将图像采集端9采集到的图像进行分析处理，以获得水泥混凝土孔结构特征指标。

所述的涂色装置包括涂色圆刷1、涂色管2、阀门3和涂料4；所述的涂色管2的底部连接有涂色圆刷1，涂色管2上设有阀门3，且涂色管2内部装有涂料4。涂料4为快干、防水、不易褪色的黑色涂料。

所述的抹平装置包括抹平圆板5和抹平圆板手柄6，抹平圆板手柄6底部固定连接有抹平圆板5。

所述的图像采集端9为摄像装置。

所述的控制分析装置11上设有用于开启和关闭控制分析装置11的电源开关13。

所述的控制分析装置11上设有采集按钮14，用于控制图像采集端9的工作；所述的控制分析装置11内设有蓄电池16，用于为控制分析装置11提供电源。

所述的控制分析装置11上设有屏幕12和分析按钮15，分析按钮15控制将图像采集端9采集到的图像进行分析处理，得出水泥混凝土孔结构特征指标；之后将图像和图像处理后的结果显示于屏幕15上。

其中，涂色圆刷1由海绵材料制成，用于吸附染料，并将染料均匀涂抹在待测水泥混凝土平面上。

涂色管2由耐腐蚀硬塑料材质构成，内部可以储存涂料，上部可以打开注入涂料。

阀门3置于涂色管2上，用于控制涂料4的输出。

涂料4采用黑色染料，用于涂抹水泥混凝土切面。

抹平圆板5由橡胶材料制作，硬度满足肖氏硬度为55±5的要求，用于将白色填充材料压入涂抹黑色涂料后的水泥混凝土切面上，一般采用滑石粉等白色填充材料，粒径小于等于10μm。

抹平圆板手柄6固定在抹平圆板上，连同抹平圆板一起使用。

遮光支架板7具有一定的刚度和强度，环绕四周，具有支撑和遮光作用。

面光源板8置于遮光支架板7上，用于为图像采集提供均匀和足够的面光源。

图像采集端9用于采集图像。

连接线10用于连接控制分析装置11与图像采集端9和光源板8相连，用于控制信号的传输。

控制分析装置11用于控制面光源板8的开启、图像采集和图像分析，内置蓄电池供电。

屏幕12用于显示拍摄和分析结果。

开关按钮13用于开启和关闭控制分析装置11，打开时控制分析装置11启动，面光源板8同时亮起。

采集按钮14用于控制图像采集端9进行图像的拍摄。

分析按钮15用于将采集到的图像进行数字化处理，分析得出孔结构特征指标，并显示在屏幕12上。

蓄电池16用于为整个系统提供电源。

本发明的具体实施方法为：将待测水泥混凝土切面清扫干净，关闭阀门3，在涂色管中注入黑色涂料4，将涂色圆刷1移至待测水泥混凝土切面上，打开阀门3，慢慢移动涂色圆刷1将待测水泥混凝土切面均匀抹黑后，如图4所示，关闭阀门3，将涂色圆刷1轻轻移出待测水泥混凝土切面，等待切面完全干燥，必要时可以采用吹风机等措施加速切面表面干燥，然后取一定量的白色填充材料放置与待测水泥混凝土切面中央，通常采用滑石粉等白色填充材料，握紧抹平圆板手柄6，将抹平圆板5放置在白色填充材料上，轻轻转动抹平圆板5将白色填充材料均匀压入涂黑后水泥混凝土切面上的孔结构内，全部压入后轻轻除去切面上浮动的白色粉料，出现显著的黑白相间的平面，如图5所示。

将遮光支架板7移至处理好的水泥混凝土切面上，放置平稳，检查并确保连接线10完好，打开控制分析装置11的开关按钮13，此时在蓄电池16的电力供应条件下控制分析装置11被正常启动，同时，光源板8亮起，为采集图像提供均匀和足够的光源。启动采集按钮14，控制图像采集端9进行图像拍摄，并在屏幕12上显示拍摄到图像信息，此时可以直观的观察气孔在水泥混凝土平面上的分布情况，进而直观了解气孔在水泥混凝土内部的分布特征。启动分析按钮15对采集到的图像进行分析，得出采集到的图像中气孔的数量、大小及分布均匀度等特征指标，并将分析结果在屏幕12上显示。

现将分析按钮15的工作原理进行说明。

分析按钮15的工作原理是读取经过处理后的切面图像，将图像进行灰度处理，即将图像转化由0-255共256个整数灰度级的图像，然后对图像进行二值化处理，由于处理后图像黑白部分区别显著，因此在进行二值化处理时，可以将阀值准确设置为0.5，如图6所示，得到的二值图像矩阵中将白色部分用“1”表示，黑色部分用“0”表示，将图像转换为区分显著的黑白图像，此时读取二值图像中“1”的个数即表征气孔的数量，也称为气孔在切面中的面积，进而求出气孔面积占总面积的比例。设二值化后图像像素矩阵为A；读取A矩阵中1的个数为n，表征气孔的数量；读取A矩阵中0的个数为m，则气孔面积占总面积的比例为L=n/（m+n）*100%。

设被测水泥混凝土切面的实际面积为A_s；被测切面中白色像素点总和为A_z，即为气孔总面积；孔径大于等于R的气孔面积为A_R，即有：

实际单位面积内像素点个数X=A_z/A_s 式（Ⅰ）；

孔径R对应的像素点个数X_R=π*R*R*X=π*R*R*A_z/A_s 式（Ⅱ）；

式（Ⅱ）中，π为圆周率；

大于等于孔径R的气孔占整个气孔面积的百分比S_R=A_R/A_z*100% 式（Ⅲ）。

采用分析按钮15对图5填充后的待测切面图像进行分析处理，结果在屏幕12上显示为：气孔总比例为31.88%；大于等于200微米的气孔比例为27.13%；大于等于500微米的气孔比例为20.83%；大于等于1000微米的气孔比例为15.15%。

本发明研发了一种水泥混凝土孔结构特征分析系统及其测试方法，能直观、快速测量水泥混凝土内部气孔的数量、大小和分布情况，为分析水泥混凝土的宏观性能提供准确的数据。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种水泥混凝土孔结构特征分析系统，其特征在于，包括涂色装置、抹平装置、图像采集装置和控制分析装置（11）；

所述的图像采集装置包括遮光支架板（7）、面光源板（8）和图像采集端（9），所述的面光源板（8）正对测量路面一侧设有平面光源，且中心位置固定有图像采集端（9）；遮光支架板（7）固定于面光源板（8）的四周；

所述的控制分析装置（11）分别通过连接线（10）与面光源板（8）、图像采集端（9）相连，用于控制面光源板（8）、图像采集端（9）的工作，还用于将图像采集端（9）采集到的图像进行分析处理，以获得水泥混凝土孔结构特征指标。

2.根据权利要求1所述的水泥混凝土孔结构特征分析系统，其特征在于，所述的涂色装置包括涂色圆刷（1）、涂色管（2）、阀门（3）和涂料（4）；所述的涂色管（2）的底部连接有涂色圆刷（1），涂色管（2）上设有阀门（3），且涂色管（2）内部装有涂料（4）。

3.根据权利要求1所述的水泥混凝土孔结构特征分析系统，其特征在于，所述的抹平装置包括抹平圆板（5）和抹平圆板手柄（6），抹平圆板手柄（6）底部固定连接有抹平圆板（5）。

4.根据权利要求1所述的水泥混凝土孔结构特征分析系统，其特征在于，所述的图像采集端（9）为摄像装置。

5.根据权利要求1所述的水泥混凝土孔结构特征分析系统，其特征在于，所述的控制分析装置（11）上设有用于开启和关闭控制分析装置（11）的电源开关（13）。

6.根据权利要求1所述的水泥混凝土孔结构特征分析系统，其特征在于，所述的控制分析装置（11）上设有采集按钮（14），用于控制图像采集端（9）的工作；所述的控制分析装置（11）内设有蓄电池（16），用于为控制分析装置（11）提供电源。

7.根据权利要求1所述的水泥混凝土孔结构特征分析系统，其特征在于，所述的控制分析装置（11）上设有屏幕（12）和分析按钮（15），分析按钮（15）控制将图像采集端（9）采集到的图像进行分析处理，得出水泥混凝土孔结构特征指标；之后将图像和图像处理后的结果显示于屏幕（15）上。

8.一种水泥混凝土孔结构特征测试方法，采用权利要求1-7任意一项所述的水泥混凝土孔结构特征分析系统，其特征在于，步骤如下：

将待测水泥混凝土切面清扫干净，采用涂色装置将待测水泥混凝土切面均匀抹黑，待切面完全干燥后，采用抹平装置将白色填充材料压入涂黑后水泥混凝土切面上的孔结构内，得到处理好的水泥混凝土切面；

之后将图像采集装置移至处理好的水泥混凝土切面上，打开面光源板上的面光源和图像采集端，通过控制分析装置控制图像采集端进行图像拍摄，之后控制分析装置将拍摄到的图像进行分析处理，得出水泥混凝土孔结构特征指标。

9.根据权利要求8所述的水泥混凝土孔结构特征测试方法，其特征在于，所述的分析处理方法具体为：将采集到图像进行灰度处理，图像转化为由0-255共256个整数灰度级的黑白图像，再对图像进行二值化处理，阀值设置为0.5，二值化后图像像素矩阵用只有0和1的数字表示，1表示白色部分，0表示黑色部分，设二值化后图像像素矩阵为A；读取A矩阵中1的个数为n，表征气孔的数量；读取A矩阵中0的个数为m，则气孔面积占总面积的比例为L=n/（m+n）*100%。

10.根据权利要求9所述的水泥混凝土孔结构特征测试方法，其特征在于，所述的分析处理方法还包括：

设被测水泥混凝土切面的实际面积为A_s；被测切面中白色像素点总和为A_z，即为气孔总面积；孔径大于等于R的气孔面积为A_R，即有：

实际单位面积内像素点个数X=A_z/A_s 式（Ⅰ）；

孔径R对应的像素点个数X_R=π*R*R*X=π*R*R*A_z/A_s 式（Ⅱ）；

式（Ⅱ）中，π为圆周率；

大于等于孔径R的气孔占整个气孔面积的百分比S_R=A_R/A_z*100% 式（Ⅲ）。