CN107918932B - 基于钢筋全角度锈蚀形态图像计算锈蚀特征参数的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于钢筋全角度锈蚀形态图像计算锈蚀特征参数的方法，由以下步骤构成：(1)对钢筋的全角度锈蚀形态图像进行二值化处理；(2)确定钢筋全角度锈蚀轮廓边缘线到轴线的距离及其对应的角度；(3)计算钢筋的锈蚀特征参数，包括最大锈蚀深度、最大截面锈蚀率和质量锈蚀率。本发明只需要根据钢筋的全角度锈蚀形态图像，就能够准确地计算钢筋的锈蚀特征参数，从而能够合理描述钢筋的空间锈蚀分布形态。

Description

基于钢筋全角度锈蚀形态图像计算锈蚀特征参数的方法

一、技术领域

本发明涉及一种基于钢筋全角度锈蚀形态图像计算锈蚀特征参数的方法，属于锈蚀钢筋的分析方法。

二、背景技术

受外部腐蚀性环境作用的影响，钢筋混凝土结构时常发生钢筋锈蚀。由于混凝土材料的不均匀性、外部腐蚀环境的变异性以及钢筋各部位受力程度的差异性，导致混凝土内部钢筋的锈蚀分布形态具有显著的空间变异性，所以需要准确分析钢筋的锈蚀特征参数，才能合理描述钢筋的空间锈蚀分布形态。

目前，钢筋锈蚀特征参数的分析方法包括失重法、游标卡尺法、排水法和3D扫描法。其中，失重法根据钢筋锈蚀前后的质量差来定义质量锈蚀率，只能确定钢筋整体的平均锈蚀严重程度，而无法反映钢筋锈蚀的空间分布特征；游标卡尺法沿锈蚀钢筋长度方向逐一测定每个横截面的长短两个方向的尺寸，进而利用二者的平均值近似作为锈蚀钢筋的直径计算锈蚀钢筋的剩余截面积，该方法虽然可以粗略确定锈蚀钢筋最小截面积的位置及大小，但是存在测试工作量大、计算精度低的缺点；排水法将锈蚀钢筋垂直挤入装满水的溶液中，将溢出的水的质量转化成体积，从而计算挤入溶液部分的锈蚀钢筋的体积，该方法可以测试锈蚀钢筋的剩余截面积，但是无法测试锈蚀钢筋的最大截面锈蚀深度，而且在测试过程中难免会出现部分水溶液附在钢筋或者容器壁上，导致测试精度难以保证；3D扫描法将激光束按照特定的轨迹对锈蚀钢筋进行扫描，利用反射的激光点信息形成激光点云数据，进而通过数据分析计算钢筋的锈蚀特征参数，该方法存在测试设备昂贵、测试数据量庞大、测试数据处理过程复杂(需要对三维扫描图像进行拼合、补洞、碎片处理、坐标轴修正)、测试过程耗时的缺点。因此，有必要发明一种能够准确分析钢筋锈蚀特征参数(包括最大锈蚀深度、最大截面锈蚀率和质量锈蚀率)的方法。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种基于钢筋全角度锈蚀形态图像计算锈蚀特征参数的方法，该方法能够根据钢筋的全角度锈蚀形态图像，计算钢筋的最大锈蚀深度、最大截面锈蚀率和质量锈蚀率，从而合理描述钢筋的空间锈蚀分布形态。

本发明通过以下技术方案实现上述目的，一种基于钢筋全角度锈蚀形态图像计算锈蚀特征参数的方法，由以下步骤构成：

1.1对钢筋的全角度锈蚀形态图像进行二值化处理：利用图像处理技术，分别对旋转角度为θ_i(i＝0,1,2,...,n，n为旋转总次数)时的钢筋锈蚀形态图像进行二值化处理；

1.2确定钢筋全角度锈蚀轮廓边缘线到轴线的距离及其对应的角度：分别基于旋转角度为θ_i时二值化处理后的钢筋锈蚀形态图像，从钢筋左端开始沿钢筋长度方向选取m个控制截面，依次确定第k(k＝1,2,3,...,m)个控制截面锈蚀钢筋轮廓的上边缘线到轴线的距离r_i ^k和对应的角度α_i＝θ_i，以及下边缘线到轴线的距离

和对应的角度α_n+1+i＝θ_i+180°，其中r_i ^k和

分别为：

式中，r₀为未锈蚀钢筋的半径；p₀为钢筋端部未锈蚀对比段轮廓的上边缘线到轴线之间的像素值；

和

分别表示旋转角度为θ_i时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的上边缘线和下边缘线到轴线之间的像素值。

1.3计算钢筋的锈蚀特征参数，包括最大锈蚀深度、最大截面锈蚀率和质量锈蚀率：基于钢筋全角度锈蚀轮廓的上下边缘线到轴线的距离r_i ^k和

及其对应的角度α_i和α_n+1+i，分别计算最大锈蚀深度η_d,max、最大截面锈蚀率η_s,max和质量锈蚀率η_m：

η_d,max＝r₀-r_min；

式中，r₀为未锈蚀钢筋的半径；r_min为r_i ^k和

的最小值；S₀为未锈蚀钢筋的截面积；S_min为锈蚀钢筋的剩余截面积S_k(k＝1,2,3,...,m)的最小值；S_k为锈蚀钢筋的剩余截面积；l₀为钢筋的长度；Δz_k为第k个和第k+1个控制截面之间的间距；n为旋转总次数；m为控制截面总数。

所述轴线为钢筋端部未锈蚀段的两端面中心点的连线。

所述锈蚀钢筋第k个控制截面的剩余截面积S_k(k＝1,2,3,...,m)的计算公式为：

式中，n为旋转总次数；当j＝0,1,2,3,...,n时，

和α_j分别为旋转角度为θ_j时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的上边缘线到轴线之间的距离和对应的角度，

和α_j+1分别为旋转角度为θ_j+1时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的上边缘线到轴线之间的距离和对应的角度；当j＝1,2,3,...,n时，

和α_n+j分别为旋转角度为θ_j-1时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的下边缘线到轴线之间的距离和对应的角度，

和α_n+1+j分别为旋转角度为θ_j时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的下边缘线到轴线之间的距离和对应的角度；

和α₀分别为旋转角度为θ₀时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的上边缘线到轴线之间的距离和对应的角度；

和α_2n+1分别为旋转角度为θ_n时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的下边缘线到轴线之间的距离和对应的角度。

本发明的突出优点在于：只需要根据钢筋的全角度锈蚀形态图像，就能够准确地计算钢筋的锈蚀形态特征参数，包括最大锈蚀深度、最大截面锈蚀率和质量锈蚀率，从而能够合理描述钢筋的空间锈蚀分布形态。

四、附图说明

图1是本发明实施例选取的钢筋全角度锈蚀形态图像。

图2是本发明实施例二值化处理后的钢筋全角度锈蚀形态图像。

图3是本发明实施例第100个控制截面的截面示意图，图中，1表示未锈蚀钢筋的截面轮廓，2表示锈蚀钢筋的截面轮廓。

五、具体实施方式

以下通过实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。

本发明所述的基于钢筋全角度锈蚀形态图像计算锈蚀特征参数的方法，由以下步骤构成：

1、对钢筋的全角度锈蚀形态图像进行二值化处理：

选取长度为400mm的锈蚀钢筋在旋转角度为θ_i＝i×18°(i＝0,1,2,...,9)时的全角度锈蚀形态图像进行分析，如附图1所示，利用图像处理技术，依次将上述不同旋转角度时的锈蚀钢筋彩色图像转变成灰度图像，然后再将灰度图像转化成二值图，从而获得二值化处理后的钢筋全角度锈蚀形态图像，如附图2所示。

2、确定钢筋全角度锈蚀轮廓边缘线到轴线的距离及其对应的角度：

未锈蚀钢筋的半径r₀＝8mm，分别基于旋转角度为θ_i时二值化处理后的钢筋锈蚀形态图像，通过公式α_i＝θ_i和α_10+i＝θ_i+180°分别计算钢筋锈蚀轮廓的上下边缘线对应的角度α_i和α_10+i，钢筋端部未锈蚀对比段轮廓的上边缘线到轴线之间的像素值p₀＝182，从钢筋左端开始沿钢筋长度方向等间距选取4000个控制截面，截面间距Δz_k＝0.1mm，依次确定第k(k＝1,2,3,...,4000)个控制截面锈蚀钢筋轮廓的上下边缘线到轴线之间的像素值

和

然后通过公式

和

分别计算钢筋锈蚀轮廓的上下边缘线到轴线的距离r_i ^k和

不失一般性地，以第100个控制截面为例，计算结果见表1。

表1第100个控制截面全角度锈蚀轮廓边缘线到轴线的距离及其对应的角度

3、计算钢筋的锈蚀特征参数，包括最大锈蚀深度、最大截面锈蚀率和质量锈蚀率：

基于钢筋全角度锈蚀轮廓的上下边缘线到轴线的距离r_i ^k和

可以确定钢筋的最小剩余半径r_min＝r₁ ⁹¹⁵＝1.13mm，从而可以计算钢筋的最大锈蚀深度η_d,max：

η_d,max＝r₀-r_min＝8-1.13＝6.87mm

不失一般性地，以第100个控制截面为例，根据钢筋全角度锈蚀轮廓的上下边缘线到轴线的距离r_i ¹⁰⁰和

及其对应的角度α_i和α_10+i(i＝0,1,2,...,9)，见附图3和表1，根据下式可以计算该控制截面的剩余截面积S₁₀₀：

式中，当j＝0，1,2,...,9时，

和α_j分别为旋转角度为θ_j时锈蚀钢筋第100个控制截面轮廓的上边缘线到轴线之间的距离和对应的角度，

和α_j+1分别为旋转角度为θ_j+1时锈蚀钢筋第100个控制截面轮廓的上边缘线到轴线之间的距离和对应的角度；当j＝1,2,3，...,9时，

和α_9+j分别为旋转角度为θ_j-1时锈蚀钢筋第100个控制截面轮廓的下边缘线到轴线之间的距离和对应的角度，

和α_10+j分别为旋转角度为θ_j时锈蚀钢筋第100个控制截面轮廓的下边缘线到轴线之间的距离和对应的角度；

和α₁₉分别为旋转角度为θ₉时锈蚀钢筋第100个控制截面轮廓的下边缘线到轴线之间的距离和对应的角度；

和α₀分别为旋转角度为θ₀时锈蚀钢筋第100个控制截面轮廓的上边缘线到轴线之间的距离和对应的角度。

采取与上述剩余截面积S₁₀₀的类似计算方法，可以分别计算第k(k＝1,2,3,...,4000)个控制截面的剩余截面积S_k，从而求得钢筋的最小剩余截面积S_min＝S₉₁₂＝79.34mm²，结合未锈蚀钢筋的截面积S₀＝200.96mm²，可以计算钢筋的最大截面锈蚀率η_s,max：

控制截面之间的间距Δz_k＝0.1mm，钢筋的长度l₀＝400mm，未锈蚀钢筋的截面积S₀＝200.96mm²，进而可以计算钢筋的质量锈蚀率η_m：

下面通过与传统的失重法和游标卡尺法进行对比，以说明本发明能够准确地计算钢筋的锈蚀特征参数。

失重法：利用电子秤分别称取钢筋锈蚀前的质量m₀＝667.5g和锈蚀后的质量m₁＝498.1g，根据钢筋锈蚀前后的质量差可以计算钢筋的质量锈蚀率

本发明方法计算的质量锈蚀率η_m＝25.63％，二者的相对误差为0.98％，说明由上述两种方法计算的质量锈蚀率较为吻合，但是失重法不能计算最大锈蚀深度η_d,max和最大截面锈蚀率η_s,max，所以只能确定钢筋整体的平均锈蚀严重程度，而无法反映钢筋锈蚀的空间分布特征。

游标卡尺法：利用游标卡尺沿锈蚀钢筋长度方向逐一测定每个横截面的长短两个方向的尺寸，进而利用二者的平均值近似作为锈蚀钢筋的直径计算锈蚀钢筋的剩余截面积。以上述的第100控制截面为例，利用游标卡尺测得的短边方向的长度l₁＝14.70mm，长边方向的长度l₂＝16.00mm，锈蚀钢筋的近似直径

进而可以计算该控制截面的剩余截面积S₁₀₀＝184.96mm²和截面锈蚀率

通过截取第100个控制截面的断面进行分析，所得到的截面锈蚀率η_s,max＝6.42％，与游标卡尺法的相对误差为23.99％，与本发明方法的相对误差为1.56％。由此可见，本发明方法能够较为准确地计算钢筋的截面锈蚀率，而游标卡尺法的计算误差较大，主要原因在于游标卡尺法利用横截面长短两个方向的尺寸的平均值粗略估计锈蚀钢筋的直径，导致计算精度有限。此外，通过截取第915个控制截面的断面进行分析，所得到的最大锈蚀深度η_d,max＝6.79mm，与本发明方法的相对误差为1.17％，说明本发明方法能够准确计算钢筋的最大锈蚀深度。

通过以上实施例说明，本发明方法只需要根据钢筋的全角度锈蚀形态图像，就能够准确地计算钢筋的锈蚀形态特征参数，包括最大锈蚀深度、最大截面锈蚀率和质量锈蚀率，从而能够合理描述钢筋的空间锈蚀分布形态。

Claims (3)

1.一种基于钢筋全角度锈蚀形态图像计算锈蚀特征参数的方法，其特征在于，由以下步骤构成：

1.1对钢筋的全角度锈蚀形态图像进行二值化处理：利用图像处理技术，分别对旋转角度为θ_i(i＝0,1,2,...,n，n为旋转总次数)时的钢筋锈蚀形态图像进行二值化处理；

1.2确定钢筋全角度锈蚀轮廓边缘线到轴线的距离及其对应的角度：分别基于旋转角度为θ_i时二值化处理后的钢筋锈蚀形态图像，从钢筋左端开始沿钢筋长度方向选取m个控制截面，依次确定第k(k＝1,2,3,...,m)个控制截面锈蚀钢筋轮廓的上边缘线到轴线的距离r_i ^k和对应的角度α_i＝θ_i，以及下边缘线到轴线的距离

和对应的角度α_n+1+i＝θ_i+180°，其中r_i ^k和

分别为：

式中，r₀为未锈蚀钢筋的半径；p₀为钢筋端部未锈蚀对比段轮廓的上边缘线到轴线之间的像素值；

和

分别表示旋转角度为θ_i时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的上边缘线和下边缘线到轴线之间的像素值，

1.3计算钢筋的锈蚀特征参数，包括最大锈蚀深度、最大截面锈蚀率和质量锈蚀率：基于钢筋全角度锈蚀轮廓的上下边缘线到轴线的距离r_i ^k和

及其对应的角度α_i和α_n+1+i，分别计算最大锈蚀深度η_d,max、最大截面锈蚀率η_s,max和质量锈蚀率η_m：

η_d,max＝r₀-r_min；

式中，r₀为未锈蚀钢筋的半径；r_min为r_i ^k和

的最小值；S₀为未锈蚀钢筋的截面积；S_min为锈蚀钢筋的剩余截面积S_k(k＝1,2,3,...,m)的最小值；S_k为锈蚀钢筋的剩余截面积；l₀为钢筋的长度；Δz_k为第k个和第k+1个控制截面之间的间距；n为旋转总次数；m为控制截面总数。

2.根据权利要求1所述基于钢筋全角度锈蚀形态图像计算锈蚀特征参数的方法，其特征在于，所述轴线为钢筋端部未锈蚀段的两端面中心点的连线。

3.根据权利要求1所述基于钢筋全角度锈蚀形态图像计算锈蚀特征参数的方法，其特征在于，所述锈蚀钢筋第k个控制截面的剩余截面积S_k(k＝1,2,3,...,m)的计算公式为：

式中，n为旋转总次数；当j＝0,1,2,3,...,n时，

和α_j分别为旋转角度为θ_j时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的上边缘线到轴线之间的距离和对应的角度，

和α_j+1分别为旋转角度为θ_j+1时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的上边缘线到轴线之间的距离和对应的角度；当j＝1,2,3,...,n时，

和α_n+j分别为旋转角度为θ_j-1时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的下边缘线到轴线之间的距离和对应的角度，

和α_n+1+j分别为旋转角度为θ_j时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的下边缘线到轴线之间的距离和对应的角度；

和α₀分别为旋转角度为θ₀时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的上边缘线到轴线之间的距离和对应的角度；

和α_2n+1分别为旋转角度为θ_n时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的下边缘线到轴线之间的距离和对应的角度。

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