CN108918300A - 一种水力冲击混凝土裂纹扩展及ct尺度损伤研究方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水力冲击混凝土裂纹扩展及CT尺度损伤研究方法，基于CT扫描技术，对水力冲击混凝土的细观破裂状态进行全方位检测，并进一步对CT扫描图像直方图均衡化、阈值分割处理，利用建立的基于图像灰度值的损伤表征方法，直观地研究水力冲击混凝土裂纹扩展规律，以及裂纹近域CT尺度损伤分布特征；研究方法包括如下步骤：试验设备和材料准备，水力冲击破碎混凝土，CT扫描致裂混凝土，影像重建及损伤识别；本发明中研究方法可为揭示水力冲击混凝土破碎机理提供重要的试验支持和技术参考。
Description
技术领域
本发明属于混凝土技术领域，具体涉及一种水力冲击混凝土裂纹扩展及CT尺度损伤研究方法。
背景技术
在进行混凝土结构养护维修工作时，混凝土的破碎至关重要，直接关系到养护维修工作的质量、效率、成本、安全等。目前，混凝土破碎主要采用振动锤、风镐及爆破等，事实证明，这些方法在安全性、选择性、环保性等方面仍存在部分问题。水力破除混凝土是一种突破传统方式的破碎技术，具有振动小、无污染及可选择性破除等特点，具有广阔地应用前景。但由于水力破碎混凝土过程短暂，且涉及流体力学、损伤力学及流固耦合等问题，导致混凝土在水力作用下的裂纹扩展机理及损伤分布特征尚不清晰，阻碍了水力破碎混凝土技术进一步发展。
混凝土是由骨料、砂浆、交界面的粘结层组成的非均质材料，多相异弹模界面及骨料随机空间分布会影响混凝土宏细观力学性能及破坏模式，再加上水力冲击混凝土的瞬时非线性流固耦合问题，理论分析和数值模拟需对水力侵彻物理过程进行大量简化，导致计算结果与水力冲击混凝土真实物理力学过程往往有一定差距。计算机层析成像(Computerized Tomography，CT)技术可以对材料内部的破坏实现无损量度，为研究水力冲击混凝土内部细观结构提供了有效途径，但常规CT扫描技术无法直观识别水力冲击混凝土微裂纹及近域CT尺度损伤，为此本发明提供一种有效的水力冲击混凝土裂纹扩展及CT尺度损伤研究方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术中的不足，提供一种水力冲击混凝土裂纹扩展及CT尺度损伤研究方法，以揭示混凝土在水力作用下的破坏机理，从而降低水力破除混凝土技术门槛泵压及能耗，提高局部精确破碎及可控致裂技术水平，达到提升水力破除混凝土技术应用水平的目的。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种水力冲击混凝土裂纹扩展及CT尺度损伤研究方法，基于CT扫描技术，对水力冲击混凝土的细观破裂状态进行全方位检测，并进一步对CT扫描图像直方图均衡化、阈值分割处理，利用建立的基于图像灰度值的损伤表征方法，直观地研究水力冲击混凝土裂纹扩展规律，及裂纹近域CT尺度损伤分布特征。
一种水力冲击混凝土裂纹扩展及CT尺度损伤研究方法，所述研究方法包括如下步骤：
步骤一：试验设备和材料准备，设备包括：高压水力设备、电子计算机断层扫描设备；材料为混凝土试件；
步骤二：水力冲击破碎混凝土，通过步骤一中的高压水力设备，对步骤一中的混凝土试件进行冲击破碎；
步骤三：CT扫描致裂后混凝土，通过步骤一中的电子计算机断层扫描设备对步骤二中冲击破碎后混凝土试件进行扫描；
步骤四：影像重建及损伤识别，将步骤三中扫描完成后的影像进行重建，提取混凝土试件内部裂纹及CT尺度损伤。
作为本发明的一种优选的技术方案，所述步骤一中高压水力设备应采用PC控制器/交流伺服系统，线性直线导轨保证切割精度为±0.10mm，重复定位精度为±0.05mm，砂管直径大于1.0mm，泵压大于80MPa，磨料质量流量大于7.2g·min-1，进水压力大于0.2MPa。
作为本发明的一种优选的技术方案，所述步骤一中电子计算机断层扫描设备，应能实现16层/360°，0.6秒/360°快速扫描，并配备数字化成像系统、显微整板探测器、高性能微焦球管以及飞焦点技术，以确保优质的图像质量。
作为本发明的一种优选的技术方案，所述步骤一中混凝土试件，为普通混凝土，表观密度为1950-2500kg/m3，石子均匀地、随机地、无方向性地分布，试件表面平整，内部无明显空洞或天然裂纹。
作为本发明的一种优选的技术方案，所述步骤二中水力冲击破碎混凝土，应使混凝土在水力冲击下出现宏观溃裂。
作为本发明的一种优选的技术方案，所述步骤三中对水力冲击破碎后混凝土试件进行扫描前，首先进行试件调平，在定位片上调节扫描框的各个边界与混凝土试件尺寸相符合，然后根据试件尺寸设置扫描层间隔(小于试件尺寸的1/200)及重建范围，采取平扫方式进行扫描。
作为本发明的一种优选的技术方案，所述步骤四中，首先，通过直方图均衡化处理技术，在不影响CT扫描图像整体对比度前提下，增强细观结构的局部对比度，使得CT图像中更突出显示各细观结构差异性；然后，根据混凝土为多相材料CT数相差较大特性，在CT扫描图直方图均衡化处理后，采用阈值分割技术提取裂纹近域的CT尺度损伤；最后，根据CT扫描图像损伤点与无损点所反映图像灰度的差异性较大的特性，以像素(Pixel，px)为长度计量单位对选定的CT扫描图像区域进行栅格化，得到单像素范围内的灰度值(Gray value)，通过提取和统计选定区域内图像灰度值，定量反映该区域内任意位置CT尺度损伤分布情况。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：基于CT扫描技术，对水力冲击混凝土的细观破裂状态进行全方位检测，并进一步对CT扫描图像直方图均衡化、阈值分割处理，可以直观地捕捉、识别水力冲击下混凝土裂纹扩展及CT尺度损伤；利用建立的基于图像灰度值的损伤表征方法，可定量研究水力致裂后混凝土内部任意位置CT尺度损伤分布情况，可为揭示水力破碎混凝土破坏提供重要的试验支持和基础验证，对提升水力破除混凝土技术应用水平，具有显著的现实意义。
附图说明
图1为本发明的系统流程图；
图2为水力致裂混凝土扫描示意图；
图3为水力致裂混凝土CT扫描图像的阈值分割图，为本发明的示例图；
图4为CT扫描图像的栅格化处理示意图；
图5为水力致裂混凝土CT扫描图像的灰度值矩阵图，为本发明的示例图；
图中：1、高压水力设备；2、混凝土试件；3、电子计算机断层扫描设备。
具体实施方式
结合附图对一种水力冲击混凝土裂纹扩展及CT尺度损伤研究方法，作更进一步说明，图1为本发明的系统流程图，包括如下步骤：
步骤一：试验设备和材料准备，设备包括：高压水力设备1为金箭JJ-I42*1313型悬臂式切割机，采用PC控制器/交流伺服系统，线性直线导轨保证切割精度为±0.10mm，重复定位精度为±0.05mm，砂管直径为1.2mm，最大泵压为380MPa，磨料质量流量最大为50.7g·min-1，进水压力为0.5MPa；电子计算机断层扫描设备3为西门子高端智能平台SOMATOMScope16排螺旋CT，可确保优质的图像质量；材料为100mm×100mm×100mm立方体混凝土试件2，混凝土试件2的原材料为水泥(P.O 32.5)、河砂(16-31.5mm中砂)、碎石、水、外加剂JM-Ⅱ，水泥、河砂、碎石、水、外加剂质量配合比，1:2.39:4.27:0.51:0.01，表观密度为2100kg/m3，充分振捣使石子和水泥浆得到致密均匀地排列分布，内部无明显空洞、初始裂纹；
步骤二：水力冲击破碎混凝土，通过步骤一中的高压水力设备1即悬臂式切割机，在砂管直径为1.2mm、泵压为180MPa、磨料质量流量为18.5g·min-1工况下对步骤一中的100mm×100mm×100mm立方体混凝土试件2进行冲击破碎；在水力荷载持续冲击作用下，使混凝土内部裂纹以沿骨料与砂浆基体过渡区扩展、基体扩展及穿骨扩展的方式向自由面进行传播，直至混凝土试件2发生体积破坏、溃裂时停止冲击；
步骤三：CT扫描水力致裂后混凝土，通过步骤一中的高端智能平台SOMATOMScope16排螺旋CT扫描仪对步骤二中水力冲击破碎后混凝土试件2进行扫描；对水力冲击破碎后混凝土试件2进行扫描前，首先进行试件调平，在定位片上调节扫描框的各个边界与混凝土试件2尺寸相符合，然后设置扫描层间隔为0.6mm，重建范围为100mm，采取平扫方式进行扫描；图2为水力致裂混凝土扫描示意图；
步骤四：影像重建及损伤识别，首先，通过直方图均衡化处理技术，在不影响CT扫描图像整体对比度前提下，增强细观结构的局部对比度，使得CT图像中更突出显示各细观结构差异性；然后，根据混凝土为各相材料CT数相差较大特性，经过直方图均衡化后，采用阈值分割技术提取裂纹近域的损伤，阈值分割算法判定准则如下：式中：f(i,j)为第i行，第j列的CT数；ξ为损伤的阈值，当f(i,j)≤ξ时，归为损伤区；当f(i,j)>ξ时，归为基体和骨料；混凝土CT扫描图的阈值分割处理结果，可清晰地展示混凝土内部细观结构，如图3所示；最后，考虑到CT扫描图像损伤点与无损点所反映图像灰度的差异性十分明显，以像素(Pixel，px)为长度计量单位对选定的CT扫描图像区域进行栅格化，如图4所示，通过提取和统计选定区域内图像灰度值，得到单像素范围内的灰度值(Gray value)矩阵，定量反映该区域内任意位置CT尺度损伤分布情况；本实例得到的CT扫描图像大小为303px×303px，可划分为303×303＝91809个像素点，综合每个像素点的灰度值，组建完全灰度值303×303矩阵，如图5所示。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种水力冲击混凝土裂纹扩展及CT尺度损伤研究方法，其特征在于：基于CT扫描技术，对水力冲击混凝土的细观破裂状态进行全方位检测，并进一步对CT扫描图像直方图均衡化、阈值分割处理，利用建立的基于图像灰度值的损伤表征方法，直观地研究水力冲击混凝土裂纹扩展规律，及裂纹近域CT尺度损伤分布特征。
2.根据权利要求1所述的一种水力冲击混凝土裂纹扩展及CT尺度损伤研究方法，其特征在于：所述研究方法包括如下步骤：
步骤一：试验设备和材料准备，设备包括：高压水力设备、电子计算机断层扫描设备；材料为混凝土试件；
步骤二：水力冲击破碎混凝土，通过步骤一中的高压水力设备，对步骤一中的混凝土试件进行冲击破碎；
步骤三：CT扫描致裂后混凝土，通过步骤一中的电子计算机断层扫描设备对步骤二中冲击破碎后混凝土试件进行扫描；
步骤四：影像重建及损伤识别，将步骤三中扫描完成后的影像进行重建，提取混凝土试件内部裂纹及CT尺度损伤。
3.根据权利要求2所述的一种水力冲击混凝土裂纹扩展及CT尺度损伤研究方法，其特征在于：所述步骤一中高压水力设备应采用PC控制器/交流伺服系统，线性直线导轨保证切割精度为±0.10mm，重复定位精度为±0.05mm，砂管直径大于1.0mm，泵压大于80MPa，磨料质量流量大于7.2g·min-1，进水压力大于0.2MPa。
4.根据权利要求2所述的一种水力冲击混凝土裂纹扩展及CT尺度损伤研究方法，其特征在于：所述步骤一中电子计算机断层扫描设备，应能实现16层/360°，0.6秒/360°快速扫描，并配备数字化成像系统、显微整板探测器、高性能微焦球管以及飞焦点技术，以确保优质的图像质量。
5.根据权利要求2所述的一种水力冲击混凝土裂纹扩展及CT尺度损伤研究方法，其特征在于：所述步骤一中混凝土试件，为普通混凝土，表观密度为1950-2500kg/m3，石子均匀地、随机地、无方向性地分布，试件表面平整，内部无明显空洞或天然裂纹。
6.根据权利要求2所述的一种水力冲击混凝土裂纹扩展及CT尺度损伤研究方法，其特征在于：所述步骤二中水力冲击破碎混凝土，应使混凝土在水力冲击下出现宏观溃裂。
7.根据权利要求2所述的一种水力冲击混凝土裂纹扩展及CT尺度损伤研究方法，其特征在于：所述步骤三中对水力冲击破碎后混凝土试件进行扫描前，首先进行试件调平，在定位片上调节扫描框的各个边界与混凝土试件尺寸相符合，然后根据试件尺寸设置扫描层间隔(小于试件尺寸的1/200)及重建范围，采取平扫方式进行扫描。
8.根据权利要求2所述的一种水力冲击混凝土裂纹扩展及CT尺度损伤研究方法，其特征在于：所述步骤四中，首先，通过直方图均衡化处理技术，在不影响CT扫描图像整体对比度前提下，增强细观结构的局部对比度，使得CT图像中更突出显示各细观结构差异性；然后，根据混凝土为多相材料CT数相差较大特性，在CT扫描图直方图均衡化处理后，采用阈值分割技术提取裂纹近域的CT尺度损伤；最后，根据CT扫描图像损伤点与无损点所反映图像灰度的差异性较大的特性，以像素(Pixel，px)为长度计量单位对选定的CT扫描图像区域进行栅格化，得到单像素范围内的灰度值(Gray value)，通过提取和统计选定区域内图像灰度值，定量反映该区域内任意位置CT尺度损伤分布情况。
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2018
- 2018-09-03 CN CN201811018704.6A patent/CN108918300A/zh active Pending
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