CN109001236A - 一种基于纳米ct技术表征水泥浆体中孔隙率分布的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米CT技术表征水泥浆体中孔隙率分布的方法，包括以下步骤：1）获取三维纳米CT灰度图像；2）对原始CT图像进行处理，将各像素的灰度值转换成孔隙率；3）计算孔隙率分布的配分函数；4）获取表征孔隙率分布的谱函数。本发明解决了现有技术中对孔结构造成测试破坏、需要预先假定孔隙具有规则几何形貌的问题，从而达到无损、精确表征水泥浆体中的孔隙率分布信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种数字图像信息分析技术，尤其涉及一种针对材料微观结构具有非均质分布特征的数字图像分析的方法。
背景技术
水泥浆体作为混凝土强度形成的关键，具有复杂的非均质微观结构。水泥浆体中的孔隙率分布对混凝土的强度及其它性能如介质传输均能产生重要的影响。水泥浆体中孔隙率分布的均匀程度越好，表明水泥浆体及混凝土具有更优良的性能，如更高的强度、更低的传输系数。如何准确定量地表征水泥浆体中的孔隙率分布对水泥基材料研究而言具有重要的理论与应用价值。
当前研究水泥浆体中孔隙率分布有多种方法，常用的测试手段包括压汞测试、扫描电镜等。压汞测试通过在不同静水压力下，将液态汞压入到水泥浆体内，记录汞压入时的压力与体积数据，基于Laplace方程获取水泥浆体中孔隙率分布的信息。扫描电镜通过观察具有理想平面的水泥浆体，对扫描电镜图片进行数字图像分析，获取水泥浆体中的孔隙率分布信息。值得注意的是，无论是压汞测试还是扫描电镜方法都存在一些显著的缺点。首先，这两种测试方法本身可能对样品造成一定的损害，带来测试数据的误差，如压汞测试在高压范围时、扫描电镜在样品制样时都可能破坏孔结构；其次，这两种测试方法需要假定水泥浆体中的孔隙具有规则的几何形貌，而实际上孔隙具有不规则的复杂几何形貌，规则几何形貌的假定导致基于水泥浆体孔结构预测其强度、介质传输等性能上与实验结果存在较大的偏差。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供一种方法，解决了现有技术中孔结构造成测试破坏、需要预先假定孔隙具有规则几何形貌的问题，从而达到无损、精确表征水泥浆体中的孔隙率分布信息。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于纳米CT技术表征水泥浆体中孔隙率分布的方法，包括如下步骤：
1)获取三维纳米CT灰度图像，以h(j)表示第j像素的灰度值；
2)对原始CT图像进行处理，将各像素的灰度值转换成孔隙率P(j)，转换关系式为P(j)＝1-h(j)/255，其中常数255为CT灰度图像的最大像素值；
3)将三维CT图像划分大小相等的小立方体集合，以i表示小立方体的编号，以δ表示小立方体的大小，以Ωi(δ)表示小立方体所占据的空间，定义孔隙率分布的尺度变量mi(δ)为mi(δ)＝∑Pj,j∈Ωi(δ)，∑表示求和符号；
4)基于孔隙率分布的尺度变量mi(δ)定义孔隙率分布的概率测度
5)基于孔隙率分布的概率测度μi(δ)计算孔隙率分布的配分函数，其中q为取定指数，通常取为-10至10之间的整数值；
6)基于配分函数χ(q,δ)计算配分指数，其中符号≈表示当δ趋近于0时的取值，ln表示自然对数符号；
7)基于配分指数τ(q)计算孔隙率分布的奇异指数
8)基于配分指数τ(q)和奇异指数α(q)获取孔隙率分布的谱函数f(α)＝q·α(q)-τ(q)。
本发明的有益效果是：
相较于常用的压汞测试及扫描电镜实验，本发明所述的纳米CT技术在样品制备和测试过程不对水泥浆体中的孔结构产生破坏性影响。同时，基于纳米CT数字图像分析获取的反映孔隙率分布的谱函数不需要假定水泥浆体中的孔隙具有规则的几何形貌，避免与孔隙真实的复杂不规则几何形貌产生偏差，达到无损、精确表征水泥浆体中的孔隙率分布信息的效果。
附图说明
图1为本发明实例纯水泥浆体三维纳米CT图像；
图2为本发明实例矿渣水泥浆体三维纳米CT图像；
图3为本发明实例纯水泥浆体孔隙率分布图像；
图4为本发明实例矿渣水泥浆体孔隙率分布图像；
图5为本发明实例纯水泥浆体孔隙率分布的配分函数；
图6为本发明实例矿渣水泥浆体孔隙率分布的配分函数；
图7为本发明实例纯水泥浆体和矿渣水泥浆体的配分指数；
图8为本发明实例纯水泥浆体和矿渣水泥浆体的奇异指数；
图9为本发明实例纯水泥浆体和矿渣水泥浆体的孔隙率分布谱函数。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明提及的水泥浆体包括纯水泥浆体和矿渣水泥浆体。矿渣作为常用的矿物掺合料，其相对较低的水化速率对于降低水泥浆体的早期放热具有重要的作用。此外，大量研究表明，相较于纯水泥浆体，矿渣的掺入可以显著改善水泥浆体的孔结构，使孔隙分布更均匀。本实例将通过谱函数表征水泥浆体的孔隙率分布特征。本实例中的水泥浆体包含两种，一种是纯水泥浆体，另一种是60％水泥和40％矿渣的混合浆体。水灰比固定为0.4，水泥浆体样品在标准条件下养护56天。
实施例1：如图1、2、3、4、5、6、7、8和9所示的一种基于纳米CT技术表征水泥浆体中孔隙率分布的方法，包括如下：
(1)获取三维纳米CT灰度图像，以h(j)表示第j像素的灰度值：
如图1、2所示分别为纯水泥浆体和矿渣水泥浆体的三维纳米CT灰度图像，大小为128×128×128像素，每个像素的空间分辨率为1微米。
(2)对原始CT图像进行处理，将各像素的灰度值转换成孔隙率P(j)：
利用MATLAB软件读取三维纳米CT灰度图像，基于转换关系式为P(j)＝1-h(j)/255，其中常数255为CT灰度图像的最大像素值，将各像素的灰度值h(j)转换成孔隙率P(j)，如图3、4所示分别为纯水泥浆体和矿渣水泥浆体的孔隙率分布图；
(3)将三维CT图像划分大小相等的小立方体集合，以i表示小立方体的编号，以δ表示小立方体的大小，以Ωi(δ)表示小立方体所占据的空间，定义孔隙率分布的尺度变量mi(δ)＝∑Pj,j∈Ωi(δ)，∑表示求和符号；
(4)基于孔隙率分布的尺度变量mi(δ)定义孔隙率分布的概率测度
(5)基于孔隙率分布的概率测度μi(δ)计算孔隙率分布的配分函数，如图5、6所示(针对两种不同的材料，图5和图6是有差别的，只是差别比较小)，
(6)基于配分函数χ(q,δ)计算配分指数，其中符号≈表示当δ趋近于0时的取值，ln表示自然对数符号，如图7所示；
(7)如图8所示，基于配分指数τ(q)计算孔隙率分布的奇异指数
(8)基于配分指数τ(q)和奇异指数α(q)获取孔隙率分布的谱函数f(α)＝q·α(q)-τ(q)。
如图8、9所示，矿渣水泥浆体孔隙率分布的谱函数宽度小于纯水泥浆体，说明矿渣水泥浆体中的孔隙率分布均匀性更好，与事实相一致，证明了该方法的有效性。
本实施例表明，本发明的一种基于纳米CT技术表征水泥浆体中孔隙率分布的方法，纳米CT技术不会对水泥浆体样品产生测试损害，更好地反映样品的原始微观结构；同时，采用谱函数表征孔隙率分布不需要假定水泥浆体中的孔隙具有规则几何形貌，避免不当假定带来的误差。
需要说明的是，本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (8)
1.一种基于纳米CT技术表征水泥浆体中孔隙率分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取三维纳米CT灰度图像，以h(j)表示第j像素的灰度值；
2)对原始CT图像进行处理，将各像素的灰度值转换成孔隙率P(j)；
3)计算孔隙率分布的配分函数；
4)获取表征孔隙率分布的谱函数。
2.如权利要求1所述的基于纳米CT技术表征水泥浆体中孔隙率分布的方法，其特征在于，所述步骤2)的操作过程是对原始CT图像进行处理，将各像素的灰度值转换成孔隙率P(j)，计算方法为：P(j)＝1-h(j)/255，其中常数255为CT灰度图像的最大像素值。
3.如权利要求1所述的基于纳米CT技术表征水泥浆体中孔隙率分布的方法，其特征在于，所述步骤3)的操作过程中，将三维CT图像划分大小相等的小立方体集合，以i表示小立方体的编号，以δ表示小立方体的大小，以Ωi(δ)表示小立方体所占据的空间，定义孔隙率分布的尺度变量如下：mi(δ)＝∑Pj,j∈Ωi(δ)，其中∑表示求和符号。
4.如权利要求3所述的基于纳米CT技术表征水泥浆体中孔隙率分布的方法，其特征在于，所述步骤3)的操作过程中，基于孔隙率分布的尺度变量mi(δ)定义孔隙率分布的概率测度μi(δ)如下：
5.如权利要求4所述的基于纳米CT技术表征水泥浆体中孔隙率分布的方法，其特征在于，所述步骤3)的操作过程中，基于孔隙率分布的概率测度μi(δ)计算孔隙率分布的配分函数χ(q,δ)如下：
其中q为取定指数，通常取为-10至10之间的整数值。
6.如权利要求1所述的基于纳米CT技术表征水泥浆体中孔隙率分布的方法，其特征在于，所述步骤4)的操作过程中，基于配分函数χ(q,δ)计算配分指数τ(q)如下：
其中符号≈表示当δ趋近于0时的取值，ln表示自然对数符号。
7.如权利要求6述的基于纳米CT技术表征水泥浆体中孔隙率分布的方法，其特征在于，所述步骤4)的操作过程中，基于配分指数τ(q)计算孔隙率分布的奇异指数α(q)如下：
8.如权利要求7述的基于纳米CT技术表征水泥浆体中孔隙率分布的方法，其特征在于，所述步骤4)的操作过程中，基于配分指数τ(q)和奇异指数α(q)
获取表征孔隙率分布的谱函数f(α)，计算方法如下：
f(α)＝q·α(q)-τ(q)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181214 |
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