CN113155042A - 一种混凝土内界面过渡区厚度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种混凝土内界面过渡区厚度测量方法，包括获取混凝土试块受压变形图像、处理分析图像中各区域的位移变形情况，最后沿界面过渡区厚度方向提取位移量数据，根据位移量变化情况判定边界点位置，并结合像素与实际长度的对应关系，换算出实际的界面过渡区厚度；本发明根据混凝土中骨料颗粒、界面过渡区和胶凝材料三者之间的力学性能差异，并利用现有图像处理技术分析三者之间在厚度方向上位移变形量的区别，从而准确地区分出上述三种材料之间的边界，最终获得界面过渡区厚度的精确结果，相比于现有单一图像观察法，极大的提高了测量精度。

Description

一种混凝土内界面过渡区厚度测量方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种混凝土内界面过渡区厚度测量方法。

背景技术

混凝土一般由水泥、骨料和水制成，实际应用中为改善其特定性能，还会掺加适量的化学外加剂或矿物掺合料等组分。早期研究关注点主要在混凝土材料的宏观性能上，然而随着研究深入，人们逐渐意识到混凝土材料微观层面的变化对宏观性能上有着巨大的影响。

目前在细观研究中，混凝土材料一般看作是由骨料颗粒、胶凝材料以及界面过渡区组成的复合材料。其中界面过渡区是包裹于骨料外表面的一个很薄的区域，本质上仍属于胶凝材料的一部分，区别在于其内部的孔隙率较胶凝材料要高。它的形成过程主要受到边壁效应的影响，此外还会受到包括：胶凝材料成分、骨料成分、骨料表面粗糙度以及施工工艺等多种因素的影响。研究表明尽管该区域的厚度仅100微米左右，但是其对于混凝土材料宏观性能的影响却非常显著，特别是力学性能和耐久性能。因此为方便研究，人们一般将界面过渡区单独作为一个材料相考虑，并假设该区域材料性质均匀且厚度处处相等。

由此，准确测量界面过渡区的各项属性参数，对深入研究混凝土材料性能有着重要作用，其中之一便是厚度测量。然而现有测量手段，仅是依靠各类显微镜技术去直接观察界面过渡区的形貌，进而通过观测孔隙率变化情况来判断该区域的厚度。但实际上，界面过渡区与胶凝材料的浆相较难以通过目视观察法来精确区别，并且用于观察的试件本身和切割工艺都会引起很大的随机性，这些都直接影响测量结果。因此需要探索出一种全新的混凝土内界面过渡区厚度测量方法，以提升测量的准确性。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种混凝土内界面过渡区厚度的测量方法，用以解决现有目视显微观测法精确度不足的问题。

本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。

一种混凝土内界面过渡区厚度测量方法，包括如下步骤：

获取变形图像：在混凝土试块表面选取观测区，其中界面过渡区包含在观测区内，挤压试块并在挤压过程中拍摄观测区照片；

图像处理分析：处理分析所获取的照片图像，得到图像中各区域的位移变形情况，同时测定像素与实际长度的对应关系；

厚度测算：沿界面过渡区厚度方向提取位移量数据，根据位移量变化情况判定边界点位置，并结合像素与实际长度的对应关系，换算出实际的界面过渡区厚度。

进一步地，所述获取变形图像步骤中，沿垂直于界面过渡区方向挤压混凝土试块。

进一步地，所述获取变形图像步骤中，加载速率为0.05mm/min，荷载范围为0～1000N。

进一步地，所述获取变形图像步骤中，拍摄照片的设备为CCD相机，其中分辨率为1600*1200像素、放大倍数为200倍，每隔500N拍摄一张照片。

进一步地，所述图像处理分析步骤中，利用数字图像软件Vic-2D处理分析照片图像，计算得到厚度方向上的位移场云图；其中计算时子区和步长分别设定为29像素和7像素。

进一步地，所述厚度测算步骤中，根据提取的位移量数据，绘制位移量沿厚度方向的曲线图，判定曲线斜率的转折点为界面过渡区的边界点。

进一步地，所述厚度测算步骤中，在位移场云图内选取10条采样区，分别提取每条采样区内的位移量数据，计算出相应的10个界面过渡区厚度，最后求取平均值得到最终的界面过渡区厚度。

进一步地，所述厚度测算步骤中，在求取10个界面过渡区厚度平均值之前，剔除中数值偏差大于25％的数据。

进一步地，所述获取变形图像之前还包括制备试块步骤：在作为骨料颗粒的25mm厚板材上，浇筑水泥浆体，养护后打磨至上下表面平行，且打磨后水泥厚度剩余25mm，最后切割成20*20*50mm³的立方体混凝土试块。

进一步地，所述制备试块步骤中，在切割出立方体试块后，用180目砂纸打磨试块上所要选取的观测区，打磨后放入超声波清洗机中清洗5min，清洗完毕后采用混有碳粉的无水乙醇涂抹法，在所要选取的观测区上制作散斑。

本发明的有益效果为：

(1)本发明基于力学原理，根据混凝土中骨料颗粒、界面过渡区和胶凝材料三者之间的力学性能差异，并利用现有图像处理技术分析三者之间在厚度方向上位移变形量的区别，从而准确区分出上述三种材料之间的边界，最终获得界面过渡区厚度的精确结果。相比于现有单一图像观察法，极大的提高了测量精度。

(2)本发明界面过渡区厚度测量方法步骤简洁明了，具有极高的可操作性。

(3)本发明界面过渡区厚度测量方法中进一步给出了试块加压和图像摄制及处理的参数，具体为加载速率0.05mm/min、荷载0～1000N、每500N拍摄一张、分辨率1600*1200像素、放大倍数200倍、子区为29像素、步长为7像素；以上参数经具体实施例验证，在保证厚度测量结果具有较高精度的同时，还拥有较快的处理效率。

(4)本发明界面过渡区厚度测量方法中进一步给出了一种标准化的试块制作方法，以统一试块制作，解决因试块制作工艺不同而引入的随机性问题，从而提升测量出的界面过渡区厚度大小对于研究混凝土性能影响情况的准确性。同时制作的人工散斑，进一步帮助后续图像处理过程中准确快速地区分图像内的各个区域点位，提升图像处理分析的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例的试块结构图；

图2为本发明实施例的位移场云图；

图3为本发明实施例的位移变形量曲线图。

附图标记：

11-骨料颗粒区；12-界面过渡区；13-胶凝材料区；2-观测区。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所示实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相通或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

原理依据：

本发明混凝土内界面过渡区厚度测量方法基于力学原理：混凝土是由骨料颗粒、胶凝材料以及界面过渡区这三种材料组成的复合材料，上述三种材料力学性能存在差异；因此当混凝土受到外荷载作用时，构成混凝土的三种材料各自产生的位移形变量不等；鉴于上述特性，本发明通过观测受压变形情况区分三种材料的边界，进而得出界面过渡区的厚度。

测量方法：

(1)获取混凝土受压变形图像：给待测量的混凝土试块施加轴向压荷载，其中压荷载的方向垂直于混凝土试块内的界面过渡区；在受压变形的过程中拍摄观测区的照片，所述观测区是人为在试块表面选定的用于观察并测量厚度的区域，观测区需同时包含骨料颗粒、界面过渡区和胶凝材料三部分，最佳情况是界面过渡区位于观测区的正中间位置；拍摄的照片除受压初始时刻以及受压终止时刻的两张外，还可以包含多张加载过程中间时刻的照片，其中照片的放大倍数和分辨率越高，最终的测量精度就越高。

(2)图像处理分析：利用图像处理技术分析上述获取的照片，得到图像中各个区域的位移变形情况。其中位移变形情况是通过比对同一位置在受压初始和受压终止两个时刻的图像得到，多张中间时刻的照片可用于帮助相关图像处理分析软件更加准确的锁定出初始和终止两时刻图像中的同一位置。利用图像处理技术得出前后图像之间的位移变形情况属于现有技术手段，其中图像处理技术中的计量单位是像素，故还需测定出所获取的图像中像素与实际长度之间的对应关系。

(3)厚度测算：沿垂直于界面过渡区的方向(即厚度方向)，提取上述图像处理得到的位移量数据，以此绘制出位移变形量沿厚度方向的曲线图，曲线图中两个斜率转折点即为界面过渡区的边界点，即根据位移量的变化情况判定出边界点位置，通过两边界点对应的像素坐标，并结合像素与实际长度的对应关系，换算出实际的界面过渡区的厚度。

实施例：

步骤(1)制备试块

本实施例选用质地坚硬的花岗岩板材作为试件基体，以此模拟混凝土材料中的骨料颗粒，所述板材上下表面平行，板厚25mm，板面尺寸为400*200mm²，板材表面保持原始切割面用以模拟天然石材的表面粗糙度；选用基准水泥作为胶凝材料，水胶比0.4，配合木质模板，在花岗岩板材上浇筑厚度≥25mm的水泥浆体(出于后续打磨水泥浆体考虑，故在浇筑时保证浇筑厚度略大于25mm，以保证打磨后仍剩余有25mm的厚度)；浇筑完24h后拆去木质模板，并进行标准养护；养护28天后，对试件的水泥浆体表面进行打磨，从而使得试件上下表面平行；最后将试件切割成如图1所示的立方体试块，由下至上依次为骨料颗粒区11、界面过渡区12和胶凝材料区13，试块底面长a和宽b都是20mm，骨料颗粒区11厚度c1和胶凝材料区厚度c2均为25mm，即立方体试块的尺寸为20*20*50mm³。需注意上述尺寸均为宏观层面下的测量尺寸，宏观状态下界面过渡区可视为一条直线，其厚度忽略不计。

在上述切割得到的试块上选取一个观测区2，用180目砂纸对观测区2进行打磨，之后放入超声波清洗机中清洗5min，清洗完成后在试块表面的观测区2制作散斑；制作散斑的具体方法为：将碳粉与无水乙醇混合，搅拌均匀后涂抹在观测区2，待乙醇挥发后，便在观测区形成均匀的人工散斑。

上述步骤(1)仅仅只是用于给出了一种标准化的试块制作方法，以统一试块制作，解决因试块制作工艺不同而引入的随机性问题，从而提升测量出的界面过渡区厚度大小对于研究混凝土性能影响情况的准确性；故上述步骤(1)及其具体内容并非对于本发明测量方法的限定，本领域技术人员还可以利用本发明的测量方法测量其他方式制备的混凝土试块。此外在观测区2制作散斑，作用相当于在白纸表面涂上花纹标记，从而帮助后续图像处理过程更好的区分图像内的各个区域点位，提升图像处理分析的准确性。

步骤(2)获取变形图像

将制备好的试块置于微型加载试验机中进行轴向加压，加载速率为0.05mm/min，荷载范围为0～1000N，所述微型加载试验机的抗压盘带自动调平功能，从而保证轴向压力始终处于垂直于界面过渡区。在加载过程中，采用CCD相机获取试块图像，其中镜头聚焦位置处于试块侧面的观测区2，所用CCD相机的分辨率为1600*1200像素，放大倍数取200倍。从加载开始至结束，每500N拍摄一张照片，即总共获取荷载为0、500N和1000N三个时刻的照片。

步骤(3)图像处理分析

利用数字图像软件Vic-2D处理分析步骤(2)中获取到的照片图像，计算图像中ROI内y向位移场。计算y向位移场也即上述“测量方法”中所述的分析图像中各个区域的位移变形情况；其中定义ROI大小为1.4*0.88mm²，子区和步长分别设定为29像素和7像素，并测定出图像中一个像素对应的实际长度为2.165μm；ROI区域位置选在照片图像的中部，ROI的x轴与界面过渡区平行、y轴与界面过渡区垂直，即y轴方向为界面过渡区的厚度方向。

上述“ROI”、“子区”和“步长”是图像处理中的术语，ROI(region of interests)，即感兴趣区域，机器视觉图像处理中，从被处理的图像以方框、圆等方式勾勒出需处理的区域，ROI的区域大小可根据具体所获取的照片图像范围而定。子区用于追踪图像分析区域之间的位移变化，子区的范围需要足够大，以确保子区内的散斑能够在不同图像之间被识别；步长的大小控制分析计算中像素点之间的距离，例如步长为1，则对分析区域中每一个像素点进行计算，步长为2，则对分析区域中在横向与纵向每间隔一个像素点进行计算，因此计算时间与步长的平方成反比。综上，子区和步长的数值越小，则图像处理的精度越高，即最终的厚度测量精度越高，但是子区必须得大于一定尺寸，以满足图像识别的要求，步长也不能无限小而导致处理时间过长；因此本实施例中设定的子区为29像素、步长为7像素，能够在保证足够精度的前提下，有着较高的处理效率。

最终通过软件处理得到如图2所示的位移场云图，图中虚线框区域即为ROI，图像软件导出的原始位移场云图采用彩色色块表征ROI内各个区域点的y向位移变形情况，并且通过软件可精确读取出图中任意坐标点的y向位移变形量数值，本实施例中附图2是经过去色处理后的灰度图，仅用于辅助说明本实施例。

另需注意图2是在1000N荷载时刻的图像基础上给出相对于0荷载时各区域位移场之间的变化情况，理论上界面过渡区的边界点坐标在不同荷载的图像中存在差异，从而导致不同荷载图像中测得的厚度存在差异，例如0荷载时界面过渡区的一个边界点A坐标为(100，100)，相对的另一个边界点B坐标(100,200)，从而算得界面过渡区的厚度为100，而在1000N荷载时，边界点A坐标变为(100,80)，边界点B坐标变为(100,179)，从而厚度变为99。但是由图2可知，整个位移场云图中y向位移量最大(23.815像素)与最小(23.005像素)之差仅为0.8像素，故即使假设界面过渡区两侧边界位移量相差0.8像素，带入2.165μm/像素，得到1000N荷载相比0荷载时的厚度理论最大偏差也仅为1.6μm。对此(1)不需要更高测量精度的情况下，此偏差可以忽略不计；(2)可以通过带入偏差换算出0荷载时的准确厚度；(3)测量界面过渡区厚度实际是用于研究厚度对混凝土宏观性能的影响，此类研究并不要求必须测量某一特定荷载下的厚度，也即本领域技术人员可以直接采用1000N荷载时的厚度值作为研究依据；(4)本领域技术人员还可以采用以其他荷载时刻的图像为基础得到的位移场云图，包括以0荷载时图像为基础，反向与1000N荷载时图像比对得到位移场云图，从而直接测得包括0荷载在内的相应荷载下的界面过渡区厚度。

步骤(4)厚度测算

如图2所示，在位移场云图中选取10条y向的采样区，相邻采样区之间间隔100μm。分别提取10条采样区内y向的位移量数据，并相应绘制出10张位移变形量曲线图。另需注意，每条采样区x方向的宽度理论可设为1像素；但为提高所提取数据的可靠度，Vic-2D软件默认取宽度为7个像素点上的均值作为结果，本实施例中进一步将宽度放大4倍，即设定每条采样区的宽度为28像素。

如图3所示为其中一张位移变形量曲线图，图中横坐标为y向位置、纵坐标为位移变形量，单位都是像素(Pixel)；由图示得出，骨料颗粒区和胶凝材料区两者各自区域内的位移量波动较小，线性拟合的曲线斜率均为0；位于中间的界面过渡区内的位移量与y向位置呈线性变化关系，线性拟合结果斜率为0.01596，且相关性为0.9931，此斜线段的端点A和端点B的y向的坐标分别为430.512像素和467.189像素，通过带入2.165μm/像素，计算得到界面过渡区的实际厚度为79.406μm。

按上述测算方法分别求得10条采样区内界面过渡区的厚度，结果如表1所示。剔除厚度数值偏差大于25％的数据后求取平均值，得到最终的界面过渡区厚度测量值为71.789μm。

表1：界面过渡区端点坐标及其测算厚度

本发明基于混凝土内各相材料力学性能的差异，运用力学测量技术对混凝土内界面过渡区的厚度进行了测量；此方法能够避免现有单一图像观察法中存在的不足，极大的提高了测量精度，并且本方法实施步骤简洁明了，具有极高的可操作性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变形均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种混凝土内界面过渡区厚度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取变形图像：在混凝土试块表面选取观测区，其中界面过渡区包含在观测区内，对试块加压并在加压过程中拍摄观测区照片；

图像处理分析：处理分析所获取的观测区照片图像，得到图像中各区域的位移变形情况，同时测定图像像素与实际长度的对应关系；

厚度测算：沿界面过渡区厚度方向提取位移量数据，根据位移量变化情况判定边界点位置，并结合像素与实际长度的对应关系，换算出实际的界面过渡区厚度。

2.根据权利要求1所述的混凝土内界面过渡区厚度测量方法，其特征在于：所述获取变形图像步骤中，沿垂直于界面过渡区方向对混凝土试块加压。

3.根据权利要求2所述的混凝土内界面过渡区厚度测量方法，其特征在于：所述获取变形图像步骤中，加载速率为0.05mm/min，荷载范围为0～1000N。

4.根据权利要求3所述的混凝土内界面过渡区厚度测量方法，其特征在于：所述获取变形图像步骤中，拍摄照片的设备为CCD相机，其中分辨率为1600*1200像素、放大倍数为200倍，每隔500N拍摄一张照片。

5.根据权利要求4所述的混凝土内界面过渡区厚度测量方法，其特征在于：所述图像处理分析步骤中，利用数字图像软件Vic-2D处理分析观测区照片图像，计算得到厚度方向上的位移场云图；其中数字图像软件Vic-2D的子区和步长分别设定为29像素和7像素。

6.根据权利要求5所述的混凝土内界面过渡区厚度测量方法，其特征在于：所述厚度测算步骤中，根据提取的位移量数据，绘制位移量沿厚度方向的曲线图，判定曲线斜率的转折点为界面过渡区的边界点。

7.根据权利要求5所述的混凝土内界面过渡区厚度测量方法，其特征在于：所述厚度测算步骤中，在位移场云图内选取10条采样区，其中每条采样区宽度为28像素，相连采样区之间间距100μm；分别提取每条采样区内的位移量数据，计算出相应的10个界面过渡区厚度，最后求取平均值，得到最终的界面过渡区厚度。

8.根据权利要求7所述的混凝土内界面过渡区厚度测量方法，其特征在于：所述厚度测算步骤中，在求取10个界面过渡区厚度平均值之前，剔除其中数值偏差大于25％的数据。

9.根据权利要求1所述的混凝土内界面过渡区厚度测量方法，其特征在于：所述获取变形图像之前，还包括制备试块步骤：在作为骨料颗粒、厚度为25mm的板材上，浇筑水泥浆体，养护后打磨至上下表面平行，且打磨后水泥厚度剩余25mm，最后切割成20*20*50mm³的立方体混凝土试块。

10.根据权利要求9所述的混凝土内界面过渡区厚度测量方法，其特征在于：所述制备试块步骤中，在切割出立方体试块后，用180目砂纸打磨试块上所要选取的观测区，打磨后放入超声波清洗机中清洗5min，清洗完毕后采用混有碳粉的无水乙醇涂抹法，在所要选取的观测区上制作散斑。

Images