CN113640324B - 一种结合断层扫描成像与增强造影的局部孔隙率表征方法 - Google Patents

一种结合断层扫描成像与增强造影的局部孔隙率表征方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于建筑材料性能表征领域，具体涉及一种结合断层扫描成像与增强造影的局部孔隙率表征方法。首先选取样品，将其浸入酒精溶液；采用抽真空与磁力搅拌相结合的方法，加速样品内部饱和酒精的进程。在样品完全饱和后，采用断层扫描成像仪对其进行第一次扫描；随后，将样品浸入造影剂酒精溶液，再次结合抽真空与磁力搅拌方法，并在样品完全饱和后，进行第二次扫描。利用图像配准方法，匹配两次扫描结果，再结合酒精及造影剂酒精溶液的局部线吸收系数，即可得出岩石或混凝土的局部孔隙率空间分布。本发明结果精准可靠，为表征岩石或混凝土局部孔隙率提供有利证据。

Description

一种结合断层扫描成像与增强造影的局部孔隙率表征方法
技术领域
本发明属于建筑材料性能表征领域，具体涉及一种结合断层扫描成像与增强造影的局部孔隙率表征方法。
背景技术
目前，混凝土与石材，仍在世界范围内被广泛应用于建筑制造。作为典型的多孔材料，混凝土及岩石内部的孔隙，可对材料自身的强度及耐久性带来显著影响。以混凝土为例，其内部毛细孔隙，可显著影响混凝土的强度；而其内部的凝胶孔隙，又关联混凝土的徐变性能。此外，孔隙还可作为水分及有害物质(氯离子、硫酸根离子、二氧化碳等)传输的快速通道，因而可加快混凝土或岩石的劣化进程。由于混凝土及岩石的孔隙直接影响其力学性能与耐久性能，表征混凝土及岩石的内部孔隙极为重要。
孔隙信息主要包含孔隙率、孔径分布以及孔形貌。这其中，孔隙率，即内部孔隙体积所占试样总体积的比例，是孔隙信息的重要组成部分。目前，测量混凝土或岩石孔隙率的方法包括真空饱水法、压汞法、X射线断层扫描成像法、线吸收系数衰减法。
其中，真空饱水法测定孔隙率的基本操作为：先称取干燥试样的质量，再对试样进行饱水，分别在空气中与水中称取饱水样品的质量，利用样品在三种状态下的质量，可计算得出样品的内部孔隙率。此方法简单易行，但只可测得整个试样的平均孔隙率，因而无法表征样品局部的孔隙率。
压汞法的基本操作为：取干燥混凝土样品，通过外部压力将液态汞填入样品孔隙，结合进汞量与外部压力的对应关系，测得样品内部不同尺度孔所占的体积分数。压汞法需对试样进行加压，这可能会破坏样品的内部孔结构。同时，作为一种不浸润介质，汞难以进入混凝土内部的凝胶孔，因此，压汞法得出的孔隙率低于混凝土的实际孔隙率。
X射线断层扫描成像技术属于无损测试技术范畴，不需要对样品进行预处理，因而可最大程度保留样品的原始微结构。然而，该方法的空间分辨率较低(常见的断层扫描成像仪分辨率仅为数十微米)，因而该孔隙率测试方法无法覆盖大部分毛细孔及凝胶孔。
线吸收系数衰减法利用试样在饱水与干燥状态下的灰度值差别，计算得出样品的局部孔隙率。该方法采用水作为浸入介质，因而孔隙率测试结果覆盖凝胶孔隙。但是，该方法需要对样品进行干燥处理，此过程可能会对样品微观结构带来损伤；此外，在样品饱水过程中，水分可能改变样品的水化程度，并引起样品溶蚀，这都会引起样品微观结构变化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结合断层扫描成像与增强造影的局部孔隙率表征方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种结合断层扫描成像与增强造影的局部孔隙率表征方法，包括如下步骤：
步骤(1)：加工待测试样；
步骤(2)：在低于5℃环境下，将试样与磁力搅拌棒置于容器底部，并用酒精溶液浸没试样，真空泵连接容器，容器密封并在磁力搅拌装置的辅助下，对容器抽真空直至样品质量不再发生变化，取此时试样进行第一次扫描，获得试样的三维线吸收系数重构结果；任一位置的线吸收系数为该处基体部分线吸收系数与酒精部分线吸收系数的加和平均，如公式(1.1)所示；
μbefore＝μmat·wmat+μalcohol·wpore (1.1)
其中，μbefore为造影前试样的线吸收系数；μmat，μalcohol分别为试样基体与酒精的线吸收系数；wmat，wpore分别为基体与孔的体积分数；
步骤(3)：将步骤(2)扫描完的试样再次置入容器，在低于5℃环境下，将试样与磁力搅拌棒置于容器底部，并用造影剂酒精溶液浸没试样；容器密封并在辅助磁力搅拌的基础上，抽真空至样品质量不再发生变化，取此时试样，在相同测试参数下进行第二次扫描，获得试样的三维线吸收系数重构结果；此时，任一位置的线吸收系数为该处基体部分线吸收系数与造影剂酒精溶液部分线吸收系数的加和平均，如公式(1.2)所示；
μafter＝μmat·wmat+μstaining·wpore (1.2)
其中，μafter为造影后试样的线吸收系数；μstaining为造影剂酒精溶液的线吸收系数；
步骤(4)：采用图像配准技术，空间配准造影前后的扫描结果；
步骤(5)：采用相同测试参数，分别测试酒精溶液与造影剂酒精溶液的线吸收系数；结合空间配准后的造影前后线吸收系数空间分布结果，可计算得出样品的局部孔隙率，如公式1.3所示；
Figure BDA0003196199950000031
其中，Φ为样品的局部孔隙率；
在断层扫描成像仪器中，以灰度值形式呈现局部的线吸收系数，而在固定的测试参数下，局部灰度值视为局部线吸收系数的线性映射，因此，公式1.3可转为公式1.4，
Figure BDA0003196199950000032
其中，Gbefore，Gafter分别为造影前与造影后扫描区域的灰度值；Gstaining为造影剂酒精溶液的灰度值，；Galcochol为酒精溶液的灰度值。
进一步的，所述待测试样为岩石或混凝土。
进一步的，断层扫描成像仪器的射线源为X射线、伽马射线或中子射线。
进一步的，造影剂为包含重金属元素、能大幅度提升岩石或混凝土试样局部线吸收系数的试剂。
进一步的，所述造影剂为碘化钾。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
与传统断层扫描成像法相比，本发明方法借助造影剂提高试样高衬度的特性，通过造影前后试样灰度值的差异表征三维孔隙率，可以克服传统方法单次扫描后引起的分辨率不足；
与传统线吸收系数衰减法相比，本方法在造影前后皆对试样进行饱酒精处理，避免传统方法的干燥步骤，不需要对样品进行额外干燥，因而可最大程度保护样品的微观结构；
本方法采用酒精作为浸入介质，从而避免了水分对样品水化程度及溶蚀程度的影响；
本方法大幅度提升了混凝土或岩石局部孔隙率测量结果的准确性；
本发明为表征局部孔隙率空间分布提供了一种新思路，对传统的断层扫描成像方法的不足之处进行了完善与改进。
附图说明
图1为本发明造影前试样的扫描结果。
图2为本发明造影后试样的扫描结果。
图3为本发明样品配准后的扫描结果。
图4为本发明三维孔隙率空间分布。
图5为本发明二维孔隙率空间分布。
图6为本发明一维孔隙率分布。
具体实施方式
本发明公开一种结合断层扫描与增强造影的局部孔隙率表征方法，具体为：首先选取适宜断层扫描仪分析尺寸的岩石或制备混凝土样品，将其浸入酒精溶液。采用抽真空与磁力搅拌相结合的方法，加速样品内部饱和酒精的进程。在样品完全饱和后，采用断层扫描成像仪对其进行第一次扫描；随后，将样品浸入造影剂酒精溶液，再次结合抽真空与磁力搅拌方法，加速样品饱和进程，并在样品完全饱和后，进行第二次扫描。利用图像配准方法，匹配两次扫描结果，再结合酒精及造影剂酒精溶液的线吸收系数，即可得出岩石或混凝土的局部孔隙率空间分布。本发明结果精准可靠，为表征岩石或混凝土局部孔隙率提供有利证据。
本发明包含以下步骤：
步骤1首先采用水泥、砂石、水等制备砂浆。其中，水泥为小野田水泥厂生产的P·II 42.5水泥，砂为机制细砂，最大直径约为1.2mm，水灰比为0.45。试样尺寸为40×40×160mm3。成型后，用塑料薄膜覆盖24h，再将试样置于标准养护条件下养护28天。为加快样品饱和进程，使用水切割法将试样分割成厚度约5毫米的薄片。
步骤2在低于5℃环境下，将步骤1试样与磁力搅拌棒置于干燥皿底部，并用酒精溶液浸没试样。采用真空泵连接干燥皿，在辅助磁力搅拌的基础上，抽真空至样品质量不再发生变化(14天以上)。饱和完成后，对试样进行第一次扫描，本试验使用断层扫描成像设备为德国YXLON Precision Scanner。X射线束能量和电流分别为195KeV和0.34mA，并采用铝铜双层板作为射线过滤器。设备的有效分辨率为20μm。每个扫描投影时间为2s。扫描结果的典型切片如图1所示。其中，每个像素点的灰度值均为其对应位置线吸收系数的映射，该线吸收系数可视为试样局部的基体线吸收系数与酒精线吸收系数的加和平均，如公式(1.1)所示。
μbefore＝μmat·wmat+μalcohol·wpore (1.1)
其中，μbefore为造影前试样的局部线吸收系数；μmat，μalcohol分别为砂浆基体与水的线吸收系数；wmat，wpore分别为试样基体与孔的体积分数。
步骤3将扫描完的试样再次置入干燥皿，在低于5℃环境下，将试样与磁力搅拌棒置于干燥皿底部，并用酒精溶液浸没试样。采用真空泵连接干燥皿，在辅助磁力搅拌的基础上，抽真空至样品质量不再发生变化(14天以上)。取此时试样，在相同测试参数下进行第二次扫描，获得试样的三维线吸收系数重构结果。鉴于碘化钾极易见光分解，需保证步骤3在深色容器中展开。
步骤4待试样质量不再发生变化，将其取出并对其进行第二次X射线断层扫描成像，扫描后的典型切片结果如图2所示，扫描结果为造影后试样的线吸收系数，即基体的线吸收系数与造影剂酒精溶液线吸收系数的加和平均，如公式(1.2)所示。
μafter＝μmat·wmat+μstaining·wpore (1.2)
其中，μafter为造影后试样的局部线吸收系数；μstaining为造影剂酒精溶液的线吸收系数。
步骤5为了使造影前后的两组结果在空间位置上完全统一，我们采用图像配准技术对两组结果进行空间匹配。配准后的典型切片结果如图3所示。
步骤6结合造影前试样的局部线吸收系数(公式1.1)与造影后试样的局部线吸收系数(公式1.2)，即可根据公式1.3得到样品的局部孔隙率。
Figure BDA0003196199950000051
为了实现结果的可视化，三维线吸收分数的分布，被映射成三维灰度值的分布。如果在两次扫描时，控制测试参数固定不变，试样的线吸收系数即可正比于对应重构区域的灰度值。则公式1.3可进一步转化为公式1.4，至此，即可得出试样的三维孔隙率分布、二维孔隙率分布与一维孔隙率分布，分别如图4、图5与图6所示。
Figure BDA0003196199950000052
其中，Gbefore，Gafter分别为造影前与造影后扫描区域的灰度值；Gstaining为造影剂酒精溶液的灰度值；Galcochol为酒精溶液的灰度值。

Claims (5)

1.一种结合断层扫描成像与增强造影的局部孔隙率表征方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：加工混凝土或岩石待测试样；
步骤(2)：在低于5℃环境下，将试样与磁力搅拌棒置于容器底部，并用酒精溶液浸没试样，真空泵连接容器，容器密封并在磁力搅拌装置的辅助下，对容器抽真空直至样品质量不再发生变化，采用断层扫描仪对此时试样进行第一次扫描，获得试样的三维线吸收系数重构结果；任一位置的线吸收系数为该处基体部分线吸收系数与酒精部分线吸收系数的加和平均，如公式(1.1)所示；
μbefore＝μmat·wmat+μalcohol·wpore (1.1)
其中，μbefore为造影前试样的线吸收系数；μmat，μalcohol分别为试样基体与酒精的线吸收系数；wmat，wpore分别为基体与孔的体积分数；
步骤(3)：将步骤(2)扫描完的试样再次置入容器，在低于5℃环境下，将试样与磁力搅拌棒置于容器底部，并用造影剂酒精溶液浸没试样；容器密封并在辅助磁力搅拌的基础上，抽真空至样品质量不再发生变化，取此时试样，在相同测试参数下进行第二次扫描，获得试样的三维线吸收系数重构结果；此时，任一位置的线吸收系数为该处基体部分线吸收系数与造影剂酒精溶液部分线吸收系数的加和平均，如公式(1.2)所示；
μafter＝μmat·wmat+μstaining·wpore (1.2)
其中，μafter为造影后试样的线吸收系数；μstaining为造影剂酒精溶液的线吸收系数；
步骤(4)：采用图像配准技术，空间配准造影前后的扫描结果；
步骤(5)：采用相同测试参数，分别测试酒精溶液与造影剂酒精溶液的线吸收系数；结合空间配准后的造影前后线吸收系数空间分布结果，可计算得出样品的局部孔隙率，如公式1.3所示；
Figure FDA0003836900400000011
其中，Φ为样品的局部孔隙率；
在断层扫描成像仪器中，以灰度值形式呈现局部的线吸收系数，而在固定的测试参数下，局部灰度值视为局部线吸收系数的线性映射，因此，公式1.3可转为公式1.4，
Figure FDA0003836900400000021
其中，Gbefore，Gafter分别为造影前与造影后扫描区域的灰度值；Gstaining为造影剂酒精溶液的灰度值，；Galcochol为酒精溶液的灰度值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测试样为岩石或混凝土。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，断层扫描成像仪器的射线源为X射线、伽马射线或中子射线。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，造影剂为包含重金属元素、能大幅度提升岩石或混凝土试样局部线吸收系数的试剂。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述造影剂为碘化钾。
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