CN114092661A - 一种基于ct成像技术的混凝土材料内部损伤三维重建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及土木工程健康监测技术领域，具体涉及一种基于CT成像技术的混凝土材料内部损伤三维重建方法，包括如下步骤：步骤一、依据规范标准制作混凝土立方体试块；步骤二、对步骤一所制作的混凝土立方体试块进行不同程度的单轴压缩试验，分别得到处于弹性、塑性、破坏三个阶段的混凝土试块；步骤三、对经过步骤二处理的混凝土试块进行X射线CT扫描，得到相应试块的断面序列灰度图像；步骤四、对步骤三所得到的灰度图像进行图像预处理，利用预处理后的断面二值图像实现混凝土试块内部损伤的三维重建；本发明具有以下有益效果：利用CT成像技术高效准确的实现了混凝土材料内部损伤的三维重建，为混凝土材料结构的三维精细化无损检测提供了新方法。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程健康监测技术领域，具体涉及一种基于CT成像技术的混凝土材料内部损伤三维重建方法。
背景技术
混凝土材料由水泥胶结砂、石子等集料，与水按一定比例配合经过充分搅拌得到，是一种内部具有初始孔隙缺陷的多相复合不均匀材料体，在土木工程领域中被广泛应用。在外荷载作用下，混凝土材料内部水泥砂浆与骨料胶结面会发生剥离导致损伤，混凝土材料从损伤萌生、扩展到贯通的演化过程即为结构构件不断损伤直至破坏的过程。当损伤累积至一定程度时，会造成结构构件失效，甚至会导致结构的整体失效。
随着土木工程领域的迅速发展，深入研究混凝土破坏机理以及其损伤演化规律已成为亟待解决的问题之一。因此，实现高效准确的混凝土材料内部损伤的三维重建方法至关重要。
发明内容
本发明的目的是为解决混凝土材料损伤评定依赖人工或仪器设备，存在效率低、自动化程度低等问题，同时实现混凝土材料内部损伤的精细化三维重构，而提出了一种基于CT成像技术的混凝土材料内部损伤三维重建方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于CT成像技术的混凝土材料内部损伤三维重建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、依据规范标准制作混凝土立方体试块；
步骤二、对步骤一所制作的混凝土立方体试块进行不同程度的单轴压缩试验，分别得到处于弹性、塑性、破坏三个阶段的混凝土试块；
步骤三、对经过步骤二处理的混凝土试块进行X射线CT扫描，得到相应试块的断面序列灰度图像；
步骤四、对步骤三所得到的灰度图像进行图像预处理，利用预处理后的断面二值图像实现混凝土试块内部损伤的三维重建。
优选的，步骤一具体包括如下步骤：
步骤1-1、前期设置正交实验，得到耐水性、力学性能以及耐久性最优的配合比，依照配合比拌制混凝土并测量拌合物的坍落度；
步骤1-2、选用100mm×100mm×100mm的涂油三联模具，装入拌合物后置于振实台进行振实，直至表面没有气泡并且泛浆置于养护温度为20±1℃，相对湿度99％的恒温恒湿养护箱中，养护时间28d。
优选的，步骤二具体包括如下步骤：
步骤2-1、实验采用压力试验机符合《液压式万能试验机》(GB/T3159-2008)以及《试验机通用技术要求》(GB/T2611-2007)，测量精度为±1％，满足试块的破坏荷载介于压力机量程的20％～80％；
步骤2-2、选取适宜的加荷速度，对试块进行单轴压缩试验，根据试验所得应力应变曲线判断试块所处力学状态。
优选的，步骤三具体包括如下步骤：
步骤3-1、X射线CT扫描设备采用第四代(G4)plus医用螺旋X射线CT扫描仪,该设备的扫描系统由转动射线源和环形检测器组成，扫描分辨率为0.1mm×0.1mm×0.1mm，密度分辨率为水吸收系数的3‰；
步骤3-2、开启设备后调整X射线转动射线管的电压值和电流值、环形检测器的像素值以及曝光时间等测试参数。测试参数稳定后分别对各组试块进行粗扫描，根据粗扫描结果调整试块，确定试块位置后对试块进行精细扫描，获取的试块断面序列图像分辨率优于0.1mm，可清晰观察到混凝土试块内部损伤。
优选的，步骤四具体包括如下步骤：
步骤4-1、对灰度图像进行预处理，预处理包括：降噪、祛圆环伪影、线灰度分析、全局阈值分割、形态学处理，进而获得表征试块断面损伤状态的二值图；
步骤4-2、读入二值图，建立图像堆栈，绘制损伤等值面，得到混凝土内部损伤的三维重建结果。
本发明具有以下有益效果：利用CT成像技术高效准确的实现了混凝土材料内部损伤的三维重建，为混凝土材料结构的三维精细化无损检测提供了新方法；本发明得到的三维重建结果可为探索混凝土破坏机理研究提供准确获得内部损伤的三维尺寸及空间分布等信息。
附图说明
图1为本发明基于CT成像技术的混凝土材料内部损伤三维重建方法流程图；
图2为本发明中步骤一所制作的三类混凝土立方体试块；
图3为本发明中步骤二所得处于不同力学状态的试块及其应力应变曲线；
图4(a)、图4(b)分别为本发明中X射线CT设备组成示意图以及扫描系统工作原理图；
图5为本发明中步骤三所得到的单张断层扫描序列图像；
图6为本发明中试块断面灰度图像以及步骤四中图像预处理后其对应的二值图；
图7(a)、图7(b)、图7(c)分别为本发明中三维重建后处于弹性、塑性以及破坏阶段的混凝土试块内部损伤图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种基于CT成像技术的混凝土材料内部损伤三维重建方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一、参照标准GB175-2007《通用硅酸盐水泥》、GB/T14684-2011《建设用砂》、JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》、GBT1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》、GB50119-2013《混凝土外加剂应用技术规范》以及JGJ63-2006《混凝土用水标准》制作混凝土立方体试块，如图2所示。
通过前期设置正交实验，可得到耐水性、力学性能以及耐久性最优的配合比，依照配合比拌制混凝土并测量拌合物的坍落度。
可选用100mm×100mm×100mm的涂油三联模具，装入拌合物后置于振实台进行振实，直至表面没有气泡并且泛浆置于养护温度为20±1℃，相对湿度99％的恒温恒湿养护箱中，养护时间28d。
步骤二、对步骤一所作的三组混凝土立方体试块进行不同程度的单轴压缩试验。
试验过程中加载连续且均匀，混凝土强度等级<C30时，加荷速度取0.3～0.5MPa/s，混凝土强度等级≥C30且<C60时，加荷速度取0.5～0.8MPa/s，混凝土强度等级大≥C60时，加荷速度取0.8～1.0MPa/s。
混凝土抗压强度计算公式：
式中：fcu为混凝土立方体试块抗压强度；F为试件破坏时的荷载；A为试件承压面积；α为尺寸换算系数，对于100mm×100mm×100mm的试块取0.95。
如图3所示为试验得到处于不同力学状态的三类试块。
步骤三、对经过步骤二处理的混凝土试块进行X射线CT扫描，得到混凝土试块的断面序列灰度图像。
X射线CT扫描设备采用第四代(G4)plus医用螺旋X射线CT扫描仪,该设备的扫描系统由转动射线源和环形检测器组成，扫描分辨率为0.1mm×0.1mm×0.1mm，密度分辨率为水吸收系数的3‰。CT设备的组成示意图及扫描系统的工作原理图分别如图4(a)和图4(b)所示。
开启X射线CT扫描设备后调整X射线转动射线管的电压值和电流值、环形检测器的像素值以及曝光时间等测试参数。测试参数稳定后分别对各组试块进行粗扫描，根据粗扫描结果调整试块，确定试块位置后对试块进行精细扫描。获取的试块断面序列图像分辨率优于0.1mm，可清晰观察到混凝土试块内部损伤，如图5所示。
步骤四、对步骤三所得到的灰度图像进行图像预处理，利用预处理后的断面二值图像实现混凝土试块内部损伤的三维重建。
对灰度图像进行的预处理，具体包括：降噪、祛圆环伪影、线灰度分析、全局阈值分割、形态学处理。
由于影像讯号受到干扰或者环形检测器上某些感应元失效抑或是饱和，某些试块断面灰度图像受到椒盐噪声的污染，为降低试块断面灰度图像的椒盐噪声，便于后续的分析和处理，采用中值滤波器对图像进行处理，同时为降低中值滤波带来的试块断面灰度图像中的边界模糊，将图像的对比度进行增强，对所有像素点灰度值进行1％的低高强度饱和。
图像中值滤波计算公式为：
式中，g(x,y)表示被污染图像，
表示经中值滤波降噪后图像。Sxy是中心为(x,y)的子图像(邻域)。
由于扫描设备X射线束硬化，球管位置安装偏差，检测器上的某些感应元可能发生故障等，使得CT图像中常伴有环状伪影，通过坐标变换将直角坐标系中的图像变为极坐标系下的图像，这样原图像中的环形伪影在极坐标系中就变成了直线伪影，然后用一维均值滤波器对极坐标中的直线伪影进行校正，试块断面灰度图像的降噪和环形伪影的校正通过MATLAB设计代码实现。
混凝土试块在外荷载作用下，其内部损伤在细观层面发生变化。CT扫描图像是根据检测物质密度的分布函数来进行投影，而混凝土试块主要由石子、硅酸盐水泥砂浆、孔洞和裂纹三部分密度不同的部分组成。直接表现为试块断面灰度值发生改变，因此可以根据试块断面灰度图像的线灰度分析来判断裂纹孔洞、水泥砂浆与粗骨料的灰度值范围。通过相应断面的线灰度分析，可估计孔洞和裂纹灰度值范围约为[0,27000]；水泥砂浆和粗骨料的灰度值范围约为(27000,65535]。
处于各阶段试块的断面灰度图像由暗色的目标像素(损伤)以及亮色的背景像素(硅酸盐水泥砂浆和粗骨料)组成，目标像素和背景像素分布非常不同，其中目标像素的灰度值和背景像素的灰度值组合成了两种主导模式，因此，从背景中提取目标的一种明显的方法是，针对整幅灰度图像选择一个分割这些模式的阈值T，即全局阈值，然后灰度图像中任意一点G(i,j)(i,j＝1,2,…,1000)满足G(i,j)≤T时，将该点确定为目标点，否则将该点确定为背景点。
阈值分割图像计算公式为：
为实现对不同断面灰度图像的精确分割，采用迭代全局阈值分割算法，具体方法为：第一步，为全局阈值T选择恰当的初值。(本发明选取最大与最小灰度值的均值，即
第二步，根据式(3)分割图像。这将产生两组像素：由灰度值小于等于T的所有像素组成的集合G1，由灰度值大于T的所有像素组成的集合G2；第三步，对G1中的像素计算其均值灰度g1；G2中的像素计算其均值灰度g2；第四步，计算新阈值
第五步，计算新旧阈值差的绝对值，即ΔT＝|T'-T|。若满足ΔT＜ε(ε为预定义的足够小的值，本发明取ε＝0.1，可根据所需阈值的精度自定义，ε越小时，迭代次数越多)，T'即为所求阈值，否则，令T＝T'，重复步骤2到步骤4，直到满足ΔT＜ε为止，该过程通过MATLAB设计代码实现。
取ε＝0.1时，经过多次迭代运算可得到在各阶段混凝土试块的16位断面灰度图像中分割阈值T＝27075，即孔洞和裂纹的灰度值范围为[0,27075]，水泥砂浆和粗骨料的灰度值范围约为(27075,65535]，与线灰度分析所估计的结果非常接近，相对误差为0.278％。
为消除试块断面二值图像中的噪点以及修复与连接损伤，对分割图进行形态学运算处理，对不同阶段试块的断面二值图选用不同的结构元以及进行不同的形态学运算，得到各阶段试块断面二值图的最优结构元以及最优形态学运算，如表1所示。
表1处于各力学状态混凝土试块的最优形态学运算
图6所示为是经过图像预处理后的中间层断面灰度图像及二值图像。
各阶段试块经过数学形态学处理后，每个试块生成最终所需的1000张断面切片的二值图像。将试块断面切片的二值图像导入并建立图像堆栈，然后设置等值面绘制值(本发明中设置裂纹与孔洞为0)并绘制等值面，最终得到各阶段试块的三维重建结果，处于弹性阶段、塑性阶段以及破坏阶段的试块重建结果分别如图7(a)、图7(b)以及图7(c)所示。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于CT成像技术的混凝土材料内部损伤三维重建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、依据规范标准制作混凝土立方体试块；
步骤二、对步骤一所制作的混凝土立方体试块进行不同程度的单轴压缩试验，分别得到处于弹性、塑性、破坏三个阶段的混凝土试块；
步骤三、对经过步骤二处理的混凝土试块进行X射线CT扫描，得到相应试块的断面序列灰度图像；
步骤四、对步骤三所得到的灰度图像进行图像预处理，利用预处理后的断面二值图像实现混凝土试块内部损伤的三维重建。
2.根据权利要求1所述的一种基于CT成像技术的混凝土材料内部损伤三维重建方法，其特征在于，步骤一具体包括如下步骤：
步骤1-1、前期设置正交实验，得到耐水性、力学性能以及耐久性最优的配合比，依照配合比拌制混凝土并测量拌合物的坍落度；
步骤1-2、选用100mm×100mm×100mm的涂油三联模具，装入拌合物后置于振实台进行振实，直至表面没有气泡并且泛浆置于养护温度为20±1℃，相对湿度99％的恒温恒湿养护箱中，养护时间28d。
3.根据权利要求1所述的一种基于CT成像技术的混凝土材料内部损伤三维重建方法，其特征在于，步骤二具体包括如下步骤：
步骤2-1、实验采用压力试验机符合《液压式万能试验机》(GB/T3159-2008)以及《试验机通用技术要求》(GB/T2611-2007)，测量精度为±1％，满足试块的破坏荷载介于压力机量程的20％～80％；
步骤2-2、选取适宜的加荷速度，对试块进行单轴压缩试验，根据试验所得应力应变曲线判断试块所处力学状态。
4.根据权利要求1所述的一种基于CT成像技术的混凝土材料内部损伤三维重建方法，其特征在于，步骤三具体包括如下步骤：
步骤3-1、X射线CT扫描设备采用第四代(G4)plus医用螺旋X射线CT扫描仪,该设备的扫描系统由转动射线源和环形检测器组成，扫描分辨率为0.1mm×0.1mm×0.1mm，密度分辨率为水吸收系数的3‰；
步骤3-2、开启设备后调整X射线转动射线管的电压值和电流值、环形检测器的像素值以及曝光时间等测试参数。测试参数稳定后分别对各组试块进行粗扫描，根据粗扫描结果调整试块，确定试块位置后对试块进行精细扫描，获取的试块断面序列图像分辨率优于0.1mm，可清晰观察到混凝土试块内部损伤。
5.根据权利要求1所述的一种基于CT成像技术的混凝土材料内部损伤三维重建方法，其特征在于，步骤四具体包括如下步骤：
步骤4-1、对灰度图像进行预处理，预处理包括：降噪、祛圆环伪影、线灰度分析、全局阈值分割、形态学处理，进而获得表征试块断面损伤状态的二值图；
步骤4-2、读入二值图，建立图像堆栈，绘制损伤等值面，得到混凝土内部损伤的三维重建结果。
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Citations (4)
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| CN105139380A (zh) * | 2015-08-03 | 2015-12-09 | 长安大学 | 基于ct技术构建冻融环境下混凝土孔隙结构的方法 |
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2021
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Patent Citations (4)
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| Title |
|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115308234A (zh) * | 2022-08-09 | 2022-11-08 | 山东科技大学 | 一种引气新拌混凝土气泡测定分析方法 |
| CN115308234B (zh) * | 2022-08-09 | 2024-04-26 | 山东科技大学 | 一种引气新拌混凝土气泡测定分析方法 |
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