CN116952995A - 一种基于孔隙率的修复材料与混凝土界面区厚度无损识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于孔隙率的修复材料与混凝土界面区厚度无损识别方法，通过对微米CT扫描修复材料与混凝土复合体试样，获得二维切片图像；之后通过对图形处理与分析，计算二维切片孔隙率；最后绘制孔隙率沿试样高度的变化图，通过孔隙率出现明显波动范围的起始和结束对应的试样高度，进而确定界面区厚度。本发明具有无损、测试方便、测量结果精确的优势，弥补了混凝土与修复材料在界面区识别方面的不足。
Description
技术领域
本发明属于混凝土缺陷修复效果评价技术领域，具体涉及一种评基于孔隙率的修复材料与混凝土界面区厚度无损识别方法。
背景技术
水利工程采用的主要材料为混凝土，混凝土在长期服役后，会出现表面剥落、贯穿裂缝等病害，若不及时加以修复，将会持续扩大并引起结构的崩塌。对水利工程混凝土病害修复的常用方法是在混凝土破损面涂覆修复材料，如聚氨酯、聚脲、环氧树脂等各类有机和无机材料。这些修复材料在凝结硬化后与混凝土之间形成粘结强度，以保护混凝土免受侵蚀。
从微观角度上看，粘结强度的形成机理与两种材料间界面区微观特征密切相关。因为界面区通常是两种材料体系最薄弱的部分，界面区厚度、孔结构、物相分布等特性的差异性直接影响着修复材料与混凝土复合体系的宏观性能，尤其是界面区厚度的研究有助于深入认识修复材料与混凝土的粘结强度形成机理，并可据此提出合适的性能提升方法。
界面区的研究开始于混凝土中，通常指的是骨料与砂浆的过渡区域，也叫界面过度区。为了准确识别界面过渡区厚度，中国发明专利(授权公告号：CN 108956349B)公开了一种测量沥青混合料微观界面过渡区特征参数的试验方法，该专利是通过纳米压痕实验识别界面过渡区厚度的；中国发明专利(公布号：CN 111638103A)公开了一种再生骨料沥青混合料微观界面过渡区识别方法，该专利也是利用纳米压痕仪识别界面过渡区的；中国发明专利(公布号：CN 113155042B)提供了一种混凝土内界面过渡区厚度测量方法，该专利获取混凝土试块受压位移变形情况确定界面过渡区的。可以看到，上述专利识别界面过渡区厚度的方法均属于间接测试，需对试样进行切割、抛光等众多繁琐程序，测试过程中还会对试样造成损伤破坏。此外，需要说明的是，修复材料与混凝土的界面区不同于混凝土内骨料与砂浆的界面过渡区。骨料与砂浆的界面过渡区胶结面平整，而修复材料与混凝土的界面区更为宏观，混凝土基体的粗糙度对界面区有很大的影响，难以采用传统方法准确识别修复材料与混凝土的界面区厚度。
基于此，本发明提出了一种基于孔隙率的修复材料与混凝土界面区厚度无损识别方法。本发明具有测试方便，测量结果精确的优势，弥补了修复材料与混凝土界面区厚度识别方面的不足。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于孔隙率的修复材料与混凝土界面区厚度无损识别方法，本发明采用的技术方案如下：
一种基于孔隙率的修复材料与混凝土界面区厚度无损识别方法，包括以下步骤：
步骤1、在受损的混凝土基体表面涂覆修复材料，放入养护室进行养护，待修复材料与混凝土粘结牢固后取出；
步骤2、将修复材料与混凝土的复合体试样进行切割，切割后的试样尺寸为混凝土内最大骨料粒径的两倍；
步骤3、采用微米CT扫描仪对切割后的试样进行扫描，获得试样的二维切片图像；
步骤4、首先对获得的二维切片图像进行降噪处理；之后进行灰度分析，确定试样内孔隙与其他物像的灰度范围；然后根据灰度范围进行阈值分割，将孔隙分离出来；
步骤5、计算每个二维切片上的切片孔隙率，沿修复材料至混凝土方向绘制切片孔隙率随试样高度变化图，其中切片孔隙率为横坐标，试样高度为纵坐标。变化图中切片孔隙率出现较大范围波动的范围就是修复材料与混凝土的界面区，那么假设波动起始的高度为H0，波动起始的高度为H1，则界面区厚度H则为：
步骤(2)中切割后的试样尺寸为混凝土内最大骨料粒径的两倍。
步骤(4)中确定试样内孔隙与其他物像的灰度范围的方法为：采用Image J软件打开二维切片图像，将图片类型改为8bit格式，绘制一条穿过孔隙和物相的直线，得到灰度直线分布图，将孔隙和物相的位置与灰度图对应，即可确定灰度范围。
步骤(4)中阈值分割范围即为确定的灰度范围。
步骤(5)中切片孔隙率P i是通过下式进行计算：
式中Ski为第i张二维切片图像上孔隙的面积，Smi为第i张二维切片图像的总面积。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明提供了一种基于孔隙率的修复材料与混凝土界面区厚度无损识别方法，通过对微米CT扫描后的图形处理与分析，计算切片孔隙率出现波动范围的起始高度确定界面区厚度，具有无损、测试方便、测量结果精确的优势，弥补了混凝土与修复材料在界面区识别方面的不足。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为受损的混凝土基体；
图3为涂覆环氧胶泥修复材料后的复合体试样；
图4为切割的复合体试样；
图5为试样灰度直线分布图；
图6为复合体试样内孔隙分离过程；
图7为沿环氧胶泥修复材料至混凝土方向绘制的切片孔隙率随试样高度变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种基于孔隙率的修复材料与混凝土界面区厚度无损识别方法，下面说明使用该方法的步骤：
步骤1、在受损的混凝土基体表面涂覆修复材料，放入养护室进行养护，待修复材料与混凝土粘结牢固后取出；
步骤2、将修复材料与混凝土的复合体试样进行切割，切割后的试样尺寸为混凝土内最大骨料粒径的两倍；
步骤3、采用微米CT扫描仪对切割后的试样进行扫描，获得试样的二维切片图像；
步骤4、首先对获得的二维切片图像进行降噪处理；之后进行灰度分析，确定试样内孔隙与其他物像的灰度范围；然后根据灰度范围进行阈值分割，将孔隙分离出来；
步骤5、计算每个二维切片上的切片孔隙率，沿修复材料至混凝土方向绘制切片孔隙率随试样高度变化图，其中切片孔隙率为横坐标，试样高度为纵坐标。变化图中切片孔隙率出现较大波动的范围就是修复材料与混凝土的界面区，那么假设波动起始的高度为H0，波动结束的高度为H1，则界面区厚度H则为H＝H1-H0。
实施例2
本实施例通过采用实施例1中的方法来识别修复材料与混凝土的界面区厚度。
受损的混凝土基体如图2所示，其中混凝土中最大粗骨料直径为20mm。在混凝土基体上面涂覆环氧胶泥修复材料，如图3所示。然后将试样放入温度20℃±2℃、相对湿度60％±5％的养护室内养护14天。
将环氧胶泥修复材料与混凝土的复合体试样进行切割，切割后的试样直径为40mm，高40mm，如图4所示。
采用德国Y.CT Precisions微聚焦x射线CT扫描仪对上述切割后的试样进行扫描，获得沿修复材料至混凝土基体方向二维切片图像。
采用Non-local means滤波算法对获得的CT二维切片图像进行降噪处理；之后采用Image J软件打开降噪后的二维切片图像，将图片类型改为8bit格式，绘制一条穿过孔隙和砂浆骨料的直线，得到如图5所示的灰度直线分布图，将孔隙和砂浆骨料的位置与灰度图对应，确定试样内孔隙的灰度范围为0～100，其他物像的灰度大于100；然后根据灰度范围进行阈值分割，将孔隙分离出来，如图6所示。
计算每张二维切片图像的孔隙面积Ski，将孔隙面积Ski除以每张二维切片图像总面积即为切片孔隙率Pi。沿环氧胶泥修复材料至混凝土方向绘制切片孔隙率随试样高度变化图，如图7所示。图7中孔隙率开始波动的试样高度为H0＝2.09mm，波动结束的高度为H1＝6.09mm，则界面区厚度H则为H＝H1-H0＝4.30mm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于孔隙率的修复材料与混凝土界面区厚度无损识别方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在受损的混凝土基体表面涂覆修复材料，放入养护室进行养护，待修复材料与混凝土粘结牢固后取出；
(2)将修复材料与混凝土的复合体试样进行切割；
(3)采用微米CT扫描仪对切割后的试样进行扫描，获得试样的二维切片图像；
(4)首先对获得的二维切片图像进行降噪处理；之后进行灰度分析，确定试样内孔隙与其他物像的灰度范围；然后根据灰度范围进行阈值分割，将孔隙分离出来；
(5)计算每个二维切片上的切片孔隙率，沿修复材料至混凝土方向绘制切片孔隙率随试样高度变化图，其中切片孔隙率为横坐标，试样高度为纵坐标，变化图中切片孔隙率出现较大范围波动的范围就是修复材料与混凝土的界面区，那么假设波动起始的高度为H0，波动起始的高度为H1，则界面区厚度H则为：H＝H1-H0。
2.根据权利要求1所述的一种基于孔隙率的修复材料与混凝土界面区厚度无损识别方法，其特征在于：步骤(2)中切割后的试样尺寸为混凝土内最大骨料粒径的两倍。
3.根据权利要求1所述的一种基于孔隙率的修复材料与混凝土界面区厚度无损识别方法，其特征在于：步骤(4)中确定试样内孔隙与其他物像的灰度范围的方法为：采用Image J软件打开二维切片图像，将图片类型改为8bit格式，绘制一条穿过孔隙和物相的直线，得到灰度直线分布图，将孔隙和物相的位置与灰度图对应，即可确定灰度范围。
4.根据权利要求1所述的一种基于孔隙率的修复材料与混凝土界面区厚度无损识别方法，其特征在于：步骤(4)中阈值分割范围即为确定的灰度范围。
5.根据权利要求1所述的一种基于孔隙率的修复材料与混凝土界面区厚度无损识别方法，其特征在于：步骤(5)中切片孔隙率Pi是通过下式进行计算：Pi＝Ski/Smi
式中Ski为第i张二维切片图像上孔隙的面积，Smi为第i张二维切片图像的总面积。
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