一种透水混凝土孔隙检测方法与流程

本发明涉及透水混凝土孔隙检测方法。

背景技术：

随着城市现代化建设逐步完善，许多城市被大量封闭式的基础设施及不透水的混凝土路面所覆盖，导致了城市雨天的排水途径只能通过城市排水系统排除，我国部分城市每年的降水量巨大，而城市排水系统的泄流能力有限，造成雨天城市常有路面积水的问题产生，严重时会造成交通瘫痪。透水混凝土是一种具有一定贯通孔隙，能够使水自然透过的多孔生态型混凝土。相较于普通混凝土，透水混凝土具有较大的孔隙率，介于15％～25％之间，透水系数在1～15mm/s之间。

现有技术中，为了加强对透水混凝土内部结构的认识，将透水混凝土试件切割为数层，利用相机拍照获取截面图像，将图像进行二值化处理以区分孔隙和固相材料，然后将孔隙拟合为圆形提取其等效半径，孔隙面积；这种方式不仅费时费力，且会造成孔隙结构破坏，且仅提取截面图像，图像数量一般仅有几张，随机性大，无法全面反映透水混凝土结构内部的孔隙特征。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种透水混凝土孔隙检测方法，包括以下步骤：

步骤一，采集透水混凝土试件，尺寸为10cm×10cm×10cm；

步骤二，用粗骨料粒填满透水混凝土试件的孔隙，除去多余的粗骨料粒；

步骤三，将透水混凝土试件在浸水半饱和条件下进行切片扫描，得到多张透水混凝土二维切片图；

步骤四，在三维可视化软件中导入透水混凝土二维切片图，自动重构成3d连通孔隙模型；

步骤五，采用icem网格划分软件修补连通孔隙模型，进行几何拓扑以及非结构网格划分，再借助三维可视化软件进行四面体网格划分，定义边界条件，最终得到较高质量和数量的网格；

步骤六，定义连通孔隙模型的出口、入口和壁面，导入到fluent设置参数进行渗流模拟，

步骤七，根据渗流坡度公式j,计算渗流速度q：

其中，δp为压力入口和压力出口的压力差值；δt为模型的尺寸，μ为动力粘滞系数；k为水在透水混凝土中的渗流率；ρ为流体密度,β为渗流系数；q为模型的渗流速度，

根据渗流速度q，计算孔隙率n:

n＝q/v

其中，v为水流孔隙中流动的实际速度。

进一步地，在步骤四中的重构成3d连通孔隙模型之后，进行中值滤波去除噪点，采用二值化图像分割，使孔结构与混凝土呈现两种辨识度高的颜色。

进一步地，在进行二值化图像分割之前，利用photoshop软件对图像锐化，进行图像增强处理。

进一步地，粗骨料粒的比重是3.665,密度为1.665g/cm³，紧密堆积率是37.89％，针入度8.6％。

进一步地，在修补过程中，同时要处理三角面的数量和质量，调整三角面的纵横比，删除低质量的网格。

进一步地，最终得到的网格数量在2×10⁶到4×10⁶之间，最大网格体积为10^-10m³，最小网格体积为10^-18m³。

进一步地，切片扫描利用x射线三维显微镜设备，进行旋转扫描。

附图说明

图1为本发明透水混凝土孔隙检测方法的步骤流程图；

图2为立方体透水混凝土试块；

图3为ct扫描产生的二维切片图；

图4为渗流模拟结果；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示为本发明透水混凝土孔隙检测方法的步骤流程图，具体实施步骤包括：

步骤一，试件准备：对于海绵城市施工过程的实验路段，可以采集透水混凝土试件的尺寸是10cm×10cm×10cm的立方体透水混凝土试块，如图2所示。

步骤二，为了准确区分试件的孔隙和混凝土，用粗骨料粒填满试件的孔隙，除去多余的粗骨料粒。

当粗骨料粒径较小时，自然堆积状态下，粗骨料之间接触点较多，原始孔径偏小导致利用体积填充法配置的透水混凝土内部孔隙等效直径较小，但粗骨料之间的咬合作用较强。当粗骨料粒径增大时，自然堆积状态下，粗骨料之间接触点减少，原始孔径增大导致利用体积填充法配置的透水混凝土内部孔隙等效直径增大，但粗骨料之间的咬合作用减弱，宏观上表现为透水系数的增加与抗压强度的降低，因此，本发明中粗骨料粒的比重是3.665,密度在1.665g/cm³，紧密堆积率是37.89％，针入度8.6％。

切片扫描，即ct扫描：ct扫描即计算机断层扫描技术，ct扫描可以无损检测物体内部的微观结构，根据不同密度的材料对x射线吸收能力不同来区分透水混凝土中的孔隙和骨料成分。

将透水混凝土试件在浸水半饱和条件下进行切片扫描，扫描100张图片，如图3所示，为其中一张二维切片图。从二维切片图中可以看出，灰色的物质为粗骨料粒，而黑色的物质为孔隙，部分白色材料为杂质。

ct扫描可以利用x射线三维显微镜等设备进行，选择旋转扫描方式，将ct扫描产生的二维切片图，如图3所示。

三维可视化软件分析处理：在三维可视化软件中导入透水混凝土ct二维切片图，自动重构成3d连通孔隙模型；然后进行中值滤波去除噪点，为图像分割做准备。在这里采用的是二值化图像分割，孔隙结构二值化图像分割的目的是使孔结构与混凝土基体呈现两种辨识度高的颜色，达到分离孔结构的效果，利于分析孔结构的分布，并提高测量的精度；

在进行二值化识别之前，利用photoshop软件对图像锐化，进行图像增强软件对图像锐化，进行图像增强处理。利用image-proplus软件根据图片自动识别软件根据图片自动识别阈值，进行图像二值化并识别出孔隙数量与孔隙等效直径。由于透水混凝土主要由孔隙和骨料组成，通过选取合理的阈值标定出孔隙，进而分割出孔隙的2d和3d模型，最终，计算得到连通孔隙模型。

三维重构的连通孔隙模型是stl格式，即连通孔隙模型主要由三角面组成。这种格式的模型需要进行修补，修补过程对孔隙的空间结构和孔隙率的影响可以忽略不计。本发明采用icem网格划分软件修补stl模型，进行几何拓扑以及非结构网格划分，再借助三维可视化软件进行四面体网格划分，定义边界条件，在此过程中同时要处理三角面的数量和质量，调整三角面的纵横比等参数，最后删除低质量的网格，最终得到较高质量和数量的网格。

最终得到的网格数量在2×10⁶到4×10⁶之间，最大网格体积在10^-10m³，最小网格体积在10^-18m³，定义该连通孔隙模型的出口、入口和壁面，导入到fluent设置参数进行渗流模拟，将连通孔隙模型上方区域定义为渗流压力入口，底部区域定义为渗流压力出口，其余区域为壁面。在这里假定透水混凝土内部流动过程为单相流动。

如图4所示，由渗流模拟结果可知，不同孔隙率的渗流路径在多孔混凝土内孔隙处的空间分布，渗流路径从z轴正方向流向负方向。渗流介质的渗流路径为水在多孔混凝土内的渗流位置，渗流路径的颜色深浅代表渗流介质在多孔混凝土内部的渗流速度，颜色越深渗流介质的渗流速度越快，颜色越浅渗流介质的渗流速度相对偏慢。另外，渗流介质在孔隙尺寸较大处的渗流速度较快，渗流介质的渗流路径在孔隙的孔喉处汇集。由于多孔混凝土的四周常分布有大量的非连通孔隙，表现为在渗流模型的边缘处形成不了一条自上而下的完整的渗流路径。随着孔隙率的减小，渗流流线变少，流速降低，且有效的渗流路径变少。

根据渗流坡度公式j,计算渗流速度q：

其中，δp为压力入口和压力出口的压力差值(pa)；δt为模型的尺寸，本发明中优选尺寸边长为0.1m；μ为动力粘滞系数(pa.s)；k为水在透水混凝土中的渗流率(m²)；

为流体密度(kg/m3),β为渗流系数(m^-1)；q为模型的渗流速度(m/s)。

根据渗流速度q，计算孔隙率n(％):

n＝q/v

其中，v为水流孔隙中流动的实际速度(m/s)。

从以上可以看出，本发明提供的孔隙检测方法效率和准确率都较高，且与传统方式的孔隙检测方法对比，试件内部的空气的排出程度相当，使得检测误差极大的降低。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。