一种混凝土孔隙三维结构的构建方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及混凝土成像技术领域，具体涉及一种混凝土孔隙三维结构的构建方 法。
【背景技术】
[0002] 混凝土的孔隙结构对于钢筋混凝土结构物的耐久性有极大的影响，混凝土的耐久 性在近年来越来越多地受到重视。因此，检测混凝土内部孔隙分布的精细三维结构具有重 要意义。
[0003] 利用压汞试验和CT扫描都是获得混凝土内部孔隙特征的方法。前者利用汞在不 同压力的情况下进入不同内径的孔隙的特点，测量出混凝土孔隙的内径分布，并获得孔隙 率。后者利用不同物质对X射线的吸收率不同的特点，获得混凝土内部物质的断面扫描图 像，并利用三维重建技术获得内部物质的三维结构图像。
[0004] 但是，上述两种检测方法在技术上均存在不足，对于压汞技术而言，其只能获得孔 径的整体分布信息，但是对孔隙在三维空间中的分布特征无法获得。而CT扫描的方法极大 地依赖CT设备的精度，目前大多数CT的精度不超过1μm/像素（MicroCT)，因此，由于受到 分辨率的限制，单独使用CT一般无法获得较为清晰的孔隙图像。若是需要获得更加精确的 数据，则需要采用同步辐射CT，而同步辐射CT一般需要提前预约，且一年限制2次，由此给 实验测量带来很大不便。
[0005] 另外，一般在获得的CT图像中，所能辨别出的孔隙图像实际上并不是孔隙的真实 形态，还存在很多伪影干扰了孔隙形态的识别。主要存在的伪影包括环状伪影、散射伪影和 运动伪影。前两种伪影是由于CT设备本身的不稳定性和X射线的散射特点造成的，后者是 由于在测量过程中样品发生移动导致的。为了消除伪影的影响，一般会采用如非局部滤波 法、蒙特卡罗模拟法和重复多角度照射校正等方法进行数字图像处理。这些方法一定程度 上可以获得较为精细的三维结构图，但是缺陷在于计算较为复杂，而且并没有通过实验来 证明矫正结果的可靠性。
[0006] 目前，迫切需要一种在现有X射线CT所能达到的分辨率精度的条件下，获得可靠 的混凝土内部孔隙精细的三维结构图的方法。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于，为了克服现有技术中采用CT扫描获得的混凝土内部孔隙的 三维结构成像不清晰的技术问题，提供一种混凝土孔隙三维结构的构建方法。该方法能够 最大程度地利用CT既有的分辨率，并结合了压汞技术和X射线CT扫描技术构建混凝土材 料内部精细的孔隙三维结构图像，从而克服了仅利用X射线CT获取混凝土材料内部孔隙结 构时，难以精确区分混凝土内骨架和孔隙的缺点，以获得混凝土材料内部清晰的孔隙三维 结构图像。
[0008] 为实现上述目的，本发明提供了一种混凝土孔隙三维结构的构建方法，该方法包 括如下步骤：
[0009] 步骤1)将混凝土在X射线CT下扫描，获得混凝土的断面扫描图像，该断面扫描图 像以不同灰度值的形式区分混凝土内部骨架结构和孔隙结构；
[0010] 步骤2)将步骤1)中获得的断面扫描图像组合成粗糙的孔隙三维结构图像；
[0011] 步骤3)利用压汞仪测量获得混凝土的孔隙率和孔径分布曲线；
[0012] 步骤4)利用粗糙的孔隙三维结构图像计算获得混凝土的孔径分布曲线和孔隙 率，并通过调整灰度值得到临界灰度值，该临界灰度值使得由粗糙的孔隙三维结构图像计 算获得的孔径分布曲线、孔隙率分别与步骤3)中获得的孔径分布曲线、孔隙率一致；
[0013] 步骤5)利用步骤4)中调整得到的临界灰度值细化粗糙的孔隙三维结构图像后， 最终获得精细的孔隙三维结构图像。
[0014] 作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤1)中扫描获得混凝土的断面扫描图 像的步骤包括：
[0015] 将混凝土固定在X射线CT的观测台上进行X射线扫描，从不同角度照射同一断面 得到不同角度下X射线的衰减值；
[0016] 作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤1)中粗糙的孔隙三维结构图像的构 建步骤包括：将衰减值以矩阵的形式存储在计算机中，然后利用Radon变换的算法把矩阵 中的数据构建成三维结构图像。
[0017] 作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤4)中利用粗糙的孔隙三维结构图像 计算获得混凝土孔隙率的公式为：
[0018]
[0019] 其中，51表示某一方向第i个断面的面积，f表示所述第i个断面中孔隙截面的 面积。三维结构图包括不同断面的空隙结构，在某一方向，如X方向划分1~η个均勾分布 的连续断面。
[0020] 作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤4)中通过调整灰度值得到临界灰度 值的步骤包括：
[0021] 步骤401)通过调整灰度值，选定满足由粗糙的孔隙三维结构图像计算获得的孔 隙率和步骤3)中得到的孔隙率相同时的灰度值G1;
[0022] 步骤402)通过调整灰度值，选定满足由粗糙的孔隙三维结构图像计算获得的孔 径分布曲线和步骤3)中得到的孔径分布曲线相似度最高时的灰度值G2，所述的孔径分布曲 线包括任意一个或一个以上孔径范围内的分布曲线；
[0023] 步骤403)将灰度值Gi和灰度值G2的差取到极小值时的阈值作为最终选取的临界 灰度值。
[0024] 作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤5)具体包括：
[0025] 步骤501)根据步骤4)中调整得到的临界灰度值，重新划分断面扫描图像中孔隙 结构和骨架结构的交界面；
[0026] 步骤502)利用步骤501)获得的断面扫描图像重组为精细的孔隙三维结构图像。
[0027] 本发明的一种混凝土孔隙三维结构的构建方法优点在于：
[0028] 本发明的方法能够最大程度地利用X射线CT的既有分辨率，结合了压汞技术和X 射线CT扫描技术构建混凝土材料内部精细的孔隙三维结构图像，克服了仅利用X射线CT 获取的混凝土材料内部孔隙三维结构图像时，难以精确区分骨架和孔隙的缺点，以获得混 凝土材料内部清晰的孔隙三维结构图像。
【附图说明】
[0029] 图1是本发明中的一种混凝土孔隙三维结构的构建方法流程图。
[0030] 图2是本发明实施例中利用X射线CT扫描混凝土样品的扫描样图。
[0031] 图3是本发明实施例中对图2示出的扫描样图进行二值化处理后的孔隙图。
[0032] 图4是本发明实施例中构建的粗糙的孔隙三维结构图像。
[0033] 图5a是本发明实施例中利用压汞方法测量获得的各孔径和对应的孔隙体积关系 图。
[0034] 图5b本发明实施例中利用压汞方法测量获得的孔径分布曲线图。
[0035] 图6是本发明实施例中经灰度阈值调整后，由X射线CT扫描获得的孔径分布曲线 和压汞方法测量获得的孔径分布曲线的对比图。
[0036] 图7是本发明实施例中利用临界灰度阈值重建的孔隙三维结构图像。
[0037] 图8是本发明实施例中经灰度阈值调整前后显示的微观空隙结构对比图。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图和实施例对本发明所述的一种混凝土孔隙三维结构的构建方法进 行详细说明。
[0039] 如图1所示，本发明的一种混凝土孔隙三维结构的构建方法，所述的方法包括：
[0040] 步骤1)将混凝土在X射线CT下扫描，获得混凝土的断面扫描图像，所述的断面扫 描图像以不同灰度值的形式区分混凝土内部的骨架结构和孔隙结构；
[0041] 步骤2)将步骤1)中获得的断面扫描图像组合成粗糙的孔隙三维结构图像；
[0042] 步骤3)利用压汞仪测量获得混凝土的孔隙率和孔径分布曲线；
[0043] 步骤4)利用粗糙的孔隙三维结构图像计算获得混凝土的孔径分布曲线和孔隙 率，并通过调整灰度值得到临界灰度值，该临界灰度值使得由粗糙的孔隙三维结构图像计 算获得的孔径分布曲线、孔隙率分别与步骤3)中获得的孔径分布曲线、孔隙率一致；
[0044] 步骤5)利用步骤4)中调整得到的临界灰度值细化粗糙的孔隙三维结构图像后， 最终获得精细的孔隙三维结构图像。
[0045] 基于上述混凝土孔隙三维结构的构建方法，利用压汞仪将汞压入混凝土材料内 部，包括控制不同进汞压力，使得汞能够进入不同的最小半径值的孔隙中。根据Washburn 方程：D=-4γcosθ/ρ，其中D为孔径，γ为汞的表面张力，Θ为接触角，p为进汞压力。 在实际应用中，表面张力γ取为0.480N/m，接触角Θ取