基于ct技术构建冻融环境下混凝土孔隙结构的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于混凝土技术领域，具体涉及一种基于CT技术构建冻融环境下混凝土 孔隙结构的方法。
【背景技术】
[0002] 随着混凝土的广泛应用，学者越来越重视对混凝土耐久性的研究。钢筋腐蚀、冻融 破坏以及侵蚀环境的物理化学作用是影响混凝土耐久性的三个重要因素。其中的冻融破坏 对混凝土耐久性的影响日益成为研究的重点。
[0003] 在我国西部寒区，冻融循环作用往往是导致混凝土各项力学性能退化及承载力降 低的主要原因。而冻融环境下混凝土材料的破损机理及宏观力学性能劣化均与其内部随机 分布的孔隙结构密切相关，原因是混凝土在经历冻融循环作用后，内部已存在的初始孔隙 结构会逐渐产生损伤，随着冻融循环作用的进行，混凝土内部的细观损伤会逐渐加剧，最终 将会引起混凝土材料宏观的破坏。冻融环境下混凝土的宏观断裂破坏和失稳与其变形时内 部微孔隙、微裂纹等内部缺陷的分布与变化紧密相关。因此研究混凝土材料在冻融循环作 用下混凝土孔隙结构的分布与变化具有重要的理论意义和实际的工程应用价值。
[0004] 目前，国内外专家、学者均开展过混凝土孔隙对强度以及破坏机理影响的研究。 随着混凝土 CT技术的发展，CT技术越来越多地应用到对混凝土材料在无损条件下细观 结构中孔隙的识别与分析。郭丽萍通过CT技术对高性能混凝土材料的缺陷进行了分析。 Andrey. P在CT扫描基础上运用格构模型研究了普通混凝土的孔隙结构及损伤演化过程。 Xiao Sun对得到的水泥浆试件的CT图像进行了深入的研究，通过编制相关的计算程序，对 内部孔隙的渗透性、连通性进行了研究。Wong. R. C. K运用X-ray CT技术研究了单轴压缩条 件下混凝土材料的孔洞及骨料的结构分布特点。
[0005] 但是，目前所有的研究都集中在常态或初态下的孔隙分布特征，实际上在冻融环 境下，材料孔隙的分布特征会随着冻融循环次数的增加发生较大的改变。
【发明内容】
[0006] 针对上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种基于CT技术构建冻融环 境下混凝土孔隙结构的方法。
[0007] 为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案予以实现。
[0008] -种基于CT技术构建冻融环境下混凝土孔隙结构的方法，所述方法包括如下步 骤：
[0009] 步骤1，制作所述冻融环境下的混凝土试件；
[0010] 步骤2,对所述混凝土试件进行二维横向断层CT扫描，得到所述混凝土试件的多 个CT扫描图像；
[0011] 步骤3,对每个CT扫描图像进行二值化处理，得到二值化处理后的CT图像；
[0012] 步骤4,将多个所述二值化处理后的CT图像，进行三维体重建，得到所述冻融环境 下混凝土试件的三维体孔隙结构；
[0013] 步骤5,根据所述三维体孔隙结构，确定在所述冻融环境下混凝土孔隙结构的参 数。
[0014] 本发明的特点和进一步的改进为：
[0015] (1)步骤3具体包括如下子步骤：
[0016] (3a)对所述CT扫描图像进行二值化处理，得到二值化处理后的CT图像，所述CT 扫描图像的尺寸为MXN ;
[0017] (3b)将所述二值化处理后的CT图像进行分割，得到尺寸为（M/p) X (N/p)的P2个 局部域CT图像，对每个局部域CT图像再次进行二值化处理，其中p为整数。
[0018] (2)子步骤（3a)具体包括如下子步骤：
[0019] (3al)计算尺寸为MXN的CT扫描图像的最大灰度值Pniax和最小灰度值P
[0020] (3a2)根据所述最大灰度值Pnax和所述最小灰度值P _，计算分区阈值
[0021] (3a3)根据所述分区阈值，将尺寸为MXN的CT扫描图像分割成目标区域和背景区 域两部分；
[0022] (3a4)分别求出所述目标区域的平均灰度值氏和所述背景区域的平均灰度值H2;
[0023]
[0024] 其中，H(i，j)为所述尺寸为MXN的CT扫描图像上点（i，j)的灰度值，N(i，j)为 H (i，j)的权重系数；
[0025] (3a5)根据所述目标区域的平均灰度值H1和所述背景区域的平均灰度值H 2再次 计算分区阈值Tk，k = 1，2, 3,. . .，n，
[0026]
[0027] (3a6)重复执行子步骤（3a3)至（3a5)直到分区阈值以夂敛。
[0028] (3)子步骤（3b)具体包括如下子步骤：
[0029] (3bl)计算每个尺寸为（M/p) X (N/p)的局部域CT图像的最大灰度值Plniax和最小 灰度值Plniin;
[0030] (3b2)根据所述最大灰度值Plniax和所述最小灰度值P lnun，计算分区阈值
[0031] (3b3)根据所述分区阈值，将尺寸为（M/p) X (N/p)的局部域CT图像分割成目标区 域和背景区域两部分；
[0032] (3b4)分别求出所述目标区域的平均灰度值H1。和所述背景区域的平均灰度值 ^20； CN 105139380 A 说明书 3/6 页
[0033]
[0034] 其中，HQ(i，j)为所述尺寸为MXN的CT扫描图像上点（i，j)的灰度值，N Q(i，j)为 H0 (i，j)的权重系数；
[0035] (3b5)根据所述目标区域的平均灰度值H1。和所述背景区域的平均灰度值H 2。再次 计算分区阈值 Tkl，kl = 1，2, 3,. . .，n，
[0036]
[0037] (3b6)重复执行子步骤（3b3)至（3b5)，直到分区阈值Tkl收敛。
[0038] (4)所述冻融环境下混凝土孔隙结构的参数至少包括：体孔隙率，所述体孔隙率 定义为孔隙像素数与总像素数的比值，孔隙分布。
[0039] 本发明提供的方法操作简单可行，能够反映了经历冻融循环后混凝土试件孔隙结 构变化，更加形象直观、准确的描述了混凝土材料冻融损伤内部孔隙结构的特征，对精细描 述混凝土材料冻融损伤内部结构的特征及破损机理具有重要意义。
【附图说明】
[0040] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0041] 图1为本发明构建冻融环境下混凝土孔隙结构的流程示意图；
[0042] 图2为本发明提供的实验的操作流程示意图；
[0043] 图3为本发明实验中混凝土试件不同高度扫描断面的CT图；
[0044] 图4为本发明提供的对CT图进行二值化处理的结果示意图；
[0045] 图5为本发明提供的对孔隙结构进行三维体重建的过程示意图；
[0046] 图6为本发明提供的不同冻融循环次数下混凝土孔隙率分布曲线示意图；
[0047] 图7为本发明提供的经历25次冻融循环下混凝土孔隙结构分布示意图；
[0048] 图8为本发明提供的不同冻融循环次数混凝土孔隙频率分布示意图。
【具体实施方式】
[0049] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050] 本发明实施例提供一种基于CT技术构建冻融环境下混凝土孔隙结构的方法，如 图1所示，所述方法包括如下步骤：
[0051] 步骤1，制作所述冻融环境下的混凝土试件。
[0052] 步骤2,对所述混凝土试件进行二维横向断层CT扫描，得到所述混凝土试件的多 个CT扫描图像。
[0053] 步骤3,对每个CT扫描图像进行二值化处理，得到二值化处理后的CT图像。
[0054] 步骤3具体包括如下子步骤：
[0055] (3a)对所述CT扫描图像进行二值化处理，得到二值化处理后的CT图像，所述CT 扫描图像的尺寸为MXN。
[0056] 采用改进的迭代最佳阈值算法对所述CT扫描图像进行二值化分割处理。
[0057] 子步骤（3a)具体包括如下子步骤：
[0058] (3al)计算尺寸为MXN的CT扫描图像的最大灰度值Pniax和最小灰度值P
[0059] (3a2)根据所述最大灰度值Pmax和所述最小灰度值P min，计算分区阈值
[0060] (3a3)根据所述分区阈值，将尺寸为MXN的CT扫描图像分割成目标区域和背景区 域两部分；
[0061] (3a4)分别求出所述目标区域的平均灰度值氏和所述背景区域的平均灰度值H2;
[0062]
[0063] 其中，H(i，j)为所述尺寸为MXN的CT扫描图像上点（i，j)的灰度值，N(i，j)为 H(i，j)的权重系数，一般为H(i，j)的个数。
[0064] (3a5)根据所述目标区域的平均灰度值H1和所述背景区域的平均灰度值H 2再次 计算分区阈值Tk，k = 1，2, 3,. . .，n，
[0065]
[0066] (3a6)重复执行子步骤（3a3)至（3a5)直到分区阈值Tk收敛。
[0067] (3b)将所述二值化处理后的CT图像进行分割，得到尺寸为（M/p) X (N/p)的P2个 局部域CT图像，对每个局部域CT图像再次进行二值化处理，其中p为整数。子步骤（3b) 具体包括如下子步骤：
[0068] (3bl)计算每个尺寸为（M/p) X (N/p)的局部域CT图像的最大灰度值Plniax和最小 灰度值Plniin;
[0069] (3b2)根据所述最