图像分析技术在混凝土材料中的应用

1、图像分析技术在混凝土材料中的应用青岛理工大学范 宏报告内容 一、图像分析技术一、图像分析技术 二、应用一二、应用一混凝土骨料分布混凝土骨料分布 三、应用二三、应用二混凝土空隙分布混凝土空隙分布 四、应用三四、应用三细度模数计算细度模数计算 五、图像分析技术应用展望五、图像分析技术应用展望一、图像分析技术一、图像分析技术 图像分析就是通过分析图片的方法来测量图片上测量对象的测量数值。 图像分析是一种间接的测量方法，在许多情况下，无法进行实际的测量时，使用图像分析的方法能有效地完成准确的测量。图像处理的流程拍出一张客观真实的照片一般从特征尺寸和研究方法的侧重点不同将混凝土内部结构分为三个层次 (1

2、)微观层次(Micro-level)。材料 的结构单元尺度在原子、分子量级，即从小于10-7cm10-4cm。可用电子显微镜观察；(2)细观层次(Meso-level)。从分子尺度到宏观尺度，其结构单元尺度变化范围在10-4厘米至几厘米，或更大些。在这个层次上，混凝土被认为是一种由粗骨料、硬化水泥砂浆和它们之间的过渡区(粘结带)组成的三相材料。(3)宏观层次(Macro-level)。特征尺寸大于几厘米，混凝土作为非均质材料存在着一种特征体积，一般认为是相当于34倍的最大骨料体积。当大于特征体积时，材料假定为均质。混凝土的层次结构从孔结构上看混凝土也是由不同尺度和类型的孔隙构成的多孔体系，可以

3、包括粗大孔(100m10mm )、毛细孔(0.05m100m)及凝胶孔(小于50nm)等层次，流体在毛细孔中传输比在凝胶孔中要容易得多，硬化水泥桨体的传输性能土要由毛细孔孔隙率和毛细孔结构控制，孔连通性对混凝土传输性能及长期耐久性有很大影响。骨料是构成混凝土多相复合体系的重要条件，混凝土中骨料的渗透性较低，这主要由于岩石较致密且内部具有不连通的孔结构以及骨料被水泥浆体包裹的原因。 由于混凝土材料的一个显著特征是存在界面过渡区，它是在水泥浆与骨料界面处存在的厚度约1040微米的区域，由于界面处水泥浆体与骨料的性质有很大差异以及水化产物氢氧化钙等晶体显著的取向作用，使得这个区域的孔隙率较大，因而使

4、混凝土过渡区的传输能力大幅度提高，也就是当骨料体积分数较大时界面过渡区很容易形成高渗透性的传输路径。 细观层次的混凝土结构气泡参数气泡参数参数描述参数描述ACI201.2 / ACI211.1气泡频率单位长度上的气泡数量气泡比表面积气泡面积除气泡体积600-1100 IN2/IN3链长度单位长度上的气泡长度0.0036-0.0067 IN空间因子胶凝材料中气泡外围最大长度0.004-0.008 IN胶孔比胶凝材料与气泡的体积比4-10混凝土孔隙的后期处理 目前的研究方法： （1）对混凝土进行切片压碎后分离出集料，然后测定集料在每个截面内的分布密度。 （2）借助图像分析技术研究混凝土边界效应层中

5、粗集料的分布特征。 （3）离散元算法模拟三维球形集料动态堆积的混凝土边界效应。 （4）借助于计算机模拟技术将集料模拟成二维圆盘，利用圆盘的有序随机分布模型研究骨料分布。 （5）通过试验确定三相组成材料的力学性质(包括弹性模量、强度、本构关系等)，以此为基础进行混凝土试样的断裂过程模拟。 混凝土细观力学的研究方法 二、混凝土骨料分布二、混凝土骨料分布试块配合比试块配合比 199-自然养护自然养护 Pb199-标准养护标准养护 201-自然养护自然养护 Pb201-标准养护标准养护201的骨料分布图的骨料分布图 Pb201的骨料分布图的骨料分布图 199的骨料分布图的骨料分布图 Pb199的骨料分

6、布图的骨料分布图 骨料累积百分数对比图骨料累积百分数对比图 201的空隙分布图的空隙分布图 Pb 201的空隙分布图的空隙分布图199的空隙分布图的空隙分布图Pb199的空隙分布图的空隙分布图三、混凝土空隙分布三、混凝土空隙分布空隙累计百分数对比图空隙累计百分数对比图 空隙沿深度变化对比图空隙沿深度变化对比图 混凝土的孔隙率由外到内逐渐降低，这主要是由于富浆造成。混凝土的孔隙率由外到内逐渐降低，这主要是由于富浆造成。 砂子细度模数计算式的分析砂子细度模数计算式的分析四、细度模数计算四、细度模数计算GB/T 14684-2011 建设用砂试验用标准方孔筛 图像分析方法 序号 个数 百分数 平均直

7、径(mm)M=3.831五、图像分析技术应用展望五、图像分析技术应用展望图像分析图像分析,粉末粉末样品采集样品采集混凝土粉末打磨机混凝土粉末打磨机(DRB-H1 )剖面磨削机剖面磨削机(DRB-P1 )制取粉末用于化学分析制取粉末用于化学分析静电吸附收集粉末静电吸附收集粉末试样归位图像采集试样归位图像采集1.图像分析基础工具图像分析基础工具 2. 混凝土剖面成分分布的全信息，获得精确的化学分析结果 骨料分布 孔隙分布 胶凝材料分布(氯离子示踪法)012345020406080100含 量 （ mg/g ）碳化深 度 （ m m ） 碳化后 Ca CO3含量 实 测值 碳化新 增 CaCO3含量

8、 实 有 值 Ca(OH)2含量 实 测值123c一种利用碳酸钙含量测定装置一种利用碳酸钙含量测定装置测量氢氧化钙含量的方法测量氢氧化钙含量的方法混凝土粉末碳化试验容器(DRB-C1 配套配套)原装置与方法原装置与方法挡浪坝中的氯离子分布挡浪坝中的氯离子分布 预制混凝土扭工字块中的氯离子分布预制混凝土扭工字块中的氯离子分布 3. 建立混凝土各组分的空间分布模型,与混凝土性能建立联系（尺寸效应、边界效应、弹性模量、徐变等） 混凝土随机骨料模型：圆型、椭圆型、多边形4.硬化混凝土原始组分测定 荧光显微图像法荧光显微图像法 1999年的挪威标准描述了使用荧光显微镜法分析WC的方法。 背散射电子图像法

9、背散射电子图像法 2004年SAHU S等介绍了一种使用背散射电子图像法(BEI)确定硬化混凝土WC的技术方法。 数字图像法数字图像法 2005年ZHANG Shuqiang等使用图像分析软件处理照片，然后计算随机提取的样本基础色调强度值和标准差，建立不同样本的基础色调值与设计试样WC的关系作为标准曲线，最后用于评估其他待测混凝土的WC。 综合微观数字图像分析法综合微观数字图像分析法 烧失量法等其他确定混凝土水灰比的方法烧失量法等其他确定混凝土水灰比的方法(1)硬化混凝土中自由水含量和水灰比的测定（2）硬化混凝土水泥用量的确定方法 化学分析法 水泥溶解法 CaO、SiO2溶解法 图像分析法 机

10、械筛分法 数字图像分析法 酸溶解法 XRD法（3）硬化混凝土中集料的确定方法 显微镜法显微镜法 自动测试法自动测试法 自动计算含气量、气泡间距系数、气泡比表面积等气孔结构参数。 显微镜法与压汞仪结合可获得混凝土气孔的全面资料。 混凝土剖面磨削工具获得的三维信息结合图像分析技术可获得混凝土气孔的全面、准确资料。（4）硬化混凝土中含气量的测定定义曲折因子或连续性指数评价混凝土渗透性定义曲折因子或连续性指数评价混凝土渗透性 在描述流体在多孔材料中的渗透时，认为有效扩散系数Deff不同于理论扩散系数Db，通常受反映多孔材料内部结构的一个因子的影响。 其中c是孔与胶凝材料体积分数，是曲折因子，反映孔、胶

11、凝材料与骨料的交织程度。 cbeffDD 从试件的特定位置开始对胶凝材料进行竖向的追踪, 通过对每一个横断面薄片进行观察来完成对胶凝材料的追踪, 使得各个方向的胶凝材料分枝都能够被追踪到, 所得到的结果用胶凝材料连续性指数来表示, 这个指数可以表征胶凝材料是否径向( 水平) 相通或竖向相通, 以及从中央横断面连续传播的方向。混凝土断裂过程的细观力学模型 最具典型的有格构模型(Lattice model)、随机粒子模型(Random particle model)、Mohamed A R等提出的细观模型、随机骨料模型(Random aggregate model)及唐春安等人提出的随机力学特性模型等。(5) (5) 其他应用其他应用混凝土细观层次界面初始缺陷的初步判断 混凝土材