圖像分析技術在混凝土材料中的應用

圖像分析技術在混凝土材料中的應用青島理工大學范宏報告內(nèi)容一、圖像分析技術二、應用一——混凝土骨料分布三、應用二——混凝土空隙分布四、應用三——細度模數(shù)計算五、圖像分析技術應用展望一、圖像分析技術圖像分析就是通過分析圖片的方法來測量圖片上測量對象的測量數(shù)值。圖像分析是一種間接的測量方法，在許多情況下，無法進行實際的測量時，使用圖像分析的方法能有效地完成準確的測量。圖像處理的流程拍出一張客觀真實的照片一般從特征尺寸和研究方法的側重點不同將混凝土內(nèi)部結構分為三個層次(1)微觀層次(Micro-level)。材料的結構單元尺度在原子、分子量級，即從小于10-7cm～10-4cm?？捎秒娮语@微鏡觀察；(2)細觀層次(Meso-level)。從分子尺度到宏觀尺度，其結構單元尺度變化范圍在10-4厘米至幾厘米，或更大些。在這個層次上，混凝土被認為是一種由粗骨料、硬化水泥砂漿和它們之間的過渡區(qū)(粘結帶)組成的三相材料。(3)宏觀層次(Macro-level)。特征尺寸大于幾厘米，混凝土作為非均質(zhì)材料存在著一種特征體積，一般認為是相當于3～4倍的最大骨料體積。當大于特征體積時，材料假定為均質(zhì)?；炷恋膶哟谓Y構從孔結構上看混凝土也是由不同尺度和類型的孔隙構成的多孔體系，可以包括粗大孔(100μm~10mm)、毛細孔(0.05μm~100μm)及凝膠孔(小于50nm)等層次，流體在毛細孔中傳輸比在凝膠孔中要容易得多，硬化水泥槳體的傳輸性能土要由毛細孔孔隙率和毛細孔結構控制，孔連通性對混凝土傳輸性能及長期耐久性有很大影響。骨料是構成混凝土多相復合體系的重要條件，混凝土中骨料的滲透性較低，這主要由于巖石較致密且內(nèi)部具有不連通的孔結構以及骨料被水泥漿體包裹的原因。由于混凝土材料的一個顯著特征是存在界面過渡區(qū)，它是在水泥漿與骨料界面處存在的厚度約10~40微米的區(qū)域，由于界面處水泥漿體與骨料的性質(zhì)有很大差異以及水化產(chǎn)物氫氧化鈣等晶體顯著的取向作用，使得這個區(qū)域的孔隙率較大，因而使混凝土過渡區(qū)的傳輸能力大幅度提高，也就是當骨料體積分數(shù)較大時界面過渡區(qū)很容易形成高滲透性的傳輸路徑。細觀層次的混凝土結構氣泡參數(shù)參數(shù)描述ACI201.2/ACI211.1氣泡頻率單位長度上的氣泡數(shù)量氣泡比表面積氣泡面積除氣泡體積600-1100IN2/IN3鏈長度單位長度上的氣泡長度0.0036-0.0067IN空間因子膠凝材料中氣泡外圍最大長度0.004-0.008IN膠孔比膠凝材料與氣泡的體積比4-10混凝土孔隙的后期處理目前的研究方法：（1）對混凝土進行切片壓碎后分離出集料，然后測定集料在每個截面內(nèi)的分布密度。（2）借助圖像分析技術研究混凝土邊界效應層中粗集料的分布特征。（3）離散元算法模擬三維球形集料動態(tài)堆積的混凝土邊界效應。（4）借助于計算機模擬技術將集料模擬成二維圓盤，利用圓盤的有序隨機分布模型研究骨料分布。（5）通過試驗確定三相組成材料的力學性質(zhì)(包括彈性模量、強度、本構關系等)，以此為基礎進行混凝土試樣的斷裂過程模擬?；炷良氂^力學的研究方法

二、混凝土骨料分布試塊配合比

199-自然養(yǎng)護Pb199-標準養(yǎng)護201-自然養(yǎng)護Pb201-標準養(yǎng)護201的骨料分布圖

Pb201的骨料分布圖

199的骨料分布圖

Pb199的骨料分布圖

骨料累積百分數(shù)對比圖

201的空隙分布圖

Pb

201的空隙分布圖199的空隙分布圖Pb199的空隙分布圖三、混凝土空隙分布空隙累計百分數(shù)對比圖

空隙沿深度變化對比圖

混凝土的孔隙率由外到內(nèi)逐漸降低，這主要是由于富漿造成。

砂子細度模數(shù)計算式的分析四、細度模數(shù)計算GB/T14684-2011建設用砂試驗用標準方孔篩圖像分析方法序號個數(shù)百分數(shù)平均直徑(mm)M=3.831五、圖像分析技術應用展望圖像分析,粉末樣品采集混凝土粉末打磨機(DRB-H1

)剖面磨削機(DRB-P1

)制取粉末用于化學分析靜電吸附收集粉末試樣歸位圖像采集1.圖像分析基礎工具2.混凝土剖面成分分布的全信息，獲得精確的化學分析結果

骨料分布孔隙分布膠凝材料分布(氯離子示蹤法)一種利用碳酸鈣含量測定裝置測量氫氧化鈣含量的方法混凝土粉末碳化試驗容器(DRB-C1配套)原裝置與方法擋浪壩中的氯離子分布

預制混凝土扭工字塊中的氯離子分布

3.建立混凝土各組分的空間分布模型,與混凝土性能建立聯(lián)系（尺寸效應、邊界效應、彈性模量、徐變等）

混凝土隨機骨料模型：圓型、橢圓型、多邊形4.硬化混凝土原始組分測定熒光顯微圖像法1999年的挪威標準描述了使用熒光顯微鏡法分析W／C的方法。背散射電子圖像法2004年SAHUS等介紹了一種使用背散射電子圖像法(BEI)確定硬化混凝土W／C的技術方法。數(shù)字圖像法2005年ZHANGShuqiang等使用圖像分析軟件處理照片，然后計算隨機提取的樣本基礎色調(diào)強度值和標準差，建立不同樣本的基礎色調(diào)值與設計試樣W／C的關系作為標準曲線，最后用于評估其他待測混凝土的W／C。綜合微觀數(shù)字圖像分析法燒失量法等其他確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測定（2）硬化混凝土水泥用量的確定方法化學分析法水泥溶解法

CaO、SiO2溶解法圖像分析法機械篩分法數(shù)字圖像分析法酸溶解法XRD法（3）硬化混凝土中集料的確定方法顯微鏡法自動測試法自動計算含氣量、氣泡間距系數(shù)、氣泡比表面積等氣孔結構參數(shù)。顯微鏡法與壓汞儀結合可獲得混凝土氣孔的全面資料?；炷疗拭婺ハ鞴ぞ攉@得的三維信息結合圖像分析技術可獲得混凝土氣孔的全面、準確資料。（4）硬化混凝土中含氣量的測定定義曲折因子或連續(xù)性指數(shù)評價混凝土滲透性在描述流體在多孔材料中的滲透時，認為有效擴散系數(shù)Deff不同于理論擴散系數(shù)Db，通常受反映多孔材料內(nèi)部結構的一個因子的影響。其中θc是孔與膠凝材料體積分數(shù)，τ是曲折因子，反映孔、膠凝材料與骨料的交織程度。從試件的特定位置開始對膠凝材料進行豎向的追蹤,通過對每一個橫斷面薄片進行觀察來完成對膠凝材料的追蹤,使得各個方向的膠凝材料分枝都能夠被追蹤到,所得到的結果用膠凝材料連續(xù)性指數(shù)來表示,這個指數(shù)可以表征膠凝材料是否徑向(水平)相通或豎向相通,以及從中央橫斷面連續(xù)傳播的方向。 混凝土斷裂過程的細觀力學模型最具典型的有格構模型(Latticemodel)、隨機粒子模型(Randomparticlemodel)、MohamedAR等提出的細觀模型、隨機骨料模型(Randomaggregatemodel)及唐春安等人提出的隨機力學特性模型等。(5)其他應用混凝土細觀層次界面初始缺陷的初步判斷混凝土材料的破壞開始于其結構在加載前就有的內(nèi)部不可