CN109883928A - 基于ct扫描和三维重构的水泥混凝土渗透能力模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于CT扫描和三维重构的水泥混凝土渗透能力模拟方法；步骤如下：首先、准备包括骨料和硅酸盐水泥；并采用骨料和硅酸盐水泥制作孔隙率为20％，外形呈长方体的试件；其次、测试试件的孔隙率和渗透系数标定；对试件进行CT扫描，沿着样品的高度方向获得多个灰度切片，每两个灰度切片之间的间距相等；然后，进行二维孔隙结构分析；分析孔隙结构特征，对每一个灰度切片的孔隙面积分布、孔隙尺寸分布和孔隙周长进行分析；最后，提取分离的孔模型和连通的孔模型。本发明对CT扫描获得的图像是透水混凝土试样的一系列切片进行处理，构建成3D虚拟透水混凝土模型，分析三维孔径分布，得到连通孔隙模型。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，特别涉及基于CT扫描和三维重构的水泥混凝土渗透能力模拟方法。
背景技术
透水混凝土，也称为无粉混凝土或渗透混凝土，是一种环保的铺路材料，已被公认为可持续发展的关键要素之一。
一般来说，它由水泥、水、均匀的粗骨料组成，很少含有或不含细骨料，具有大的开孔结构。
在实际使用中，由于孔隙度大，透水混凝土具有控制雨水径流，恢复地下水供应和减少水和土壤污染的优势。
此外，透水混凝土还可以有助于减少城市热岛效应和声学噪声，并提高雨天的驾驶安全性。
在许多国家，特别是在美国和日本，透水混凝土已研究和使用了30多年。研究透水混凝土的目的是增加城市的透水和透气空间，以调节城市气候，保持生态平衡。
其中，孔隙结构在透水性混凝土的结构和功能性能中起主导作用。因此，表征孔隙结构并解释其对透水性能的影响是一个研究热点。然而，透水性混凝土的孔隙结构非常复杂，难以直接研究。
因此，急需一种针对水泥混凝土渗透能力的模拟方法，实现在不破坏试件结构的前提下获得透水混凝土内部的图像，克服现有技术的缺陷。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供基于CT扫描和三维重构的水泥混凝土渗透能力模拟方法，实现的目的之一是籍由Avizo软件，对CT扫描获得的图像是透水混凝土试样的一系列切片进行处理，构建成3D虚拟透水混凝土模型，分析三维孔径分布，得到连通孔隙模型；在对模型进行网格划分后，可以将网格导入CFD(计算流体动力学)软件中进行渗流模拟。
为实现上述目的，本发明公开了基于CT扫描和三维重构的水泥混凝土渗透能力模拟方法；步骤如下：
a.准备包括骨料和硅酸盐水泥；
b.采用所述骨料和所述硅酸盐水泥制作孔隙率为20％，外形呈长方体的试件；
c.测试所述试件的孔隙率和渗透系数标定；
所述孔隙率的计算公式如下：
其中，P是总孔隙率；W1是水下重量，单位为kg；W2是炉子干重，单位为：kg；V是样品体积，单位为cm3；ρw是水的密度，单位为kg/cm3；
所述透水系数计算公式如下：
其中，K为透水系数，单位为cm/s；Q为流量，单位为mL；L为试样厚度，单位为cm；A为试样的透水面积，单位为cm2；H为水头高度，单位为cm；Δt是测量的持续时间；
d.对所述试件进行CT扫描，沿着样品的高度方向获得500个灰度切片，每两个所述灰度切片之间的间距相等；
e.二维孔隙结构分析；应用Image-pro图像处理计算机软件来执行图像分析孔隙结构特征，对每一个所述灰度切片的孔隙面积分布、孔隙尺寸分布和孔隙周长进行分析；
f.采用Avizo软件将所有所述灰度切片重建为样本的3D模型；然后，提取分离的孔模型和连通的孔模型；在所述孔隙模型中，孔隙被孔喉分开，用于分析3D孔隙尺寸分布；所述连通孔模型由有效孔组成，在所述连通孔模型中进行绝对渗透率模拟。
优选的，在所述步骤a中所述骨料的集料粒径为2.36mm至4.75mm、4.75mm至6mm、6mm至8mm、8mm至9.5mm、4.75mm至9.5mm、10mm至12.5mm、12.5mm至15mm或者10mm至15mm；
所述硅酸盐水泥为42.5硅酸盐水泥。
优选的，在所述步骤b中，所述试件为100mm×100mm×100mm的立方体浇铸；
每一所述试件的水泥为378kg/m3；水为117kg/m3；骨料为1703kg/m3。
优选的，在所述步骤d中，针对外形尺寸为100mm×100mm×100mm的试件，沿着样品的高度方向以0.2mm的间距获得500个灰度切片。
优选的，所述步骤e的具体步骤如下：。
e1、对所述灰度切片进行剪裁，使画面中的透水混凝土充满整个画面；
e2、对剪裁后的所述灰度切片进行多次表面模糊处理和阈值分割；
e3、籍由image pro软件对所述灰度切片进行孔隙识别；首先通过软件设定孔隙识别颜色，然后进行计算，测定每条孔隙的面积与等效直径。
更优选的，在所述步骤e2中，对剪裁后的所述灰度切片进行5次表面模糊后调节图片阈值。
优选的，所述步骤f的具体步骤如下：
f1、将所有所述灰度切片按次序作为图像序列导入，然后对所述图像序列中的每一个图像做中值滤波、交互式阈值分割处理、开运算、闭运算、填充孔洞；
f2、在每一个形态学操作步骤中均设置图像的阈值或者邻域；
f3、对所述图像序列完成上述预处理之后，采用Apply模块，生成对应的对象，对所述对象进行三维可视化或者切片可视化操作，同时将所述对象以图像文件或者raw文件格式导出。
更优选的，所述步骤f基于三维空间特征的形态学操作。
本发明的有益效果：
本发明籍由Avizo软件，对CT扫描获得的图像是透水混凝土试样的一系列切片进行处理，构建成3D虚拟透水混凝土模型，分析三维孔径分布，得到连通孔隙模型；在对模型进行网格划分后，可以将网格导入CFD(计算流体动力学)软件中进行渗流模拟。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为本发明所述透水混凝土的CT切片扫描图；
图2a为本发明骨料的集料粒径为2.36mm至4.75mm用于图像识别孔隙结构的透水混凝土切片扫描图；
图2b为本发明骨料的集料粒径为4.75mm至9.5mm用于图像识别孔隙结构的透水混凝土切片扫描图；
图2c为本发明骨料的集料粒径为6mm至8mm用于图像识别孔隙结构的透水混凝土切片扫描图；
图2d为本发明骨料的集料粒径为10mm至12.5mm用于图像识别孔隙结构的透水混凝土切片扫描图；
图3a为本发明骨料的集料粒径为2.36mm至4.75mm三维重构出的透水混凝土内部孔隙结构图；
图3b为本发明骨料的集料粒径为4.75mm至6mm三维重构出的透水混凝土内部孔隙结构图；
图3c为本发明骨料的集料粒径为6mm至8mm三维重构出的透水混凝土内部孔隙结构图；
图3d为本发明骨料的集料粒径为8mm至9.5mm三维重构出的透水混凝土内部孔隙结构图；
图3e为本发明骨料的集料粒径为4.75mm至9.5mm三维重构出的透水混凝土内部孔隙结构图；
图3f为本发明骨料的集料粒径为10mm至12.5mm三维重构出的透水混凝土内部孔隙结构图；
图3g为本发明骨料的集料粒径为12.5mm至15mm三维重构出的透水混凝土内部孔隙结构图；
图3h为本发明骨料的集料粒径为10mm至15mm三维重构出的透水混凝土内部孔隙结构图；
图4a为本发明骨料的集料粒径为2.36mm至4.75mm的透水混凝土透水模拟的水流路径图；
图4b为本发明骨料的集料粒径为4.75mm至6mm的透水混凝土透水模拟的水流路径图；
图4c为本发明骨料的集料粒径为6mm至8mm的透水混凝土透水模拟的水流路径图；
图4d为本发明骨料的集料粒径为8mm至9.5mm的透水混凝土透水模拟的水流路径图；
图4e为本发明骨料的集料粒径为4.75mm至9.5mm的透水混凝土透水模拟的水流路径图；
图4f为本发明骨料的集料粒径为10mm至12.5mm的透水混凝土透水模拟的水流路径图；
图4g为本发明骨料的集料粒径为12.5mm至15mm的透水混凝土透水模拟的水流路径图；
图4h为本发明骨料的集料粒径为10mm至15mm的透水混凝土透水模拟的水流路径图；
图5为本发明的流程图；
图6为本发明中渗透系数和绝对渗透率之间的比较折线图。
具体实施方式
实施例
如图1至图6所示，基于CT扫描和三维重构的水泥混凝土渗透能力模拟方法；步骤如下：
a.准备包括骨料和硅酸盐水泥；
在某些实施例中，所述骨料的集料粒径为2.36mm至4.75mm、4.75mm至6mm、6mm至8mm、8mm至9.5mm、4.75mm至9.5mm、10mm至12.5mm、12.5mm至15mm或者10mm至15mm；
所述硅酸盐水泥为42.5硅酸盐水泥。
b.采用所述骨料和所述硅酸盐水泥制作孔隙率为20％，外形呈长方体的试件；
所述试件为100mm×100mm×100mm的立方体浇铸；
每一所述试件的水泥为378kg/m3；水为117kg/m3；骨料为1703kg/m3。
在制作试件时，应将混凝土拌和物一次装入试模，装料时应用抹刀沿试模内壁略加插捣，并使混凝土拌和物高出试模上口，振动应持续到混凝土表面出浆为止(振动时间一般为30s左右)。
采用捣棒人工插捣时，每层装料厚度不应大于100mm，插捣应按螺旋方向从边缘向中心均匀进行，插捣底层时，捣棒应达到试模底面，插捣上层时，捣棒应穿至下层20mm-30mm，插捣时捣棒应保持垂直，同时，还应用抹刀沿试模内壁***数次。
每层的插捣次数一般每100cm2不少于12次(以插捣密实为准)。试件成型后进行养护。
c.测试所述试件的孔隙率和渗透系数标定；
所述孔隙率的计算公式如下：
其中，P是总孔隙率；W1是水下重量，单位为kg；W2是炉子干重，单位为：kg；V是样品体积，单位为cm3；ρw是水的密度，单位为kg/cm3；
所述透水系数计算公式如下：
其中，K为透水系数，单位为cm/s；Q为流量，单位为mL；L为试样厚度，单位为cm；A为试样的透水面积，单位为cm2；H为水头高度，单位为cm；Δt是测量的持续时间；
d.对所述试件进行CT扫描，沿着样品的高度方向获得500个灰度切片，每两个所述灰度切片之间的间距相等；
e.二维孔隙结构分析；应用Image-pro图像处理计算机软件来执行图像分析孔隙结构特征，对每一个所述灰度切片的孔隙面积分布、孔隙尺寸分布和孔隙周长进行分析；
对制作的不同粒径的透水混凝土试件进行CT扫描，每个试件能获得的CT扫描图像约为500张左右。对得到的透水混凝土CT扫描图片剪裁，让画面中的透水混凝土充满整个画面。下一步对剪裁后的CT扫描图片进行多次表面模糊处理和阈值分割，完成处理后采用image pro软件搜集2D孔隙特征数据。采用image pro处理图像的步骤如下：
1、图像的剪裁
在对试件进行CT扫描的时候，会把周围的空间也扫描进去，得到的图片画面中并不只有马歇尔试件，为了后期方便导入软件进行计算与处理，需要将图片剪裁，让画面中的马歇尔时间充满整个画面；
2、图像增强
试件剖面图像获取时，可能会因为各种原因造成图像质量降低的问题，例如光照不均匀会造成图像灰度过于集中；相片获取时模/数转换和线路传输产生噪声。图像质量的降低会使得图像产生噪点或者图像轮廓模糊不清，不利于图像信息的获取。所以往往需要对图像进行增强处理以改善图像效果。
由于CT扫描的是一定厚度内的体层图像，孔隙和混合料的对比并不清晰，因此对剪裁后的CT扫描图片进行多次表面模糊处理和阈值分割，用黑色表示孔隙，白色表示混合料，突出两者间的对比，方便进行后续的图像识别。具体的操作为，进行5次表面模糊后调节图片阈值。“阈值”命令将灰度或彩色图像转换为高对比度的黑白图像，可以指定某个色阶作为阈值。所有比阈值亮的像素转换为白色；而所有比阈值暗的像素转换为黑色。“阈值”命令对确定图像的最亮和最暗区域很有用。在调节过程中将黑白图像与原图进行对比，调节到最佳阈值，是的图片中的黑色孔隙最符合CT扫描图片实际情况。
3、图像识别
经过上述图片的预处理之后，通过image pro软件对透水沥青混合料CT扫描图像进行孔隙识别。首先通过软件设定孔隙识别颜色，然后进行计算，测定每条孔隙的面积与等效直径。
4、计算参数
由于透水混凝土孔隙结构特征的复杂性和孔隙分布的不规则性，通过平面孔隙直接参数无法进行平面孔隙特征的全面描述。因此，本文同时选用普遍接受的孔隙等效直径、平面孔隙率、孔隙面积等指标进行孔隙特征描述，并引入分形维数进行平面孔隙复杂程度的定量描述。下面对平面孔隙量化指标进行介绍：
孔隙数量——每片混合料截面上孔隙的数量
等效直径——与目标孔隙具有相同面积圆的直径，它是描述孔隙尺寸的主要途径，可以反应孔隙大小特征，同时也能够很好的反应透水混凝土的孔隙级配特征。
平面孔隙率——混合料截面图像上孔隙总面积占截面面积的比值。
图像识别得到的透水混凝土孔隙结构如下表所示。
f、采用Avizo软件将所有所述灰度切片重建为样本的3D模型；然后，提取分离的孔模型和连通的孔模型；在所述孔隙模型中，孔隙被孔喉分开，用于分析3D孔隙尺寸分布；所述连通孔模型由有效孔组成，在所述连通孔模型中进行绝对渗透率模拟。
CT扫描后，每个试件有500张图片，将这些CT切片重建为样本的3D模型；本发明的重建过程由Avizo的软件完成。
然后，可以提取分离的孔模型和连通的孔模型。在分离的孔隙模型中，孔隙被孔喉分开，可用于分析3D孔隙特征数据。采用Avizo的三维重构过程如下。
1、导入图像序列，然后对图像做中值滤波、交互式阈值分割处理、开运算、闭运算、填充孔洞。
2、每一个形态学操作步骤都可以设置图像的阈值或者邻域等。
3、基于三维空间特征的形态学操作，可以比较好的保留三维空间特征。
4、对图像序列做预处理之后，点击Apply，生成对应的对象，对其进行三维可视化或者切片可视化操作，同时将图像文件或者raw文件格式导出文件。
下表为三维孔隙分布统计结果：
通过对透水混凝土CT扫描图像的孔隙结构分析，可以得到以下几个结论：
1、孔隙率几乎相同的透水混凝土试件的渗透系数明显不同。随着骨料粒径的增加，透水性混凝土的渗透系数显着增加。
2、无论骨料大小如何，透水混凝土中的孔隙通常都被三到七个骨料包围。大多数毛孔不是圆形的，而是细长的，接近椭圆形。等效椭圆的长轴与短轴之比在1至6之间。
3、无论制备透水混凝土的尺寸是多大，都会有相当一部分小孔(<2mm2)。随着骨料粒径的增加，小孔的含量减少，大孔的比例增加，而中孔的含量变化不是特别明显。2D/3D孔径与等效聚集体尺寸密切相关。随着骨料粒径的增加，2D/3D孔隙尺寸增大，而总孔隙面积逐渐减小。
4、渗透率随着2D/3D图片中孔径的增大而增大，随着总孔隙面积的增加而减小。在渗透率预测中，平均孔隙面积或平均孔隙尺寸比面积中值或尺寸中值更准确。渗透率与大孔隙含量呈正相关，但与小孔隙含量呈负相关。渗透性对小孔的含量最敏感，其次是大孔含量，并且对中孔的含量不太敏感。
Avizo软件提供了一个模块(Avizo XLab Hydro Extension)，用于绝对渗透性实验模拟，通过在四个面上密封闭合给定样品，同时在两个相对面上添加实验设置以沿一个方向引导流动。通过该方法可以获得透水性混凝土的绝对渗透率和路径线。绝对渗透率定义为多孔材料传输单相流体的能力的量度。平衡方程如下：
其中，Q是通过多孔介质的流体流速(m3/s)，S是流体经过的样品的横截面(m2)，k是绝对渗透率(m2)，μ是动态粘度(Pa·s)，ΔP是在试件周围施加的压力差(Pa)，L是样品在流动方向上的长度(m)。
图4显示了透水混凝土中渗流的路径线。可以看出，A组的完全渗流路径(水可以不间断地从样品的顶部到底部流动)是最少的，并且很明显很多渗流线被切断了一半。更重要的是，渗流路径最薄。这可以解释为什么A组的渗透性与其他渗透率相比最低。随着骨料粒径的增加，渗流线的数量增加，渗流路径变厚，有利于水的渗透。下表7是绝对渗透率的模拟结果，渗透系数和绝对渗透率之间的比较如图6所示。虽然试验结果和模拟结果的绝对值不同，但它们对聚集体尺寸的变化非常相似。因此，该模拟方法可以作为描述透水性混凝土渗透性的有效工具。
不同粒径绝对渗透率模拟结果如下表所示：
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.基于CT扫描和三维重构的水泥混凝土渗透能力模拟方法；步骤如下：
a.准备包括骨料和硅酸盐水泥；
b.采用所述骨料和所述硅酸盐水泥制作孔隙率为20％，外形呈长方体的试件；
c.测试所述试件的孔隙率和渗透系数标定；
所述孔隙率的计算公式如下：
其中，P是总孔隙率；W1是水下重量，单位为kg；W2是炉子干重，单位为：kg；V是样品体积，单位为cm3；ρw是水的密度，单位为kg/cm3；
所述透水系数计算公式如下：
其中，K为透水系数，单位为cm/s；Q为流量，单位为mL；L为试样厚度，单位为cm；A为试样的透水面积，单位为cm2；H为水头高度，单位为cm；Δt是测量的持续时间；
d.对所述试件进行CT扫描，沿着样品的高度方向获得500个灰度切片，每两个所述灰度切片之间的间距相等；
e.二维孔隙结构分析；应用Image-pro图像处理计算机软件来执行图像分析孔隙结构特征，对每一个所述灰度切片的孔隙面积分布、孔隙尺寸分布和孔隙周长进行分析；
f.采用Avizo软件将所有所述灰度切片重建为样本的3D模型；然后，提取分离的孔模型和连通的孔模型；在所述孔隙模型中，孔隙被孔喉分开，用于分析3D孔隙尺寸分布；所述连通孔模型由有效孔组成，在所述连通孔模型中进行绝对渗透率模拟。
2.根据权利要求1所述的基于CT扫描和三维重构的水泥混凝土渗透能力模拟方法，其特征在于，在所述步骤a中所述骨料的集料粒径为2.36mm至4.75mm、4.75mm至6mm、6mm至8mm、8mm至9.5mm、4.75mm至9.5mm、10mm至12.5mm、12.5mm至15mm或者10mm至15mm；
所述硅酸盐水泥为42.5硅酸盐水泥。
3.根据权利要求1所述的基于CT扫描和三维重构的水泥混凝土渗透能力模拟方法，其特征在于，在所述步骤b中，所述试件为100mm×100mm×100mm的立方体浇铸；
每一所述试件的水泥为378kg/m3；水为117kg/m3；骨料为1703kg/m3。
4.根据权利要求1所述的基于CT扫描和三维重构的水泥混凝土渗透能力模拟方法，其特征在于，在所述步骤d中，针对外形尺寸为100mm×100mm×100mm的试件，沿着样品的高度方向以0.2mm的间距获得500个灰度切片。
5.根据权利要求1所述的基于CT扫描和三维重构的水泥混凝土渗透能力模拟方法，其特征在于，所述步骤e的具体步骤如下：。
e1、对所述灰度切片进行剪裁，使画面中的透水混凝土充满整个画面；
e2、对剪裁后的所述灰度切片进行多次表面模糊处理和阈值分割；
e3、籍由image pro软件对所述灰度切片进行孔隙识别；首先通过软件设定孔隙识别颜色，然后进行计算，测定每条孔隙的面积与等效直径。
6.根据权利要求5所述的基于CT扫描和三维重构的水泥混凝土渗透能力模拟方法，其特征在于，在所述步骤e2中，对剪裁后的所述灰度切片进行5次表面模糊后调节图片阈值。
7.根据权利要求1所述的基于CT扫描和三维重构的水泥混凝土渗透能力模拟方法，其特征在于，所述步骤f的具体步骤如下：
f1、将所有所述灰度切片按次序作为图像序列导入，然后对所述图像序列中的每一个图像做中值滤波、交互式阈值分割处理、开运算、闭运算、填充孔洞；
f2、在每一个形态学操作步骤中均设置图像的阈值或者邻域；
f3、对所述图像序列完成上述预处理之后，采用Apply模块，生成对应的对象，对所述对象进行三维可视化或者切片可视化操作，同时将所述对象以图像文件或者raw文件格式导出。
8.根据权利要求1所述的基于CT扫描和三维重构的水泥混凝土渗透能力模拟方法，其特征在于，所述步骤f基于三维空间特征的形态学操作。
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2019
- 2019-03-29 CN CN201910250439.2A patent/CN109883928A/zh active Pending
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