基于图像分析的混凝土中界面过渡区孔隙率定量表征方法技术

本发明专利技术公开了一种基于图像分析的混凝土中界面过渡区孔隙率定量表征方法。包括以下步骤：1）获取混凝土中含界面过渡区的背散射电子显微镜图像；2）对图像进行灰度处理并标定尺寸；3）确定背图像的界面过渡区并标注其边界，对界面过渡区进行等距离条带划分，得到多条细分带；4）采用阈值法对每条细分带的孔隙进行分割，确定最佳阈值，根据灰度确定每条细分带的总面积和孔的面积；5）计算每条细分带的孔隙率并绘制界面过渡区与骨料/纤维距离的孔隙率曲线。本发明专利技术基于混凝土内部组成如孔隙、基体和骨料/纤维等灰度的区别，准确识别组分的边界，并最终定量表征界面过渡区孔隙率并确认界面过渡区的厚度，简单易操作且分析精度高。简单易操作且分析精度高。简单易操作且分析精度高。

【技术实现步骤摘要】
基于图像分析的混凝土中界面过渡区孔隙率定量表征方法


[0001]本专利技术涉及建筑材料计算机图像分析
，特别是一种基于图像分析的混凝土中界面过渡区孔隙率定量表征方法。

技术介绍

[0002]混凝土是一种由水泥、骨料、水、外加剂等拌合后凝结硬化而成的一种典型的多相多尺度结构，通常包括宏观、细观、微观和纳观四个尺度。混凝土在细观尺度下，主要由骨料、基体、骨料
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基体界面过渡区组成，可以采用电子显微镜和光学显微镜进行研究，这个层次下集料
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水泥浆体之间的界面过渡区是混凝土结构的一个显著特征。在混凝土配制过程中，大颗粒骨料或钢筋等周围会形成一层水膜，这导致它们周边的水灰比要高于基体本身。同时，由水泥熟料和石膏等溶解产生的钙、硫酸根、铝酸根离子会与水泥浆结合最先生成钙矾石和氢氧化钙。由于骨料周围的水灰比高，导致结晶产物粗大多孔，因而会形成比水泥浆或砂浆本体更多孔隙的过渡结构。纤维、集料与水泥基的界面层的厚度一般为50～100μm，其硬度主要随基体特性而变化。在界面区内原始裂缝增多变大，是受力后最先引起破坏的薄弱区。纤维
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基体界面层具有水灰比和孔隙率比基体高，网络结构比基体疏松等特点，界面层中CH晶体定向排列，且取向指数高，取向范围大，其含量通常比基体高20％～40％。
[0003]由于素混凝土具有典型的脆性，为了提高其抗拉强度和韧性，通常在里头掺入钢筋或钢纤维等增强材料。增强材料的加入会新增钢筋
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基体、纤维
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基体界面过渡区，其界面过渡区的质量直接影响钢筋/纤维
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基体粘结性能以及最终纤维增强混凝土的力学性能等。对混凝土中界面过渡区质量的研究，通常可采用显微硬度法、纳米压痕法等方法来进行表征。显微硬度法和纳米压痕法可以定量表征界面过渡区的微观力学性能，但是它通常要求试件非常平整、且需要大量的统计数据，同时它难以定量描述界面过渡区的厚度和孔隙率。BSEM分析方法是一种很流行的广泛用于建筑材料性能表征的手段，可用来分析水泥基材料中微区的化学成分、辨别不同的物相和微观结构、定量统计物相体积含量、研究水化程度、定性和定量地分析孔结构。BSEM的灰度取决于不同微区物相的平均原子序数，样品表面平均原子序数越高，产生的背散射电子信号越强，BSEM中图像亮度越大，灰度越小。在硅酸盐水泥硬化浆体中，BSEM图像的灰度值从暗到亮可粗略地分为：孔隙或裂缝、水化硅酸钙凝胶、氢氧化钙(CH)和未水化水泥熟料等四类物相。
[0004]目前，关于混凝土内界面过渡区孔隙率表征方法相关文献至今没见发表。尽管CN113155042B公开了一种混凝土内界面过渡区厚度测量方法，该方法采用图像观察法获取混凝土试块受压变形图像、处理分析图像中各区域的位移变形情况，最终计算界面过渡区的厚度，但该方法并未涉及界面过渡区的孔隙率计算和表征；CN110458816A公开了一种基于阈值回归的纤维材料孔隙率分析方法，然而多项多尺度的混凝土材料内部微观结构远比纤维材料复杂得多。考虑到混凝土中界面过渡区的复杂性和随机性，因此需要探索出一种全新的混凝土中界面过渡区孔隙率的表征方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于，提供一种基于图像分析的混凝土中界面过渡区孔隙率定量表征方法。本专利技术利用现有图像技术基于混凝土内部组成如孔隙、基体和骨料/纤维等灰度的区别，准确识别组分的边界，并最终定量表征界面过渡区孔隙率并确认界面过渡区的厚度，简单易操作且分析精度高。
[0006]本专利技术的技术方案：一种基于图像分析的混凝土中界面过渡区孔隙率定量表征方法，包括以下步骤：
[0007]1)获取混凝土中含界面过渡区的背散射电子显微镜图像；
[0008]2)对背散射电子显微镜图像进行灰度处理并标定尺寸；
[0009]3)确定背散射电子显微镜图像的界面过渡区并标注其边界，对界面过渡区进行等距离条带划分，得到多条细分带；
[0010]4)采用阈值法对每条细分带的孔隙进行分割，确定最佳阈值，根据灰度确定每条细分带的总面积和孔的面积；
[0011]5)计算每条细分带的孔隙率并绘制界面过渡区与骨料/纤维距离的孔隙率曲线。
[0012]前述的基于图像分析的混凝土界面过渡区孔隙率定量表征方法的步骤1)中，所述混凝土为大小1～2cm的近立方体试样。该取样结构，有利于观测混凝土内部的材料组成和结构。
[0013]前述的基于图像分析的混凝土界面过渡区孔隙率定量表征方法的步骤1)中，混凝土需进行如下前处理：放置在无水酒精中浸泡1d后在60
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2℃下干燥48h。通过该处理，能够终止水化，因为混凝土内部自由水的存在，会使得水泥跟水反应生成其它的水化产物，导致孔结构、未水化水泥等含量及结构的变化，同时水分的存在会影响电子显微镜SEM图观察的质量。
[0014]前述的基于图像分析的混凝土界面过渡区孔隙率定量表征方法中，前处理的混凝土，在密封干燥环境保存。
[0015]前述的基于图像分析的混凝土界面过渡区孔隙率定量表征方法的步骤1)中，混凝土需进行如下前处理：混凝土表面先进行粗糙打磨，然后树脂浸渍，再进行细磨，最后采用悬浮液进行抛光并采用超声波清洗。BSEM测试需要试样的表面非常平整光滑，基于此对样品表面要进行打磨抛光。树脂浸渍样品主要是起到一个保护支撑微观结构的作用，因为混凝土内部有钢纤维、骨料、水泥浆体，而纤维和骨料比水泥浆体坚硬很多，免得内部微观结构受损。
[0016]前述的基于图像分析的混凝土界面过渡区孔隙率定量表征方法的步骤1)中，所述界面过渡区为骨料
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基体的界面过渡区，或者为纤维/钢筋
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基体的界面过渡区；所述基体的水胶比为0.18～0.6。
[0017]前述的基于图像分析的混凝土界面过渡区孔隙率定量表征方法的步骤3)中，所述界面过渡区进行等距离条带划分时，先根据标注的边界形状按照“同心膨胀法”确定5～10条细分带，每条细分带宽5～10μm。专利技术人通过大量试验总结分析发现，混凝土内部界面过渡区通常厚度大概30～100μm。此外条带宽度如果太细，图片分辨率低的话难以划分，太粗的话测量的精度会降低。因此，专利技术人根据这个总的范围，再结合测量精度及分辨率进行综合分析考量后，最终确定条带的宽度的最优范围。
[0018]前述的基于图像分析的混凝土界面过渡区孔隙率定量表征方法的步骤4)中，最佳阈值采用“切线交叉点”法确定。
[0019]前述的基于图像分析的混凝土界面过渡区孔隙率定量表征方法的步骤5)中，每条细分带的孔隙率等于内部的孔隙面积除以细分带总的面积。
[0020]有益效果：与现有技术相比，本专利技术提供了一种基于图像分析的混凝土中界面过渡区孔隙率定量表征方法，根据获取的BSEM图像并借助图像处理软件，可以有效的表征混凝土中界面过渡区，包括纤维
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基体界面过渡区、骨料
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基体界面过渡区等的孔隙率。目前没有通过图像识别本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于图像分析的混凝土中界面过渡区孔隙率定量表征方法，其特征在于：包括以下步骤：1）获取混凝土中含界面过渡区的背散射电子显微镜图像；2）对背散射电子显微镜图像进行灰度处理并标定尺寸；3）确定背散射电子显微镜图像的界面过渡区并标注其边界，对界面过渡区进行等距离条带划分，得到多条细分带；4）采用阈值法对每条细分带的孔隙进行分割，确定最佳阈值，根据灰度确定每条细分带的总面积和孔的面积；5）计算每条细分带的孔隙率并绘制界面过渡区与骨料/纤维距离的孔隙率曲线。2. 根据权利要求1所述的基于图像分析的混凝土界面过渡区孔隙率定量表征方法，其特征在于：步骤1）中，所述混凝土为大小1～2 cm的近立方体试样。3. 根据权利要求1所述的基于图像分析的混凝土中界面过渡区孔隙率定量表征方法，其特征在于：步骤1）中，混凝土需进行如下前处理：放置在无水酒精中浸泡1 d后在60
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2 ℃下干燥48 h。4.根据权利要求3所述的基于图像分析的混凝土中界面过渡区孔隙率定量表征方法，其特征在于：前处理的混凝土，在密封干燥环境保存。5.根据权利要求1所述的基于图像...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴泽媚，解静，张宏伟，张轩翰，史才军，胡翔，张艳聪，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：