基于多尺度孔隙图像的水泥基材料氯离子扩散预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多尺度孔隙图像的水泥基材料氯离子扩散预测方法，包括：通过聚焦离子束/扫描电子显微镜方法和X射线计算机断层扫描方法获取水泥基材料样品在两种不同尺度下的二维序列图像；对二维序列图像进行预处理；使用Avizo软件对二维序列图像进行孔隙三维建模，生成两种孔隙三维模型；对孔隙三维模型进行孔隙分隔，生成分离孔隙模型和连通孔隙模型；定量分析获取水泥基材料样品的孔结构特征参数；使用格子玻尔兹曼方法，对氯离子扩散进行模拟。本发明专利技术的方法基于水泥基材料微结构具有多尺度的特征，通过XCT和FIB

【技术实现步骤摘要】
基于多尺度孔隙图像的水泥基材料氯离子扩散预测方法


[0001]本专利技术属于水泥基材料耐久性研究领域，具体涉及一种水泥基材料氯离子扩散预测方法。

技术介绍

[0002]混凝土是一种水泥基材料，被广泛的应用于建造领域，在国民经济中占有重要地位。钢筋锈蚀导致的钢筋混凝土结构性能退化是结构耐久性中最主要的祸害之一，尤其是在海工建筑上，这个问题尤为突出。因此海洋环境下的钢筋混凝土结构，通常使用氯离子扩散系数作为表征混凝土抵抗氯离子侵蚀能力的重要耐久性指标。目前，确认氯离子扩散系数的传统试验方法方面有自然扩散法、电导法、电加速氯离子迁移法等。但传统的测试方法有着耗时长、试验影响因素复杂、误差大等缺点。
[0003]随着对水泥基材料耐久性研究的深入，孔隙结构被认为是一个非常重要的微观结构特征，水泥基材料的微观孔隙结构被认为是影响氯离子传输的最直接因素。许多经验公式模型被运用于渗透模拟运算中，包括Carman
‑
Kozeny模型、Katz
‑
Thompson模型等。虽然经验公式计算具有一定的便捷性，但其无法对各组分、各尺度孔隙结构的作用方式进行分析。因此基于孔隙结构的预测水泥基材料氯离子扩散系数的数值方法正在成为一个热门研究方向。
[0004]然而水泥基材料中孔径分布范围很广，且孔隙结构复杂，可跨越宏观(>10
‑1m)、细观(10 ‑4～10
‑1m)、微观(10
‑8～10
‑4m)三个尺度。通常通过孔隙率、孔径分布、孔比表面积、特征孔径、孔连通度、孔迂曲度等参数来表征孔隙结构。因此水泥基材料孔隙结构的试验精确表征以及基于真实孔隙结构的流体和离子传输模拟成为了目前微观尺度上预测水泥基材料氯离子扩散系数急需解决的问题。
[0005]因此，急需一种方法，能够在更为精准的水泥基材料孔隙结构试验表征的前提下，更好地模拟氯离子在孔隙中的传输现象，从而预测水泥基材料氯离子扩散性能。

技术实现思路

[0006]基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本专利技术提供了一种基于多尺度孔隙结构预测水泥基材料氯离子扩散性的方法，能够精准表征水泥基材料微米及纳米尺度孔隙结构，能更准确地模拟氯离子在孔隙中的传输现象，从而达到准确预测水泥基材料氯离子扩散性能的目的。
[0007]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种基于多尺度孔隙图像的水泥基材料氯离子扩散预测方法，包括：
[0009]S1、通过X射线计算机断层扫描(XCT)、聚焦离子束/扫描电子显微镜(FIB/SEM)方法分别获取水泥基材料样品中微米级别和纳米精度的二维序列图像；
[0010]S2、对二维序列图像进行预处理；
[0011]S3、采用Avizo软件将预处理的二维序列图像生成两种孔隙三维模型；
[0012]S4、对孔隙三维模型进行孔隙分隔，生成分离孔隙模型和连通孔隙模型；
[0013]S5、使用分离孔隙模型和连通孔隙模型进行定量分析，获取水泥基材料样品的孔结构特征参数；
[0014]S6、使用格子玻尔兹曼方法，根据两种孔隙三维模型和孔结构特征参数对氯离子扩散进行模拟。
[0015]作为一种优选的实施方式，步骤S4包括如下步骤：
[0016]S41、使用溢出法获取孔隙三维模型的孔隙分割阈值；
[0017]S42、使用孔隙分割阈值对空隙进行分割，得到孔隙二维切片图和孔隙三维结构图。
[0018]作为一种进一步优选的实施方式，步骤S5包括如下步骤：
[0019]S51、对孔隙二维切片图和三维结构图进行定量分析，计算孔隙率；
[0020]S52、使用三维结构图计算连通的孔隙体积占总孔隙体积的百分比，生成连通孔隙三维渲染图；
[0021]S53、将连通孔隙三维渲染图中的单个打孔分割为多个相连的小孔，生成孔隙网络模型；
[0022]S54、计算孔隙网络模型的孔结构特征参数。
[0023]作为一种进一步优选的实施方式，孔结构特征参数包括：
[0024]孔隙率、连分布算法孔径分布、孔隙形状、孔隙取向、连通度以及迂曲度。
[0025]作为一种优选的实施方式，步骤S6包括如下步骤：
[0026]S61、将两种孔隙三维模型转化为数字试样矩阵；
[0027]S62、使用孔结构特征参数定义数字试样矩阵中各网格点的初始条件；
[0028]S63、使用孔结构特征参数定义数字试样矩阵中各网格点的边界条件；
[0029]S64、根据离散方程模拟数字试样矩阵中粒子的碰撞与迁移过程，更新每个节点处的氯离子浓度，直到达到稳态扩散条件；
[0030]S65、统计数字试样矩阵中各网格点的宏观参量。
[0031]作为一种优选的实施方式，步骤S6的格子玻尔兹曼方法使用D3Q7模型。
[0032]作为一种优选的实施方式，对于聚焦离子束/扫描电子显微镜方法获取的二维序列图像，步骤S2使用如下步骤进行预处理：
[0033]S21、修正图像分辨率；
[0034]S22、修正图像相对位置；
[0035]S23、图像降噪。
[0036]作为一种优选的实施方式，对于X射线计算机断层扫描获取的二维序列图像，步骤S2使用如下步骤进行预处理：
[0037]S24、转化为8位灰度图像；
[0038]S25、使用中值滤波器降噪。
[0039]作为一种优选的实施方式，聚焦离子束/扫描电子显微镜方法方法使用5
×5×
3mm的片状水泥基样品；
[0040]X射线计算机断层扫描方法使用直径2mm、高2mm的圆柱水泥基样品。
[0041]本专利技术与现有技术相比，有益效果是：
[0042]本专利技术的水泥基材料氯离子扩散预测方法基于X射线计算机断层扫描和聚焦离子束/扫描电子显微镜方法两种方法建立两种微米和纳米的尺度下的三维孔隙图像，因此，本专利技术的方法可以多尺度精确表征水泥基材料孔结构特征参数，真实反映水泥基材料的孔隙特征；并结合格子玻尔兹曼方法中流体相互作用易描述、复杂边界易设置、并行计算容易等优势模拟孔隙内氯离子的扩散性能，计算氯离子扩散系数，进而利用氯离子扩散系数为水泥基材料抵抗氯离子侵蚀能力的预测提供帮助。
附图说明
[0043]图1所示为本专利技术的水泥基材料氯离子扩散预测方法的流程图；
[0044]图2所示为本专利技术实施例的孔隙二维切片图；
[0045]图3所示为本专利技术实施例的孔隙三维结构图；
[0046]图4所示为本专利技术实施例的连通孔隙三维渲染图；
[0047]图5所示为本专利技术实施例的孔隙网络模型；
[0048]图6所示为本专利技术实施例的氯离子沿不同方向扩散的浓度分布。
具体实施方式
[0049]下面将结合本申请实施例中的图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
[0050]在下述介本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多尺度孔隙图像的水泥基材料氯离子扩散预测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、通过X射线计算机断层扫描、聚焦离子束/扫描电子显微镜方法分别获取水泥基材料样品中微米级别和纳米精度的二维序列图像；S2、对所述二维序列图像进行预处理；S3、采用Avizo软件将预处理的二维序列图像生成两种孔隙三维模型；S4、对所述孔隙三维模型进行孔隙分隔，生成分离孔隙模型和连通孔隙模型；S5、使用所述分离孔隙模型和所述连通孔隙模型进行定量分析，获取所述水泥基材料样品的孔结构特征参数；S6、使用格子玻尔兹曼方法，根据所述两种孔隙三维模型和所述孔结构特征参数对氯离子扩散进行模拟。2.如权利要求1所述的一种基于多尺度孔隙图像的水泥基材料氯离子扩散预测方法，其特征在于，所述步骤S4包括如下步骤：S41、使用溢出法获取所述孔隙三维模型的孔隙分割阈值；S42、使用所述孔隙分割阈值对空隙进行分割，得到孔隙二维切片图和孔隙三维结构图。3.如权利要求2所述的一种基于多尺度孔隙图像的水泥基材料氯离子扩散预测方法，其特征在于，所述步骤S5包括如下步骤：S51、对所述孔隙二维切片图和所述三维结构图进行定量分析，计算孔隙率；S52、使用所述三维结构图计算连通的孔隙体积占总孔隙体积的百分比，生成连通孔隙三维渲染图；S53、将所述连通孔隙三维渲染图中的单个打孔分割为多个相连的小孔，生成孔隙网络模型；S54、计算所述孔隙网络模型的孔结构特征参数。4.如权利要求3所述的一种基于多尺度孔隙图像的水泥基材料氯离子扩散预测方法，其特征在于，所述孔结构特征参数包括：孔隙率、连分布算法孔径分布、孔隙形状、孔隙取...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋志律，洪思凡，潘英杰，付传清，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：