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【鋼纖維】混凝土的X-ray 掃描及圖像處理

文章出處:責(zé)任編輯:鼎強鋼纖維人氣:-發(fā)表時間:2017-08-29 18:00【

  為進(jìn)行 X-ray CT 掃描取得混凝土內(nèi)部圖像以及對比分析鋼纖維的分布,實驗室分別制備了定向與亂向鋼纖維混凝土試件。實驗采用了統(tǒng)一的基準(zhǔn)混凝土配合比,水∶ 水泥∶砂∶ 石子 = 0. 4∶ 1∶ 1. 8∶ 2. 2。所用水泥為 P·O 42. 5級普通硅酸鹽水泥; 細(xì)集料采用天然河沙,細(xì)度模數(shù)2. 5; 鋼纖維為端鉤型,長 25 mm,直徑 0. 5 mm,長徑比 50,抗拉強度 > 1 100 MPa。鋼纖維混凝土中骨料的粒徑需不大于 20 mm 或 2 /3 的纖維長度,因此骨料選取最大粒徑為 20 mm 的石灰石碎石。所有原材料均符合《普通混凝土配合比試驗規(guī)程》中的要求。
  在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上,制備了鋼纖維體積摻量為 0. 9% 、1. 2% 、1. 5% 的定向與亂向鋼纖維混凝土試件,試件尺寸為邊長 100mm 的立方體,定向鋼纖維混凝土試件的制備按文獻(xiàn)[8]的方法進(jìn)行。定向鋼纖維混凝土試件分別標(biāo)記為 D09、D12 和 D15,亂向鋼纖維混凝土試件分別標(biāo)記為 L09、L12、L15( 其中 09、12、15 分 別 表 示 鋼 纖維 的 體 積 摻 量 為0. 9% 、1. 2% 、1. 5% ) 。試 件 標(biāo) 準(zhǔn) 養(yǎng) 護(hù) 7d 后,進(jìn)行X-ray CT 掃描測試并分析。鋼纖維混凝土試件的 X-ray CT 掃描儀器為YXLON 生產(chǎn)的高分辨率的 Y. CT Precision S 斷層掃描系統(tǒng),試件從上到下每 0. 14 mm 掃描得到一張圖像,每個試件可掃描得到 700 多張圖像,完整反映了鋼纖維在混凝土內(nèi)部的分布細(xì)節(jié)。
  CT 設(shè) 備主 要 由 X-ray 源 和 探 測 器 組成,X-ray穿透物體,不同密度的物質(zhì)對 X-ray 有不同的吸收能力,探測器收集 X-ray 經(jīng)不同物質(zhì)吸收后的信息,
將 X-ray 信號轉(zhuǎn)變成電信號后送入計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行運算得出與該點 X-ray 吸收系數(shù)直接關(guān)聯(lián)的 CT 數(shù)值( 灰度值) 作為該點的像素點,這些像素點按物質(zhì)原有順序排列,即構(gòu)成 CT 圖像。每一張原始掃描圖像尺寸約為 100 mm × 100mm,為避免邊壁效應(yīng)對分析結(jié)果的影響,保證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性,選取試件中心 80 mm × 80 mm 的區(qū)域進(jìn)行圖像分析,將區(qū)域外的部分去除( 如圖 1) 。

  掃描圖像由無數(shù)個像素點組成,不同像素點具有相應(yīng)的 CT 數(shù)值,不同材料對應(yīng)的 CT 數(shù)( 灰度) 不同,其中鋼纖維的最高( 圖 1 中白點) ,粗骨料其次,水泥砂漿再次之,孔隙的灰度最低。通過對圖像進(jìn)行二值化處理,可將鋼纖維像素點從鋼纖維混凝土試件截面圖中提取出來。圖像二值化即將所有灰度大于或等于特定 CT 數(shù)的像素點判定為屬于特定物體,其灰度值用 255 表示,否則這些像素點被排除在物體區(qū)域以外,灰度值為 0,表示背景區(qū)域。為將鋼纖維像素點從截面圖像中提取出來,將鋼纖維混凝土 CT 圖像二值化處理,根據(jù)圖像處理經(jīng)驗將代表鋼纖維像素的灰度值( 150 ~ 255) 設(shè)置為 255,其余像素的灰度值( 0 ~ 150) 均設(shè)置為 0 作為背景色( 圖2) 。

  然后,通過圖像處理軟件獲取二值圖像上每一個鋼纖維像素點的坐標(biāo)值,結(jié)合截面在混凝土中的位置,確定該點的空間坐標(biāo)。將二值化處理后且獲取鋼纖維點坐標(biāo)的數(shù)百張圖片依序放置( 圖 3) ,根據(jù)相鄰圖片上鋼纖維像素的位置,分析重構(gòu)鋼纖維的分布。重構(gòu)方法如下。

  首先,如圖 3 所示,識別每層圖像內(nèi)鋼纖維的截面輪廓,因所用鋼纖維直徑為 0. 5 mm,而相鄰圖像在試件中的位置相差 0. 14 mm,同一鋼纖維輪廓在相鄰圖像中肯定會部分或全部重疊。從第一張出現(xiàn)鋼纖維橫截面像素點的圖像開始,采用三角面片法將相鄰圖片上位置有重疊的鋼纖維像素點構(gòu)成的大小、形狀一致的截面輪廓線相連,到數(shù)張圖片后鋼纖維截面消失,構(gòu)成一根完整的鋼纖維。
  其次,所用鋼纖維為端鉤型,端鉤前后相鄰圖像中纖維截面像素點組成的截面輪廓線大小、形狀不發(fā)生變化,端鉤處由于存在彎點使相鄰圖像中纖維截面輪廓線形狀變化較大,但構(gòu)成端鉤的圖片數(shù)量有限,即數(shù)張圖片之后相鄰圖像中纖維截面連線的斜率不再變化。
  另外,當(dāng)兩根纖維出現(xiàn)交叉時,隨著交叉點的靠近圖像上兩根鋼纖維的橫截面輪廓線會逐漸靠近,在交叉點處兩纖維截面輪廓線相切,交叉點之后圖像上的兩截面又將逐漸遠(yuǎn)離,直到鋼纖維的橫截面在圖像中消失,整根鋼纖維的三維重構(gòu)過程完成。最后,將全部纖維三維重構(gòu)完成后可清晰看到鋼纖維在三維空間中的分布情況。


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