高婷 桑正輝
(1.湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410100;2.中大檢測(cè)(湖南)股份有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410000)
綠色生態(tài)混凝土是一種具有高孔隙率和高透水性能的綠色生態(tài)材料,孔結(jié)構(gòu)對(duì)其物理力學(xué)性能和耐久性能有著十分重要的影響。為了研究綠色生態(tài)混凝土宏微觀性能及其植物相容性,揭示不同植物根系在其孔隙內(nèi)的發(fā)展規(guī)律,需首先確定其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化特征。
與普通混凝土相比,綠色生態(tài)混凝土的研究還處于初級(jí)階段。近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用數(shù)字圖像處理技術(shù),基于分形理論和圖像算法對(duì)綠色生態(tài)混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探索,并取得了一定的研究成果。由于綠色生態(tài)混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,很難人工定量和定性的對(duì)孔隙特征及數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,因此借助圖像處理軟件,可以更簡(jiǎn)單、精確的對(duì)其內(nèi)部孔隙進(jìn)行處理計(jì)算,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)綠色生態(tài)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能的研究。
曾超等采用PS、MATALB等軟件對(duì)生態(tài)多孔混凝土的切片斷面進(jìn)行分析,并運(yùn)用數(shù)盒子法分析其孔隙結(jié)構(gòu)特征關(guān)系。尹志剛等采用CT掃描技術(shù)對(duì)再生骨料透水混凝土在凍融循環(huán)下的孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究。梁麗敏采用Image-Pro Plus圖像處理軟件對(duì)生態(tài)混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析測(cè)量,通過MATLAB軟件對(duì)生態(tài)混凝土三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真重建。蔣昌波等采用圖像處理技術(shù)對(duì)不同粒徑、不同水灰比的多孔混凝土內(nèi)部孔徑分布情況及平面連通孔隙率進(jìn)行了研究。
由此可見,CT掃描技術(shù)、圖像處理技術(shù)可對(duì)綠色生態(tài)混凝土的孔結(jié)構(gòu)情況及孔隙率進(jìn)行計(jì)算分析,為綠色生態(tài)混凝土孔結(jié)構(gòu)與植物相容性研究提供理論依據(jù)。
水泥:本試驗(yàn)采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,其物理力學(xué)性能見表1所示。
表1 水泥的物理力學(xué)性能
粗集料:本研究采用兩種粒徑分別為16~19mm、19~26.5mm的粗骨料,其基本性能試驗(yàn)指標(biāo)見表2。
表2 粗骨料基本性能試驗(yàn)指標(biāo)/kg/m3
1.2.1 孔結(jié)構(gòu)圖像獲取
對(duì)孔結(jié)構(gòu)圖像的獲取方法,本試驗(yàn)采用CT掃描技術(shù),運(yùn)用X射線對(duì)綠色生態(tài)混凝土試塊進(jìn)行分層掃描,從而得到斷面粗骨料排列連接的圖像信息,經(jīng)相關(guān)軟件處理轉(zhuǎn)換成孔結(jié)構(gòu)剖面圖,可以在不改變外部形態(tài)及內(nèi)部構(gòu)造的情況下觀測(cè)綠色生態(tài)混凝土內(nèi)部孔隙的分布特征,對(duì)分析綠色生態(tài)混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)形態(tài)變化具有重要意義。
試驗(yàn)過程如下:將邊長(zhǎng)為150㎜的綠色生態(tài)混凝土立方體試塊養(yǎng)護(hù)至適當(dāng)齡期后,采用CT儀進(jìn)行連續(xù)分層掃描,每層厚度5mm,共30層。
1.2.2 孔結(jié)構(gòu)圖像處理
將儲(chǔ)存圖像用Med Explorer軟件進(jìn)行黑白調(diào)窗處理,其過程如圖1所示。
圖1 綠色生態(tài)混凝土某一斷面處理后孔結(jié)構(gòu)圖像
1.2.3 圖像孔隙率計(jì)算
綠色生態(tài)混凝土目標(biāo)孔隙率為20%~30%,經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)配合比后實(shí)測(cè)孔隙率為26%~28%。為了從理論上分析綠色生態(tài)混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)分布情況,本試驗(yàn)采用Image-Pro Plus圖像處理軟件對(duì)綠色生態(tài)混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試,可得到總截面積S和總孔隙面積S,使用相關(guān)公式:
可得到圖像分析孔隙率值。根據(jù)Deless相關(guān)定律,從綠色生態(tài)混凝土二維斷面上得到的參數(shù)可以用來表示三維立體結(jié)構(gòu)信息,即可以用圖像分析法測(cè)得的斷面孔隙率來表示綠色生態(tài)混凝土立方體的孔隙率值。
1.2.4 孔隙面分形維數(shù)的測(cè)定
綠色生態(tài)混凝土切片厚度為2mm,忽略厚度并采用分形維數(shù)法對(duì)綠色生態(tài)混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究,其分形特征主要表現(xiàn)為顆粒形狀、粒徑以及級(jí)配,以碎石顆粒為研究對(duì)象,可以采用“小島法”來進(jìn)行描述。其原理如下。
對(duì)于三角形、矩形、圓形等幾何規(guī)則圖形,其周長(zhǎng)L與面積A有如下關(guān)系:
對(duì)于地形、海島、材料內(nèi)部的微細(xì)裂縫等自然界不規(guī)則圖形,則存在:
公式(3)中D為不規(guī)則圖形的分形維數(shù)。整理后可得:
公式(4)中C為常數(shù),設(shè)K為ln L與ln A之間的斜率,則K=D
/2,可得出分形維數(shù)D=2K。通過Med Explorer軟件處理后的綠色生態(tài)混凝土孔結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖2所示。
圖2 孔結(jié)構(gòu)取樣圖片
從圖2可以看出,綠色生態(tài)混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)明顯、清晰,且分布均勻,連通孔隙較多,用大粒徑骨料制備的綠色生態(tài)混凝土內(nèi)部孔隙更為明顯,更有利于綠色植物根系的生長(zhǎng)。同時(shí)也表明綠色生態(tài)混凝土骨料粒徑越大,內(nèi)部孔隙率越大,透水性越強(qiáng),有利于自然界的水氣循環(huán),可以大大緩解溫室效應(yīng)。
采用實(shí)測(cè)法和圖像分析法測(cè)得的孔隙率及參數(shù)如表3所示。
表3 綠色生態(tài)混凝土孔隙率對(duì)比參數(shù)
表3的試驗(yàn)結(jié)果表明:骨料粒徑為16.0~19.0mm的綠色生態(tài)混凝土圖像分析孔隙率為28.03%,與實(shí)測(cè)孔隙率26.58%相差5.46%;骨料粒徑為19.0~26.5mm的綠色生態(tài)混凝土圖像分析孔隙率為29.41%,與實(shí)測(cè)孔隙率27.22%相差9.96%;隨著骨料粒徑的增大,實(shí)測(cè)孔隙率與圖像分析孔隙率也隨之增大,且圖像分析孔隙率值略大于實(shí)測(cè)孔隙率值。其原因可能是圖像處理過程存在一定的試驗(yàn)誤差,但兩種粒徑的測(cè)試結(jié)果均在目標(biāo)孔隙率范圍內(nèi),說明采用CT掃描技術(shù)結(jié)合Image pro-plus圖像處理技術(shù)可對(duì)綠色生態(tài)混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙率值進(jìn)行處理和分析,進(jìn)一步簡(jiǎn)化和探明綠色生態(tài)混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的特征。
通過Image pro-plus軟件測(cè)得部分孔結(jié)構(gòu)切面的面積與周長(zhǎng),用origin軟件進(jìn)行擬合分析,其處理結(jié)果如圖3所示。
圖3 19~26.5mm粒徑綠色生態(tài)混凝土斷面分形維數(shù)
從圖3可以看出,骨料粒徑為19~26.5mm的綠色生態(tài)混凝土孔結(jié)構(gòu)斷面展現(xiàn)出較好的分形特性,斷面孔隙周長(zhǎng)與孔隙面積之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,即表明可以用分形幾何關(guān)系來表示綠色生態(tài)混凝土內(nèi)部孔隙特征。
根據(jù)“小島法”相關(guān)原理,分形維數(shù)越高,說明研究對(duì)象越復(fù)雜、越粗糙、越不均勻、越不規(guī)則。綠色生態(tài)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性、不確定性、自相似性和模糊性正是其復(fù)雜性的體現(xiàn),采用分形理論可以將綠色生態(tài)混凝土孔結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征進(jìn)行量化和具體化,從而更加精確的描述其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。處理結(jié)果如圖4。
圖4 面分?jǐn)?shù)維與綠色生態(tài)混凝土孔隙率的關(guān)系
結(jié)果表明:綠色生態(tài)混凝土孔隙率P(y)隨面分形維數(shù)D(x)的增大而增大,且具有較好的相關(guān)性,相關(guān)方程為y=56.26097x-48.55947。說明綠色生態(tài)混凝土骨料粒徑越大,孔隙率越大,其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、越不規(guī)則,通過對(duì)綠色生態(tài)混凝土斷面分形維數(shù)的研究,建立孔隙結(jié)構(gòu)與其宏、微觀結(jié)構(gòu)性能之間的關(guān)系,為后續(xù)綠色生態(tài)混凝土植物相容性研究提供理論依據(jù)。
1)采用CT掃描技術(shù)和Image-Pro Plus圖像分析軟件對(duì)綠色生態(tài)混凝土的孔隙率進(jìn)行計(jì)算和分析,得出圖像分析孔隙率值略大于實(shí)測(cè)孔隙率值,且均在目標(biāo)孔隙率范圍內(nèi)。隨著綠色生態(tài)混凝土骨料粒徑的增大,孔隙率也隨之增大;2)基于分形理論基礎(chǔ),對(duì)綠色生態(tài)混凝土斷面分形維數(shù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)其面分形維數(shù)D與孔隙率之間存在較好的相關(guān)性,綠色生態(tài)混凝土孔隙率隨面分形維數(shù)的增大而增大。可以利用分形維數(shù)這一指標(biāo)建立綠色生態(tài)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)與其各結(jié)構(gòu)性能之間的關(guān)系。