本發(fā)明涉及一種研究高溫?fù)p傷混凝土缺陷演化的方法，具體涉及一種采用x射線(xiàn)ct技術(shù)研究高溫?fù)p傷混凝土缺陷演化的方法。
背景技術(shù)：
高性能混凝土火災(zāi)劣化機(jī)理及其損傷評(píng)估，是解決現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)提高抗火性能及災(zāi)后損傷鑒定的瓶頸與難點(diǎn)，而揭示其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)高溫劣化演化規(guī)律及機(jī)理則是解決該難題的關(guān)鍵，有研究人員利用數(shù)字圖像關(guān)聯(lián)術(shù)對(duì)混凝土表面的破裂情況進(jìn)行了分析和研究，并發(fā)現(xiàn)此方法對(duì)混凝土表面的小裂紋的觀測(cè)更有效，之后分析了二維斷層裂紋的內(nèi)部特征，采用的主要是x射線(xiàn)ct法，并發(fā)現(xiàn)該方法適合于觀察混凝土內(nèi)部的大裂紋，把兩種方法結(jié)合起來(lái)使用能有效的體現(xiàn)出裂紋萌生和演化過(guò)程對(duì)混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化情況的影響，并利用不同骨料形成的試件在ct設(shè)備下做壓縮掃描實(shí)驗(yàn)，對(duì)其破裂過(guò)程有一個(gè)詳盡的認(rèn)識(shí)，從而可以清楚的看到它們對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響作用。
有研究人員在混凝土細(xì)觀損傷的ct試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以密度損傷(ct數(shù)變化)變量為基礎(chǔ)，并建立混凝土分段損傷演化方程，以此進(jìn)行了混凝土試件單軸受壓的細(xì)觀損傷數(shù)值模擬。并從混凝土破壞圖和荷載。位移曲線(xiàn)圖兩方面比較了數(shù)值模擬結(jié)果與ct試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明，試件破壞時(shí)裂紋擴(kuò)展過(guò)程與ct觀測(cè)到的相似，實(shí)現(xiàn)了將細(xì)觀密度損傷與試件的宏觀力學(xué)性能的劣化相聯(lián)系，為改進(jìn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了力學(xué)依據(jù)，并使在可靠和有效的前提下用數(shù)值方法取代部分試驗(yàn)成為可能。
隨著近年來(lái)科技的進(jìn)步和試驗(yàn)研究的發(fā)展，高新技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于混凝土的高溫性能研究中，其中x射線(xiàn)ct試驗(yàn)已成為研究混凝土材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化過(guò)程的熱點(diǎn)課題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明旨在提供一種采用ct技術(shù)研究高溫?fù)p傷混凝土缺陷演化的方法。
本發(fā)明提供了一種采用ct技術(shù)研究高溫?fù)p傷混凝土缺陷演化方法，包括以下步驟：
步驟一：實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備
①試驗(yàn)原材料
水泥、礦物摻合料、骨料、外加劑、自來(lái)水等；
②混凝土配合比：
根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(jgj55-2011)以及jgj/t281-2012《高強(qiáng)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》設(shè)計(jì)，試驗(yàn)混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)為c40～c80。
③試件設(shè)計(jì)
試驗(yàn)混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)為c40～c80。
③試件設(shè)計(jì)
制作立方體抗壓強(qiáng)度試塊，且在混凝土試塊中放置一熱電偶，熱電偶置于試塊中心。ct掃描試件通過(guò)從制作的混凝土試塊中鉆芯取樣。
步驟二：實(shí)驗(yàn)方法
①混凝土攪拌成型
②加熱機(jī)制
先將馬弗爐爐膛溫度從室溫加熱至目標(biāo)溫度，再將試件放入馬弗爐，關(guān)閉爐門(mén)，這時(shí)爐膛內(nèi)的溫度稍有下降，當(dāng)爐膛內(nèi)溫度再次升高到所需目標(biāo)溫度后，保持恒溫。馬弗爐平均升溫速率為5℃/min～10℃/min，電阻爐配有自動(dòng)控制器，可自行控制爐膛內(nèi)的溫度，當(dāng)達(dá)到所需溫度后保持恒溫，通過(guò)熱電偶測(cè)定試件內(nèi)外溫度，當(dāng)爐內(nèi)顯示溫度與熱電偶外接傳感器顯示溫度一致時(shí)，即認(rèn)為燒透。取出試件，讓其在自然條件下冷卻。
x射線(xiàn)ct掃描試件經(jīng)過(guò)101型電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥24h至恒重，立即裝入試樣瓶中，干燥溫度100℃。為了能真實(shí)地反應(yīng)不同溫度下混凝土孔隙、裂隙的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，在ct機(jī)上固定好混凝土試樣后，不再拆裝，采用加熱裝置去直接加熱，再進(jìn)行ct掃描，這樣就實(shí)現(xiàn)了不同溫度下相同位置的混凝土內(nèi)部裂隙的對(duì)比分析。
氣氛爐在自然氣氛下對(duì)同一個(gè)試塊進(jìn)行連續(xù)加熱，每達(dá)到一個(gè)目標(biāo)溫度后恒溫20min，然后進(jìn)行x射線(xiàn)ct掃描，得到混凝土試塊的x射線(xiàn)ct掃描圖像。
步驟三：x射線(xiàn)ct掃描
采用工業(yè)ct系統(tǒng)，工業(yè)ct系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)顯微ct圖像的數(shù)字圖像處理和ct重建，主要分兩個(gè)模塊：圖像重建和二進(jìn)制處理。
步驟四：混凝土試件的x射線(xiàn)ct圖像重建
利用工業(yè)ct計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中圖像重建模塊，將試件ct掃描的透視圖重建成1500張橫截面圖像(x-y面)，將1500張橫截面圖像組合再進(jìn)行正交切片，可生成2041張?jiān)嚰磺衅瑘D像(x-z面)?？紤]成像誤差與混凝土的非均勻隨機(jī)性，去除陰影較大的圖像，在ct生成圖像中利用x射線(xiàn)ct圖像可以直接觀測(cè)混凝土各層各溫度下孔隙分布、孔徑變化、裂隙生長(zhǎng)、灰度變化；
步驟五：x射線(xiàn)ct圖像二值化處理
為建立高溫后混凝土內(nèi)部缺陷與溫度、強(qiáng)度等的相互關(guān)系，提出缺陷率的概念。
缺陷率即為混凝土內(nèi)部缺陷面積的總和與試件表面積的比值(利用image-proplus圖像分析軟件可以得到混凝土內(nèi)部缺陷面積的總和)。表達(dá)式如下：
其中，c表示層數(shù)，pc表示缺陷率，mc表示試件內(nèi)部缺陷的面積總和，m為試件表面積。
①閾值的選取
閾值即指一個(gè)臨界值，在ct圖像二值化中將所有比閾值大的像素點(diǎn)轉(zhuǎn)換為白色，比閾值小的像素點(diǎn)轉(zhuǎn)換為黑色。本試驗(yàn)采用otsu方法計(jì)算閾值，該方法方法基于原始圖像的直方圖，假設(shè)一個(gè)離散概率密度函數(shù)：
其中，n是圖像中的像素總數(shù)，nq是灰度級(jí)為rq的像素?cái)?shù)目，l是圖像中所有可能的灰度級(jí)數(shù)。假設(shè)選定一個(gè)閾值k，c0是一組灰度級(jí)為[0，1，...，k-1]的像素，cl是一組灰度級(jí)為【k，k+1，...，l-1】的像素。otsu方法選擇最大化類(lèi)間方差
其中，
在matlab中，利用函數(shù)graythresh，繪制ct圖像關(guān)于灰度值的直方圖，找到最大化
各代表層的閾值均值取同一代表層不同溫度下ct圖像閾值的平均值；不同溫度下的閾值均值取同一溫度下不同代表層ct圖像閾值的平均值。
②圖像二值化
對(duì)于常溫下混凝土x射線(xiàn)ct圖像的二值化圖像：
假設(shè)圖形函數(shù)f(x,y)，將合適閾值處理后的圖像g(x,y)定義為
標(biāo)注為1的像素對(duì)應(yīng)于對(duì)象，而標(biāo)注為0的像素對(duì)應(yīng)于背景，t為閾值。二值化圖像中灰度值為0的像素點(diǎn)表示試件內(nèi)部缺陷；灰度值為1時(shí)，表示試件中除缺陷的部分。
步驟六：混凝土內(nèi)部缺陷率演化分析
利用ipp圖像分析軟件，分析二值化圖像，統(tǒng)計(jì)ct圖像中灰度值為0的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)以nc表示，所有像素點(diǎn)個(gè)數(shù)以n表示，其中nc＝mc、n＝m，缺陷率
步驟七：異常值判定
本試驗(yàn)采用格拉布斯檢驗(yàn)法，對(duì)相同溫度下的n個(gè)缺陷率值進(jìn)行異常值判定。將同一溫度下的n個(gè)缺陷率值按從小到大的順序排列，分別記為x1、x2、...、xn，如有偏離正常值，最先懷疑的不是最小值就是最大值，取平均值與最小值之差和平均值與最大值之差，使差值較大的值為可疑值。統(tǒng)計(jì)量gi按下式計(jì)算：
其中：i是可疑值的排列序號(hào)；
平均值：
標(biāo)準(zhǔn)差：
取檢驗(yàn)水平α＝5％，gi與臨界值g95(n)比較，如果gi>g95(n)，則能判斷該測(cè)量數(shù)據(jù)是異常值，需要剔除，如果gii<g95(n)，則無(wú)異常值。剩余的9個(gè)數(shù)據(jù)再按以上步驟計(jì)算，如果計(jì)算gi>g95(n)，仍然是異常值，剔除；如果gi<g95(n)，不是異常值，則不剔除。只需補(bǔ)一組數(shù)據(jù)。以此類(lèi)推。
步驟八：混凝土內(nèi)部缺陷率的影響因素
①利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中兩因素方差分析，研究不同代表層的選取和不同溫度作用兩個(gè)因素對(duì)混凝土內(nèi)部缺陷的影響。
②用excel軟件對(duì)溫度和缺陷率進(jìn)行缺陷擬合。
本發(fā)明應(yīng)用ct技術(shù)研究高溫?fù)p傷混凝土缺陷演化的方法是通過(guò)數(shù)字圖像關(guān)聯(lián)術(shù)對(duì)高溫?fù)p傷混凝土進(jìn)行分析和研究。在研究過(guò)程中，制作一定規(guī)格的混凝土抗壓試塊，并用加熱裝置對(duì)該試塊進(jìn)行加熱，加熱完成后采用x射線(xiàn)ct試驗(yàn)技術(shù)對(duì)試塊進(jìn)行掃描，得出一系列ct圖像，進(jìn)行圖像重建以及圖像的二值化處理。閾值的選取直接影響ct圖像中ct數(shù)的分析。所以要更精確的對(duì)閾值進(jìn)行選取和異常值判定。利用image-proplus圖像分析軟件，定量分析混凝土試件的二值化圖像，得出了高溫后試件不同代表層的缺陷率，分析了影響缺陷率的因素和影響最大的溫度閾值區(qū)段。直觀地分析不同溫度下混凝土的抗爆裂性能，同時(shí)利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)孛枋銎涓邷睾蟮膬?nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化。
本發(fā)明的有益效果：
(1)提出了將ct技術(shù)用于混凝土高溫性能分析中；
(2)采用了實(shí)時(shí)加熱裝置；提高了測(cè)試的準(zhǔn)確性；
(3)通過(guò)缺陷分析進(jìn)行數(shù)值研究；結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)，建立了能反映材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)行為的本構(gòu)關(guān)系，對(duì)研究高溫?fù)p傷混凝土缺陷有重要意義。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明試件中熱電偶的放置示意圖。
圖2常溫下高強(qiáng)混凝土x射線(xiàn)ct圖像。
圖3高溫后高強(qiáng)混凝土第1200層x射線(xiàn)ct圖像。
圖4高溫后高強(qiáng)混凝土正交切面x射線(xiàn)ct圖像。
圖5各代表層ct圖像閾值的均值。
圖6不同溫度下ct圖像的閾值均值。
圖7常溫下高強(qiáng)混凝土x射線(xiàn)ct圖像的二值化圖像。
圖8不同溫度作用下高強(qiáng)混凝土內(nèi)部缺陷率均值。
圖中：1為熱電偶，2為溫度傳感器。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，但不局限于以下實(shí)施例。
實(shí)施例：
步驟一：實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備
高強(qiáng)混凝土配合比
試件設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為c80。
立方體抗壓強(qiáng)度試塊采用150mm×150mm×150mm，且在高強(qiáng)混凝土試件每個(gè)目標(biāo)溫度對(duì)應(yīng)的一塊試塊中放置一熱電偶，熱電偶置于試塊中心，如圖1所示。
ct掃描試件利用鉆芯取樣，試件尺寸φ6mm×20mm。
步驟二：實(shí)驗(yàn)方法
①混凝土攪拌成型
②加熱機(jī)制
立方體抗壓強(qiáng)度高溫試驗(yàn)采用srjx型箱式電阻爐，其額定電壓為220v，輸出功率為15kw，最高工作溫度1200℃，爐膛尺寸長(zhǎng)×寬×高為：600mm×400mm×400mm。目標(biāo)加熱溫度為100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃。
本實(shí)驗(yàn)采用如下溫升制度：先將馬弗爐爐膛溫度從室溫加熱至目標(biāo)溫度，再將試件放入馬弗爐，關(guān)閉爐門(mén)，這時(shí)爐膛內(nèi)的溫度稍有下降，當(dāng)爐膛內(nèi)溫度再次升高到所需目標(biāo)溫度后，保持恒溫。馬弗爐平均升溫速率為5℃/min～10℃/min，電阻爐配有自動(dòng)控制器，可自行控制爐膛內(nèi)的溫度，當(dāng)達(dá)到所需溫度后保持恒溫，通過(guò)熱電偶測(cè)定試件內(nèi)外溫度，當(dāng)爐內(nèi)顯示溫度與熱電偶外接傳感器顯示溫度一致時(shí)，即認(rèn)為燒透。取出試件，讓其在自然條件下冷卻。
本電阻爐工作性能穩(wěn)定，爐膛溫度波動(dòng)保持在±10℃以?xún)?nèi)，可以滿(mǎn)足試驗(yàn)精確度的要求。
本試驗(yàn)采用太原理工大學(xué)采礦工藝研究所研制的高溫氣氛爐與ct機(jī)配套使用。氣氛爐的體積很小,外形尺寸為φ100mm×150mm，爐堂尺寸φ20mm×80mm，采用內(nèi)外兩層保溫層，300w電阻絲加熱，爐子的底部為開(kāi)放式，便于試樣的出入。氣氛爐固定在旋轉(zhuǎn)托架上，托架和可伸縮支柱之間通過(guò)螺母連接，托架可以在水平方向旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)氣氛爐的水平位置，可伸縮支柱調(diào)節(jié)氣氛爐的垂直位置。
充氣管和溫度傳感器與氣氛爐之間用耐高溫膠粘結(jié)，試樣用耐高溫膠粘到石英管上，石英管夾到轉(zhuǎn)臺(tái)上，加熱時(shí)，移動(dòng)托架和支柱使氣氛爐將試樣罩住，試樣處于氣氛爐爐膛的中間為宜。氣氛爐平均升溫速率為10℃/min，溫控精度為±1℃。
將試件置于高溫氣氛爐中，自然氣氛下，目標(biāo)加熱溫度為200℃、300℃、400℃、500℃、600℃，x射線(xiàn)ct試驗(yàn)的常溫時(shí)刻代表的是100℃烘干溫度。氣氛爐在自然氣氛下連續(xù)加熱，到達(dá)目標(biāo)溫度后恒溫20min，進(jìn)行ct掃描。
步驟三：x射線(xiàn)ct掃描
本試驗(yàn)采用太原理工大學(xué)與中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子研究所共同研制的μcf225fcb高分辨顯微ct系統(tǒng)，該系統(tǒng)的x射線(xiàn)成像系統(tǒng)包括：高精度工作轉(zhuǎn)臺(tái)和夾具、x光機(jī)、數(shù)字平板探測(cè)器、水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)座和采集分析系統(tǒng)等。
x光機(jī)是x射線(xiàn)發(fā)射裝置，由陰極電子槍產(chǎn)生電子，經(jīng)高壓場(chǎng)加速，高速電子束轟擊陽(yáng)極靶(靶材料為鈹)產(chǎn)生x射線(xiàn)。x光機(jī)的最小焦點(diǎn)尺寸為3μm，射線(xiàn)錐角25°，最小焦距4.5mm，高壓范圍10～225kv，電流0.01～3ma。
本系統(tǒng)采用paxscan4030平板探測(cè)器作為x射線(xiàn)接收器，其能分辨材料內(nèi)部的微小缺陷尺寸。探測(cè)器面板尺寸：500mm×367mm×47mm，成像窗口：406mm×293mm，有效窗口：406mm×282mm。
μcf225fcb高分辨顯微ct系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)：該系統(tǒng)可以對(duì)不同種類(lèi)的金屬和非金屬材料進(jìn)行三維ct掃描分析，試件尺寸范圍在φ1mm～50mm之間，放大倍數(shù)為1～400倍，掃描單元的分辨率為0.5μm～194μm。
本實(shí)驗(yàn)采用管電壓80kv，管電流90μa，放大倍數(shù)53.85倍。
μcf225fcb高分辨顯微ct系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)顯微ct圖像的數(shù)字圖像處理和ct重建，主要分兩個(gè)模塊：圖像重建和二進(jìn)制處理。圖像重建：采用大錐角三維重建模塊，對(duì)ct圖像進(jìn)行中值濾波；選用合適的焦距和偏移值，對(duì)ct圖像進(jìn)行三維重建，生成高分辨率的橫截面圖像，圖像均為8比特圖像。在二進(jìn)制模塊中，對(duì)ct圖像進(jìn)行正交切片、圖像格式轉(zhuǎn)換。
ct圖像掃描實(shí)際高度為5.65mm，試件掃描尺寸φ6mm×5.65mm。
步驟四：混凝土試件的x射線(xiàn)ct圖像重建
考慮成像誤差與混凝土的非均勻隨機(jī)性，去除陰影較大的圖像，在ct生成圖像中挑選x_y面上300層、400層、500層、600層、700層、800層、900層、1000層、1100層、1200層作為代表層，見(jiàn)圖2、圖3。選取x_z面中的第985層圖像，其為對(duì)應(yīng)直徑最大時(shí)的正交切片圖像，見(jiàn)圖4。
步驟五：x射線(xiàn)ct圖像二值化處理
①閾值的選取
下表為不同溫度下pphsc各代表層橫截面的閾值。由于混凝土為非均勻體，各代表層之間的相互線(xiàn)衰減系數(shù)不同，因此各體積元代表的灰度值不同，各代表層閾值差異明顯。閾值分布在18～57之間。
不同溫度下高強(qiáng)混凝土各代表層橫截面的閾值
圖5和圖6分別表示各代表層和不同溫度下ct圖像的閾值均值。各代表層的閾值均值取同一代表層不同溫度下ct圖像閾值的平均值；不同溫度下的閾值均值取同一溫度下不同代表層ct圖像閾值的平均值。由圖5可知，各代表層ct圖像的閾值差異明顯，閾值范圍在25.3～41.5之間，差值為16.2，該差值大于ct圖像所有閾值均值的46％；由圖6可知，不同溫度下ct圖像的閾值相差較小。
閾值范圍在31.8～37.7之間，差值為5.9，該差值為ct圖像所有閾值均值的16.8％，且除400℃和500℃外，ct圖像閾值差距更小。
②圖像二值化
如圖7所示，二值化圖像缺陷明顯，反映真實(shí)，可以作為計(jì)算缺陷率的依據(jù)。
步驟六：混凝土內(nèi)部缺陷率演化分析
高溫后各代表層的缺陷率
步驟七：異常值判定
gi統(tǒng)計(jì)量表
gi與臨界值g95(10)比較，g95(10)＝2.176，gi均小于g95(10)，則其中無(wú)異常值。
步驟八：混凝土內(nèi)部缺陷率的影響因素
①利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中兩因素方差分析，研究不同代表層的選取和不同溫度作用兩個(gè)因素對(duì)混凝土內(nèi)部缺陷的影響。
兩因素方差分析表
由上表分析得選取的不同代表層和不同溫度均對(duì)高強(qiáng)混凝土內(nèi)部缺陷率影響高度顯著。
②用excel軟件對(duì)溫度和缺陷率進(jìn)行缺陷擬合。如圖8所示。