基于CT扫描与3D重构的透水混凝土试件制作方法与流程

本发明涉及一种基于CT扫描与3D重构的透水混凝土试件制作方法。

背景技术：

目前海绵城市建设中大量使用了透水路面，包括透水混凝土、透水砖以及透水沥青等材料，相关的实验如透水混凝土泥沙堵塞过程中孔隙率的测量等原位测试比较麻烦，通过CT扫描结合3D建模3D打印可以快速进行透水材料相关物理参数包括孔隙率、渗透性等的测试和实验，解决工程实际应用中的问题。本专利通过CT扫描->3D建模->3D打印制作透水混凝土试件以提高试验可重复性的方法。

透水混凝土是由水、水泥、粗骨料组成的，采用单一粒级粗骨料作为骨架，水泥净浆包裹粘结在粗骨料颗粒，混凝土内部存在着大量的连通孔隙。传统的制备过程要先根据目标孔隙率确定水灰比，骨灰比等参数，在搅拌机中先加入粗骨料和一半的水，等骨料表面被湿润后再加入水泥和水机械搅拌，最后机械振捣20s成型。因为石子大小的随机性，孔隙结构天然具有随机性的特点，有的孔隙是联通的，即有效孔隙；有的是不联通的，也就是无效孔隙，因此目标孔隙率大致相等时实际有效孔隙率可能差别很大。采用这种传统方法即使是同一台机器，同一批人员，产生的试件也不可能完全相同。因此在进行有关于透水混凝土性质的研究试验时，研究人员往往会因为孔隙分布的随机性而无法得到相同的可重复的实验结果。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于CT扫描与3D重构的透水混凝土试件制作方法，本方法通过CT扫描，原始路段的试件可以被采集数据进行“虚拟”保存，实现数据共享，在需要时进行3D打印，可快速的可重复的生成大量试件，进行相关实验。利用此方法批量生成的试件，几乎可以做到完全相同，比传统的透水混凝土浇筑和振捣方法生产的透水混凝土差异大具有优势。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于CT扫描与3D重构的透水混凝土试件制作方法，包括以下步骤：

(1)获取透水混凝土试块样品，进行CT扫描，得到扫描二维切片图；

(2)将图片灰度化，进行滤波降噪处理，形成图片模型，对模型进行裁剪与二值化分割，确定透水混凝土的骨料结构；

(3)利用分水岭算法提取骨料结构数据，形成优化后的透水混凝土骨料模型，进行打印，得到透水混凝土试件。

所述步骤(1)中，在待测试路段采集圆柱体透水混凝土试块样品，将其在干燥条件、浸水饱和两种条件下进行CT旋转扫描，得到二维切片图。

所述步骤(1)中，根据目标孔隙率计算透水混凝土的水灰比、骨灰比，根据模具尺寸计算透水混凝土试块所需材料的质量，制备透水混凝土试块样品，利用CT设备进行螺旋扫描。

所述步骤(2)中，对二维切片图用256级灰度来表示颜色的分布，对切片进行中值滤波降噪处理。

所述步骤(2)中，模型的尺寸是根据体素和图片的数量相乘进行计算，根据CT扫描的仪器不同，扫描生成的每张图片的体素不同。

所述步骤(2)中，根据每张二维切片图的体素尺寸乘以三维中三个方向切片的张数计算得到透水混凝土模型三个方向的尺寸。

所述步骤(2)中，裁剪后的模型采用二值化分割，灰度值小于某一阈值的点为透水混凝土孔隙结构，大于某一阈值的为骨料结构。

所述步骤(2)中，根据先验知识与分割情况是否相符，进行多次分割，以确定最优的分割方式。

本发明的有益效果为：

本发明通过CT扫描结合3D建模3D打印生成的试件，重复的应用于同一透水混凝土的实验研究，用于反复研究控制变量，研究同一因素对缩尺实验的影响，更精确高效。

通过本发明3D打印成型同一批次的透水混凝土试件，重复地应用于某一实验，在测试试件透水性和孔隙率的实验中可以更好的控制变量，达到更好的实验效果，比传统的透水混凝土浇筑和振捣方法生产的透水混凝土差异大具有优势。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的三维重构流程示意图；

图3为本发明的透水混凝土扫描图片；

图4为本发明的透水混凝土骨料分割提取图，其中(a)为三维透水混凝土骨料模型示意图；(b)为xy平面的分割图；(c)为xz平面的分割图；(d)为yz平面的分割图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于CT扫描与3D重构的透水混凝土试件制作方法，具体实施步骤：

扫描样品的准备与处理

对于海绵城市施工过程的实验路段，可以采集20cm高，直径10cm的圆柱体透水混凝土试块，将其在干燥条件、浸水饱和两种条件下进行CT扫描，CT扫描可以利用x射线三维显微镜等设备进行，选择旋转扫描方式，将CT扫描产生的二维切片图(如图3所示)，在三维可视化软件分析处理。

对于实验室采用传统方式制备透水混凝土试件，首先根据目标孔隙率计算透水混凝土的水灰比，骨灰比等参数。然后根据10cm*10cm*30cm的模具尺寸计算出所需材料的质量，包括水，水泥，石子等。制备时首先在搅拌机中加入粗骨料和一半的水，等骨料表面被湿润后再加入水泥和水机械搅拌，最后在振动台机械振捣20s成型。养护七天后拆模用CT设备进行螺旋扫描，导出二维切片图在三维可视化软件中进行分析处理。

三维可视化分析与处理

扫描的图片在灰度模式下即用256级灰度来表示颜色的分布，对切片进行中值滤波降噪处理，使图像更加清晰。

中值滤波数学公式：

Yi＝Med{fi-v,…,fi-1,fi,fi+1,…,fi+v}i∈N v＝(m-1)/2

Yi称为序列fi-v,…,fi-1,fi,fi+1,…,fi+v的中值

扫描的图片数据可以达到几G至十几G，需要裁剪模型，使模型适合处理，根据需要可以将圆柱体的试块裁剪成长方体。

模型的尺寸是根据体素和图片的数量相乘进行计算，根据CT扫描的仪器不同，扫描生成的每张图片的体素也不同。此次扫描的每张切片体素尺寸是0.142538*0.142538*0.142538[mm]，乘以X,Y,Z方向切片的张数得到透水混凝土三个方向的尺寸。裁剪模型也可以去除透水混凝土损坏的边角材料。将裁剪后的模型采用二值化分割(附图4)，灰度值小于某一阈值的点为透水混凝土孔隙结构，大于某一阈值的为骨料结构。

二值化公式：

T₀是分割的阈值，u(x₁,x₂)是原始图像的灰度值，g(x₁,x₂)是二值化后输出的图像灰度值。

然后再提取透水混凝土骨料的数据，将大于上述T₀阈值的骨料通过分水岭算法提取出来。

分水岭算法：

g(x,y)＝grad(f(x,y))＝1/2{[f(x,y)-f(x-1,y)]2[f(x,y)-f(x,y-1)]2}

f(x,y)表示原始图像，grad{}表示梯度运算。

为防止过度分割，根据先验知识，即扫描图片中黑色的部分为孔隙结构，灰色的部分为骨料，如图3所示。分割时，如图4所示，A部分为提取出来的骨料结构，B部分是保留的孔隙结构，C部分是分割边界。根据先验知识与分割情况是否相符，多次进行分割尝试，使其最接近真实情况。最后导出STL格式的透水混凝土骨料模型进行3D打印。

通过这种方法3D打印成型同一批次的透水混凝土试件，重复地应用于某一实验，在测试试件透水性和孔隙率的实验中可以更好的控制变量，达到更好的实验效果。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。