一种含超高性能混凝土的土木工程结构中纤维掺量检测方法与流程

本发明属于土木工程，具体涉及一种含超高性能混凝土的土木工程结构中纤维掺量检测方法。

背景技术：

1、超高性能混凝土(uhpc)是一种具有超高强度、高韧性和高耐久性的纤维增强水泥复合基复合材料，由水泥、矿物掺合料、细集料、高强短纤维和减水剂等原材料制成。其抗压强度和抗拉强度超过普通混凝土的3倍，而表征弯拉韧性的抗折强度约是普通混凝土的10倍。uhpc的徐变系数只有普通混凝土的15％，耐久性可达200年以上。在uhpc中添加适量的钢纤维可以使材料从脆性破坏转变为延性破坏，纤维已经是uhpc不可或缺的原材料之一。研究显示，钢纤维含量对uhpc的力学性能，尤其是拉伸性能有显著影响。例如，当纤维含量从1.5％增加到3.0％时，开裂荷载提高了24.62，极限荷载提高了31.83％。

2、在结构设计中，通常将纤维视为在超高性能混凝土(uhpc)中随机均匀分布，从而假定uhpc是一种各向均质的材料。然而，在实际的工程施工过程中，各种因素会影响纤维的分布，如原材料的物理参数、新拌混凝土的工作性、模板的边壁效应、振捣方式、钢筋的布置以及浇筑工艺等。这些因素都可能导致纤维在混凝土中的分布与理想状态有所偏差，从而影响uhpc结构的力学性能。这是在应用uhpc时需要特别考虑的问题，以确保其在结构设计中的优越性能得到充分发挥。

3、纤维在超高性能混凝土(uhpc)中的分布不均匀性可能会对其力学性能产生影响，这可能导致设计强度与实际工程强度之间存在重大偏差。为了确保uhpc在实际应用中的强度能够满足设计要求，有必要对uhpc结构中的纤维分布进行检测以确认其掺量是否符合标准。

4、钢纤维对超高性能混凝土抗拉强度影响的相关研究如图1所示，具体内容参见：

5、[1]张阳,侯昌贵.不同钢纤维含量对超高性能混凝土弯曲性能的影响[j].公路工程,2022,47(5):113-119；

6、[2]杨文,谢昱昊,毕耀,等.钢纤维掺量及种类对超高性能混凝土拉伸应力应变的影响[j].混凝土,2022(5):37-42,47；

7、[3]陈从春,冯毅,陈晓冬.钢纤维体积掺量对超高性能混凝土力学性能的影响[j].新型建筑材料,2016,43(5):54-56；

8、[4]胡翱翔,梁兴文,于婧,等.超高性能混凝土轴心受拉力学性能试验研究[j].湖南大学学报(自然科学版),2018,45(9):30-37；

9、[5]高绪明.钢纤维对超高性能混凝土性能影响的研究[d].湖南:湖南大学,2013；

10、[6]方志,周腾,刘路明,等.超高性能混凝土受拉性能试验研究[j].铁道学报,2022,44(5):157-165；

11、[7]陈宝春,季韬,黄卿维,等.超高性能混凝土研究综述[j].建筑科学与工程学报,2014(3):1-24。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种含超高性能混凝土的土木工程结构中纤维掺量检测方法，能够测量实际结构中的纤维掺量，以便于评估施工质量，并准确地掌握结构的真实力学性能。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现。

3、一种含超高性能混凝土的土木工程结构中纤维掺量检测方法，包括以下步骤：

4、s1：从钢纤维混凝土实体上选取钢纤维混凝土芯样，选取钢纤维混凝土芯样时，需观察钢纤维混凝土实体，避免在开裂、损坏或边角等干扰区域选取样品，样品可通过钻芯取样的方式获得，钻芯的位置选择原则是便于钻芯机械操作，钻芯位置具有代表意义，能代表整个结构的浇筑施工质量，钻芯深度由钻芯机械的取样能力决定，一般芯样的厚度为结构的厚度，钻芯取样是对原结构进行微损的破坏性检测，尽可能的减少取样次数，核心受力位置不适宜取样，以免对原结构安全性的大幅影响，所以取样操作前要核实检查机械和梁体结构的状态，确保一次取样成功，如果取样后，取出的试件发生破损，不完整，无法进行切割成标准试件的情况下，则视为取样失败，需要专业工程师根据取样破损情况以及结构破损情况进行综合判别，再决定是否继续取样还是暂停检测；

5、s2：将选取的所述钢纤维混凝土芯样切割为立方体样品；

6、s3：相机正对所述样品的六个表面拍摄样品六个表面的照片，切割出的立方体样品，如果断面是光滑的，可以直接进行拍摄照片进行识别，拍摄照片时，选用固定高分辨率的工业摄像机，例如选用分辨率为5544*3692的摄像机拍摄，将样品正放于拍照台上，使样品的表面正对摄像机镜头，样品表面的图片出现在摄像机视野中央，对焦至图像清晰，钢纤维轮廓清晰时拍摄照片，拍摄的照片应对应样品的各个表面进行编号，存储；

7、s4：将拍摄的照片进行灰度化处理，作为一种可行的灰度化处理方式，设gray表示照片的灰度图，r、g、b分别表示照片的三个颜色通道，则：

8、gray＝0.3r+0.59g+0.11b；

9、s5：使用otsu算法，动态选择灰度图二值化阈值，二值化过程中，灰度图中像素值高于二值化阈值的赋值为白色，像素值低于二值化阈值的赋值为黑色，将灰度图转化为二值图，其中otsu算法又名大津法，是根据灰度图的方差自动选取全局阈值的算法；

10、s6：观察经过otsu算法得到的所述二值图，调整或校验二值化阈值，使所述二值图中白色像素区域与照片中钢纤维区域对应，此过程的目的在于校验选取的二值化阈值是否合理，若二值化阈值选择不合理，则进行调整，二值图中白色像素区域过少，则调低二值化阈值，二值图中白色像素区域过多，则调高二值化阈值；

11、s7：对所述步骤s6处理后的二值图进行闭运算，将距离小于阈值t的白色像素合并为同一连通区域，距离大于阈值t的白色像素不进行合并，得到多个连通区域，对每个连通区域，找到该连通区域最上、最下、最左、最右像素的坐标作为其外接矩形的边坐标，进行外接矩形拟合，并选取其中面积最大的矩形作为候选框，使用该候选框框选所述样品的照片上的对应位置区域记为可分析区域；

12、s8：使用otsu算法对所述可分析区域二值化，将二值化后所述可分析区域内的白色像素组成的连通区域视为待定钢纤维，对所述可分析区域的所有连通区域，使用最小二乘法进行椭圆拟合，求出所有椭圆短轴的中位数bmid，将其中短轴长度大于2*bmid的椭圆对应的连通区域视为粘连区域，二值化后的可分析区域内，表现为几个椭圆相互重叠在一起的白色像素区域即为粘连区域，可能对应照片中几个相互紧靠的钢纤维；

13、s9：对每个粘连区域，进行粘连分解，粘连分解的操作包括细化、统计粘连数量、聚类三个步骤，其中

14、细化：将粘连区域内的白色像素通过图像细化处理提取粘连区域的骨架；

15、统计粘连数量：统计粘连区域中待定钢纤维的个数k；

16、聚类，对粘连区域的白色像素进行k-means聚类，将粘连区域各类别的白色像素点分割为不同的连通区域；

17、s10：对所述步骤s9中通过聚类得到的各个连通区域进行椭圆拟合，若其中出现短轴长度大于2*bmid的椭圆，则判断该椭圆对应的连通区域为非钢纤维的物质；

18、s11：以当前所有拟合得到的椭圆短轴的中位数bmid_new，得到最小椭圆面积阈值s＝π*bmid_new2，式中π为圆周率，计算所述可分析区域内所有连通区域的面积，将其中面积小于最小椭圆面积阈值s的连通区域视为噪声进行过滤；

19、s12：排除所述步骤s10判断为非钢纤维对应的连通区域和所述步骤s11中视为噪声的连通区域后，其余每个成功拟合出椭圆的连通区域视为成功识别的钢纤维，统计成功识别的钢纤维的数量信息；

20、s13：所述样品六个表面均按照所述步骤s4至步骤s12统计出成功识别的钢纤维的数量信息，获得样品的钢纤维掺量。

21、本发明还具有以下优选设计：

22、本发明所述步骤s2中的所述样品切割为15cm×15cm×15cm的立方体，立方体的尺寸可以根据钢纤维混凝土芯样的大小确定。

23、本发明在所述步骤s2之后且在所述步骤s3之前还包括步骤s2’：擦除所述样品表面的灰尘砂砾，用显影剂凸显所述样品表面的钢纤维。

24、优选地，所述步骤s2’中所述显影剂为不含杂质的清水，采用清水湿润的抹布擦除所述样品表面的灰尘砂砾并使钢纤维显影，为了使照片中钢纤维和其他基材的对比度增加，通过润湿的方法增加基材的颜色深度，而钢纤维由于是钢材，不亲水，所以可以维持原金属光泽。

25、本发明的所述步骤s7中，阈值t选取的经验参数t＝30px。

26、本发明所述椭圆拟合的步骤为：设椭圆方程为ax2+bxy+cy2+dx+ey+f＝0，式中x，y指椭圆的点在坐标系中坐标，a、b、c、d、e、f为椭圆方程系数，最小化样本点和待拟合椭圆的距离残差的平方和，得到椭圆方程的系数a、b、c、d、e、f，即可确定椭圆方程。

27、本发明所述步骤s9中，统计粘连数量的过程如下：初始化待定钢纤维的个数k＝0，以所有椭圆长轴中位数amid作为聚类长轴，从粘连区域的外接矩形的左上角开始，由左至右，由上至下添加边长为amid的正方形框至该粘连区域细化后对应的骨架图，若每有一个正方形框内的白色像素数量高于amid，则待定钢纤维的个数k的值加1。

28、所述步骤s9中，聚类的过程如下：

29、选取k个初始点作为初始聚类中心，针对经二值化处理的粘连区域中每个白色像素点，计算每个白色像素点到k个聚类中心的距离并将其分到距离最小的聚类中心所对应的类别中，针对每个类别，重新计算它的聚类中心，重复上述操作，直到达到中止条件，所述中止条件包括迭代次数和最小误差变化。

30、本发明具有以下有益效果：

31、1.本发明使用图像识别方法检测混凝土结构的钢纤维掺量，可以识别钢纤维的数量信息，准确检测现有含钢纤维混凝土结构的纤维掺量，为分析钢纤维分布对混凝土结构力学性能的影响提供了依据。

32、2.本发明针对钢纤维混凝土结构中由于钢纤维挨的近，紧靠重叠在一起的多个钢纤维在二值图中形成的粘连区域，通过细化、统计粘连数量和聚类的方法进行粘连分解，可准确获得钢纤维的数值，提高了检测钢纤维掺量的精确度。

33、3.本发明相比于现有技术中雷达扫描结构内部钢纤维、碎裂结构获取钢纤维掺量的方法，既提升了准确度，又能够降低检测成本。