一种基于三维图像技术泡沫混凝土孔隙结构的研究方法

本发明涉及泡沫混凝土，特别涉及一种基于三维图像技术泡沫混凝土孔隙结构的研究方法。

背景技术：

1、泡沫混凝土，又被称为发泡混凝土或轻质混凝土，它是通过化学或物理方式将空气或其他气体引入混凝土浆体中，并经过合理的养护成型，形成含有大量细小封闭气孔并具有一定强度的水泥制品。这种水泥制品具有轻质、隔音、保温隔热以及耗能减震等特性，在建筑领域得到广泛应用。研究表明，泡沫混凝土中理想的孔结构是呈蜂窝状的封闭孔，但由于工艺流程、材料选用以及配合比设计等的不完善，导致其内部孔隙错综复杂，难以使形成的气孔实现理想形态。泡沫混凝土的力学性能与其孔隙结构密切相关，提高泡沫混凝土性能的重点在于改善其孔隙结构，而如何有效地调控泡沫混凝土的孔隙结构，一直是泡沫混凝土技术发展研究中的重点与难题。而泡沫混凝土孔隙结构三维数据的无损、量化表征，正是改善泡沫混凝土孔隙结构研究方向的基础工作。

2、x射线计算机断层成像(x-ct)扫描是一种非侵入性的成像技术，它通过使用x射线束从不同角度对人体或物体进行扫描，并通过计算机处理得到高分辨率的断层图像，这一技术主要应用于医学、工业、地质学和生物工程等多个领域，为各行各业提供了非破坏性的检测、分析和研究手段。

3、avizo是一款功能强大的三维可视化和分析软件，支持多种格式数据导入和多种分析工具，可用于2d扫描切片观察分析以及3d模型重建，孔隙网络分析、材料量化表征及物理特性模拟计算。该软件能够帮助我们快速而准确地解析和理解复杂的科学数据，并提供直观和高效的数据呈现方式。被广泛应用于材料科学、生命科学、地球科学等多个领域，但在建筑材料领域的使用却相对较少。

技术实现思路

1、针对相关技术中存在的问题，本发明提出一种基于三维图像技术泡沫混凝土孔隙结构的研究方法，旨在改善泡沫混凝土孔隙结构的实际工程问题。本发明将x-ct技术和avizo软件应用于建筑材料领域，实现了对泡沫混凝土的三维图像重构，从而更加直观、清晰的分析了其内部的孔隙结构。这种方法为泡沫混凝土微观结构的研究提供了一种新的思路和方法。

2、为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种基于三维图像技术泡沫混凝土孔隙结构的研究方法，包括如下步骤：

4、a.样品制备：制备泡沫混凝土样品试块，并确保表面平整、无杂质，以便进行后续扫描；

5、b.数据采集：使用x-ct设备对泡沫混凝土样品进行扫描，获取泡沫混凝土的原始二维切片数据；

6、c.数据体三维重建：将扫描得到的数据导入三维图像分析软件中进行三维重建，生成泡沫混凝土的三维原位图像；

7、d.图像预处理：使用软件中的滤波命令对三维原位图像进行去噪和图像增强影像处理，以提高图像质量；

8、e.图像切割：对三维原位图像进行切割操作，以提取所需的孔隙结构信息；

9、f.孔隙阈值选取：将泡沫混凝土样品扫描的图像导入分析软件，通过调整色谱图，确定泡沫混凝土孔隙的阈值；

10、f1.在进行步骤a时，取内径为d(3mm＜d＜5mm)的吸管，其两端用泡沫混凝土作封闭处理，竖直地插入到泡沫混凝土样品中；

11、f2.将扫描完后的图像导入软件中，经过图像处理后，通过调整色谱图确定一个孔隙阈值，不断调整此阈值大小，直到所测量的吸管直径与实际吸管直径的误差小于1％，确定当前孔隙阈值，为区分泡沫混凝土孔隙和泡沫混凝土浆体的阈值；

12、g.图像阈值分割与二值化：通过使用软件中的分水岭分割命令，并选取步骤f中获取的阈值，对三维原位图像进行阈值分割，实现泡沫混凝土样品中孔隙与浆体的二值化展示；

13、h.三维可视化与量化分析：使用软件中的数据分析指令对处理后泡沫混凝土样品的三维图像进行量化分析；

14、h1.通过使用体渲染模块命令，实现泡沫混凝土样品孔隙数据的三维可视化；

15、h2.通过使用软件中的体积分数命令，计算泡沫混凝土样品数据的孔隙率大小；

16、h3.通过使用软件中的连通孔隙和非连通孔命令，分别表示出连通孔隙和孤立孔隙；

17、h4.通过使用软件中的孔隙网络模型命令，生成出连通孔隙的孔隙网络模型并对孔隙网络模型参数表征；

18、h5.通过使用软件中的标签分析命令，对泡沫混凝土样品中的孔隙数据进行平均孔径大小和分布、球形度和连通性的计算。

19、i.输出结果：将分析结果以图表或报告的形式输出，以便进行后续研究和应用。

20、优选地，所述泡沫混凝土样品的大小为50mm×50mm。

21、根据本发明优选的，所述工业x-ct设备，x射线源最大管电压150kv，最大空间分辨率为0.5μm。

22、优选地，步骤g进行二值化展示时，采用浅灰色表示孔隙部分，深灰色表示浆体。

23、优选地，所述泡沫混凝土样品密度为400kg/m3。

24、优选地，所述泡沫混凝土样品密度为700kg/m3。

25、本发明的优势在于：

26、本发明采用x-ct扫描技术，并结合软件avizo，建立了泡沫混凝土三维空间结构，实现了对泡沫混凝土孔隙结构的无损、量化分析，进一步计算出孔隙率、平均孔径大小和分布、球形度和连通性等参数。通过使用本发明的创新方法，我们可以更好地理解泡沫混凝土的内部结构，从而优化其性能，为工程实际应用提供了具有重要参考价值的量化数据，有望推动泡沫混凝土技术在工程实践中的更广泛应用，为建筑行业的发展注入新的活力。

技术特征：

1.一种基于三维图像技术泡沫混凝土孔隙结构的研究方法，其特征在于：包括步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种基于三维图像技术泡沫混凝土孔隙结构的研究方法，其特征在于：所述泡沫混凝土样品的大小为50mm×50mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于三维图像技术的表征泡沫混凝土孔隙结构的方法，其特征在于：所述工业ct设备x射线源最大管电压120kv，最大空间分辨率为0.5μm。

4.根据权利要求1所述的一种基于三维图像技术泡沫混凝土孔隙结构的研究方法，其特征在于：在步骤g进行二值化展示时，采用浅灰色表示孔隙部分，深灰色表示浆体。

5.根据权利要求1所述的一种基于三维图像技术泡沫混凝土孔隙结构的研究方法，其特征在于：所述泡沫混凝土样品的密度为400kg/m3。

6.根据权利要求1所述的一种基于三维图像技术泡沫混凝土孔隙结构的研究方法，其特征在于：所述泡沫混凝土样品的密度为700kg/m3。

7.根据权利要求1所述的一种基于三维图像技术泡沫混凝土孔隙结构的研究方法，其特征在于：所述步骤f阈值选取，包括步骤如下：

8.根据权利要求1所述的一种基于三维图像技术泡沫混凝土孔隙结构的研究方法，其特征在于：所述步骤h，包括步骤如下：

技术总结
本发明公开了一种基于三维图像技术泡沫混凝土孔隙结构的研究方法，涉及泡沫混凝土中孔隙与浆体的表征方法。步骤如下：样品制备、数据采集、数据体三维重建、图像预处理、图像切割、孔隙阈值选取、图像阈值分割与二值化、三维可视化与量化分析、输出结果。本发明的特点在于，利用X射线计算机断层成像(X‑CT)扫描技术并结合软件Avizo，得到了泡沫混凝土孔隙结构的三维图像，通过分析泡沫混凝土孔隙率、平均孔径大小和分布、球形度和连通性等参数，实现了对泡沫混凝土孔隙结构的无损、量化表征。本发明方法可为泡沫混凝土三维孔隙结构的模拟研究提供有益参考。

技术研发人员：刘鹏飞,杨坤波,滕飞,张皓
受保护的技术使用者：沈阳建筑大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12