硫酸鹽侵蝕下水泥基材料裂縫結(jié)構(gòu)三維重建技術(shù)研究

馬 旭，王新祥，李建新

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司 廣州 510500）

0 前言

硫酸鹽侵蝕是水泥基材料耐久性研究中的重要問題之一，純浸泡情況下的外部硫酸鹽侵蝕是一個緩慢的過程，研究發(fā)現(xiàn)，即使采用高水灰比和高硫酸鹽濃度作為實驗室加速方法，幾個月后的侵蝕深度依然很淺（約幾個毫米）［1-3］。因此，為了減少尺寸效應(yīng)對研究結(jié)果的影響，本研究創(chuàng)新性地使用了壁厚僅為2.5 mm 的管樁試樣。同時，為了減少異質(zhì)性對試驗結(jié)果的影響，本研究選擇了水泥凈漿樣品。

X-CT 掃描技術(shù)是觀測結(jié)構(gòu)內(nèi)部形態(tài)非常好的無損檢測方法，Morgan 等人［4］較早地將 X-CT 掃描應(yīng)用于混凝土測量，通過對試件切片掃描得到骨料、砂漿和孔隙等內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分布形態(tài)。之后，該技術(shù)逐漸成熟，精度甚至達到納米級。如今，X-CT 掃描已被應(yīng)用到混凝土的斷裂損傷檢測［5］、孔結(jié)構(gòu)和曲率分析［6］、水泥微觀結(jié)構(gòu)研究［7］、鋼筋銹蝕導(dǎo)致的破壞［8］等研究中。本文利用X-CT 掃描技術(shù)對硫酸鹽侵蝕下的水泥凈漿管的裂縫形態(tài)進行了研究，并通過MATLAB 程序結(jié)合ImageJ 軟件，成功對裂縫進行了分離和三維重建。

1 硫酸鹽侵蝕試驗

本試驗使用了水灰比為0.4 的水泥凈漿試樣（CEM I 42.5 N），特制的模具制作了壁厚僅為2.5 mm的水泥凈漿管（外徑30 mm，內(nèi)徑25 mm），如圖1所示。在澆筑過程中，模具被放置在振動臺上，以確保澆筑順利進行并且還可移除水泥凈漿中的氣泡。澆筑完成后，試樣連同模具一起被塑料薄膜包裹，并放置在養(yǎng)護室（20±1 ℃，96±2%RH）中 24 h。之后，脫模，并將試樣放置在飽和氫氧化鈣水中繼續(xù)養(yǎng)護90 d（20±1 ℃）。養(yǎng)護完成后，試樣的端部被切割并拋光，得到試驗需要的長度為70 mm 的水泥凈漿管。

圖1 水泥凈漿管示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Cement Paste Pipe

養(yǎng)護完成后，水泥凈漿管被施加沿軸向的約束，用以研究約束情況下的外部硫酸鹽侵蝕。軸向約束如圖1所示，通過一根不銹鋼棒（中間部分的直徑為7 mm）放置于水泥凈漿管的中心，并通過端部的螺母確保緊密連接（螺母被施加0.7 N·m 的扭矩）。組裝好的試樣，被浸泡在硫酸根離子濃度為30 g/L 的硫酸鈉溶液中，用以開展實驗室加速情況下純浸泡環(huán)境中的外部硫酸鹽侵蝕研究。

2 X-CT掃描試驗

2.1 X-CT掃描原理

X-CT 即X 射線電子計算機斷層掃描技術(shù)（X-ray Computed Tomography），是一種能清晰、準確地展示所測部位內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系的無損檢測方法。X-CT 設(shè)備主要由放射源和探測器組成，當(dāng)放射源發(fā)出的射線穿透物體時，其射線強度便由于物體的吸收而衰減。不同物質(zhì)對同一波長X 射線的吸收能力不同，物質(zhì)密度愈大，對X 射線的吸收能力愈強［9］。因此，每種物質(zhì)對 X 射線有特定的衰減系數(shù)μ，強度為I0的X 射線沿著路徑L 穿過物體后強度衰減為 I，I 滿足比爾定律［10］：

式中：x 為位置坐標；μx為 x 處的衰減系數(shù)。

錐形X-CT 工作示意圖如圖2所示，X 射線由放射源發(fā)出，穿過試樣，打在感光板上，并測出X 射線的衰減值。試件轉(zhuǎn)動，測出不同角度下的衰減值，通過一定算法計算出試樣衰減系數(shù)μ分布場，衰減系數(shù)分布場與試樣密度分布相關(guān)，從而反映試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)［10］。

圖2 錐形X-CT 工作示意圖［11］Fig.2 Working Schematic Diagram of Conical X-CT

2.2 X-CT掃描過程

581 d 浸泡后，處在約束狀態(tài)下的水泥凈漿管試樣出現(xiàn)了明顯的表面裂縫，為了研究從表面到內(nèi)部的裂縫結(jié)構(gòu)，將試樣從30 g/L 的硫酸鈉溶液中取出，并從約束裝置中卸出。為了防止干燥裂縫，將取出的試樣放置于灌滿去離子水的塑料瓶中，如圖3a 所示。然后，連同塑料瓶一起，放置于X-CT 中進行掃描，如圖3b 所示。

Phoenix Nanotom X-ray 系統(tǒng)被用于數(shù)據(jù)獲取，XCT 掃描過程中，360°旋轉(zhuǎn)共獲取了 1 440 張 X 射線圖像，每張設(shè)置4 s 的曝光時間。通過圖像重建算法，X射線圖像被重建產(chǎn)生了三維X-CT 圖像，其體素分辨率為邊長30 μm 的正方體。通過Phoenix Datos|x 軟件，三維X-CT 圖像被表示為一系列的二維斷層圖，圖4a 代表其中一張。

圖3 X-CT 掃描試驗Fig.3 X-CT Scanning Test

圖4 裂縫分離圖像處理技術(shù)Fig.4 Image Processing Technique for Crack Segmentation

3 裂縫結(jié)構(gòu)三維重建

3.1 二維圖像處理技術(shù)

X-CT 二維斷層圖（見圖4a）是16 位圖像，灰度值幅度為 0～65 535，灰度值越大，表示密度越高［12-13］。裂縫及試樣周圍充滿了水，因此體現(xiàn)的是水的密度。鑒于本文關(guān)注點在于裂縫，因此對未水化水泥顆粒、內(nèi)部水化產(chǎn)物、外部水化產(chǎn)物等不做區(qū)分，統(tǒng)一為水泥基體。因為水泥基體的密度明顯高于水的密度，所以水泥基體的灰度值也自然明顯高于水的灰度值。因此，圖4a 中，灰色部分為水泥基體，水泥基體包裹的黑色部分為裂縫。為方便圖像處理，首先將所有X-CT二維斷層圖由16 位圖像轉(zhuǎn)為8 位圖像。

通過灰度值閾值的選取［14-16］，得到只有水泥基體-水的兩相圖，如圖4b 所示。其中，白色部分代表水泥基體，被水泥基體包裹的黑色部分代表裂縫。圖4b 只是試樣沿軸向的一個橫截面切面，試樣總共有2 334個橫截面切面圖。對一部分橫截面切面圖按照圖4b的方法處理后，三維重建，得到圖5a?？梢园l(fā)現(xiàn)，圖5a仍然是只能看到表面裂縫，內(nèi)部裂縫還是無法看到。本質(zhì)原因是裂縫與周圍環(huán)境都是黑色，無論怎樣圖像處理，裂縫形態(tài)始終被周圍環(huán)境遮擋。因此，需要找到一種圖像處理方法，把裂縫與周圍環(huán)境分割開來。

為了把裂縫與周圍環(huán)境分割開來，首先需要通過圖像處理得到一個參考圖像，即通過圖像處理把圖4b中的裂縫填充成跟水泥基體一樣的白色。通過ImageJ軟件，將圖4b 首先圖像擴張15 次，從而填充了裂縫，但也同時使圓環(huán)遠遠大于原始大小。隨后，將擴張后的圖像縮放同樣次數(shù)（15 次），從而使圓環(huán)回到原始大小，得到了需要的參考圖像，如圖4c 所示。

最后，用圖4c 減去圖4b，即得到了僅含裂縫的圖像，如圖4d 所示。基于圖4d 進行三維重建，即得到圖5b，從而可以清晰的看到裂縫結(jié)構(gòu)。整個的圖像處理過程通過自主編寫的MATLAB 程序配合ImageJ 軟件共同實現(xiàn)。

圖5 二維圖像的三維重建Fig.5 3D Reconstruction of 2D Images

3.2 裂縫結(jié)構(gòu)三維重建技術(shù)

圖4介紹了二維圖像裂縫分離技術(shù)的原理，但對于試樣，沿軸向共有2 334 個橫截面切面圖。對于每張圖進行手動處理是不現(xiàn)實的，本研究通過自主編寫的MATLAB 程序?qū)λ袌D像進行統(tǒng)一處理。圖像處理后，會有2 334 張類似于圖4d 的二維圖像，通過ImageJ 軟件對2 334 張二維圖像進行三維重建，得到裂縫結(jié)構(gòu)的三維效果圖，如圖6b 所示。將圖6b 與原始三維效果圖圖6a 相比，發(fā)現(xiàn)可清晰的看到裂縫結(jié)構(gòu)。通過分析，也發(fā)現(xiàn)，約束情況下的試樣，在硫酸鹽侵蝕下，破壞形態(tài)為若干條沿軸向的主裂縫。

4 結(jié)語

本文基于X-CT 掃描技術(shù)，對浸泡在硫酸根離子濃度為30 g/L 的硫酸鈉溶液中的水泥凈漿管在約束情況下的裂縫結(jié)構(gòu)進行了研究。鑒于裂縫與周圍環(huán)境都同樣充滿了水，導(dǎo)致密度相近，裂縫形態(tài)被周圍環(huán)境遮擋，因此本文通過系列圖像分析技術(shù)，對X-CT掃描原始二維顯微斷層圖進行了處理，最終得到了裂縫分離的二維圖像。隨后，基于圖像三維重建技術(shù)，得到了裂縫結(jié)構(gòu)的三維效果圖。通過研究發(fā)現(xiàn)，約束情況下的硫酸鹽侵蝕，試樣最終以沿軸向的若干條豎向主裂縫的形式破壞。本研究的相關(guān)圖像處理技術(shù)，也可用于其他類似目的的研究。

圖6 三維重建效果圖Fig.6 3D Reconstruction Renderings