綠色生態(tài)混凝土孔結(jié)構(gòu)形態(tài)研究

高婷 桑正輝

(1.湖南交通職業(yè)技術(shù)學院，湖南 長沙 410100；2.中大檢測(湖南)股份有限公司，湖南 長沙 410000)

綠色生態(tài)混凝土是一種具有高孔隙率和高透水性能的綠色生態(tài)材料，孔結(jié)構(gòu)對其物理力學性能和耐久性能有著十分重要的影響。為了研究綠色生態(tài)混凝土宏微觀性能及其植物相容性，揭示不同植物根系在其孔隙內(nèi)的發(fā)展規(guī)律，需首先確定其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化特征。

與普通混凝土相比，綠色生態(tài)混凝土的研究還處于初級階段。近年來，國內(nèi)外學者利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，基于分形理論和圖像算法對綠色生態(tài)混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了探索，并取得了一定的研究成果。由于綠色生態(tài)混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，很難人工定量和定性的對孔隙特征及數(shù)量進行統(tǒng)計分析，因此借助圖像處理軟件，可以更簡單、精確的對其內(nèi)部孔隙進行處理計算，從而實現(xiàn)對綠色生態(tài)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能的研究。

曾超等采用PS、MATALB等軟件對生態(tài)多孔混凝土的切片斷面進行分析，并運用數(shù)盒子法分析其孔隙結(jié)構(gòu)特征關(guān)系。尹志剛等采用CT掃描技術(shù)對再生骨料透水混凝土在凍融循環(huán)下的孔隙結(jié)構(gòu)特征進行研究。梁麗敏采用Image-Pro Plus圖像處理軟件對生態(tài)混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分析測量，通過MATLAB軟件對生態(tài)混凝土三維結(jié)構(gòu)進行了仿真重建。蔣昌波等采用圖像處理技術(shù)對不同粒徑、不同水灰比的多孔混凝土內(nèi)部孔徑分布情況及平面連通孔隙率進行了研究。

由此可見，CT掃描技術(shù)、圖像處理技術(shù)可對綠色生態(tài)混凝土的孔結(jié)構(gòu)情況及孔隙率進行計算分析，為綠色生態(tài)混凝土孔結(jié)構(gòu)與植物相容性研究提供理論依據(jù)。

1 試驗

1.1 原材料及性能

水泥：本試驗采用42.5級普通硅酸鹽水泥，其物理力學性能見表1所示。

表1 水泥的物理力學性能

粗集料：本研究采用兩種粒徑分別為16～19mm、19～26.5mm的粗骨料，其基本性能試驗指標見表2。

表2 粗骨料基本性能試驗指標/kg/m3

1.2 試驗方法

1.2.1 孔結(jié)構(gòu)圖像獲取

對孔結(jié)構(gòu)圖像的獲取方法，本試驗采用CT掃描技術(shù)，運用X射線對綠色生態(tài)混凝土試塊進行分層掃描，從而得到斷面粗骨料排列連接的圖像信息，經(jīng)相關(guān)軟件處理轉(zhuǎn)換成孔結(jié)構(gòu)剖面圖，可以在不改變外部形態(tài)及內(nèi)部構(gòu)造的情況下觀測綠色生態(tài)混凝土內(nèi)部孔隙的分布特征，對分析綠色生態(tài)混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)形態(tài)變化具有重要意義。

試驗過程如下：將邊長為150㎜的綠色生態(tài)混凝土立方體試塊養(yǎng)護至適當齡期后，采用CT儀進行連續(xù)分層掃描，每層厚度5mm，共30層。

1.2.2 孔結(jié)構(gòu)圖像處理

將儲存圖像用Med Explorer軟件進行黑白調(diào)窗處理，其過程如圖1所示。

圖1 綠色生態(tài)混凝土某一斷面處理后孔結(jié)構(gòu)圖像

1.2.3 圖像孔隙率計算

綠色生態(tài)混凝土目標孔隙率為20%～30%，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計配合比后實測孔隙率為26%～28%。為了從理論上分析綠色生態(tài)混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)分布情況，本試驗采用Image-Pro Plus圖像處理軟件對綠色生態(tài)混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)進行測試，可得到總截面積S和總孔隙面積S，使用相關(guān)公式：

可得到圖像分析孔隙率值。根據(jù)Deless相關(guān)定律，從綠色生態(tài)混凝土二維斷面上得到的參數(shù)可以用來表示三維立體結(jié)構(gòu)信息，即可以用圖像分析法測得的斷面孔隙率來表示綠色生態(tài)混凝土立方體的孔隙率值。

1.2.4 孔隙面分形維數(shù)的測定

綠色生態(tài)混凝土切片厚度為2mm，忽略厚度并采用分形維數(shù)法對綠色生態(tài)混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)特征進行研究，其分形特征主要表現(xiàn)為顆粒形狀、粒徑以及級配，以碎石顆粒為研究對象，可以采用“小島法”來進行描述。其原理如下。

對于三角形、矩形、圓形等幾何規(guī)則圖形，其周長L與面積A有如下關(guān)系：

對于地形、海島、材料內(nèi)部的微細裂縫等自然界不規(guī)則圖形，則存在：

公式（3）中D為不規(guī)則圖形的分形維數(shù)。整理后可得：

D

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 孔結(jié)構(gòu)圖像處理結(jié)果分析

通過Med Explorer軟件處理后的綠色生態(tài)混凝土孔結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖2所示。

圖2 孔結(jié)構(gòu)取樣圖片

從圖2可以看出，綠色生態(tài)混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)明顯、清晰，且分布均勻，連通孔隙較多，用大粒徑骨料制備的綠色生態(tài)混凝土內(nèi)部孔隙更為明顯，更有利于綠色植物根系的生長。同時也表明綠色生態(tài)混凝土骨料粒徑越大，內(nèi)部孔隙率越大，透水性越強，有利于自然界的水氣循環(huán)，可以大大緩解溫室效應(yīng)。

2.2 圖像孔隙率計算分析

采用實測法和圖像分析法測得的孔隙率及參數(shù)如表3所示。

表3 綠色生態(tài)混凝土孔隙率對比參數(shù)

表3的試驗結(jié)果表明：骨料粒徑為16.0～19.0mm的綠色生態(tài)混凝土圖像分析孔隙率為28.03%，與實測孔隙率26.58%相差5.46%；骨料粒徑為19.0～26.5mm的綠色生態(tài)混凝土圖像分析孔隙率為29.41%，與實測孔隙率27.22%相差9.96%；隨著骨料粒徑的增大，實測孔隙率與圖像分析孔隙率也隨之增大，且圖像分析孔隙率值略大于實測孔隙率值。其原因可能是圖像處理過程存在一定的試驗誤差，但兩種粒徑的測試結(jié)果均在目標孔隙率范圍內(nèi)，說明采用CT掃描技術(shù)結(jié)合Image pro-plus圖像處理技術(shù)可對綠色生態(tài)混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙率值進行處理和分析，進一步簡化和探明綠色生態(tài)混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的特征。

2.3 孔結(jié)構(gòu)面分形維數(shù)的計算及分析

通過Image pro-plus軟件測得部分孔結(jié)構(gòu)切面的面積與周長，用origin軟件進行擬合分析，其處理結(jié)果如圖3所示。

圖3 19～26.5mm粒徑綠色生態(tài)混凝土斷面分形維數(shù)

從圖3可以看出，骨料粒徑為19～26.5mm的綠色生態(tài)混凝土孔結(jié)構(gòu)斷面展現(xiàn)出較好的分形特性，斷面孔隙周長與孔隙面積之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，即表明可以用分形幾何關(guān)系來表示綠色生態(tài)混凝土內(nèi)部孔隙特征。

根據(jù)“小島法”相關(guān)原理，分形維數(shù)越高，說明研究對象越復(fù)雜、越粗糙、越不均勻、越不規(guī)則。綠色生態(tài)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性、不確定性、自相似性和模糊性正是其復(fù)雜性的體現(xiàn)，采用分形理論可以將綠色生態(tài)混凝土孔結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征進行量化和具體化，從而更加精確的描述其結(jié)構(gòu)特點。處理結(jié)果如圖4。

圖4 面分數(shù)維與綠色生態(tài)混凝土孔隙率的關(guān)系

結(jié)果表明：綠色生態(tài)混凝土孔隙率P（y）隨面分形維數(shù)D（x）的增大而增大，且具有較好的相關(guān)性，相關(guān)方程為y=56.26097x-48.55947。說明綠色生態(tài)混凝土骨料粒徑越大，孔隙率越大，其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、越不規(guī)則，通過對綠色生態(tài)混凝土斷面分形維數(shù)的研究，建立孔隙結(jié)構(gòu)與其宏、微觀結(jié)構(gòu)性能之間的關(guān)系，為后續(xù)綠色生態(tài)混凝土植物相容性研究提供理論依據(jù)。

3 結(jié)語

1）采用CT掃描技術(shù)和Image-Pro Plus圖像分析軟件對綠色生態(tài)混凝土的孔隙率進行計算和分析，得出圖像分析孔隙率值略大于實測孔隙率值，且均在目標孔隙率范圍內(nèi)。隨著綠色生態(tài)混凝土骨料粒徑的增大，孔隙率也隨之增大；2）基于分形理論基礎(chǔ)，對綠色生態(tài)混凝土斷面分形維數(shù)進行分析，發(fā)現(xiàn)其面分形維數(shù)D與孔隙率之間存在較好的相關(guān)性，綠色生態(tài)混凝土孔隙率隨面分形維數(shù)的增大而增大。可以利用分形維數(shù)這一指標建立綠色生態(tài)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)與其各結(jié)構(gòu)性能之間的關(guān)系。