AutoCAD在道面混凝土孔结构研究中的应用.pdf

2 0 1 3年第 1 1 期 1 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 3 No ． 1 1 No v e mb e r Au t o C AD在道面混凝土孑 L 结构研究 中的应用 王欣宇方 ， 武 卫 ， 沈 哲 ， 李永毅 ， 梁 峰 ， 潘志锋 ， 王 思扬 1 ． 空军勤务学院机场工程与保 障系 ， 徐州 2 2 1 0 0 0 ； 2 ． 中国航空港建设第八工程总队， 沈阳 1 1 0 0 2 1 摘 要 使 用高分辨 率扫描 仪获取道 面混凝 土截 面照 片， 基 于 A u t o C A D 绘 图技 术标 绘微 气孔 ， 并导 出气孔二 维数据 ， 然后编程计 算孔 结构参数 。实验表明 ， 与导线法相 比， 此方法表征气泡孔径时更接近真实情况 ， 且得 出的气 泡间距与导线法 气泡 间距 系数有 良好的相关性。基于抽样检 测的思路 ， 设计 了简化方法 ， 减 少了绘制 工作量 。简化 结果显示 ， 孔径 、 气泡 间距 、 硬化 混凝 土含 气量 的精 度都 大于 9 5 ％， 且抽样样本 方差亦可表征抗冻性能的优 良。 关键词 孔 结构参数 ； 导线法 ； 道 面混凝 土 ； A u t o C A D Ab s t r a c t Ba s e d o n A u t o CAD d r a wi n g t e c h n i q u e ，mi c r o - p o r e s w e r e p l o t t e d ma n u a l l y o n t h e p i c t u r e o f p a v e me n t c o n c r e t e c r o s s s e c t i o n g o t b y h i g h - r e s o l u t i o n s c a n n e r s ． Us i n g t h e e x p o r t e d 2 - D d a t a ， p o r e s t r u c t u r e p a r a me t e rs w e r e c al c u l a t e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t u s i n g t h e C AD me t h o d me n t i o n e d a b o v e t o c h a r a c t e ri z e t h e p o r e d i a me t e r i s c l o s e r t o t h e r e a l s i t u a t i o n c o mp a ri n g wi t h t h e t r a v e r s e me t h o d ． ， I ’} l e p o r e s p a c i n g g o t b y t h e C AD me t h o d s a n d t h e p o r e s p a c i n g c o e f fi- c i e n t g o t b y t h e t r a v e rse me t h o d h a v e p o s i t i v e l i n e a r c o r r e l a t i o n ． B a s e d o n s a mp l i n g d e t e c t i o n ， t h e c h ara c t e r i z a t i o n me t h o d i s s i mp l i f i e d ， wh i c h c a n r e d u c e t h e wo r k l o a d ．T h e s i mp l e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r e c i s i o n o f p o r e s i z e ， p o r e s p a c i n g ，a i r c o n t e n t o f h a r d e n i n g c o n c r e t e i s o v e r 9 5 ％ ， a n d t h e v a ria n c e o f t h e s a mp l e c a n a l s o c h a r a c t e r i z e a n t i - f r e e z e p e r f o r ma n c e ． Ke y wo r d s P o r e s t r u c t u r e p a r a me t e r s ； P a v e me n t c o n c r e t e ； T r a v e r s e me t h o d ； Au t o C AD 中图分类号 T U 5 2 8 ． 3 7 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 0 4 6 3 7 2 0 1 3 1 1 5 9 0 4 0前 言 抗 冻 性 是 我 国北 方 道 面 混 凝 土 耐 久 性 的 一项 重要指标。使用引气剂引入气泡 已经广泛应用于提 高混凝土 的抗冻性。至于描述抗冻性的优 良， 仅从 宏观层面分析混凝土含气量等指标并不 能准 确说 明引气剂效果的好坏 ， 从微观层面分析气孔结构已 经越来越受到重视[ 1 ] 。混凝土气孔结构参数主要包 括孑 L 形状 、 孔径分布 、 孔径大小 、 孔隙率 、 气泡间距 系数等。这些参数可用引气法 、 正确的配比和养护 进行控制[2 J 。所 以分析和表征道面混凝土中的孔结 构 ， 有着重要 的理论和实践应用价值 。此外 ， 资料表 明引入气泡的孔径一般大于 5 0 1． t m[ - 2 ] 。因此 ， 不考虑 孔径小于 5 0 1 m的气孔对抗冻性 的影响。 常用 的孔结构表征方法有很多 ， 陈霞 、 岑 国平 采用显微镜观察法 S E M 观察混凝土气泡 ， 并用导 线法计算孔径参数『3 _ 卅 ； 袁誉飞使用数码相机拍摄砂 浆切面图像 ， 并使用 MA T L AB开发 了一款分析孔径 参数的软件 [ 5 1 ； C a r l s o n等对平板扫描仪图像分析硬 化混凝土气泡特征参数 的方法 和结果做 了大量研 究I 渊 ， 并提 出成本低廉 、 试 验结果准确的平板扫描 仪法可 以作 为取代人 工显 微镜 直线导线 法 的方法 之一。S E M法需要长时间的显微镜观察 ； C a r l s o n的 方法需要设定“ 阈值” 来二值化图像 ， 而阈值对 图像 的机 械鉴别 有 时会 出错 。考 虑 到道面 混凝 土水灰 比 低 、 引气量少等特点 ， 本研究使用扫描仪获取道面 混凝 土断面 ，利用 A u t o C A D在放大缩小方 面的优 势 ，人工标绘出大于 5 0 u m气孔的位置 ，之后使用 M A T L A B软件编程计算出平均气泡孔径 直径 、 平 均气泡间距等气孔参数。 1 试样 制 备及编 程计 算 1 ． 1 试 样制 备 试验用水泥为抚顺 某水泥厂产 P O 4 2 ． 5级水 泥 ； 细集料来 自洪 区新城砂场 ， 细度模数为 2 ． 8 ； 粗 集料是辽阳石场碎石 ， 粒径为 5 - 4 0 m m； 减水剂是北 京某厂生产的 A J F 一 6缓凝高效减水剂 ，掺量 2 ． 5 ％ 试验配合 比为水 水泥 沙子 石子 O ． 4 0 1 1 ． 7 4 4 ． 2 6 ． 混凝土的维勃稠度为 1 5 s 。制作的混凝土试件尺寸 为 1 5 c mx 1 5 c mx 6 0 c m， 标准 养 护 2 8 d后 ， 切 割成 厚度 1 2 c m的试件 ．试件的处理要求与 S E M法一致 ． 经 打磨 、 抛光 、 清洁、 干燥后待使用。 1 ． 2图像提取及编程计算 本研究为了说 明 A u t o C A D在孔结 构中的运用 而采用此常用道面混凝土配合比。在试件制备完成 后的其余主要步骤为扫描仪扫描一 扫描图像导入 C A D 一 人工绘制气泡一 导 出气泡 的坐标及半径一 编程 计算气孔参数 。 一 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 1 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 1 期 征气泡分布的好坏 方差越 大 ， 说明混凝 土截面有 的地方 气泡间距大 ， 有的地方气泡 间距小 气孔均 匀的分布在硬化水泥 区域是提高抗冻性 的理想状 态 ， 因此 ， 方差越小抗冻性越好 此外 ， 小样本应 当取在硬化水泥浆体上 ， 因此 。 当计算硬化混凝 土含气量时 ， 其最后结果需要乘 以 1 一 粗骨料体积百分数 。经过程序计算得出 ， 在计 算 硬化 混 凝 土 含气 量 时 ， 1 0 x l 0的样 本 与 2 0 x 2 0样 本 的 P e a r s o n相 关性 指 标 为 0 ． 8 4 5 ，精 度 为 0 ． 9 6 ； 在 计算 孔 径 时 ， 1 0 x l 0的样 本 与 2 0 x 2 0样 本 的 P e a r s o n 相关性指标为 0 ． 9 8 7 。 精度为 0 ． 9 9 。 采集样本范围会对精度产生影响。 采集样本的 容 量亦会 影 响精度 。图 6为 采集 容量与 误差 的关 系 曲线 ， 由图可以发现 ， 随着样本容量的增大 ， 样本均 值越来越趋近于真实值 。并且 当选取个数达到 4 O 个时基本不产生误差 。当样本容量为 1 O时 ， 误差小 于 0 ． 0 5 ， 综合考虑计算量的因数 ， 因此采集量为 1 O 个时较 为合适 。需要指出的是 ， 因为 1 0 x l 0的样本 基 本 可 以表征 2 0 x 2 0样 本 的性质 ． 因此 应 当在 混 凝 土切 面 上 均 匀 的选 择 间距 大 于 4 0的 l c m 2的硬 化 混凝土进行气泡绘制。 图 7为道面混凝土引气剂掺量分别为 1 ％、 2 ％、 3 ％时的预期工作量。由图中可以看出 。 S E M法最少 观察的气泡数 目最少 ，但是在研究 5 0 u m一 1 0 0 u m气 孔参数 时的精度 不高 ；简 化 C A D法 大大减少 了 C A D法的工作量 ， 并且可 以保持一定的精度 ， 因此 适合在实际工作中的应用。 。 一 6 2一 图 6采 集 容 量 与误 差 每组 柱状 图从左 至右 分别 为 导线 法、 简化 C A D法、 C AD法 引 气剂掺 量， ％ 图 7不 同方法的工作量预计 3结 论 1 在 分 析 混凝 土 的气 孔 结 构 时 ， 可 使 用 最 大 分辨率 9 6 0 0 d p i 的扫描仪 ， 其效果与 2 0 0 x的拍摄显 微镜相差不大 ， 且随着扫描仪分辨率的提高将越趋 精准 。此外 ， 推荐导线法可充分运用 A u t o C A D， 即先 将扫描仪拍摄 的图像导入 C A D， 然后使用“ 直线” 功 能绘制若干条导线 ， 并使用“ 圆” 功能标注 出导线穿 过气 泡 的位 置 。最 后将 数据 提 出 ， 带入 导 线法 相 关 公式进行编程计算 ， 这样不仅提高了效率亦克服 了 显微 镜法 带来 的人为误 差 。 2 利用 A u t o C A D软件平 台， 人工标绘 出含气 量 较 低 的道 面混 凝 土 气 孔 位 置 。 并 设 计 使用 “ 算 一 个 弃一个 ” 的 C A D算 法来 表征 二维平 面上 的气 泡间 距。 研究表明 C A D算法的气泡 间距与导线法的气泡 间距 系数有 良好 的相关 性 。且 当表 征 小气 泡 指 气 泡直径在 5 0 ～ 1 0 0 m之间的混凝土气孔的平均孔 径时更接近真实情况。 3 为解决 C A D法工作量过大 的问题 ， 采用抽 样 检 测 的 思 路 ．推 荐 在 硬 化 水 泥 区 域 采 集 1 0个 l c mx l c m 的正方 形 区域进 行 气 泡参 数 半 径 ， x坐 标 、 v坐标 提取工作。结果显示在减少 了工作量的 同时 ， 孔径、 气泡间距 、 硬化混凝土含气量这三个参 数的精度都达到了0 ． 9 5以上 ，并且本研究认为 ， 此 1 0个 区域的孔参方差亦可表征抗冻性能的优 良。 参考文献 [ 1 ] 任旭晨 ． 混凝土冻融及盐冻劣化机理研究进展及模型综述 【 J 】 ． 混凝土， 2 0 1 2 9 1 5 - 1 8 ． 【 2 ] 魏新江． 混凝土结构【 M】 ． 杭州 浙江大学出版社， 2 0 0 7 ． 【 3 】 陈霞． 混凝土冻 融耐久性 与气泡特征参 数的研究 [ J ] ． 建筑 材料学报， 2 0 1 1 ， 1 4 2 2 5 7 2 6 2 ． 【 4 】 岑国平 ． 道面混凝土气 孔结构与抗冻性 的研究 [ J 】 ．公路， 2 0 1 2 1 1 l - 4 ． 【 5 ] 袁誉飞． M A T L A B图像处理技术在加气混凝 土孔结构研究 中的应用[ J ] ． 混凝土， 2 0 1 2 2 5 1 5 4 ． 【 6 ] J e r e my C a r l s o n ． A d v a n c e m e n t o n t h e A p p l i c a t i o n o f a F l a t - B e d S c a n n e r f o r Ha r d e n e d P o r t l a n d C e me n t C o n c r e t e Ai r Vo i d A n a l y s i s [ M ] ． Mi c h i g a n T e c h n o l o g i c a l U n i v e r s i t y ， 2 0 0 5 ． 【 7 ] K a d P e t e r s o n ． Me t h o d s f o r t h r e s h o l d o p t i m i z a t i o n for i m a g e s c o l l e c t e d f r o m c o n t r a s t e n h a n c e d c o n c r e t e s u r f a c e s for a i r v o i d s y s t e m c h a r a c t e r i z a t i o n[ J J ．Ma t e ri a l s C h a r a c t e ri z a t i o n ， 2 0 0 8 1 6 ． [ 8 ] J e r e m y C a d s o n ． C o m p a ri s o n o f f l a t b e d s c a n n e r a n d R a p - i d Ai r 4 5 7 s y s t e m f o r d e t e r mi n i n g a i r v o i d s y s t e m p a r a me t e rs o f h a r d e n e d c o n c r e t e『 J 1 ． C o n c r e t e Ma t e ria l s ， 2 0 0 6 5 4 5 9 ． 收 稿 日期 2 0 1 3 0 9 2 6 作者简介 王欣宇方 1 9 9 1 一 ， 男 ， 硕 士研究生 。 通讯地址 徐州市空军 勤务学 院研管一大队 2队 联 系 电 话 1 5 8 5 2 1 7 0 2 5 1 E ma i I wx x 9 1 0 5 0 4 1 6 3 ． c o m 咖姗咖 咖湖咖姗0 4 3 3 2 2 1 l 辙 g器 l， ／ 酶鼷 瞰 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m