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第 1 8卷第 1期 2 0 1 5年 2月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI LDI NG MATERI AL S Vo 1 ． 18。 NO． 1 Fe b．， 2 O1 5 文 章 编 号 1 0 0 7 - 9 6 2 9 2 0 1 5 0 1 0 1 7 7 0 6 I ma g e P r o P l u s混凝 土孑 L 结构 图像分析 方法 张 雄 ， 黄廷皓， 张永娟 ， 高 辉 ， 姜 曼 同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室 ， 上海 2 0 1 8 0 4 摘要 根据定量体视学的原理 ， 应用光学显微镜和计算机 图像处理软件 I ma g e P r o P l u s ， 针对混 凝土内部的细观气孔 1 O ～1 6 0 0肚 m ， 详细介绍 了I ma g e P r o P l u s 混凝土孔结构图像分析方法， 并 计 算 出图像 分析 中砂 浆 的最 小样本 数 为 4 ， 混 凝 土的 最 小样 本 数 为 1 ， 满足 了图像 分析 混 凝 土孔 结 构的适用性． 结果表明 I ma g e - P r o P l u s混凝 土孔 结构 图像分析方 法具有典型代表性和 良好操作 性 ， 适 于深入研 究混 凝土孔 结 构与 宏观 性 能的 关联性 ． 关键 词 孔 结 构 ；图像 分析 ；混凝 土 中图分类号 TU5 2 8 ． 0 1 文献标志码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 9 6 2 9 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 3 2 I ma g e - Pr o Pl u s Ana l y s i s o f Po r e S t r u c t u r e o f Co n c r e t e ZHANG Xi o n g， H U ANG Ti n g h a o， ZHANG Yo n g j 口 ， GAO Hu i ， JI ANG Ma n Ke y La b o r a t o r y o f Ad v a n c e d Ci v i l En g i n e e r i n g Ma t e r i a l s o f Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n， To n g j i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t h e v i e w o f t h e q u a n t i t a t i v e s t e r e o l o g y，t h e t e s t me t h o d o f c o n c r e t e p o r e s t r u c t u r e wa s a n a l y z e d wi t h a p p l i c a t i o n o f a l i g h t mi c r o s c o p e a n d a c o mp u t e r g r a p h i c s s o f t wa r e I ma g e P r o P l u s ．Th e t e s t r a n g e i s u n d e r me s o s c o p i c l e v e l 1 01 6 0 0 m ． F o r t h e f e a s i b i l i t y o f I ma g e P r o Pl u s a n a l y s i s o f p o r e s t r u c t u r e ，t h e f u l l t e s t p r o c e s s wa s p r o p o s e d i n d e t a i l ．I n a d d i t i o n，t h e mi n i mu m s a mp l e s i z e ，wh i c h wa s e q u a 1 t o f o u r i n mo r t a r a n d o n e i n c o n c r e t e 。wa s d e t e r mi n e d ． Th e r e s u l t i n d i c a t e s t h a t I ma g e Pr o P l u s a na l y s i s ，a s a t e s t m e t ho d o f po r e s t r u c t u r e o f c on c r e t e，c a n be wi d e l y us e d i n p r a c t i c e f o r i t s s i gni f i c a nt r e p r e s e n t a t i v e n e s s a n d o u t s t a n d i n g o p e r a b i l i t y ， wh i c h c o n t r i b u t e s t o t h e f u r t h e r s t u d y o n t h e r e l a t i o n b e t we e n p o r e s t r u c t u r e o f c o n c r e t e a n d ma c r o p e r f o r ma n c e s ． Ke y wo r d sp o r e s t r u c t u r e；i m a ge a na l y s i s；c o nc r et e 近年来 ， 体视学图像分析方法在混凝土孑 L 结构 分析 中的应用是 国内外学者研究 的热点． 国外水泥 混凝 土 的研究 领 域 中 ， 孔 结构 的 图像 分 析 方法 在 2 0 世 纪 7 O年 代 末 得 到 广 泛 发 展 与 应 用 ， 美 国 AS TM C 4 5 7已给出显微镜分析孔结构 的标准方法 ， 但后续 仍有学者不断对其进行修正[ 1 ； 国内学者于 2 O世纪 9 o年代总结归纳 了早期 国外 的水 泥混凝土定量体 视学的应用情况 ， 为体视学应用于 国内混 凝土研究 打下了 良好基础[ 2 ] ． 此后 ， 研究人员将体视学应用于 混凝土配合比、 粗骨料堆积孔 隙率及矿渣微粉颗粒 群特征等方面的研究 中 ] ， 均取得了丰硕的成果． 尽管图像分析法的结果 直观， 但 由于混凝土孔 结构参数复杂， 材料本身离散性较大， 在混凝土孔结 构图像分析 中尚存在诸 多需要进一步解 决的技术 点． 另 外 ， 目前 常用 的孔 结构 测 试 方 法 ， 如 等温 吸 附 法、 X射线小角度散射及压汞法等 ， 所测的孑 L 径范 围 主要 集 中在微 观 层 面 ， 不 能 较 好 地 测定 出对 混 凝 土 宏观性能影响巨大 的细观气孔情况． 鉴于此 ， 本文利 用 I ma g e P r o P l u s 软件 ， 针对混凝土 内部的细观气 孔 1 0 ～ 1 6 0 0 m ， 研究一种基于体视学原理 的孔 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 1 3 I修订 日期 2 0 1 3 1 0 2 9 基金项 目 国家 自然科 学基 金资助项 目 5 1 3 7 8 3 9 1 第一作者 ； 张雄 1 9 5 6 一 ， 男 ， 台湾台北人 ， 同济大学教授 ， 博 士生导 师 ， 博 士． E ma i l x io n g ． z h a n g v i p ． s i n a ． t o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 8 建筑材料学报 第 1 8 卷 结构分析方法． 为了保证体视学图像分析的适用性、 分析过程 的可操作性和分析结果的代表性 ， 仔 细考 虑了试样制备过程 、 图像分析最小样本数 、 图像处理 中的关键 设置 及分 析结果 的参 数选 定 ． 1 分析原理与方法 1 ． 1 体视学原理 用材料的二维截面结构参数来确定材料三维结 果的科学 ， 称为体视学． 体视学认 为， 材料中的各组 成结构可看作由空 间的点、 线、 面和体组成 的图像 ， 点数 P， 线长 L， 平 面面积 A， 曲面面积 S以及体积 之间存在着定量关系 ] ． 本研究所应用的体视学 基本 公 式如 下 Vv AA LL PP 1 式 中 v ， A ， L 及 P 分别 表示 每种组分所 占体 积 、 面积 、 线 及点 数 的百 分数 ． 式 1 中的 V 一A 是应用最广泛 的体视学公 式． 国内学者认为“ 随机截面上某相 的面积分数 A 是该相在三维组织 中体积分数 的无偏估计” [ ， 从而保证了二维计算转化到三维结果 的精度． 1 ． 2 分析软件与设备 图像 的处理及孔 结构参数的测量基于 I ma g e P r o P l u s 软件． 该软件不仅在 图像处理与分析方面 表现 强大 ， 还具 有丰 富 的测 量 和定制 功能 ． 本研究利用光学体视显微镜和 O P L E NI C品牌 P r o Mi c r o S a n系列 2 O 0万像 素电子 目镜 对观测 面 拍照， 获取 RG B图像， 整体放大 5 O倍 ， 一次拍照的 视 域为 5 ． 0 mm7 ． 5 mm． 1 ． 3图像分 析的 基本 过程 图像分析基本过程如图 1 所示． 图 1 图像分析基本过程 F i g ． 1 Pr o c e s s o f i ma g e a n a l y s i s 1 ． 4 试样 制 备 图像分析得到可靠信息的先决条件之一就是要 尽可能排除样 品在制备过程 中产生的系统误差 ， 并 使各相与其周围明确分开． 基于该原则 ， 本研究按以 下 3步进 行 样 品制备 1 成型切割 对于 已成型并 达到养护龄期的 试块 ， 根据最小样本数切割出断面， 尽量保持切割面 平 整 ， 上下表 面平 行 ， 切割 厚度控 制在 2 c m 左右 ． 2 打磨抛 光 每个 切 割面用 细度 2 0 0 0目 6 ． 5 m 以上磨料打磨 1 5 ～2 0 mi n ， 使表面光滑平 整 ， 消 除一 切 由于切 害 0 引起 的断 面划 痕 ， 以保 证不 会 因样 品制作 的物 理损 伤而 造成孔 结 构不清 晰 ． 3 孔与孔壁对 比度处理 用墨汁涂黑打磨光 滑的切割面， 晾干后用纳米 C a C O。 粉末填充切割面 上的孔 ， 并用刮刀去除表面附着的多余粉末 ， 即得到 黑 自对 比度较 高的观 测 面． 应特 别注 意 的是 制 作 步 骤应 尽 快 完 成 ， 以避 免 外界因素 ， 尤其是碳化导致的的观测面缺陷 ] ． 2 I ma g e - P r o P l u s混凝 土孔 结构 图像 分 析 2 ． 1 图像 分析 的最 小样 本数 理论上 ， 对于理想均质材料或统计 意义上的实 体材料 ， 式 1 是一个较为精确 的统计估算过程． 然 而 ， 混凝 土是一 种 多组分 的建筑材 料 ， 成型 过程 的偏 析或者外界因素引起的局部 变化 ， 均会导致混凝土 材料 内部气孔结构复杂化． 因此 ， 在进行测试前 ， 必 须先确定待测混凝土试样 的最小样本数 试样随机 截 取平 面数 ， 从 而 极 大 程度 地 消除 系 统 误 差 ， 以保 证混凝土孔结构图像分析结果具有代表性． 本 研究借 鉴 郭冠 英 【 g 的 理 论 方法 ， 结 合 统 计 学 理论 和试验 确定 最 小 样 本 数． 设 抽 中 的 z 个二 维 孔 结构样本的含气量分别为 ， ， ⋯， ， 由此算 出 样本均值 和样本标准差 ， 如式 2 ， 3 所示 一 V 2 一 J 一 ／ v ～ 一，＼／ 刍 ～ 3 式中 ， s 为 n个抽样对母体 N 个样本的均值 M 和 标 准差 的点估 计． 是随机变量 ， 每次抽样得到的 值 以定值 M 为中心左右波动． 随着 值 的增大 ， 值波动 的幅度 趋 向减 小． 当 n值足 够大 ≥ a o 时 ， 近 似服 从 以均 值为M ， 方差为 。的正态分布． 抽样的误差估计实际上是对均值的区间估计． 根据正态分布小样本的均值区间估计公式可得 ㈩ 式 中 A由可信 度确 定 ， 根 据一 般 混 凝 土试 样 可信 度 为 9 5 ， 查表得 一1 ． 9 6 ； d为估计误差， d ≤1 5 ； 总体方差 未知 ， 在小样本的情况下， 可近似用样 本方差代替． 由此可根据式 4 推算 出图像分析混凝 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 2 建筑材料学报 第 1 8卷 考量了图像获取的边界效应 、 中值滤波去噪方法、 二 值化阈值与孔结构计算参数选定． 3 通过对 2种孔结构特征的混凝 土试样进行 测试 ， 测试范 围为 1 O ～1 6 0 0肚 m， 快速计算 出多种 三维 孔 结构 特 征 参 数 ， 证实 了 I ma g e P r o P l u s 混 凝 土孔结构图像分析方法测定孔结构的优越性 ， 有助 于研究孔结构特征参数与宏观性能 尤其是耐久性 的关 系． 参考 文献 [1] P L E AU R， P I G E ON M， L AURE NC O T J ． S o me f i n d i n g s o n t h e u s e f u l n e s s o f i ma g e a n a l y s i s f o r de t e r mi ni n g t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e a ir v o i d s y s t e m o n h a r d e n e d c o n c r e t e [ J ] ． C e me n t a n d C o n c r e t e Co mp o s i t e s ， 2 0 0 1 ， 2 3 2 ／ 3 2 3 7 2 4 6 ． [2 ] 李启令． 定量显微学及其在水 泥混凝土 材料科学 中的应用 前 景[ j ] ． 上海建材学院学报 ， 1 9 9 0 ， 3 4 3 3 3 3 3 9 ． L I Qi l i n g ． Qu a n t i t a t i v e mi c r o l o g y a n d t h e a p p l i c a t i o n p r o s p e c t i n ma t e r i a l s s c i e n c e o f c e me n t c o n c r e t e [ J ] ． J o u r n a l o f S h a n g ～ h a l I ns t i t u t e o f Bu i l d i n g Ma t e r i a l s ， 1 9 9 0， 3 4 3 3 3 3 3 9 ． i n Ch i n e s e [3] 张小伟 ， 肖瑞敏 ， 张雄 ． 混 凝土粗 骨料堆积 的定量体视 学研究 [ J ] ． 混凝土 ， 2 0 1 1 4 6 4 6 8 ． ZH ANG Xi a o we i 。 XI AO Ru i mi n， ZHANG Xi o n g ． I ma g e a n a l y s i s f o r p a c k a g e o f c o a r s e a g g r e g a t e s u s e d i n c o n c r e t e [ J ] ． Co n c r e t e， 2 0 1 1 4 6 4 8 8 ． i n Ch i n e s e [4] 韩继红 ， 张雄． 结构 混凝 土配合 比定量 体视学 综合分 析技 术 [ c ] ／ ／ 第 8届全 国建设 工程 无损检 测技术 学术会 议论 文集． 北京 中国土木工程学会 ， 2 0 0 4 1 8 6 1 9 2 ． HAN J i h o n g，ZHANG Xi o n g ．I ma g e a n a l y s i s t e c h n o l o gy o f t h e mi x t u r e r a t i o o f s t r u c t u r e c o n c r e t e [ c ]／ ／P r o c e e d i n g s o f Na t i o n a l Ac a d e mi c Co nf e r e n c e 8 t h o f NDT Te c h n o l o gy i n C o n s t r u c t i o n E n g i n e e r i n g ． B e i j i n g C h i n a C i v i l E n g i n e e r i n g S o c i e t y， 2 0 0 4 1 8 6 1 9 2 ． i n Ch i ne s e [5 ] 窦竞 ， 张雄． 用图像分析仪研究矿粉的几何特 征[ J ] ． 建筑材 料 学报 ， 2 0 0 2 ， 5 4 3 2 0 3 2 5 ． DOU J ing，ZHANG Xi o n g ．I n v e s t iga t i o n o f t h e g e o me t r i c c h a r a c t e r i s t i c p a r a me t e r s o f s l a g p a r t i c l e b y t h e i ma ge a n a l y z e r l- J ] ． J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 2 ， 5 4 3 2 0 3 2 5 ． i n Ch i n e s e [6] P E L L I S S I E R G P S ． S t e r e o l o g y a n d q u a n t i t a t i v e me t a l l o g r a p h y [ M] ． N e w Yo r k AS TM， 1 9 7 9 t 7 - 1 5 ． [7] 刘国权 ， 刘胜新 ， 黄启今 ， 等． 金相学和材料显微组织定量分析 技术[ 刀． 中国体视学与图像分析 ， 2 0 0 2 ， 7 4 2 4 8 2 5 1 ． L I U Gu o q u a n， L I U S h e n g x i n ， HUANG Qi j i n ， e t a 1 ． Me t a l l o g r a p h y a n d qu a nt i t a t i v e a n a l y s i s t e c h ni q u e s o f ma t e r i a l s mi c r o s t r u c t u r e [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f S t e r e o l o g y a n d I ma g e An a l y s i s ， 2 0 0 2， 7 4 2 4 8 - 25 1 ． i n Ch i n e s e [ 8] P E TE Rs ON K．Ai r v o i d a n a l y s i s o f h a r d e n e d c o n c r e t e v i a f l a t b e d s c a n n e r [ D] ．Mi c h i g a n Mi c h i g a n Te c h n o l o g i c a l Un i v e r s i t y ， 2 00 1 ． [9] 郭冠英． 车速 观测 中最 小样 本数 的确定 [ J ] ． 华 东公 路 ， 1 9 8 7 5 8 - 1 1 ． GUO Gu a n y i n g ． M i ni mu m s a mp l e s i z e s f o r s p e e d o b s e r v a t i o n o f v e h i c l e s [ J ] ． E a s t C h i n a Hi g h wa y 。 1 9 8 7 5 8 - 1 1 ． i n C h i ne s e [ 1 o ] 蒋丽滢 ， 韩继红． 颗粒群特征的定量体 视学分 析方法 [ J ] ． 建 筑 材料学报 ， I 9 9 8 ， 1 4 3 2 5 3 2 9 ． J I ANG Li y i n g， HAN J i h o n g ． I ma g e a n a l y s i s f o r c h a r a c t e r i s t i c o f p a r t i c l e g r o u p [ J ] ． J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 1 9 9 8 ， 1 4 3 2 5 - 3 2 9 ． i n Ch i ne s e r 1 1 ]P E TE R S ON K， C AR L S O N J ， S UT TE R L ， e t a 1 ． Me t h o d s f o r t h r e s h o l d o p t im i z a t i o n f o r i ma g e s c o l l e c t e d f r o m c o nt r a s t e n h a n e e d c on c r e t e s u r f a c e s f o r 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 口] ． Ma t e r i a l s C h a r a c t e r i z a t i 0 n， 2 0 0 9 ， 6 0 7 ； 7 1 0 7 1 5 ． [ 1 2 3 郭剑飞． 混凝土孔结 构与强 度关 系理 论研 究[ D] ． 杭州 ； 浙 江 大学 ， 2 0 0 4 ． GUO J i a n f c i ．The t h e o r e t i c a l r e s e a r c h o f t h e p o r e s t r u c t u r e a n d s t r e n g t h o f c o n c r e t e [ D 口 ． Ha n g z h o u Z h e j ia n g Un i v e r s i t y ， 2 0 0 4 ． i n Ch i n e s e [ 1 3 ] D E O O， NE I THAL ATH N． C o mp r e s s iv e b e h a v i o r o f p e r v i o u s c o n c r e t e s a n d a q u a n t i f i c a t i o n o f t h e i n f l u e n c e o f r a n d o m p o r e s t r u c t u r e f e a t u r e s [ J ] ． Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g A， 2 01 0， 5 2 8 1 4 0 2 4 1 2 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m