论文总字数：28559字

摘 要

混凝土界面过渡区是混凝土结构中的关键部位，最容易影响混凝土性能的好坏，它的形成机理有很多，本文重点关注边壁效应。边壁效应是指，由于颗粒和边壁之间的缝隙较样品中间的缝隙大，从而导致在边壁附近有一个填充的薄弱区域。在检测方面，CT图像的灰度分布能够很好的表达出水泥基材料的多孔、多相、多尺度的结构特征，故本研究将通过CT图像处理来获取界面过渡区边壁效应的相关特性。

实验包括制备含有特殊颗粒堆积的样品来模拟混凝土中的砂浆和骨料界面、砂浆中水泥浆体和沙子的界面以及水泥浆体与具有垂直性的模具界面，利用ZEISS 510 Versa纳米CT设备获取样品的三维图像和利用三维图像处理软件VG（VGstudioMAX）对三维图像进行图像分割处理，统计同个骨料的不同距离处的颗粒统计特性，定量获取边壁效应的相关特征信息。分析发现，样品均具有在骨料边界处的夹杂值比基体处的夹杂值低，且在骨料边界处的小颗粒比大颗粒多的特征，标准砂样品的统计曲线符合级配规律，水泥粉样品具有明显的边壁效应，在骨料表面几个微米处的堆积密度明显小于基体处的堆积密度。

关键词：界面过渡区，边壁效应，三维CT图像，图像分割，统计特性

Abstract

The concrete interface transition zone is the key part of the concrete structure, which is most likely to affect the performance of the concrete. There are many mechanisms for the formation of interface transition zone, this paper focuses on the side wall effect. The sidewall effect refers to the fact that the gap between the particles and the side walls is larger than the gap in the middle of the sample, resulting in a weak area in the vicinity of the side wall. In the aspect of detection, the gray-scale distribution of CT images can well express the porous, multiphase and multi-scale structural features of cement-based materials. Therefore, this paper will obtain the relevant characteristics of the edge transition effect of interface transition zone by CT image processing.

Experiments include the preparation of samples containing special particle deposits to simulate the interface between mortar and aggregate in concrete, the interface between cement slurry and sand in mortar, and the interface between cement slurry and vertical mold. The three-dimensional image of the sample was obtained by using ZEISS 510 Versa nano-CT device and the three-dimensional image processing software VG (VGstudioMAX) was used to segment the three-dimensional image. The statistical characteristics of the grain at the different distance of the aggregate are obtained, and the relevant characteristic information of the wall effect is obtained quantitatively. It was found that the samples had the characteristics of the inclusion at the aggregate boundary, which was lower than the inclusion value at the matrix, and the small particles at the aggregate boundary are more than the large particles. The statistical curve of standard sand samples conforms to the gradation rule. The cement powder sample has a significant side wall effect, and the bulk density at several microns on the aggregate surface is significantly smaller than the bulk density at the substrate.

KEY WORDS: ITZ，side wall effect，3D CT image，image segmentation，Statistical characteristics

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2混凝土界面过渡区的研究现状 1

1.2.1混凝土界面过渡区形成机理 2

1.2.2边壁效应 2

1.3表征界面过渡区的常用方法和手段 3

1.3.1BSE表征界面过渡区 3

1.3.2X-CT无损检测表征界面过渡区 3

1.4X-CT成像原理 4

1.5本文的研究目的和主要研究内容 4

第二章 实验设备与试验方法 6

2.1样品制备 6

2.1.1标准砂样品 6

2.1.2过筛水泥粉样品 7

2.2X-CT参数设置与数据采集 8

2.3基于VG软件的图像处理 9

第三章 图像处理 11

3.1图像处理方法描述 11

3.1.1灰度门槛 11

3.1.2侵蚀膨胀 14

3.1.3算法中改变概率标准 15

3.1.4对图像进行预处理 18

3.2图像处理方法合理性验证 19

第四章 实验结果分析 20

4.1模拟砂浆界面 20

4.1.1分割感兴趣区域 20

4.1.2总夹杂值分布 20

4.1.3不同粒度颗粒夹杂分布 22

4.2模拟净浆界面——小球样品 24

4.2.1分割感兴趣区域 24

4.2.2总夹杂值分布 26

4.2.3不同粒度颗粒夹杂分布 27

4.3模拟净浆界面——平板样品 30

结 论 32

致 谢 33

参考文献 34

第一章 绪论

1.1引言

改革开放以来，随着大坝工程、管道工程、铁路、公路、跨海大桥等大型工程的施工和使用，混凝土成为了耗材量最大的一种建材。实现工程的长久服役离不开混凝土的耐久性研究，使得研究混凝土耐久性的话题经久不衰。不同的孔洞分布情况和分布形式、不同长度和宽度的浆体裂缝、浆体密度是否均匀以及界面过渡区的性质特点都是影响混凝土耐久性的重要因素。其中混凝土界面过渡区是混凝土结构中物理性能极为脆弱的部位，往往对混凝土性能起到关键性作用。界面过渡区的形成机理有以下假设：边壁效应、絮凝成团作用、微区泌水作用、离子的迁移、沉积和成核作用以及脱水收缩效应。而边壁效应是指靠近骨料表面的区域胶凝材料颗粒的堆积密度比在浆体中的堆积密度明显降低，同时，在骨料表面附近区域里，小尺度的颗粒比大尺度的颗粒浓度高。由于边壁效应能明显提高骨料表面孔隙率，界面过渡区会产生许多微孔，导致混凝土内部的不均匀性。

X-CT射线层析扫描技术是近年发展起来的一种利用X射线对样品进行扫描成像，进而重构出孔隙空间分布特征的分析技术。X-CT技术具有很广的应用领域，混凝土的多孔、多相结构，能够使用X-CT以不同灰度的图片来重构表征。在观察细微裂纹和微孔洞方面，X-CT具有高分辨率的优势，在复合材料结构中可以观测出两种不同相的结构，甚至能观测到数量级在几十个微米程度上的裂纹和孔洞。另外，在混凝土领域的X-CT无损检测中， X-CT能够直观的观察到混凝土切片中的孔洞特征，如尺寸、数量、分布等，还能依托某些图像处理软件统计出孔隙率。

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