技术领域：
[0001] 本
发明属于混凝土孔隙参数分析技术领域，涉及一种多孔混凝 土孔隙率计算和孔隙参数表征方法，基于
三维重建的
多孔混凝土模 型计算多孔混凝土的孔隙率、表征多孔混凝土的孔隙参数。背景技术：
[0002] 混凝土(简称为砼)是指由胶凝材料将
骨料胶结成整体的工程复 合材料的统称，通常讲的混凝土一词是指用
水泥作胶凝材料，砂、石 作骨料；与水(可含外加剂和掺合料)按一定比例配合，经搅拌而得 的
水泥混凝土，也称普通混凝土，它广泛应用于
土木工程。多孔混凝 土作为多孔质轻的新型混凝土材料越来越受到人们的青睐，基于多孔 混凝土的透气、透水、高
散热等性能能够有效地缓解城市热岛效应， 其被越来越多地将其应用于城市道路及河道护坡工程中。
[0003] 目前，对于多孔混凝土的研究多集中于孔隙率与抗压强度、透水 系数等宏观方面的研究，只有较少的研究涉及孔隙结构形态特征与空 间分布特征的影响，关于孔隙的研究，研究者均集中于混凝土切片进 行二维平面内孔隙面积、等效直径、轮廓周长的研究，没有定量地对 孔隙的三维空间分布进行研究；多孔混凝土孔隙结构形态及空间分布 特征影响着多孔混凝土的透水性能，然而对多孔混凝土孔隙结构形态 及空间分布的研究，尚未有较好的评价方法和借鉴依据。
[0004] 多孔混凝土中的孔隙按其连通情况可分为连通孔隙、半连通孔隙 和封闭孔隙三种孔隙形态，三者之和即为总孔隙率，其中封闭孔隙因 其孤立不连通的特性起不到排水效果，故称之为无效孔隙；连通孔隙 有较好的透水排水性能，为有效孔隙；半连通孔隙是为一端开口一端 封闭孔隙，虽然没有透水排水功能，但其具有一定的蓄水能
力，对路 面降水方面是有效的，也称之为有效孔隙。孔隙率按有效使用情况分 为总孔隙率和有效孔隙率两种，多孔混凝土孔隙率的计算方法包括传 统实验法和
图像分析法：
[0005] 1、传统实验法包括重量法和体积法两种，《透水混凝土及其 应用技术》(宋中南，石
云兴.透水混凝土及其应用技术，中国 建筑工业出版社，2011年8月)中分别给出了重量法和体积法 的计量多孔混凝土孔隙率的过程，其中重量法对孔隙率的测定使 用的是
电子天平，分别称量试件烘干后的重量和在水中的重量， 两者之差即为试件因孔隙被水所填充而实际收到的
浮力，假设试 件无孔隙，用理论上所受到的浮力减去实际收到的浮力即可得孔 隙率P的公式，其计算公式为： 式中，m1为试件在水中的重量(g)，m2为试件在烘箱中
烘烤24小时后的 重量(g)，v为试件的体积；体积法所用的计量设备为CoreLok
真空密封仪，利用CoreLok真空密封仪测量压密试件的毛体积
密度和最大表观密度，根据毛
体积密度和最大表观密度计算出试 件的连通孔隙率，具体操作步骤为：(1)、计算经真空密封的试 件连同密封袋的密度ρ1，(2)、在水下剪开该试件包裹的密封 袋，计算得到其水中密度ρ2，连通孔隙率是将ρ1和ρ2代入公 式： 计算得到的；
[0006] 2、图像分析法是利用数学模型结合
图像处理的技术分析和 提取得到孔隙率的方法，中国
专利201510061021.9公开的一种 基于图像处理的透水混凝土孔隙特征的检测方法包括把透水混凝 土试件进行横向切割，以暴露出完整和平滑的切割平面为实验 面，获取经过砖粉处理的透水混凝土实验面的
正面照片，从获取 的正面照片中截取出面积最大的形状规则的试件横截面图片，并 计算其总
像素值，对获得的图片黑白化处理，提取经过黑白处理 后的图片的孔隙图像，计算各个孔隙的像素值，计算孔隙总像素 值，根据得到的各个孔隙的像素值和孔隙总像素值来计算总孔隙 率及内部孔径的分布情况，重复以上步骤，获得同一透水混凝土 试件多个切割面上的总孔隙率以及孔径的分布情况，各个面总孔 隙率再取平均值，得到透水混凝土试件总孔隙率，获取透水混凝 土的孔隙特征；中国专利201310408977.2公开的一种基于CT 技术的多孔混凝土孔结构表征方法，通过图像处理法分析CT扫 描二维
断层图像，得到多孔混凝土平面孔隙率、有效孔径和孔径 分布等孔结构参数，具体包括以下步骤：首先利用
CT扫描仪获 取多孔混凝土二维断层图像，并通过计算机对图像进行黑白二值 化处理得到清晰的孔隙分布图，然后利用图像处理
软件计算出代 表孔隙区域的面积，并把此区域转化为等面积的圆，最后统计分 析孔径大于1mm的数据得到多孔混凝土平面孔隙率、有效孔径和
孔径分布等孔结构参数；上述两种方法均是利用混凝土二维剖面 图像进行孔隙率计算和孔径分布研究，其孔隙率计算的具体过程 如下：
(1)、横向切割多孔混凝土试件，以切割面为实验面， (2)、截取混凝土截面，并计算其总像素值A，(3)、将截面图 片进行黑白化处理，使孔隙成为统一纯黑色，(4)、提取孔隙图 像，并计算孔隙总像素值A1，(5)、根据像素值计算二维平面总 孔隙率，试件截面总孔隙率表达式为： (6)、计算各个面 总孔隙率，取其平均值为试件总孔隙率，多孔混凝土试件总孔隙 率表达式为： 其中n为试件截面二维图像的数量。
[0007] 综合分析以上孔隙率计算方法可知，重量法和体积法主要基于实 验原理进行的孔隙率测量，这两种方法忽略了封闭孔隙的影响，所测 得的孔隙率为有效孔隙率(连通孔隙与半连通孔隙之和)；图像分析 法是基于混凝土连续断层图像的图像分析原理进行测量，对每层剖面 图像进行面孔率测量，取其平均值作为混凝土总孔隙率值，这种方法 是基于平面图像的处理，所描述的是平面孔隙的分布，没有涉及多孔 混凝土三维空间分布研究，对于孔隙结构的描述较为抽象，所计算孔 隙率为平面总孔隙率，(连通孔隙，半连通孔隙与封闭孔隙之和)；以 上方法都能够计算得到多孔混凝土的孔隙率，但是没有区分有效孔隙 率与总孔隙率，对孔隙率的计算较为单一，并且没有涉及多孔混凝土 的数值模拟研究领域，没有形象的说明多孔混凝土孔隙结构特点。
[0008] 另外，孔隙迂曲度、连通度、孔喉比、喉道宽度、配位数等都是 多孔混凝土孔隙的重要空间参数，其对多孔混凝土的强度、透水性能 均有重要影响，但是基于多孔混凝土孔隙的复杂性和无规律性，利用
现有技术对孔隙空间参数进行研究还存在较大困难。因此，针对多孔 混凝土孔隙结构和透水性能研究存在的不足，孔隙空间形态结构的获 取难度大导致孔隙结构研究
进程缓慢的问题，研发设计一种基于数值 模型的多孔混凝土孔隙率计算和孔隙参数的表征方法。发明内容：
[0009] 本发明的目的在于克服现有技术存在的多孔混凝土孔隙结构分 析和孔隙率测量方法的局限性，提供一种基于数值模型的虚拟测量 方式进行孔隙率的计算，并通过数值模型进行孔隙结构参数的表 征。
[0010] 为了实现上述目的，本发明涉及的多孔混凝土孔隙率计算和孔 隙参数表征方法的具体工艺过程包括获取多孔混凝土连续剖面图 像、标准化处理连续剖面图像、重建多孔混凝土模型、计算孔隙率 和表征孔隙特征参数共五个步骤：
[0011] (一)获取多孔混凝土连续剖面图像：将磨削刀具与脆性材料 剖面磨削箱室固定连接，把预制的或在多孔混凝土道路上取芯的多 孔混凝土试件装设并固定在脆性材料剖面磨削箱室的试件夹持机构 上，多孔混凝土试件跟随试件夹持箱
门旋转，试件夹持箱门的最大 旋转
角度为90°，多孔混凝土试件截面中心距地面高度为105cm； 将固定在三
脚架上的
数码相机的镜头高度调整为105cm使其与多孔 混凝土试件的截面中心点在同一条直线上，将相机镜头与多孔混凝 土试件截面的水平直线距离调整为30cm；开启磨削刀具沿多孔混凝 土试件的Z轴方向对多孔混凝土试件进行打磨，通过磨削刀具的精 密螺丝的旋转周数控制多孔混凝土试件剖面的打磨厚度和间距，精 密螺丝的
螺纹间距为1mm，精密螺丝旋转一周磨头的打磨进深间距 为1mm；每层剖面打磨完成后进行截面拍照，每层剖面拍照后精密 螺丝旋转一圈，打磨下一层剖面，以相同的拍照参数重复打磨—拍 照过程，获取层间距为1mm的多孔混凝土试件连续剖面图像；
[0012] 连续剖面图像的层间距越小，构建的三维模型越精确，通过精 密螺丝的控制获得层间距为1mm连续剖面图像提高了三维模型重建 的精准度，大大减少了图像层间差值运算量；
[0013] (二)标准化处理连续剖面图像：采用三
锚点对准方法对连续 剖面图像进行校准，由于混凝土试件分层打磨时，拍摄的每一层剖 面图像不能保证在层间配准，由于图像拍摄时受到各种因素的影 响，如摄像机的角度、距离和方向、物体
位置的移动以及其他因 素，导致图像出现误差，需要对图像进行配准，选取试件夹持机构 上靠近多相材料试件的三个控制点作为基准点，三个基准点不在一 条直线上，连续剖面图像成像时，每个剖面图像都包含这三个基准 点，选择其中一幅标准图像作为基准图像，其余剖面图像为待配准 图像，标准图像是连续剖面图像中的角度、距离、方向和物体位置 均符合设定要求的图像，
图像配准是寻求待配准图像和标准图像间 一对一的映射的过程，是将两幅图像中对应于空间同一位置的点联 系起来，待配准图像中的三个控制点与基准图像中的三个基准点应 重合，根据控制点的位置来推算空间映射的关系，再用空间映射的 关系对待配准图像进行几何变换，在MATLAB(矩阵实验室)中，使 用cpselect函数交互工具对连续剖面图像进行Z轴方向的配准，获 得配准结果；拍摄时包含了不属于多孔混凝土试件剖面图像的锚 点，利用Photoshop(图像处理软件)、image proplus(图像分析 软件)对配准后的连续剖面图像进行统一的图像剪裁，裁剪掉连续 剖面图像周围包括锚点的无用区域，保留需要分析的混凝土试件打 磨区域的连续剖面图像并将连续剖面图像调整为相同尺寸，完成连 续剖面图像的标准化处理；
[0014] 基于连续剖面图像为全景图像，拍摄和保存图像的成像设备参数 的不同，成像设备与多孔混凝土试件剖面相对位置和角度的不同，使 得各层剖面图像之间存在位置偏差，需要对获得的连续剖面图像进行 标准化处理，以满足实验分析的需求；利用Matlab软件或image proplus软件对连续剖面图像进行的校准，能够增加图像的对准度， 对连续剖面图像进行的图像增强操作，能够增加图像孔隙介质与固体 介质的
对比度，突显出孔隙轮廓的边界；
[0015] (三)重建多孔混凝土模型：为保证图像像素(pixel)与真实 骨料尺度的比例一致，对连续剖面图像进行图像像素与真实骨料尺 寸的转换推算，在连续剖面图像导入Mimics(医学影像控制系统) 三维重建软件的过程中输入X轴、Y轴和Z轴的扫描
分辨率，图像 上的点坐标(x’，y’)对应真实切片上的相应点坐标(x，y)，然后 对真彩色连续剖面图像进行灰度
转化处理，得到的连续剖面图像中 不同相的图像灰度具有不同的
阈值范围；进一步对连续剖面图像进 行阈值分割，分别选取多孔混凝土试件的连续剖面图像中的骨料、 胶凝材料和孔隙三相并保存为各相蒙板，对骨料、胶凝材料和孔隙 三相蒙板进行3D计算，分别将骨料、胶凝材料和孔隙三相蒙板重建 为三维矩阵模型；
[0016] (四)计算孔隙率：利用mimics软件的虚拟测量功能对骨 料、胶凝材料和孔隙三相模型进行体积计量，骨料模型体积为 V1，胶凝材料模型体积为V2，总孔隙模型体积为V3，有效孔隙 体积为V4，则透水混凝土总孔隙率计算公式为： 有效孔隙率计算公式为 其中多孔混凝土有效孔隙 体积V4的测量方法是通过区域增长功能，
分别选取多孔混凝土 连续剖面图像中第一层与最后一层的孔隙区域，其余各层分别 对与边界相交的孔隙进行区域增长，经区域增长后选取的孔隙 区域为与边界相连的包括连通孔隙和半连通孔隙的有效孔隙区 域，舍弃中间封闭的孔隙，将区域增长选取的有效孔隙区域保 存为新的蒙板，对新的蒙板进行3D计算重建为有效孔隙的三维 模型，再对有效孔隙三维模型进行虚拟测量计算得到有效孔隙 模型体积V4；
[0017] (五)表征孔隙特征参数：通过有效孔隙三维模型能够直 观的观察到孔隙空间分布特征，通过mimics软件孔隙分析模
块 能够对孔隙特征参数：平均孔径、孔径分布、孔喉比和孔隙迂 曲度进行计量分析，其中孔隙迂曲度τ是渗流通道的实际长度与 穿过渗流介质的宏观长度的比值，孔隙迂曲度τ的计算公式为： 其中，Lε为
流体介质渗流通道的实际长度，L为渗流 介质宏观长度，流体介质渗流通道的实际长度的计量过程是： 选取有效孔隙三维模型从二维平面图像中生成的孔隙边界轮廓 线，基于孔隙边界轮廓线拟合孔隙中心线，通过软件输出功能 输出孔隙拟合中心线的长度，孔隙拟合中心线的长度即为流体 介质渗流通道的实际长度L∈，流体介质点穿越介质单位距离时 质点在孔道中运动轨迹的真实长度即为渗流介质宏观长度L。
[0018] 本发明步骤(一)涉及的脆性材料剖面磨削箱室的主体结构包括
箱体、
抽屉、箱盖、试件夹持箱门、
铰链机构、试件夹持机构、随动 密封机构、观察箱门、合页、门
锁机构、窗口和把手；内空式矩形结 构的箱体的下部设置有矩形结构的抽屉，箱体的顶部设置有内凹式矩 形结构的箱盖，箱体与箱盖铰接式连接，箱体的前侧面设置有矩形结 构的试件夹持箱门，箱体与试件夹持箱门通过2-4个铰链机构连接， 试件夹持箱门的内侧面设置有试件夹持机构，箱体的后侧面设置有随 动密封机构，箱体与随动密封机构
焊接式连接，箱体的左侧面设置有 矩形结构的观察箱门，箱体与观察箱门通过2-4个合页连接；箱体与 试件夹持箱门和箱体与观察箱门分别通过门锁机构实现开闭，箱盖的 底面和观察箱门的中部分别开设有矩形板状结构的窗口，抽屉的面板 上和箱盖的窗口上分别设置有圆弧形结构的把手，窗口与把手
螺栓式 连接；使用时，将脆性材料剖面磨削箱室与磨削机具连接，磨削机具 的主动杆轴由随动密封机构进入箱体的内部，主动杆轴与试件夹持箱 门垂直，打开试件夹持箱门，将待磨削的材料试件固定于试件夹持机 构上并调整材料试件的截面位置，设定试件夹持机构的上夹持钳和下 夹持钳的角点处为校准锚点，将安置有相机的三脚架固定在试件夹持 箱门的正前方位置，调整相机的垂直高度使相机的中心高度与试件剖 面的中心高度均为H1，按照设定的拍照距离H2调整相机与试件剖面 之间的水平距离，相机镜头对准材料试件的正截面，通过门锁机构关 闭试件夹持箱门，使箱体密封，开启磨削机具，按照设定的深度对材 料试件进行磨削，磨削完成后，开启试件夹持箱门，试件夹持箱门带 动试件夹持机构和材料试件跟随铰链机构的转动而旋转，试件夹持箱 门旋转角度达到90°时，控制杆的低端的凸起与
基座中孔道内的凹槽 嵌合并保持稳定，支座与基座呈90°角的稳定状态，试件夹持箱门停 止旋转并固定，打开相机对磨削好的材料试件进行拍照获取材料试件 的剖面图像，拍摄完毕后再次关闭试件夹持箱门对材料试件进行下一 深度的磨削，依此进行多次磨削和拍照，得到设定深度范围内材料试 件的连续剖面图像，以锚点为基准点对连续剖面图像进行校准，以提 高连续剖面图像的对准度，实现增加三维重建模型精准性的目的；试 件夹持箱门每次打开后都处于同一固
定位置，使相机镜头轴线与材料 试件每层剖面的中心法线位于同一直线上，保证了材料试件连续剖面 图像参数的一致性。
[0019] 本发明涉及的铰链机构的主体结构包括支座、
连接杆、控制杆、 凸起、基座、孔道、凹槽和连接凸起；板状结构的支座的一端设置有 内空式圆柱形结构的连接杆，支座的上表面中部横向设置有一端高另 一端低的条状结构的控制杆，控制杆的一端的上底面和下底面分别设 置有半球形伸缩式结构的凸起，板状结构的基座的中部开设有矩形结 构的孔道，孔道的上表面和下表面分别设置有半球形结构的凹槽，基 座的一端顶部和底部分别设置有半球形结构的连接凸起，连接杆的外 壁与控制杆的外
侧壁平齐，支座与试件夹持箱门螺栓式连接，基座与 箱体螺栓式连接，连接杆嵌于连接凸起之间将支座与基座连接，凸起 嵌合在凹槽中。
[0020] 本发明涉及的试件夹持机构的主体结构包括连接片、
扭簧、上夹 持钳、上开口、连接件、下夹持钳和下开口；矩形片状结构的连接片 与试件夹持箱门的上部螺栓式连接，连接片与试件夹持箱门之间设置 有螺旋式结构的扭簧，扭簧的下端与块状结构的上夹持钳固定连接， 扭簧压缩时，上夹持钳向上运动，扭簧伸展时，上夹持钳向下运动， 上夹持钳的底部开设有倒V形结构的上开口，U形片状结构的连接件 与试件夹持箱门螺栓式连接，连接件的U形口槽中卡接有块状结构的 下夹持钳，下夹持钳在连接件的U形槽中上下移动，下夹持钳的顶部 开设有V形结构的下开口。
[0021] 本发明涉及的随动密封机构的主体结构包括底座板、上滑槽、下 滑槽、第一层薄片、第一通孔、第二层薄片、第二通孔、第三层薄片 和第三通孔；矩形板状结构的底座板的上部设置有U形槽状结构的上 滑槽，底座板的下部设置有U形槽状结构的下滑槽，上滑槽与下滑槽 之间设置有三层矩形板状结构的薄片，外层为第一层薄片，第一层薄 片的中部开设有圆形结构的第一通孔，
中间层为第二层薄片，第二层 薄片的中部开设有胶囊形结构的第二通孔，内层为第三层薄片，第三 层薄片的中部开设有胶囊形结构的第三通孔；底座板焊接在箱体的侧 面，底座板的长度大于上滑槽和下滑槽的长度，上滑槽的长度与下滑 槽的长度相等，上滑槽和下滑槽的长度大于第三层薄片的长度，第三 层薄片的长度大于第二层薄片的长度，第二层薄片的长度大于第一层 薄片的长度，第一层薄片、第二层薄片和第三层薄片在上滑槽和下滑 槽之间移动，第一通孔的直径小于第二通孔的长度，第二通孔的长度 小于第三通孔的长度。
[0022] 本发明涉及的门锁机构的主体结构包括
底板、卡板、控制板、基 板和
挡板；圆形板状结构的底板的上表面与板状结构的卡板转动式连 接，卡板能够围绕卡板与底板的连接点旋转360°，卡板的上表面与 板状结构的控制板固定连接，矩形板状结构的
基板的上表面设置有L 形板状结构的挡板，底板分别与试件夹持箱门和观察箱门螺栓式连 接，基板与箱体螺栓式连接，旋转控制板，控制板带动卡板旋转旋进 或旋出挡板之间实现试件夹持箱门和观察箱门的闭合和开启。
[0023] 本发明涉及的箱体、箱盖和合页的材质均为不锈
钢；抽屉用于收 集材料试件磨削过程中产生的粉末碎屑，便于集中处理；试件夹持箱 门在开合过程中带动试件夹持机构旋转，试件夹持箱门的转动角度范 围为0°-90°；铰链机构是旋转角度可控的钢铰链；试件夹持机构能 够稳固的夹持不同规格尺寸的材料试件；随动密封机构随着磨削刀具 主动杆轴的往复运动发生相对移动，在主动杆轴运动过程中，保证箱 体的
密封性，并且有效防止粉尘和噪声污染；观察箱门便于观察材料 试件的磨削过程；门锁机构能够将试件夹持箱门和观察箱门分别与箱 体紧密闭合，并能轻松开启试件夹持箱门和观察箱门；窗口的材质为 玻璃，在磨削材料试件的过程中，便于肉眼观察箱体内部的状况；把 手便于抽屉和箱盖的开合操作。
[0024] 本发明与现有技术相比，采用优化设计的脆性材料剖面磨削箱 室配合磨削刀具对多孔混凝土试件进行固定间距的逐层干磨，拍摄 多孔混凝土试件的连续剖面图像，进而利用图像处理软件对多孔混 凝土试件连续剖面图像进行标准化处理获取标准可用的多孔混凝土 试件连续剖面图像，在连续剖面图像获取时考虑了剖面图像在Z轴 方向的对准，实现了较小层间距和较高校准度的连续剖面图像的获 取，进而对连续剖面图像进行多孔混凝土试件模型的三维重建，基 于多孔混凝土试件三维模型进行总孔隙率和有效孔隙率的计算以及 孔隙参数的表征；其图像获取的方式简单、快捷，图像获取成本 低，获取的图像信息量完整，能够直观的观察多孔混凝土孔隙结构 的分布状况，便于应用推广。
附图说明：
[0026] 图2为本发明步骤(一)涉及的脆性材料剖面磨削箱室的主体 结构原理示意图。
[0027] 图3为本发明步骤(一)涉及的脆性材料剖面磨削箱室的外观 结构原理示意图。
[0028] 图4为本发明步骤(一)涉及的铰链机构的结构原理示意图。
[0029] 图5为本发明步骤(一)涉及的支座的结构原理示意图。
[0030] 图6为本发明步骤(一)涉及的基座的结构原理示意图。
[0031] 图7为本发明步骤(一)涉及的试件夹持机构的结构原理示意 图。
[0032] 图8为本发明步骤(一)涉及的随动密封机构的结构原理示意 图。
[0033] 图9为本发明步骤(一)涉及的三层薄片的主体结构分散原理 示意图。
[0034] 图10为本发明步骤(一)涉及的门锁机构的结构原理示意图。
[0035] 图11为本发明步骤(一)涉及的拍照状态示意图。
[0036] 图12为本发明发明内容步骤(三)涉及的骨料三维模型图。
[0037] 图13为本发明发明内容步骤(三)涉及的胶凝材料三维模型 图。
[0038] 图14为本发明发明内容步骤(三)涉及的孔隙三维模型图。
[0039] 图15为本发明发明内容步骤(四)涉及的有效孔隙三维模型 图。
[0040] 图16为本发明发明内容步骤(五)涉及的有效孔隙拟合中心线 示意图。
[0041] 图17为本发明
实施例步骤(四)涉及的重量法、平面图像法、 虚拟测量法计算的孔隙率对比线图。
[0042] 图18为本发明实施例步骤(五)涉及的孔隙率15％的多孔混凝 土三维模型图。
[0043] 图19为本发明实施例步骤(五)涉及的孔隙率20％的多孔混凝 土三维模型图。
[0044] 图20为本发明实施例步骤(五)涉及的孔隙率25％的多孔混凝 土三维模型图。
[0045] 图21为本发明实施例步骤(五)涉及的孔隙率15％的多孔混凝 土三维模型的孔隙等效直径分布饼图。
[0046] 图22为本发明实施例步骤(五)涉及的孔隙率20％的多孔混凝 土三维模型的孔隙等效直径分布饼图。
[0047] 图23为本发明实施例步骤(五)涉及的孔隙率25％的多孔混凝 土三维模型的孔隙等效直径分布饼图。
[0048] 图24为本发明实施例步骤(五)涉及的孔隙率与连通孔隙平 均迂曲度关系示意图。具体实施方式：
[0049] 下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
[0050] 实施例1：
[0051] 本实施例涉及的多孔混凝土孔隙率计算和孔隙参数表征方法的 具体工艺过程包括获取多孔混凝土连续剖面图像、标准化处理连续 剖面图像、重建多孔混凝土模型、计算孔隙率和表征孔隙特征参数 共五个步骤：
[0052] (一)获取多孔混凝土连续剖面图像：按照表1多孔混凝土配 合比制备孔隙率分别为15％、20％和25％的多孔混凝土试件，将磨削 刀具与脆性材料剖面磨削箱室固定连接，分别把养护好的多孔混凝 土试件装设并固定在脆性材料剖面磨削箱室的试件夹持机构6上， 多孔混凝土试件跟随试件夹持箱门4旋转，试件夹持箱门4的最大 旋转角度为90°，多孔混凝土试件截面中心距地面高度为105cm； 将固定在三脚架上的数码相机的镜头高度调整为105cm使其与多孔 混凝土试件的截面中心点在同一条直线上，将相机镜头与多孔混凝 土试件截面的水平直线距离调整为30cm；开启磨削刀具沿多孔混凝 土试件的Z轴方向对多孔混凝土试件进行打磨，通过磨削刀具的精 密螺丝的旋转周数控制多孔混凝土试件剖面的打磨厚度和间距，精 密螺丝的螺纹间距为1mm，精密螺丝旋转一周磨头的打磨进深间距 为1mm；每层剖面打磨完成后进行截面拍照，每层剖面拍照后精密 螺丝旋转一圈，打磨下一层剖面，以相同的拍照参数重复打磨—拍 照过程80次，获取层间距为1mm的80张多孔混凝土试件连续剖面 图像；
[0053] 表1多孔混凝土配合比
[0054]
[0055]
[0056] (二)标准化处理连续剖面图像：采用三锚点对准方法对连续 剖面图像进行校准，由于混凝土试件分层打磨时，拍摄的每一层剖 面图像不能保证在层间配准，由于图像拍摄时受到各种因素的影 响，如摄像机的角度、距离和方向、物体位置的移动以及其他因 素，导致图像出现误差，需要对图像进行配准，选取试件夹持机构 6上靠近多相材料试件的三个控制点作为基准点，三个基准点不在 一条直线上，连续剖面图像成像时，每个剖面图像都包含这三个基 准点，选择其中一幅标准图像作为基准图像，其余剖面图像为待配 准图像，标准图像是连续剖面图像中的角度、距离、方向和物体位 置均符合设定要求的图像，图像配准是寻求待配准图像和标准图像 间一对一的映射的过程，是将两幅图像中对应于空间同一位置的点 联系起来，待配准图像中的三个控制点与基准图像中的三个基准点 应重合，根据控制点的位置来推算空间映射的关系，再用空间映射 的关系对待配准图像进行几何变换，在MATLAB(矩阵实验室)中， 使用cpselect函数交互工具对连续剖面图像进行Z轴方向的配准， 获得配准结果；拍摄时包含了不属于多孔混凝土试件剖面图像的锚 点，利用Photoshop(图像处理软件)、image proplus(图像分析 软件)对配准后的连续剖面图像进行统一的图像剪裁，裁剪掉连续 剖面图像周围包括锚点的无用区域，保留需要分析的混凝土试件打 磨区域的连续剖面图像并将连续剖面图像调整为相同尺寸，使每一 像素点对应的图像距离为0.25mm，完成连续剖面图像的标准化处 理；
[0057] (三)重建多孔混凝土模型：为保证图像像素(pixel)与 真实骨料尺度的比例一致，对连续剖面图像进行图像像素与真 实骨料尺寸的转换推算，在连续剖面图像导入Mimics(医学影 像控制系统)三维重建软件的过程中输入X轴、Y轴和Z轴的 扫描分辨率，图像上的点坐标(x’，y’)对应真实切片上的相 应点坐标(x，y)，根据推算公式 和 计算得到x＝
0.25mm，y＝0.25mm，计算结果表示图像每一像素所包含 的图像尺寸，x轴和y轴的扫描分辨率均为0.25mm，z轴扫描 分辨率为剖面图像的间距1mm；然后对真彩色连续剖面图像进行 灰度转化处理，得到的连续剖面图像中不同相的图像灰度具有不同 的阈值范围；进一步对连续剖面图像进行阈值分割，选取多孔混凝 土试件的连续剖面图像中的孔隙并保存为孔隙蒙板，其余部分作为 固体介质保存为固体介质蒙板，对孔隙蒙板和固体介质蒙板进行3D 计算，分别将固体介质蒙板和孔隙蒙板重建为多孔混凝土和孔隙的 三维矩阵模型；
[0058] (四)计算孔隙率：利用mimics软件的虚拟测量功能分别 对孔隙率为20％的多孔混凝土模型进行体积计量，骨料模型体 积为V1，胶凝材料模型体积为V2，总孔隙模型体积为V3，有 效孔隙体积为V4，则透水混凝土总孔隙率计算公式为： 有效孔隙率计算公式为 其中多孔混 凝土有效孔隙体积V4的测量方法是通过区域增长功能，分别选 取多孔混凝土连续剖面图像中第一层与最后一层的孔隙区域， 其余各层分别对与边界相交的孔隙进行区域增长，经区域增长 后选取的孔隙区域为与边界相连的包括连通孔隙和半连通孔隙 的有效孔隙区域，舍弃中间封闭的孔隙，将区域增长选取的有 效孔隙区域保存为新的蒙板，对新的蒙板进行3D计算重建为有 效孔隙的三维模型，再对有效孔隙三维模型进行虚拟测量计算 得到有效孔隙模型体积V4；
[0059] 多孔混凝土模型的各相体积(mm3)测量结果见表2：
[0060]骨料体积V1 胶凝材料体积V2 总孔隙体积V3 有效孔隙体积V4
171344.68 181344.36 69479.74 62778.65
[0061] 分别采用称重法和平面图像法对孔隙率为15％、20％和25％ 的多孔混凝土试件进行多孔混凝土孔隙率的计算，并将计算得 到的多孔混凝土孔隙率与本方法涉及的虚拟测量法计算的多孔 混凝土孔隙率进行对比分析，结果见表3：
[0062]
[0063] 从上表得知基于多孔混凝土三维模型计算的总孔隙率比重量法计 算的孔隙率偏大，与平面图像法计算的总孔隙率的误差在5％以内， 基于多孔混凝土三维模型计算的有效孔隙率与重量法计算的孔隙率的 误差在5％以内，以上误差是多孔混凝土连续剖面图像获取和阈值分 割过程中灰度值范围选取导致的，表明基于多孔混凝土三维模型计算 孔隙率的方法是有效的；
[0064] (五)表征孔隙特征参数：通过有效孔隙三维模型能够直 观的观察到孔隙空间分布特征，通过mimics软件孔隙分析模块 能够对孔隙特征参数：平均孔径、孔径分布、孔喉比、孔隙迂 曲度和连通孔隙平均迂曲度进行计量分析，其中孔隙迂曲度τ是 渗流通道的实际长度与穿过渗流介质的宏观长度的比值，孔隙 迂曲度τ的计算公式为： 其中，Lε为流体介质渗流通 道的实际长度，L为渗流介质宏观长度，流体介质渗流通道的实 际长度的计量过程是：选取有效孔隙三维模型从二维平面图像 中生成的孔隙边界轮廓线，基于孔隙边界轮廓线拟合孔隙中心 线，通过软件输出功能输出孔隙拟合中心线的长度，孔隙拟合 中心线的长度即为流体介质渗流通道的实际长度L∈，流体介质 点穿越介质单位距离时质点在孔道中运动轨迹的真实长度即为 渗流介质宏观长度L；连通孔隙平均迂曲度的计算公式为： 其中，n为连通孔隙拟合曲线的条数，随着多孔混凝 土孔隙率的增大，连通孔隙平均迂曲度减小，水流路径变短， 所以，孔隙率大的多孔混凝土的透水系数随着多孔混凝土孔隙 率的增大而增加；对三维重建的孔隙率为15％、20％和25％的 真实多孔混凝土模型分别进行空间孔隙等效直径的提取与分 析，结果显示，随着多孔混凝土数值模型孔隙率的增大，试件 孔隙的等效直径主要分布范围由0-9mm增加为0-11mm，且孔 隙不同等效直径所占比重也发生了变化，孔隙率为15％的试件 孔隙的等效直径主要分布在1.5-4.5mm，占比为57.8％，孔隙 率为20％的试件孔隙的等效直径主要分布在3-6mm，占比为 56.9％，孔隙率为25％的试件孔隙的等效直径主要分布范围为 4.5-9mm，占比为
56.9％，4.5-10.5mm范围内的等效直径孔隙 的数量明显增加，表明三维模型建立的多孔混凝土试件能够真 实地反映多孔混凝土孔隙的分布特征。
[0065] 本实施例步骤(一)涉及的脆性材料剖面磨削箱室的主体结构包 括箱体1、抽屉2、箱盖3、试件夹持箱门4、铰链机构5、试件夹持 机构6、随动密封机构7、观察箱门8、合页9、门锁机构10、窗口 11和把手12；内空式矩形结构的箱体1的下部设置有矩形结构的抽 屉2，箱体1的顶部设置有内凹式矩形结构的箱盖3，箱体1与箱盖 3铰接式连接，箱体1的前侧面设置有矩形结构的试件夹持箱门4， 箱体1与试件夹持箱门4通过2-4个铰链机构5连接，试件夹持箱门 4的内侧面设置有试件夹持机构6，箱体1的后侧面设置有随动密封 机构7，箱体1与随动密封机构7焊接式连接，箱体1的左侧面设置 有矩形结构的观察箱门8，箱体1与观察箱门8通过2-4个合页9连 接；箱体1与试件夹持箱门4和箱体1与观察箱门8分别通过门锁机 构10实现开闭，箱盖3的底面和观察箱门8的中部分别开设有矩形 板状结构的窗口11，抽屉2的面板上和箱盖3的窗口11上分别设置 有圆弧形结构的把手12，窗口11与把手12螺栓式连接；使用时， 将脆性材料剖面磨削箱室与磨削机具连接，磨削机具的主动杆轴由随 动密封机构7进入箱体1的内部，主动杆轴与试件夹持箱门4垂直， 打开试件夹持箱门4，将待磨削的材料试件固定于试件夹持机构6上 并调整材料试件的截面位置，设定试件夹持机构6的上夹持钳63和 下夹持钳66的角点处为校准锚点，将安置有相机的三脚架固定在试 件夹持箱门4的正前方位置，调整相机的垂直高度使相机的中心高度 与试件剖面的中心高度均为H1，按照设定的拍照距离H2调整相机与 试件剖面之间的水平距离，相机镜头对准材料试件的正截面，通过门 锁机构10关闭试件夹持箱门4，使箱体1密封，开启磨削机具，按 照设定的深度对材料试件进行磨削，磨削完成后，开启试件夹持箱门 4，试件夹持箱门4带动试件夹持机构6和材料试件跟随铰链机构5 的转动而旋转，试件夹持箱门4旋转角度达到90°时，控制杆53的 低端的凸起54与基座55中孔道56内的凹槽57嵌合并保持稳定，支 座51与基座55呈90°角的稳定状态，试件夹持箱门4停止旋转并固 定，打开相机对磨削好的材料试件进行拍照获取材料试件的剖面图 像，拍摄完毕后再次关闭试件夹持箱门4对材料试件进行下一深度的 磨削，依此进行多次磨削和拍照，得到设定深度范围内材料试件的连 续剖面图像，以锚点为基准点对连续剖面图像进行校准，以提高连续 剖面图像的对准度，实现增加三维重建模型精准性的目的；试件夹持 箱门4每次打开后都处于同一固定位置，使相机镜头轴线与材料试件 每层剖面的中心法线位于同一直线上，保证了材料试件连续剖面图像 参数的一致性。
[0066] 本实施例涉及的铰链机构5的主体结构包括支座51、连接杆 52、控制杆53、凸起54、基座55、孔道56、凹槽57和连接凸起 58；板状结构的支座51的一端设置有内空式圆柱形结构的连接杆 52，支座51的上表面中部横向设置有一端高另一端低的条状结构的 控制杆
53，控制杆53的一端的上底面和下底面分别设置有半球形伸 缩式结构的凸起54，板状结构的基座55的中部开设有矩形结构的孔 道56，孔道56的上表面和下表面分别设置有半球形结构的凹槽57， 基座55的一端顶部和底部分别设置有半球形结构的连接凸起58，连 接杆
52的外壁与控制杆53的外侧壁平齐，支座51与试件夹持箱门 4螺栓式连接，基座55与箱体1螺栓式连接，连接杆52嵌于连接凸 起58之间将支座51与基座55连接，凸起54嵌合在凹槽57中。
[0067] 本实施例涉及的试件夹持机构6的主体结构包括连接片61、扭 簧62、上夹持钳63、上开口64、连接件65、下夹持钳66和下开口 67；矩形片状结构的连接片61与试件夹持箱门4的上部螺栓式连 接，连接片61与试件夹持箱门4之间设置有螺旋式结构的扭簧62， 扭簧62的下端与块状结构的上夹持钳63固定连接，扭簧62压缩 时，上夹持钳63向上运动，扭簧62伸展时，上夹持钳63向下运 动，上夹持钳63的底部开设有倒V形结构的上开口64，U形片状结 构的连接件65与试件夹持箱门4螺栓式连接，连接件65的U形口槽 中卡接有块状结构的下夹持钳66，下夹持钳66在连接件65的U形 槽中上下移动，下夹持钳66的顶部开设有V形结构的下开口67。
[0068] 本实施例涉及的随动密封机构7的主体结构包括底座板71、上 滑槽72、下滑槽73、第一层薄片74、第一通孔75、第二层薄片 76、第二通孔77、第三层薄片78和第三通孔79；矩形板状结构的底 座板71的上部设置有U形槽状结构的上滑槽72，底座板71的下部 设置有U形槽状结构的下滑槽73，上滑槽72与下滑槽73之间设置 有三层矩形板状结构的薄片，外层为第一层薄片74，第一层薄片74 的中部开设有圆形结构的第一通孔75，中间层为第二层薄片76，第 二层薄片76的中部开设有胶囊形结构的第二通孔77，内层为第三层 薄片78，第三层薄片78的中部开设有胶囊形结构的第三通孔79；底 座板71焊接在箱体1的侧面，底座板71的长度大于上滑槽72和下 滑槽73的长度，上滑槽72的长度与下滑槽73的长度相等，上滑槽 72和下滑槽73的长度大于第三层薄片78的长度，第三层薄片78的 长度大于第二层薄片
76的长度，第二层薄片76的长度大于第一层薄 片74的长度，第一层薄片74、第二层薄片76和第三层薄片78在上 滑槽72和下滑槽73之间移动，第一通孔75的直径小于第二通孔77 的长度，第二通孔77的长度小于第三通孔79的长度。
[0069] 本实施例涉及的门锁机构10的主体结构包括底板101、卡板 102、控制板103、基板104和挡板105；圆形板状结构的底板101的 上表面与板状结构的卡板102转动式连接，卡板
102能够围绕卡板 102与底板101的连接点旋转360°，卡板102的上表面与板状结构 的控制板103固定连接，矩形板状结构的基板104的上表面设置有L 形板状结构的挡板105，底板
101分别与试件夹持箱门4和观察箱门 8螺栓式连接，基板104与箱体1螺栓式连接，旋转控制板103，控 制板103带动卡板102旋转旋进或旋出挡板105之间实现试件夹持箱 门4和观察箱门8的闭合和开启。
[0070] 本实施例涉及的箱体1、箱盖3和合页9的材质均为
不锈钢；抽 屉2用于收集材料试件磨削过程中产生的粉末碎屑，便于集中处理； 试件夹持箱门4在开合过程中带动试件夹持机构6旋转，试件夹持箱 门4的转动角度范围为0°-90°；铰链机构5是旋转角度可控的钢铰 链；试件夹持机构6能够稳固的夹持不同规格尺寸的材料试件；随动 密封机构7随着磨削刀具主动杆轴的往复运动发生相对移动，在主动 杆轴运动过程中，保证箱体1的密封性，并且有效防止粉尘和噪声污 染；观察箱门8便于观察材料试件的磨削过程；门锁机构10能够将 试件夹持箱门4和观察箱门8分别与箱体1紧密闭合，并能轻松开启 试件夹持箱门4和观察箱门8；窗口11的材质为玻璃，在磨削材料 试件的过程中，便于肉眼观察箱体1内部的状况；把手12便于抽屉 2和箱盖3的开合操作。
