基于CT扫描的混凝土非均质性检测研究_李坤.pdf

本期推荐本栏目责任编辑：张薇Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第3期(2023年1月）基于CT扫描的混凝土非均质性检测研究李坤，姜修丽，田立勤，薛小燕，栾尚敏（华北科技学院 计算机学院，北京 065201)摘要：将CT扫描技术应用在混凝土材料的非均质性检测中，可以使混凝土材料检测效率和精确性得到很大的提升，促进了混凝土内部结构的稳定和使用性能的提高，这对很多行业的影响很大，尤其是对建筑行业安全的影响非常显著。文章通过数学统计方法研究混凝土材料各项组分的不均匀分布特征，从而来定量地描述混凝土非均质性，并编写相关的程序，进而为后续混凝土试块强度评价提供依据。关键词：CT扫描；非均质性；安全中图分类号：TP399文献标识码：A文章编号：1009-3044(2023)03-0005-04开放科学（资源服务）标识码(OSID)：1 引言混凝土材料是由骨料、砂浆、孔隙以及各组分界面组成的一种多相材料，这些成分在混凝土材料中的分布、形态和尺寸的不连续结构构成了混凝土的非均质特征1。在外力作用下，混凝土内部结构组成对其受力变形破坏和宏观力学反应的影响很显著。在建筑行业中，混凝土内部结构对安全的影响至关重要。混凝土材料的非均质特征关系到混凝土的使用性能，尤其对混凝土建筑的安全和使用寿命的影响更加明显。混凝土的非均质特征是混凝土各组分的不均匀性的表现，主要是分布不均匀造成。目前，人们对混凝土材料的非均质性越来越重视，对它的高精度和客观性的要求也随之提高，传统的识别方法已经无法满足人们的要求。因此研究人员开始使用数字图像处理技术，尤其是CT技术进行识别评价，对混凝土内部各组分的分布情况进行分析，基于分析结果提出评价指标对混凝土材料的非均质性进行研究2。目前，人们对于CT技术在混凝土材料内部的非均质性的研究仍处于探索阶段，已有的检测方法具体实施起来比较复杂，组成成分的特征参数存在的误差比较大，并且没考虑到各组分所发挥的作用，因此设计出一种能够更加便捷、实用的混凝土材料的非均质性检测方法尤为重要。本文通过CT技术对混凝土材料的内部结构进行识别，混凝土材料各组分的面积作为特征参数，建立内部结构非均质性检测方法。2 CT技术CT技术3是用来获取物体内部微观结构的无损检测技术，它可以得到大量连续截面图像。目前，CT技术已经广泛应用在混凝土、岩石的内部结构的检查。可以用在检测样品的3D结构的重建，对材料的性能在各种环境下进行模拟。CT技术是非破坏性的，检测物体经过CT扫描不会受到破坏，仍然保持其完整性，可以在很多宏观性能检验中使用。CT技术是使用X射线对样品断面扫描，检测样品的不同位置对X射线的通过率和吸收率是不同的，穿透样品后强度会不同程度地衰落，通过探测器检测强度信息，通过计算机对信息进行处理，就可以得到检测样品的断面图像。3 非均质性检测方法根据混凝土材料的各组分的分布特征，通过各组分所占面积，制定混凝土材料内部结构的非均质性检测方法。此方法使用CT扫描技术将混凝土材料划分成若干截面，得到若干CT数字图像，然后将CT图像划分规则的小区域。这样处理CT图像可以让混凝土材料内部结构的非均质性的计算得到简化，并且使非均质性的识别精度也得到了提高。根据CT图像划分的小区域中骨料所占的面积比例计算各组分的非均收稿日期：2022-08-25基金项目：河北省物联网监控技术创新中心项目（项目编号：21567693H)；青海省重点实验室项目（项目编号：2017-ZJ-Y21)；中央高校基本科研业务费项目（项目编号：3142021009)；廊坊市科学技术项目（项目编号：2021011021)作者简介：李坤(1997)，男，山东潍坊人，硕士在读，研究方向为应急管理智能化和信息化；姜修丽(1999)，女，山东临沂人，硕士在读，研究方向为应急信息化技术；田立勤(1970)，男，北京人，教授，博士，研究方向为物联网工程；薛小燕(1982)，女，北京人，讲师，硕士，研究方向为人工智能；栾尚敏(1968)，男，北京人，通信作者，教授，博士，研究方向为人工智能。E-mail：http：/Tel：+86-551-65690963 65690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术Vol.19,No.3,January20235DOI:10.14004/ki.ckt.2023.0154本栏目责任编辑：张薇本期推荐Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第3期(2023年1月）质性，并作为混凝土材料内部结构的非均质性检测指标。4 数学统计方法第1步：判断多边形M中的各个顶点是否在多边形N内，如果在N内，则将该顶点加入集合A。时间复杂度为O(mn);第2步：判断多边形N中的各个顶点是否在多边形M内，如果在M内，则将该顶点加入集合B。时间复杂度为O(mn);第3步：判断多边形M中的各条边是否与多边形N的边相交，如果相交，则求出交点并加入集合C，时间复杂度为O(mn);当(?AC?AB)(?AB?AD)0和(?CB?CD)(?CD?CA)0同时满足，线段AB和线段CD相交4。用向量积法判断多边形A、B每条边之间拓扑关系，获取交点坐标集5。相交判断代码如下：function t=xiangjiao(L,x1,y1,x2,y2)%L是2*2的矩阵，L(1,:)是框线的第一个端点，L(2,:)是第二个端点%如果 t 是 1，则说明框线和线段相交，否则不相交t=0;x_a=L(1,1);y_a=L(1,2);x_b=L(2,1);y_b=L(2,2);m=max(x_a,x_b)min(x1,x2)|max(y_a,y_b)min(y1,y2)|.max(x1,x2)min(x_a,x_b)|max(y1,y2)min(y_a,y_b);if m=0AC=x1-x_a,y1-y_a;AD=x2-x_a,y2-y_a;AB=x_b-x_a,y_b-y_a;p=AC(1)*AB(2)-AB(1)*AC(2);q=AD(1)*AB(2)-AB(1)*AD(2);CA=-AC;CB=AB-AC;CD=x2-x1,y2-y1;s=CA(1)*CD(2)-CD(1)*CA(2);g=CB(1)*CD(2)-CD(1)*CB(2);if p*q=0&s*g=0t=1;endend第4步：将A、B、C合并成集合D，时间复杂度为O(m+n)；第5步：将集合D中的顶点元素排序成多边形L，时间复杂度为O(m+n)log(m+n)。在求出交叉部分所有顶点之后，必须对顶点进行排序。假设所有顶点都在集合D中，分布情况如图1所示。图1 集合D中的顶点分布将集合D中的点按顺时针排序的算法如下：第一步：在集合D中，选择横坐标最小的点，作为起始点，如果有两个点符合条件，则取纵坐标较大的点，设起始点为A。第二步：计算其余点相对于A的方位角。这里使用“北偏东”的方向，作为各点相对于A的方位角，如图2所示。图2 计算各点相对于起始点的方位角第三步：根据方位角的大小，对各点进行排序6，这里使用快速排序算法。代码如下：function B=point_sort(B)n=length(B);%先找起点，以横坐标最小的点作为起点x_min=B(1,1);k=1;for i=2:nif B(i,1)x_minx_min=B(i,1);k=i;%找到横坐标最小的点的索引endendtemp=B(1,:);B(1,:)=B(k,:);B(k,:)=temp;%找第一条边min_angle=pi;k=2;for i=2:na=0,1;b=B(i,:)-B(1,:);cos_afa=sum(a.*b)/(norm(a)*norm(b);%求向量a，b夹角的余弦值6本期推荐本栏目责任编辑：张薇Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第3期(2023年1月）alpha=acos(cos_afa);if alpha min_angle%将角度最小的索引找出来min_angle=alpha;k=i;endendtemp=B(2,:);%找到了第二个点，自然就找到了第一条边B(2,:)=B(k,:);B(k,:)=temp;%对B中的点按顺时针进行排序for i=2:n-1min_angle=2*pi;k=i+1;for j=i+1:na=B(i-1,:)-B(i,:);b=B(j,:)-B(i,:);cos_angle=sum(a.*b)/(norm(a)*norm(b);%求向量a，b夹角的余弦值angle=acos(cos_angle);%通过反余弦函数算出来的角不超过PIalpha=2*pi-angle;%因为凸多边形的内角大于PI，因此需要求补角if alpha 1x=A(:,1);y=A(:,2);n=length(A);for i=1:n-1a=x(i)*y(i+1)-x(i+1)*y(i);s=s+a;endendS=1/2*abs(s);%多边形面积第7步：当网格内的骨料面积占比计算出来之后，对所有网格求方差，进而得到混凝土切片的不均匀性。面积计算完成后，就能计算整个切片的不均匀性了，使用方差公式来表征不均匀性，如公式(1)所示：s2=i=1n(Xi-X)n-1(1)最后，将上述过程用计算机程序实现8，并且设计了一个简易的人机交互界面，方面研究人员调用。该程序的GUI界面如图4所示。图4 GUI界面5 实验方案结合研究目标，本项目的实施方案分为如下步骤：1)试件制作：浇筑骨料质量分数为10%，20%和30%的标准混凝土试块；2)混凝土CT扫描：通过扫描不同骨料替代率的混凝土试件得到二维CT切片；3)界面识别：基于Avizo9等CT处理软件对二维CT切片进行处理，并识别骨料与砂浆界面；4)背景网格化处理：通过背景网格处理CT切面，将切片分割成均匀网格；图3 构成多边形7本栏目责任编辑：张薇本期推荐Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第3期(2023年1月）5)网格内组分统计：编制网格内各组分统计程序，统计网格内各相组分特征；6)非均质表征：基于数学统计方法，结合网格内组分特征与整体组分特征，定量描述混凝土10材料的非均质性程度。实验方案如图5所示。6 结束语本文主要是对混凝土切片的不均匀性进行定量评价，主要成果是编写了相关的Matlab程序，该程序可以实现定量不均匀性的定量表征。混凝土切片的CT扫描图经过处理之后，可以将其中的骨料当成一个个多边形来处理，计算某一区域骨料的密度，可以认为是骨料多边形的面积占区域总面积的比例。如果把整个切片用网格切割成若干个区域，那么就可以计算每个网格内的骨料占比，得到一组数字，然后求这组数字的方差，该方差可以用来衡量整个切片的不均匀性。参考文献：1 陈洁静,秦拥军,肖建庄,等.基于CT技术的掺锂渣再生混凝土孔隙结构特征J.建筑材料学报,2021,24(6):1179-1186.2 李小二,王鹏,靳翔飞,等.基于CT扫描的煤样图像处理及裂隙形态表征J.煤矿安全,2022,53(2):125-129.3 虞玥洋.X射线计算机断层扫描在历史木材研究中的应用D.南京:南京艺术学院,2021.4 庞明勇,卢章平.计算两凸多边形的并集多边形及其面积的计算机算法与实现J.工程图学学报,2004,25(1):90-94.5 杨静静,马骏.遥感影像区域面积快速计算并行算法研究J.计算机时代,2020(6):8-12.6 赵军,刘荣珍.用最小回路求两个简单多边形的交、并、差集J.计算机应用,2012,32(11):3164-3167.7 张宝琳.计算两凸多边形交集面积的计算机算法J.计算机工程与应用,2001,37(9):128-129.8 马书红,吴呼玲,薛帅.基于MATLAB的平面度误差评定程序设计J.微型电脑应用,2021,37(10):77-80.9