黃興震，陳紅鳥，王青原，畢永輝

(貴州大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550003)

基于Image- pro Plus軟件混凝土斷裂面骨料和漿體面積的計(jì)算方法及應(yīng)用

黃興震，陳紅鳥*，王青原，畢永輝

(貴州大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550003)

通過(guò)混凝土斷面形態(tài)推導(dǎo)混凝土斷裂機(jī)理是研究混凝土斷裂力學(xué)性能常用的方法之一。本文介紹一種基于專業(yè)圖像分析軟件Image-pro Plus確定混凝土斷裂面上骨料和漿體面積的計(jì)算方法，詳細(xì)說(shuō)明了該方法的操作步驟，通過(guò)實(shí)例，對(duì)混凝土梁斷裂面進(jìn)行分析。結(jié)果表明，該方法相對(duì)其它方法簡(jiǎn)單易學(xué)，操作簡(jiǎn)便，可為定量分析混凝土斷裂機(jī)理提供參考。

混凝土；斷裂；骨料和漿體面積；Image- pro Plus

混凝土斷裂能指混凝土斷裂時(shí)產(chǎn)生單位面積裂縫所需要的總能量[1]，是評(píng)價(jià)混凝土斷裂力學(xué)性能的重要指標(biāo)。而混凝土是由基相和分散相組成的二相復(fù)合材料，其強(qiáng)度主要由水泥砂漿基體強(qiáng)度、粗骨料強(qiáng)度以及水泥砂漿與骨料結(jié)合面這三方面決定。因此，混凝土斷裂能主要用來(lái)克服水泥砂漿基體斷裂面的粘結(jié)力、粗骨料斷裂面之間的粘結(jié)力以及粗骨料和水泥砂漿結(jié)合面的粘結(jié)力。準(zhǔn)確測(cè)量混凝土斷面上骨料和漿體的面積，將有助于通過(guò)混凝土斷面形態(tài)推導(dǎo)混凝土斷裂機(jī)理。

目前，混凝土斷面骨料和漿體面積的計(jì)算方法可分為傳統(tǒng)測(cè)量法和圖像分析法兩類。傳統(tǒng)測(cè)量法主要有量邊法、坐標(biāo)法及紙片質(zhì)量法等[2-4]。這些方法需要依靠手工繪制或測(cè)量，效率低而且精度差。圖像分析法是指利用計(jì)算機(jī)和圖像處理軟件對(duì)混凝土斷面的骨料面積和水泥漿體面積進(jìn)行分析和測(cè)量的方法，該法能在很大程度上提高測(cè)量的精度和效率。目前，研究人員主要通過(guò)使用Photoshop(PS)對(duì)混凝土斷面進(jìn)行圖像分析。但是用PS計(jì)算混凝土斷面骨料和漿體面積時(shí)，需要進(jìn)行像素值的讀取、像素和實(shí)際尺寸的換算等一系列操作[5]，難度較大。

本文介紹一種通過(guò)專業(yè)圖像分析軟件Image-pro Plus(IPP)計(jì)算混凝土斷裂面骨料和漿體面積的方法。IPP軟件作為生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等專業(yè)的圖像分析軟件，具有強(qiáng)大的圖像處理、測(cè)量分析功能[6]，但目前利用IPP軟件計(jì)算混凝土斷面骨料和漿體面積的應(yīng)用還在實(shí)驗(yàn)階段，因此，本文通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)中混凝土梁斷裂面骨料和漿體面積的分析，介紹一種利用IPP軟件計(jì)算混凝土斷面骨料和漿體面積的方法。分析結(jié)果表明，該方法相對(duì)于PS方法簡(jiǎn)單易學(xué)，操作簡(jiǎn)便，分析結(jié)果比較可靠。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

混凝土配合比如表1所示，水泥采用波蘭特CEM I 52.5N，骨料采用機(jī)制花崗巖，最大粒徑為10mm。預(yù)制切口梁試件尺寸(跨度、高度、厚度、預(yù)制切縫長(zhǎng)度和寬度)是參照RILEM技術(shù)委員會(huì)[7，8]的建議設(shè)計(jì)的，梁截面尺寸為：80mm×150mm×710mm，跨度為600mm，預(yù)制切口的深度為45mm，預(yù)制切口的寬度為2mm?；炷量箟簭?qiáng)度f(wàn)cu及抗拉強(qiáng)度f(wàn)t如表1所示。

表1 混凝土配合比及材料強(qiáng)度

通過(guò)對(duì)帶預(yù)制切縫的混凝土梁進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)?zāi)M混凝土梁斷裂，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 混凝土梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用MTS加載裝置位移控制加載，加載速率為0.2 mm/15min。大約10分鐘，荷載達(dá)到峰值荷載。加載全過(guò)程荷載-位移曲線如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)荷載-撓度曲線

混凝土斷裂后，采用高清數(shù)碼相機(jī)對(duì)其斷裂面進(jìn)行垂直拍攝，其斷裂面如圖3所示。拍攝要求斷面包含所要測(cè)量的整個(gè)范圍并且至少有一條邊尺寸已知，同時(shí)要求圖像清晰。

2 IPP圖像分析方法

利用IPP軟件打開所得圖像，以圖像中尺寸已知的邊為標(biāo)尺進(jìn)行單位設(shè)置，選取AOI(Area of Interest即所要計(jì)算的區(qū)域)，然后利用IPP軟件的分析計(jì)算模塊對(duì)選取的區(qū)域進(jìn)行面積計(jì)算。

IPP軟件計(jì)算AOI面積流程如圖4所示：

圖3 混凝土梁斷裂面

圖4 利用IPP計(jì)算AOI面積流程圖

(1)打開圖像

打開IPP軟件，選用“File→Open”打開試驗(yàn)得到的圖像“混凝土斷面圖N3”。

(2)單位設(shè)置

選擇菜單欄中的“Measure→Calibration→Spatial...”，會(huì)彈出“Spatial Calibration”對(duì)話框。先點(diǎn)擊“New”按鈕，然后在“Name”欄中輸入“混凝土斷面圖N3”，“Unit”欄選擇“mm”，“Units/Pixel”欄中選擇“Units/Pix”。然后再點(diǎn)擊“Units/Pixel”欄中的“Image”，此時(shí)會(huì)彈出“Scaling”對(duì)話框，同時(shí)會(huì)在圖像上出現(xiàn)一個(gè)標(biāo)尺，如圖5所示。拖動(dòng)標(biāo)尺的兩端，使得標(biāo)尺的兩端和已知尺寸邊的兩端重合，然后在“Scaling”對(duì)話框里輸入標(biāo)尺對(duì)應(yīng)的實(shí)際尺寸，點(diǎn)擊OK。再點(diǎn)擊“Apply”，將設(shè)置的單位“應(yīng)用為當(dāng)前”，然后關(guān)閉“Spatial Calibration”對(duì)話框即可。后面的計(jì)算都以該單位為計(jì)算單位。

(3)AOI選取

使用“Irregular AOI”工具選擇要測(cè)量面積的區(qū)域，點(diǎn)擊工具欄中的Irregular AOI按鈕。默認(rèn)是“魔棒選擇工具”，直接點(diǎn)擊要計(jì)算面積的區(qū)域，被選中的區(qū)域外圍出現(xiàn)一圈紅線。如果點(diǎn)擊后所得區(qū)域不是自己想要的區(qū)域，可以嘗試著向周圍多點(diǎn)擊幾下，也可以調(diào)整Range的數(shù)值，數(shù)值的大小代表所選范圍的大小。選擇后點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，所選區(qū)域邊界由紅色變?yōu)榫G色，然后點(diǎn)擊“Multiple AOI→Add”，即完成AOI的選擇。繼續(xù)選擇時(shí)，點(diǎn)擊“New AOI”。

圖5 單位設(shè)置

當(dāng)選擇的AOI邊界不明顯時(shí)，可以使用“Trace(追蹤)”模式，點(diǎn)擊對(duì)話框中的“Trace”按鈕即轉(zhuǎn)為“追蹤模式”?！白粉櫮Ｊ健庇袃煞N操作模式：手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。當(dāng)選用“手動(dòng)模式”，不要選上對(duì)話框中的“Auto”按鈕，此時(shí)需要用鼠標(biāo)沿AOI邊界點(diǎn)選，直至構(gòu)成封閉邊界后，點(diǎn)擊右鍵，紅色的邊界變?yōu)榫G色，然后點(diǎn)擊“Multiple AOI→Add”，即完成AOI的選擇。當(dāng)選用“自動(dòng)模式”時(shí)，需要勾選對(duì)話框中的“Auto”按鈕，此時(shí)需要先在AOI邊界上點(diǎn)擊一下，作為起點(diǎn)，再點(diǎn)擊一個(gè)不同的點(diǎn)，作為追蹤的方向，此時(shí)鼠標(biāo)箭頭就開始自動(dòng)尋跡。

AOI選取結(jié)果顯示如圖6所示。

圖6 AOI選取結(jié)果顯示

(4)面積計(jì)算。

選擇工具欄“Measure→Count/Size...”，此時(shí)會(huì)彈出“Count/Size”對(duì)話框，點(diǎn)擊“Edit→Convert AOI(s) to Object(s)”，此時(shí)已選擇的AOI邊界會(huì)變成紅色，并自動(dòng)進(jìn)行編號(hào)。點(diǎn)擊“Measurement→Select Measurements...”，在彈出的“Select Measurements”對(duì)話框中，選擇“Measurements”欄里的“Area”，點(diǎn)擊“Measure”按鈕。此時(shí)所選擇AOI的面積已經(jīng)計(jì)算完畢。

(5)輸出結(jié)果

查看單個(gè)AOI的面積：點(diǎn)擊“View→Measurement Data”，在彈出的“Measurement Data”對(duì)話框里會(huì)顯示AOI編號(hào)以及對(duì)應(yīng)的面積，也可以點(diǎn)擊“File→Export Data”，軟件會(huì)自動(dòng)打開Excel并將數(shù)據(jù)即保存到Excel表格中。

統(tǒng)計(jì)所選AOI的總面積：點(diǎn)擊“View→Statistics”，在彈出的“Statistics”對(duì)話框里包含最大值，最小值，平均值，總和等內(nèi)容。點(diǎn)擊“File→Export Data”，當(dāng)計(jì)算機(jī)已安裝Microsoft office辦公軟件時(shí)，IPP軟件會(huì)自動(dòng)打開Excel表格并將數(shù)據(jù)即保存到Excel表格中。IPP統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖7。

StatsAreaMin1．45511(Obj．#)27Max125．01701(Obj．#)59Range123．5619Mean20．2264Stb．Dev19．490555Sum1739．4703Samples86

圖7 分析結(jié)果輸出顯示

3 分析結(jié)果與討論

以N3梁斷面為例，其斷面總面積為12000mm2，其中韌帶面積為8400mm2，通過(guò)IPP計(jì)算骨料面積為1739.5 mm2，占混凝土梁韌帶面積的20.7%；水泥漿體的面積為6660.5 mm2占混凝土梁韌帶面積的79.3%。這一結(jié)果表明，當(dāng)混凝土強(qiáng)度為86.73MPa時(shí)，水泥砂漿強(qiáng)度與骨料強(qiáng)度相當(dāng)，甚至大于骨料強(qiáng)度，混凝土斷裂時(shí)，裂縫將穿過(guò)骨料，而不是繞過(guò)骨料。

相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量法，IPP具有圖像分析法的共同特點(diǎn)：適用范圍廣，計(jì)算精度高。同時(shí)，IPP法相對(duì)于常用的PS法又有自己的優(yōu)勢(shì)：(1)操作更簡(jiǎn)單。PS法計(jì)算混凝土斷面面積時(shí)需要進(jìn)行像素統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而換算成面積，而IPP法可以設(shè)置計(jì)算單位，軟件可操作性更強(qiáng)。(2)數(shù)據(jù)導(dǎo)出更方便。IPP軟件的分析結(jié)構(gòu)可以直接導(dǎo)出到Excel表格中，方便進(jìn)一步計(jì)算分析和保存，而PS軟件不具有該功能。(3)分析可信度更高。PS軟件具有強(qiáng)大的圖像處理功能，以至于處理過(guò)的圖片可能被認(rèn)為有造假行為。IPP軟件作為專業(yè)的圖像分析軟件，具有專業(yè)的圖像分析功能，分析結(jié)果更可信。

4 結(jié)論

本文介紹一種基于專業(yè)圖像分析軟件Image-pro Plus確定混凝土斷裂面上骨料和漿體面積的計(jì)算方法。該方法降低了圖像分析的難度，能夠以更簡(jiǎn)便的操作實(shí)現(xiàn)混凝土斷面骨料和漿體面積的計(jì)算，并且將計(jì)算數(shù)據(jù)導(dǎo)出。通過(guò)實(shí)例，對(duì)混凝土梁斷裂面進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，該方法計(jì)算斷面上骨料面積，比較準(zhǔn)確直觀，可為定量分析混凝土斷裂機(jī)理提供參考。

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(責(zé)任編輯：王先桃)

The method and application based on the Image-pro Plus to calculate the concrete aggregate and cement paste area of the fracture surface

Huang Xingzhen, Chen Hongniao*，WANG Qingyuan，BI Yonghui

(Guizhou University, Space Structure Research Center, Guizhou Guiyang 550003 China)

Analyzing concrete fracture surface is one of the commonly used methods to derive concrete fracture mechanism. This paper introduces a method, which is based on Image-pro Plus—a Professional image analysis software, to calculate the concrete aggregate and cement paste area of the fracture surface. The steps of the method is provided in details, and the concrete beam fracture is analyzed through an example. Analysis results show that, relative to other methods, this method is easy to learn, simple to operate, and it can provide a reference for quantitative analysis of concrete fracture mechanism.

concrete; fracture; aggregate and cement paste area; image- pro Plus

1000-5269(2016)06-0063-04

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.06.15

2016-06-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51408144)；貴州省科學(xué)技術(shù)基金([2016]1040)；貴州大學(xué)博士基金(X131001)

黃興震(1989-)，男，在讀碩士，研究方向：混凝土斷裂力學(xué)的理論與應(yīng)用，Email：499838745@qq.com.

*通訊作者： 陳紅鳥，Email：378593887@qq.com.

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