硫酸盐侵蚀下水泥基材料裂缝结构三维重建技术研究

马 旭，王新祥，李建新

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州 510500）

0 前言

硫酸盐侵蚀是水泥基材料耐久性研究中的重要问题之一，纯浸泡情况下的外部硫酸盐侵蚀是一个缓慢的过程，研究发现，即使采用高水灰比和高硫酸盐浓度作为实验室加速方法，几个月后的侵蚀深度依然很浅（约几个毫米）［1-3］。因此，为了减少尺寸效应对研究结果的影响，本研究创新性地使用了壁厚仅为2.5 mm 的管桩试样。同时，为了减少异质性对试验结果的影响，本研究选择了水泥净浆样品。

X-CT 扫描技术是观测结构内部形态非常好的无损检测方法，Morgan 等人［4］较早地将 X-CT 扫描应用于混凝土测量，通过对试件切片扫描得到骨料、砂浆和孔隙等内部结构的分布形态。之后，该技术逐渐成熟，精度甚至达到纳米级。如今，X-CT 扫描已被应用到混凝土的断裂损伤检测［5］、孔结构和曲率分析［6］、水泥微观结构研究［7］、钢筋锈蚀导致的破坏［8］等研究中。本文利用X-CT 扫描技术对硫酸盐侵蚀下的水泥净浆管的裂缝形态进行了研究，并通过MATLAB 程序结合ImageJ 软件，成功对裂缝进行了分离和三维重建。

1 硫酸盐侵蚀试验

本试验使用了水灰比为0.4 的水泥净浆试样（CEM I 42.5 N），特制的模具制作了壁厚仅为2.5 mm的水泥净浆管（外径30 mm，内径25 mm），如图1所示。在浇筑过程中，模具被放置在振动台上，以确保浇筑顺利进行并且还可移除水泥净浆中的气泡。浇筑完成后，试样连同模具一起被塑料薄膜包裹，并放置在养护室（20±1 ℃，96±2%RH）中 24 h。之后，脱模，并将试样放置在饱和氢氧化钙水中继续养护90 d（20±1 ℃）。养护完成后，试样的端部被切割并抛光，得到试验需要的长度为70 mm 的水泥净浆管。

图1 水泥净浆管示意图Fig.1 Schematic Diagram of Cement Paste Pipe

养护完成后，水泥净浆管被施加沿轴向的约束，用以研究约束情况下的外部硫酸盐侵蚀。轴向约束如图1所示，通过一根不锈钢棒（中间部分的直径为7 mm）放置于水泥净浆管的中心，并通过端部的螺母确保紧密连接（螺母被施加0.7 N·m 的扭矩）。组装好的试样，被浸泡在硫酸根离子浓度为30 g/L 的硫酸钠溶液中，用以开展实验室加速情况下纯浸泡环境中的外部硫酸盐侵蚀研究。

2 X-CT扫描试验

2.1 X-CT扫描原理

X-CT 即X 射线电子计算机断层扫描技术（X-ray Computed Tomography），是一种能清晰、准确地展示所测部位内部结构关系的无损检测方法。X-CT 设备主要由放射源和探测器组成，当放射源发出的射线穿透物体时，其射线强度便由于物体的吸收而衰减。不同物质对同一波长X 射线的吸收能力不同，物质密度愈大，对X 射线的吸收能力愈强［9］。因此，每种物质对 X 射线有特定的衰减系数μ，强度为I0的X 射线沿着路径L 穿过物体后强度衰减为 I，I 满足比尔定律［10］：

式中：x 为位置坐标；μx为 x 处的衰减系数。

锥形X-CT 工作示意图如图2所示，X 射线由放射源发出，穿过试样，打在感光板上，并测出X 射线的衰减值。试件转动，测出不同角度下的衰减值，通过一定算法计算出试样衰减系数μ分布场，衰减系数分布场与试样密度分布相关，从而反映试样的内部结构形态［10］。

图2 锥形X-CT 工作示意图［11］Fig.2 Working Schematic Diagram of Conical X-CT

2.2 X-CT扫描过程

581 d 浸泡后，处在约束状态下的水泥净浆管试样出现了明显的表面裂缝，为了研究从表面到内部的裂缝结构，将试样从30 g/L 的硫酸钠溶液中取出，并从约束装置中卸出。为了防止干燥裂缝，将取出的试样放置于灌满去离子水的塑料瓶中，如图3a 所示。然后，连同塑料瓶一起，放置于X-CT 中进行扫描，如图3b 所示。

Phoenix Nanotom X-ray 系统被用于数据获取，XCT 扫描过程中，360°旋转共获取了 1 440 张 X 射线图像，每张设置4 s 的曝光时间。通过图像重建算法，X射线图像被重建产生了三维X-CT 图像，其体素分辨率为边长30 μm 的正方体。通过Phoenix Datos|x 软件，三维X-CT 图像被表示为一系列的二维断层图，图4a 代表其中一张。

图3 X-CT 扫描试验Fig.3 X-CT Scanning Test

图4 裂缝分离图像处理技术Fig.4 Image Processing Technique for Crack Segmentation

3 裂缝结构三维重建

3.1 二维图像处理技术

X-CT 二维断层图（见图4a）是16 位图像，灰度值幅度为 0～65 535，灰度值越大，表示密度越高［12-13］。裂缝及试样周围充满了水，因此体现的是水的密度。鉴于本文关注点在于裂缝，因此对未水化水泥颗粒、内部水化产物、外部水化产物等不做区分，统一为水泥基体。因为水泥基体的密度明显高于水的密度，所以水泥基体的灰度值也自然明显高于水的灰度值。因此，图4a 中，灰色部分为水泥基体，水泥基体包裹的黑色部分为裂缝。为方便图像处理，首先将所有X-CT二维断层图由16 位图像转为8 位图像。

通过灰度值阈值的选取［14-16］，得到只有水泥基体-水的两相图，如图4b 所示。其中，白色部分代表水泥基体，被水泥基体包裹的黑色部分代表裂缝。图4b 只是试样沿轴向的一个横截面切面，试样总共有2 334个横截面切面图。对一部分横截面切面图按照图4b的方法处理后，三维重建，得到图5a。可以发现，图5a仍然是只能看到表面裂缝，内部裂缝还是无法看到。本质原因是裂缝与周围环境都是黑色，无论怎样图像处理，裂缝形态始终被周围环境遮挡。因此，需要找到一种图像处理方法，把裂缝与周围环境分割开来。

为了把裂缝与周围环境分割开来，首先需要通过图像处理得到一个参考图像，即通过图像处理把图4b中的裂缝填充成跟水泥基体一样的白色。通过ImageJ软件，将图4b 首先图像扩张15 次，从而填充了裂缝，但也同时使圆环远远大于原始大小。随后，将扩张后的图像缩放同样次数（15 次），从而使圆环回到原始大小，得到了需要的参考图像，如图4c 所示。

最后，用图4c 减去图4b，即得到了仅含裂缝的图像，如图4d 所示。基于图4d 进行三维重建，即得到图5b，从而可以清晰的看到裂缝结构。整个的图像处理过程通过自主编写的MATLAB 程序配合ImageJ 软件共同实现。

图5 二维图像的三维重建Fig.5 3D Reconstruction of 2D Images

3.2 裂缝结构三维重建技术

图4介绍了二维图像裂缝分离技术的原理，但对于试样，沿轴向共有2 334 个横截面切面图。对于每张图进行手动处理是不现实的，本研究通过自主编写的MATLAB 程序对所有图像进行统一处理。图像处理后，会有2 334 张类似于图4d 的二维图像，通过ImageJ 软件对2 334 张二维图像进行三维重建，得到裂缝结构的三维效果图，如图6b 所示。将图6b 与原始三维效果图图6a 相比，发现可清晰的看到裂缝结构。通过分析，也发现，约束情况下的试样，在硫酸盐侵蚀下，破坏形态为若干条沿轴向的主裂缝。

4 结语

本文基于X-CT 扫描技术，对浸泡在硫酸根离子浓度为30 g/L 的硫酸钠溶液中的水泥净浆管在约束情况下的裂缝结构进行了研究。鉴于裂缝与周围环境都同样充满了水，导致密度相近，裂缝形态被周围环境遮挡，因此本文通过系列图像分析技术，对X-CT扫描原始二维显微断层图进行了处理，最终得到了裂缝分离的二维图像。随后，基于图像三维重建技术，得到了裂缝结构的三维效果图。通过研究发现，约束情况下的硫酸盐侵蚀，试样最终以沿轴向的若干条竖向主裂缝的形式破坏。本研究的相关图像处理技术，也可用于其他类似目的的研究。

图6 三维重建效果图Fig.6 3D Reconstruction Renderings