基于CT掃描與3D重構的透水混凝土試件制作方法與流程

本發明涉及一種基于CT掃描與3D重構的透水混凝土試件制作方法。

背景技術：

目前海綿城市建設中大量使用了透水路面，包括透水混凝土、透水磚以及透水瀝青等材料，相關的實驗如透水混凝土泥沙堵塞過程中孔隙率的測量等原位測試比較麻煩，通過CT掃描結合3D建模3D打印可以快速進行透水材料相關物理參數包括孔隙率、滲透性等的測試和實驗，解決工程實際應用中的問題。本專利通過CT掃描->3D建模->3D打印制作透水混凝土試件以提高試驗可重復性的方法。

透水混凝土是由水、水泥、粗骨料組成的，采用單一粒級粗骨料作為骨架，水泥凈漿包裹粘結在粗骨料顆粒，混凝土內部存在著大量的連通孔隙。傳統的制備過程要先根據目標孔隙率確定水灰比，骨灰比等參數，在攪拌機中先加入粗骨料和一半的水，等骨料表面被濕潤后再加入水泥和水機械攪拌，最后機械振搗20s成型。因為石子大小的隨機性，孔隙結構天然具有隨機性的特點，有的孔隙是聯通的，即有效孔隙；有的是不聯通的，也就是無效孔隙，因此目標孔隙率大致相等時實際有效孔隙率可能差別很大。采用這種傳統方法即使是同一臺機器，同一批人員，產生的試件也不可能完全相同。因此在進行有關于透水混凝土性質的研究試驗時，研究人員往往會因為孔隙分布的隨機性而無法得到相同的可重復的實驗結果。

技術實現要素：

本發明為了解決上述問題，提出了一種基于CT掃描與3D重構的透水混凝土試件制作方法，本方法通過CT掃描，原始路段的試件可以被采集數據進行“虛擬”保存，實現數據共享，在需要時進行3D打印，可快速的可重復的生成大量試件，進行相關實驗。利用此方法批量生成的試件，幾乎可以做到完全相同，比傳統的透水混凝土澆筑和振搗方法生產的透水混凝土差異大具有優勢。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于CT掃描與3D重構的透水混凝土試件制作方法，包括以下步驟：

(1)獲取透水混凝土試塊樣品，進行CT掃描，得到掃描二維切片圖；

(2)將圖片灰度化，進行濾波降噪處理，形成圖片模型，對模型進行裁剪與二值化分割，確定透水混凝土的骨料結構；

(3)利用分水嶺算法提取骨料結構數據，形成優化后的透水混凝土骨料模型，進行打印，得到透水混凝土試件。

所述步驟(1)中，在待測試路段采集圓柱體透水混凝土試塊樣品，將其在干燥條件、浸水飽和兩種條件下進行CT旋轉掃描，得到二維切片圖。

所述步驟(1)中，根據目標孔隙率計算透水混凝土的水灰比、骨灰比，根據模具尺寸計算透水混凝土試塊所需材料的質量，制備透水混凝土試塊樣品，利用CT設備進行螺旋掃描。

所述步驟(2)中，對二維切片圖用256級灰度來表示顏色的分布，對切片進行中值濾波降噪處理。

所述步驟(2)中，模型的尺寸是根據體素和圖片的數量相乘進行計算，根據CT掃描的儀器不同，掃描生成的每張圖片的體素不同。

所述步驟(2)中，根據每張二維切片圖的體素尺寸乘以三維中三個方向切片的張數計算得到透水混凝土模型三個方向的尺寸。

所述步驟(2)中，裁剪后的模型采用二值化分割，灰度值小于某一閾值的點為透水混凝土孔隙結構，大于某一閾值的為骨料結構。

所述步驟(2)中，根據先驗知識與分割情況是否相符，進行多次分割，以確定最優的分割方式。

本發明的有益效果為：

本發明通過CT掃描結合3D建模3D打印生成的試件，重復的應用于同一透水混凝土的實驗研究，用于反復研究控制變量，研究同一因素對縮尺實驗的影響，更精確高效。

通過本發明3D打印成型同一批次的透水混凝土試件，重復地應用于某一實驗，在測試試件透水性和孔隙率的實驗中可以更好的控制變量，達到更好的實驗效果，比傳統的透水混凝土澆筑和振搗方法生產的透水混凝土差異大具有優勢。

附圖說明

圖1為本發明的流程示意圖；

圖2為本發明的三維重構流程示意圖；

圖3為本發明的透水混凝土掃描圖片；

圖4為本發明的透水混凝土骨料分割提取圖，其中(a)為三維透水混凝土骨料模型示意圖；(b)為xy平面的分割圖；(c)為xz平面的分割圖；(d)為yz平面的分割圖。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

如圖1所示，一種基于CT掃描與3D重構的透水混凝土試件制作方法，具體實施步驟：

掃描樣品的準備與處理

對于海綿城市施工過程的實驗路段，可以采集20cm高，直徑10cm的圓柱體透水混凝土試塊，將其在干燥條件、浸水飽和兩種條件下進行CT掃描，CT掃描可以利用x射線三維顯微鏡等設備進行，選擇旋轉掃描方式，將CT掃描產生的二維切片圖(如圖3所示)，在三維可視化軟件分析處理。

對于實驗室采用傳統方式制備透水混凝土試件，首先根據目標孔隙率計算透水混凝土的水灰比，骨灰比等參數。然后根據10cm*10cm*30cm的模具尺寸計算出所需材料的質量，包括水，水泥，石子等。制備時首先在攪拌機中加入粗骨料和一半的水，等骨料表面被濕潤后再加入水泥和水機械攪拌，最后在振動臺機械振搗20s成型。養護七天后拆模用CT設備進行螺旋掃描，導出二維切片圖在三維可視化軟件中進行分析處理。

三維可視化分析與處理

掃描的圖片在灰度模式下即用256級灰度來表示顏色的分布，對切片進行中值濾波降噪處理，使圖像更加清晰。

中值濾波數學公式：

Yi＝Med{fi-v,…,fi-1,fi,fi+1,…,fi+v}i∈N v＝(m-1)/2

Yi稱為序列fi-v,…,fi-1,fi,fi+1,…,fi+v的中值

掃描的圖片數據可以達到幾G至十幾G，需要裁剪模型，使模型適合處理，根據需要可以將圓柱體的試塊裁剪成長方體。

模型的尺寸是根據體素和圖片的數量相乘進行計算，根據CT掃描的儀器不同，掃描生成的每張圖片的體素也不同。此次掃描的每張切片體素尺寸是0.142538*0.142538*0.142538[mm]，乘以X,Y,Z方向切片的張數得到透水混凝土三個方向的尺寸。裁剪模型也可以去除透水混凝土損壞的邊角材料。將裁剪后的模型采用二值化分割(附圖4)，灰度值小于某一閾值的點為透水混凝土孔隙結構，大于某一閾值的為骨料結構。

二值化公式：

T₀是分割的閾值，u(x₁,x₂)是原始圖像的灰度值，g(x₁,x₂)是二值化后輸出的圖像灰度值。

然后再提取透水混凝土骨料的數據，將大于上述T₀閾值的骨料通過分水嶺算法提取出來。

分水嶺算法：

g(x,y)＝grad(f(x,y))＝1/2{[f(x,y)-f(x-1,y)]2[f(x,y)-f(x,y-1)]2}

f(x,y)表示原始圖像，grad{}表示梯度運算。

為防止過度分割，根據先驗知識，即掃描圖片中黑色的部分為孔隙結構，灰色的部分為骨料，如圖3所示。分割時，如圖4所示，A部分為提取出來的骨料結構，B部分是保留的孔隙結構，C部分是分割邊界。根據先驗知識與分割情況是否相符，多次進行分割嘗試，使其最接近真實情況。最后導出STL格式的透水混凝土骨料模型進行3D打印。

通過這種方法3D打印成型同一批次的透水混凝土試件，重復地應用于某一實驗，在測試試件透水性和孔隙率的實驗中可以更好的控制變量，達到更好的實驗效果。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。