基于3d打印技術的混凝土細觀三相結構的可視化方法
【專利摘要】本發明屬于混凝土結構無損細觀檢測技術領域，具體公開了一種基于3D打印技術的混凝土材料細觀三相結構的可視化方法，包括以下步驟：步驟1，對混凝土試件進行CT掃描，順序獲取混凝土試件的多個二維斷層掃描圖像；步驟2，對所述多個二維斷層掃描圖像進行圖像分割，并對分割后的圖像進行三維模型重建；步驟3，將重建后的三維模型發送至3D打印機，3D打印機對接收到的三維模型進行混凝土試件實體模型的打印。本發明基于三維數字模型，結合3D打印技術，提出對混凝土內部砂漿、骨料、孔隙三相采用不同復合材料進行3D打印，實現了傳統制造工藝無法完成的混凝土三相結構內部可視化模型的制備，打印過程高效、可重復。
【專利說明】
基于3D打印技術的混凝土細觀三相結構的可視化方法
技術領域
[〇〇〇1]本發明涉及混凝土結構細觀無損檢測技術領域，具體涉及一種基于3D打印技術的混凝土材料細觀三相結構的可視化方法。【背景技術】
[0002]在細觀層次上，可將混凝土看作由砂漿、骨料及孔隙組成的三相復合材料，由于其細觀結構的非均質性，使得混凝土材料各項宏觀力學性能存在很大差異。目前為止，國內外針對混凝土細觀結構已經進行了較為廣泛的試驗研究，主要研究方法集中在運用SEM技術和CT技術對混凝土的內部細觀結構特征進行檢測。然而，當前的研究僅僅停留在數字模型的計算機重建研究階段，始終未能實現三維模型的實體化，為后期開展細觀力學研究代來諸多不便。
[0003]3D打印技術的發明是一次生產復雜結構的革命，但在打印復雜的多材料整合產品方面還存在眾多困難。此前，已出現了基于CT掃描和3D打印的復雜巖心制備方法，但仍局限于單一材料的產品制備。
【發明內容】
[0004]針對現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種基于3D打印技術的混凝土材料細觀三相結構的可視化方法，本方法利用CT技術和3D打印技術結合多種復合材料實現了三維數字模型實體化，并利用打印材料的自身特性實現了混凝土內部三相結構的可視化。本發明為研究混凝土內部細觀三相結構力學性能提供了全新的途徑。
[0005]為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現。
[0006]一種基于3D打印技術的混凝土材料細觀三相結構的可視化方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0007]步驟1，對混凝土試件進行CT掃描，順序獲取混凝土試件的多個二維斷層掃描圖像；
[0008]步驟2,對所述多個二維斷層掃描圖像進行圖像分割，并對分割后的圖像進行三維模型重建；
[0009]步驟3,將重建后的三維結構模型發送至3D打印機，3D打印機對接收到的三維結構模型進行混凝土試件實體模型的打印。
[0010]本發明的特點及進一步地改進為:
[0011]步驟1中，對混凝土試件進行CT掃描時，選擇間距為0.6mm進行連續掃描。
[0012]步驟2包含以下子步驟:
[0013]步驟2a，設定混凝土試件中骨料、砂漿、孔隙的閾值范圍，根據設定的閾值范圍分別對所述多個二維斷層掃描圖像進行圖像分割，對應得到骨料的多個二維斷層掃描圖像、 砂漿的多個二維斷層掃描圖像和孔隙的多個二維斷層掃描圖像；
[0014]步驟2b，對所述骨料的多個二維斷層掃描圖像、砂漿的多個二維斷層掃描圖像和孔隙的多個二維斷層掃描圖像分別進行三維模型重建，得到混凝土試件的骨料三維模型文件、砂漿三維模型文件、孔隙三維模型文件。
[0015]進一步地，步驟2a中，所述骨料的最佳閾值范圍為1571HU?2976HU，所述砂漿的最佳閾值范圍為1375Hu?1570Hu，所述孔隙的最佳閾值范圍為-297Hu?1374Hu。[〇〇16] 步驟3包含以下子步驟:[〇〇17]步驟3a，將所述混凝土試件的骨料三維模型文件、砂漿三維模型文件、孔隙三維模型文件發送至3D打印機；[〇〇18]步驟3b，3D打印機采用與混凝土試件的骨料、砂漿、孔隙分別相對應的骨料打印材料、砂漿打印材料、孔隙打印材料，進行混凝土試件實體模型的打印。
[0019]進一步地，子步驟3b中，3D打印機采用的打印材料具體如下:所述骨料打印材料為非透明光聚物復合材料，所述砂漿打印材料為透明光聚物復合材料，所述孔隙打印材料為網格支撐材料。
[0020]與現有技術相比，本發明的有益效果為:[〇〇21]本發明基于三維數字模型，結合3D打印技術，提出對混凝土內部砂漿、骨料、孔隙三相采用不同復合材料進行3D打印，實現了傳統制造工藝無法完成的混凝土三相結構內部可視化模型的制備，打印過程高效、可重復，打印得到的3D模型能夠直觀準確地復原混凝土試件三相細觀結構特征，為研究混凝土材料內部結構分布情況以及今后的力學性能研究提供了全新途徑，具有重要的科學研究及工程實踐價值。【附圖說明】[〇〇22]下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。[〇〇23]圖1為本發明一種基于3D打印技術的混凝土材料細觀三相結構的可視化方法的步驟流程圖；[〇〇24]圖2為本發明試驗中混凝土試件的部分二維斷層CT掃描圖；[〇〇25]圖3為本發明試驗中混凝土試件中骨料的三維結構模型；[〇〇26]圖4為本發明試驗中混凝土試件中砂漿的三維結構模型；[〇〇27]圖5為本發明試驗中混凝土試件中孔隙的三維結構模型；[〇〇28]圖6為本發明試驗中混凝土試件的3D打印三維實體模型圖。【具體實施方式】[〇〇29]下面將結合實施例對本發明的實施方案進行詳細描述，但是本領域的技術人員將會理解，下列實施例僅用于說明本發明，而不應視為限制本發明的范圍。
[0030]參考圖1，本發明實施例提供一種基于3D打印技術的混凝土材料細觀三相結構的可視化方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0031]步驟1，對混凝土試件進行CT掃描，順序獲取多個混凝土試件的二維斷層掃描圖像；
[0032]步驟2,對所述多個二維斷層掃描圖像進行圖像分割，并對分割后的圖像進行三維結構模型重建；[〇〇33] 步驟2包含以下子步驟:
[0034]步驟2a，設定混凝土試件中骨料、砂漿、孔隙的閾值范圍，根據設定的閾值范圍分別對所述多個二維斷層掃描圖像進行圖像分割，對應得到骨料的多個二維斷層掃描圖像、 砂漿的多個二維斷層掃描圖像和孔隙的多個二維斷層掃描圖像；[〇〇35]步驟2b，對所述骨料的多個二維斷層掃描圖像、砂漿的多個二維斷層掃描圖像和孔隙的多個二維斷層掃描圖像分別進行三維結構模型重建，得到混凝土試件的骨料三維模型文件、砂漿三維模型文件、孔隙三維模型文件。[〇〇36]步驟3,將重建后的三維結構模型發送至3D打印機，3D打印機對接收到的三維結構模型進行混凝土試件實體模型的打印。[〇〇37]步驟3a，將所述混凝土試件的骨料三維模型文件、砂漿三維模型文件、孔隙三維模型文件發送至3D打印機；[〇〇38]步驟3b，3D打印機采用與混凝土試件的骨料、砂漿、孔隙分別相對應的骨料打印材料、砂漿打印材料、孔隙打印材料，進行混凝土試件實體模型的打印。
[0039]本發明的技術方案可以通過如下試驗進一步說明。
[0040]示例性的，
[0041](1)采用醫用CT機對規格為lOOmmX lOOmmX 100mm的混凝土試件進行CT掃描，順序獲取混凝土試件的多個二維斷層掃描圖像，部分二維斷層掃描圖像如圖2所示；
[0042]醫用CT機為Toshiba Aquil1n One 320排動態容積CT機，X射線源高壓120kV，CCD 圖像傳感器灰階16bi t，掃描速度快，成像時間0.175s;該CT機對試件沿橫斷層間隔0.6mm進行掃描，獲取了 170幅混凝土試件的二維斷層掃描圖像。[〇〇43](2)設定混凝土試件中骨料的最佳閾值范圍為1571HU?2976HU，砂漿的最佳閾值范圍為1375HU?1570HU，孔隙的最佳閾值范圍為-297Hu?1374HU，使用MMICS三維圖像處理軟件對混凝土試件的多個二維斷層掃描圖像進行圖像分割，對應得到骨料的多個二維斷層掃描圖像、砂漿的多個二維斷層掃描圖像和孔隙的多個二維斷層掃描圖像；[〇〇44](3)利用MMICS三維圖像處理軟件分別對分割后對應得到骨料的多個二維斷層掃描圖像、砂漿的多個二維斷層掃描圖像和孔隙的多個二維斷層掃描圖像進行三維結構模型重建，從而得到混合土試件的骨料三維模型STL文件、砂漿三維模型STL文件、孔隙三維模型 STL文件，如圖3?5所示；[〇〇45]骨料的三維模型STL文件中包含了混凝土試件中所有骨料的尺寸及位置分布情況;砂漿的三維模型STL文件中包含了混凝土試件中砂漿的尺寸及位置分布情況;孔隙的三維模型STL文件中包含了混凝土試件中所有孔隙的尺寸及位置分布情況。[〇〇46](4)將上述骨料三維模型STL文件、砂漿三維模型STL文件、孔隙三維模型STL文件發送至3D打印機，3D打印機采用與混凝土試件的骨料、砂漿、孔隙分別相對應的打印材料對所接收到的三維結構模型進行實體模型的打印；其中，骨料打印材料為非透明光聚物復合材料，砂漿打印材料為透明光聚物復合材料，孔隙打印材料為網格支撐材料。[〇〇47] 本實施例中采用Objet 30pro 3D打印機，該打印機成型分辨率高(X軸:600dpi;Y 軸:600dpi ; Z軸:900dpi)，打印精度為0.1mm，層厚0.028mm;混凝土試件中骨料打印材料選用白色非透明光聚物復合材料Vero White Plus，該材料是以多種光聚物材料為基礎，按特定配合比合成的復合材料;孔隙和裂紋打印材料為網格支撐材料Fu 11 cur e705，該材料結構疏松，結構強度近似為零，符合混凝土試件內部孔隙及裂紋的實際情況;砂漿打印材料選擇透明光聚物復合材料Vero Clear，該材料為透明材料，可通過該材料肉眼觀察其內部的孔隙、裂紋及骨料的分布情況。[〇〇48]上述3D打印機的具體方法如下:采用UV光線作為能源，在3D打印機工作臺上按骨料、砂漿、孔隙的三維模型STL文件噴灑對應的打印材料，UV光束同時照射使打印材料固化成型，固化完成后，再進行打磨以提高模型透光度，即獲得混凝土細觀三相結構的3D打印模型，如圖6所示;該模型可肉眼觀察其內部結構的分布情況，為研究混凝土材料內部結構分布情況以及今后的力學性能研究提供了全新途徑，具有重要的科學研究及工程實踐價值。 [〇〇49]雖然，本說明書中已經用一般性說明及具體實施方案對本發明作了詳盡的描述， 但在本發明基礎上，可以對之作一些修改或改進，這對本領域技術人員而言是顯而易見的。 因此，在不偏離本發明精神的基礎上所做的這些修改或改進，均屬于本發明要求保護的范圍。
【主權項】
1.一種基于3D打印技術的混凝土材料細觀三相結構的可視化方法，其特征在于，包括 以下步驟:步驟1，對混凝土試件進行CT掃描，順序獲取混凝土試件的多個二維斷層掃描圖像；步驟2,對所述多個二維斷層掃描圖像進行圖像分割，并對分割后的圖像進行三維模型重建；步驟3,將重建后的三維結構模型發送至3D打印機，3D打印機對接收到的三維模型進行 混凝土試件實體模型的打印。2.根據權利要求1所述的基于3D打印技術的混凝土材料細觀三相結構的可視化方法， 其特征在于，步驟2包含以下子步驟:步驟2a，設定混凝土試件中骨料、砂漿、孔隙的閾值范圍，根據設定的閾值范圍分別對 所述多個二維斷層掃描圖像進行圖像分割，對應得到骨料的多個二維斷層掃描圖像、砂漿 的多個二維斷層掃描圖像和孔隙的多個二維斷層掃描圖像；步驟2b，對所述骨料的多個二維斷層掃描圖像、砂漿的多個二維斷層掃描圖像和孔隙 的多個二維斷層掃描圖像分別進行三維結構模型重建，得到混凝土試件的骨料三維模型文 件、砂漿三維模型文件、孔隙三維模型文件。3.根據權利要求2所述的基于3D打印技術的混凝土材料細觀三相結構的可視化方法， 其特征在于，步驟2a中，所述骨料的最佳閾值范圍為157 lHu?2976HU，所述砂漿的最佳閾值 范圍為1375HU?1570HU，所述孔隙的最佳閾值范圍為-297Hu?1374HU。4.根據權利要求2所述的基于3D打印技術的混凝土材料細觀三相結構的可視化方法， 其特征在于，步驟3包含以下子步驟:步驟3a，將所述混凝土試件的骨料三維模型文件、砂漿三維模型文件、孔隙三維模型文 件發送至3D打印機；步驟3b，3D打印機采用與混凝土試件的骨料、砂漿、孔隙分別相對應的骨料打印材料、 砂漿打印材料、孔隙打印材料，進行混凝土試件實體模型的打印。5.根據權利要求4所述的基于3D打印技術的混凝土材料細觀三相結構的可視化方法， 其特征在于，子步驟3b中，3D打印機采用的打印材料具體如下:所述骨料打印材料為非透明 光聚物復合材料，所述砂漿打印材料為透明光聚物復合材料，所述孔隙打印材料為網格支 撐材料。6.根據權利要求1所述的基于3D打印技術的混凝土材料細觀三相結構的可視化方法， 其特征在于，步驟1中，對混凝土試件進行CT掃描時，選擇間距為0.6mm進行掃描。
【文檔編號】G01N1/28GK106053168SQ201610339265
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月20日
【發明人】田威, 韓女, 裴志茹
【申請人】長安大學