綠色生態混凝土孔結構形態研究

高婷 桑正輝

(1.湖南交通職業技術學院，湖南 長沙 410100；2.中大檢測(湖南)股份有限公司，湖南 長沙 410000)

綠色生態混凝土是一種具有高孔隙率和高透水性能的綠色生態材料，孔結構對其物理力學性能和耐久性能有著十分重要的影響。為了研究綠色生態混凝土宏微觀性能及其植物相容性，揭示不同植物根系在其孔隙內的發展規律，需首先確定其內部孔隙結構的變化特征。

與普通混凝土相比，綠色生態混凝土的研究還處于初級階段。近年來，國內外學者利用數字圖像處理技術，基于分形理論和圖像算法對綠色生態混凝土的內部結構進行了探索，并取得了一定的研究成果。由于綠色生態混凝土內部孔隙結構十分復雜，很難人工定量和定性的對孔隙特征及數量進行統計分析，因此借助圖像處理軟件，可以更簡單、精確的對其內部孔隙進行處理計算，從而實現對綠色生態混凝土內部結構性能的研究。

曾超等采用PS、MATALB等軟件對生態多孔混凝土的切片斷面進行分析，并運用數盒子法分析其孔隙結構特征關系。尹志剛等采用CT掃描技術對再生骨料透水混凝土在凍融循環下的孔隙結構特征進行研究。梁麗敏采用Image-Pro Plus圖像處理軟件對生態混凝土的孔隙結構參數進行分析測量，通過MATLAB軟件對生態混凝土三維結構進行了仿真重建。蔣昌波等采用圖像處理技術對不同粒徑、不同水灰比的多孔混凝土內部孔徑分布情況及平面連通孔隙率進行了研究。

由此可見，CT掃描技術、圖像處理技術可對綠色生態混凝土的孔結構情況及孔隙率進行計算分析，為綠色生態混凝土孔結構與植物相容性研究提供理論依據。

1 試驗

1.1 原材料及性能

水泥：本試驗采用42.5級普通硅酸鹽水泥，其物理力學性能見表1所示。

表1 水泥的物理力學性能

粗集料：本研究采用兩種粒徑分別為16～19mm、19～26.5mm的粗骨料，其基本性能試驗指標見表2。

表2 粗骨料基本性能試驗指標/kg/m3

1.2 試驗方法

1.2.1 孔結構圖像獲取

對孔結構圖像的獲取方法，本試驗采用CT掃描技術，運用X射線對綠色生態混凝土試塊進行分層掃描，從而得到斷面粗骨料排列連接的圖像信息，經相關軟件處理轉換成孔結構剖面圖，可以在不改變外部形態及內部構造的情況下觀測綠色生態混凝土內部孔隙的分布特征，對分析綠色生態混凝土內部孔結構形態變化具有重要意義。

試驗過程如下：將邊長為150㎜的綠色生態混凝土立方體試塊養護至適當齡期后，采用CT儀進行連續分層掃描，每層厚度5mm，共30層。

1.2.2 孔結構圖像處理

將儲存圖像用Med Explorer軟件進行黑白調窗處理，其過程如圖1所示。

圖1 綠色生態混凝土某一斷面處理后孔結構圖像

1.2.3 圖像孔隙率計算

綠色生態混凝土目標孔隙率為20%～30%，經優化設計配合比后實測孔隙率為26%～28%。為了從理論上分析綠色生態混凝土的孔隙結構分布情況，本試驗采用Image-Pro Plus圖像處理軟件對綠色生態混凝土內部孔隙結構參數進行測試，可得到總截面積S和總孔隙面積S，使用相關公式：

可得到圖像分析孔隙率值。根據Deless相關定律，從綠色生態混凝土二維斷面上得到的參數可以用來表示三維立體結構信息，即可以用圖像分析法測得的斷面孔隙率來表示綠色生態混凝土立方體的孔隙率值。

1.2.4 孔隙面分形維數的測定

綠色生態混凝土切片厚度為2mm，忽略厚度并采用分形維數法對綠色生態混凝土的孔隙結構特征進行研究，其分形特征主要表現為顆粒形狀、粒徑以及級配，以碎石顆粒為研究對象，可以采用“小島法”來進行描述。其原理如下。

對于三角形、矩形、圓形等幾何規則圖形，其周長L與面積A有如下關系：

對于地形、海島、材料內部的微細裂縫等自然界不規則圖形，則存在：

公式（3）中D為不規則圖形的分形維數。整理后可得：

D

2 試驗結果及分析

2.1 孔結構圖像處理結果分析

通過Med Explorer軟件處理后的綠色生態混凝土孔結構形態如圖2所示。

圖2 孔結構取樣圖片

從圖2可以看出，綠色生態混凝土內部孔隙結構明顯、清晰，且分布均勻，連通孔隙較多，用大粒徑骨料制備的綠色生態混凝土內部孔隙更為明顯，更有利于綠色植物根系的生長。同時也表明綠色生態混凝土骨料粒徑越大，內部孔隙率越大，透水性越強，有利于自然界的水氣循環，可以大大緩解溫室效應。

2.2 圖像孔隙率計算分析

采用實測法和圖像分析法測得的孔隙率及參數如表3所示。

表3 綠色生態混凝土孔隙率對比參數

表3的試驗結果表明：骨料粒徑為16.0～19.0mm的綠色生態混凝土圖像分析孔隙率為28.03%，與實測孔隙率26.58%相差5.46%；骨料粒徑為19.0～26.5mm的綠色生態混凝土圖像分析孔隙率為29.41%，與實測孔隙率27.22%相差9.96%；隨著骨料粒徑的增大，實測孔隙率與圖像分析孔隙率也隨之增大，且圖像分析孔隙率值略大于實測孔隙率值。其原因可能是圖像處理過程存在一定的試驗誤差，但兩種粒徑的測試結果均在目標孔隙率范圍內，說明采用CT掃描技術結合Image pro-plus圖像處理技術可對綠色生態混凝土的孔隙結構和孔隙率值進行處理和分析，進一步簡化和探明綠色生態混凝土內部孔隙結構的特征。

2.3 孔結構面分形維數的計算及分析

通過Image pro-plus軟件測得部分孔結構切面的面積與周長，用origin軟件進行擬合分析，其處理結果如圖3所示。

圖3 19～26.5mm粒徑綠色生態混凝土斷面分形維數

從圖3可以看出，骨料粒徑為19～26.5mm的綠色生態混凝土孔結構斷面展現出較好的分形特性，斷面孔隙周長與孔隙面積之間呈現良好的線性關系，即表明可以用分形幾何關系來表示綠色生態混凝土內部孔隙特征。

根據“小島法”相關原理，分形維數越高，說明研究對象越復雜、越粗糙、越不均勻、越不規則。綠色生態混凝土孔隙結構的不規則性、不確定性、自相似性和模糊性正是其復雜性的體現，采用分形理論可以將綠色生態混凝土孔結構的形態特征進行量化和具體化，從而更加精確的描述其結構特點。處理結果如圖4。

圖4 面分數維與綠色生態混凝土孔隙率的關系

結果表明：綠色生態混凝土孔隙率P（y）隨面分形維數D（x）的增大而增大，且具有較好的相關性，相關方程為y=56.26097x-48.55947。說明綠色生態混凝土骨料粒徑越大，孔隙率越大，其內部孔隙結構越復雜、越不規則，通過對綠色生態混凝土斷面分形維數的研究，建立孔隙結構與其宏、微觀結構性能之間的關系，為后續綠色生態混凝土植物相容性研究提供理論依據。

3 結語

1）采用CT掃描技術和Image-Pro Plus圖像分析軟件對綠色生態混凝土的孔隙率進行計算和分析，得出圖像分析孔隙率值略大于實測孔隙率值，且均在目標孔隙率范圍內。隨著綠色生態混凝土骨料粒徑的增大，孔隙率也隨之增大；2）基于分形理論基礎，對綠色生態混凝土斷面分形維數進行分析，發現其面分形維數D與孔隙率之間存在較好的相關性，綠色生態混凝土孔隙率隨面分形維數的增大而增大。可以利用分形維數這一指標建立綠色生態混凝土孔隙結構與其各結構性能之間的關系。