本發(fā)明涉及水泥基材料，尤其是涉及一種可視化表征水泥基材料吸水過程中內(nèi)部水分遷移路徑的方法。

背景技術(shù)：

1、隨著超高建筑及大跨度橋梁的不斷建成，混凝土的耐久性越來越受到人們的重視，特別是由于有害離子以水為媒介在混凝土內(nèi)部傳輸，引起混凝土耐久性的劣化，使其無法在設(shè)計使用年限內(nèi)安全服役。因此，混凝土的耐久性測試與評估成為當今備受關(guān)注的重要課題。追蹤水泥基材料中水分的遷移過程，建立水分在材料內(nèi)部的運動分布信息隨時間的函數(shù)關(guān)系，有助于深刻理解水泥基材料的劣化進程，對提高混凝土的耐久性具有重要意義。

2、水分在水泥基材料中傳輸?shù)闹饕?qū)動力有毛細孔吸水作用、擴散和滲透。除一些水工及海洋工程外，大多情況下，水分在水泥基材料中的傳輸動力是以毛細孔吸水作用和擴散為主導(dǎo)。目前，國內(nèi)外檢測混凝土內(nèi)部水分遷移路徑已有的方法包括有損法和無損法。其中，切片稱重法是一個簡單而又廣泛用于測定水泥基材料中含水量和吸水高度的常規(guī)方法。但它屬于有損法，不能實時跟蹤同一試件中水分在材料內(nèi)部的遷移過程。一些無損檢測方法，如電流法、微波法和紅外光譜法等，屬于間接測量法，測量精度不高，且只能在一維或二維條件下建立材料中的含水率或吸水高度與特定時間的函數(shù)關(guān)系。

3、利用x-ct技術(shù)，則能突破水泥基材料滲透性傳統(tǒng)檢測手段的局限性，實現(xiàn)對水泥基材料中水分的遷移進行三維無損檢測和評價的愿望。

4、專利cn108760776a公開了一種水泥基材料中水分傳輸?shù)目梢暬瘻y試方法及系統(tǒng)。該方法利用x射線計算機斷層掃描成像裝置對未吸收碘化鈉溶液的水泥凈漿試樣進行掃描，獲得基準圖像；將多個吸水圖像與基準圖像比較，獲得碘離子的吸收梯度；根據(jù)碘離子的吸收梯度，對試樣吸收碘化鈉溶液的過程進行可視化監(jiān)測。但該方法在實際應(yīng)用中難以對不同時間段內(nèi)的水分傳輸過程進行動態(tài)監(jiān)測，無法更全面地了解水泥基材料中水分滲透的動態(tài)發(fā)展機制。

5、專利cn112285136a公開了一種即時追蹤混凝土二維吸水過程的x射線測量方法。該方法包括制備混凝土切片、排出混凝土中的孔隙水、封蠟處理、使用工業(yè)ct連續(xù)進行x射線透射掃描等步驟，從而得到該混凝土切片二維實時吸水過程。但該方法在混凝土切片的制備方法上存在骨料在切片前后的對稱分布問題，影響了測量精度。

6、現(xiàn)有技術(shù)中以下問題亟需解決：

7、1.切片稱重法等有損檢測方法無法實時跟蹤同一試件中水分在材料內(nèi)部的遷移過程，難以全面反映水分在材料內(nèi)部的三維運動分布；

8、2.電流法、微波法和紅外光譜法等無損檢測方法屬于間接測量法，測量精度不高，且只能在一維或二維條件下建立材料中的含水率或吸水高度與特定時間的函數(shù)關(guān)系，無法直觀展現(xiàn)水分在材料內(nèi)部的三維遷移路徑；

9、3.現(xiàn)有技術(shù)難以對不同時間段內(nèi)水泥基材料中水分的傳輸過程進行動態(tài)監(jiān)測，無法更全面地了解水分滲透的動態(tài)發(fā)展機制。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種無損、快速、準確的可視化表征水泥基材料吸水過程中內(nèi)部水分遷移路徑的方法，能夠全面反映水分在材料內(nèi)部的三維運動分布，能夠全面地了解水分滲透的動態(tài)發(fā)展機制。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

3、本發(fā)明提供一種可視化表征水泥基材料吸水過程中內(nèi)部水分遷移路徑的方法，其特征在于，包括以下步驟：

4、基于x射線斷層掃描，對比水泥基材料試件中吸水區(qū)域與干燥區(qū)域的x射線衰減差異生成灰度圖像，以此獲取試件的二維切片數(shù)據(jù)；

5、將所述二維切片數(shù)據(jù)經(jīng)三維分析軟件渲染后，生成不同吸水時間點的三維結(jié)構(gòu)圖及多方向橫截面吸水高度分布圖，實現(xiàn)水泥基材料試件水分遷移路徑的無損可視化追蹤。

6、進一步地，在x射線斷層掃描之前，需要進行試件處理與毛細孔吸水試驗，具體包括以下步驟：

7、將養(yǎng)護28天的水泥基材料試件烘干至恒重，密封5個面并保留單側(cè)吸水面，以碘化鈉溶液作為圖像增強劑進行一維毛細孔吸水試驗，控制液面高度為1mm-3mm，吸水時間間隔固定為30分鐘。

8、進一步地，吸水試驗后，需擦除水泥基材料試件表面的多余液體。

9、進一步地，所述碘化鈉溶液的質(zhì)量分數(shù)為5％-15％；

10、所述毛細孔吸水試驗符合astm?c1585-13標準。

11、進一步地，所述x射線斷層掃描的過程包括：在每次吸水結(jié)束后，立即取出水泥基材料試件并固定于x-ct系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)臺，設(shè)定x射線源發(fā)射電壓為70kv、電流110μa，光學鏡片放大倍數(shù)為0.4倍，采集試件二維切片圖像數(shù)據(jù)。

12、進一步地，所述水泥基材料試件的制備具體包括：

13、按膠砂比1:1至2:1、水膠比0.35至0.50配制水泥基材料；

14、成型后養(yǎng)護溫度為(20±2)℃、相對濕度≥95％，烘干溫度為50℃-60℃。

15、進一步地，所述三維分析軟件為avizo或vg?studio。

16、進一步地，獲取試件的二維切片數(shù)據(jù)的具體過程包括：

17、當x射線穿透試件時，吸水區(qū)域含碘化鈉溶液導(dǎo)致射線衰減程度高于干燥區(qū)域，形成灰度差異明顯的二維投影圖像；

18、通過旋轉(zhuǎn)試件并多角度掃描，獲取試件全周向的投影數(shù)據(jù)；

19、利用x-ct系統(tǒng)的重建算法將投影數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二維切片圖像序列，每一切片對應(yīng)試件某一斷面的灰度分布，以此區(qū)分吸水與干燥區(qū)域的邊界。

20、進一步地，生成不同吸水時間點的三維結(jié)構(gòu)圖及多方向橫截面吸水高度分布圖的具體過程包括：

21、將不同吸水時間點采集的二維切片數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維分析軟件，按空間順序?qū)R疊加，構(gòu)建試件的三維體數(shù)據(jù)模型；

22、通過灰度閾值分割技術(shù)，設(shè)定閾值范圍以區(qū)分吸水區(qū)域與干燥區(qū)域，提取吸水部分的三維空間分布；

23、利用三維分析軟件的三維渲染功能，生成試件內(nèi)部水分遷移路徑的立體結(jié)構(gòu)圖，并沿試件軸向、徑向或任意指定方向生成橫截面視圖，量化顯示吸水高度及橫向擴散范圍；

24、對不同時間點的三維模型進行動態(tài)對比，標記吸水前峰隨時間推進的位置變化，結(jié)合橫截面高度數(shù)據(jù)生成吸水速率曲線，完整呈現(xiàn)水分遷移的動態(tài)過程及空間分布特征。

25、進一步地，所述水泥基材料包括普通硅酸鹽水泥、摻合料水泥基材料、多孔介質(zhì)材料中的一種。

26、本發(fā)明的核心原理在于利用x射線斷層掃描(x-ct)技術(shù)對水泥基材料內(nèi)部水分遷移過程進行無損檢測。當x射線穿透試件時，吸水區(qū)域因含有碘化鈉溶液(作為圖像增強劑)導(dǎo)致x射線衰減程度顯著高于干燥區(qū)域，形成灰度差異明顯的二維投影圖像。通過多角度旋轉(zhuǎn)試件并采集全周向投影數(shù)據(jù)，結(jié)合濾波反投影算法重建試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二維切片序列，從而精確區(qū)分吸水與干燥區(qū)域的邊界，為后續(xù)三維分析提供高分辨率的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

27、本發(fā)明基于二維切片數(shù)據(jù)，通過三維分析軟件(如avizo或vg?studio)將多時間點的圖像疊加為三維體數(shù)據(jù)模型，利用灰度閾值分割技術(shù)提取吸水區(qū)域的三維空間分布。通過渲染生成三維結(jié)構(gòu)圖及多方向橫截面視圖，動態(tài)展示不同時間點的吸水前峰位置、橫向擴散范圍及底部飽水區(qū)域的形成過程。結(jié)合時間序列分析，定量計算吸水高度值并繪制遷移速率曲線，直觀揭示水分在毛細孔吸力與擴散協(xié)同作用下的動態(tài)滲透機制，實現(xiàn)從靜態(tài)觀測到動態(tài)追蹤的全維度表征。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

29、1)本發(fā)明采用x-ct技術(shù)進行原位無損可視化追蹤毛細孔吸水作用下水分在水泥基材料試件內(nèi)部的遷移過程，分析不同時間的吸水高度和表征其三維的吸水分布變化進程。該發(fā)明基于不同角度、多個橫斷面x射線的掃描成像，可以進行可視化檢測非透明材料，如混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，并以2d和3d圖像的方式展現(xiàn)實驗的結(jié)果。

30、2)通過x-ct技術(shù)直接捕捉吸水區(qū)域與干燥區(qū)域的x射線衰減差異，結(jié)合碘化鈉溶液增強圖像對比度，生成高精度的三維灰度圖像，突破電流法、微波法等間接檢測方法僅能在一維或二維條件下分析的局限性，直觀展現(xiàn)水分在材料內(nèi)部的三維遷移路徑及空間擴散特征

31、3)目前，x-ct技術(shù)已在水泥基材料領(lǐng)域有不少應(yīng)用，如微觀孔隙結(jié)構(gòu)表征、鋼筋銹蝕和離子擴散等。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有操作方便快捷，對于測試樣品沒有破壞，所受干擾較小，且其無需繁瑣的計算過程等優(yōu)點，能實現(xiàn)對水泥基材料中水分的遷移機制進行三維的無損檢測和評價。

32、4)本發(fā)明通過在不同吸水時間點進行x-ct成像及三維重建，動態(tài)追蹤水分遷移前峰的推進過程，結(jié)合橫截面吸水高度分布圖及時間序列分析，揭示水分滲透的動態(tài)發(fā)展機制，為研究毛細孔吸水與擴散的協(xié)同作用提供可靠數(shù)據(jù)支撐。