绿色生态混凝土孔结构形态研究

高婷 桑正辉

(1.湖南交通职业技术学院，湖南 长沙 410100；2.中大检测(湖南)股份有限公司，湖南 长沙 410000)

绿色生态混凝土是一种具有高孔隙率和高透水性能的绿色生态材料，孔结构对其物理力学性能和耐久性能有着十分重要的影响。为了研究绿色生态混凝土宏微观性能及其植物相容性，揭示不同植物根系在其孔隙内的发展规律，需首先确定其内部孔隙结构的变化特征。

与普通混凝土相比，绿色生态混凝土的研究还处于初级阶段。近年来，国内外学者利用数字图像处理技术，基于分形理论和图像算法对绿色生态混凝土的内部结构进行了探索，并取得了一定的研究成果。由于绿色生态混凝土内部孔隙结构十分复杂，很难人工定量和定性的对孔隙特征及数量进行统计分析，因此借助图像处理软件，可以更简单、精确的对其内部孔隙进行处理计算，从而实现对绿色生态混凝土内部结构性能的研究。

曾超等采用PS、MATALB等软件对生态多孔混凝土的切片断面进行分析，并运用数盒子法分析其孔隙结构特征关系。尹志刚等采用CT扫描技术对再生骨料透水混凝土在冻融循环下的孔隙结构特征进行研究。梁丽敏采用Image-Pro Plus图像处理软件对生态混凝土的孔隙结构参数进行分析测量，通过MATLAB软件对生态混凝土三维结构进行了仿真重建。蒋昌波等采用图像处理技术对不同粒径、不同水灰比的多孔混凝土内部孔径分布情况及平面连通孔隙率进行了研究。

由此可见，CT扫描技术、图像处理技术可对绿色生态混凝土的孔结构情况及孔隙率进行计算分析，为绿色生态混凝土孔结构与植物相容性研究提供理论依据。

1 试验

1.1 原材料及性能

水泥：本试验采用42.5级普通硅酸盐水泥，其物理力学性能见表1所示。

表1 水泥的物理力学性能

粗集料：本研究采用两种粒径分别为16～19mm、19～26.5mm的粗骨料，其基本性能试验指标见表2。

表2 粗骨料基本性能试验指标/kg/m3

1.2 试验方法

1.2.1 孔结构图像获取

对孔结构图像的获取方法，本试验采用CT扫描技术，运用X射线对绿色生态混凝土试块进行分层扫描，从而得到断面粗骨料排列连接的图像信息，经相关软件处理转换成孔结构剖面图，可以在不改变外部形态及内部构造的情况下观测绿色生态混凝土内部孔隙的分布特征，对分析绿色生态混凝土内部孔结构形态变化具有重要意义。

试验过程如下：将边长为150㎜的绿色生态混凝土立方体试块养护至适当龄期后，采用CT仪进行连续分层扫描，每层厚度5mm，共30层。

1.2.2 孔结构图像处理

将储存图像用Med Explorer软件进行黑白调窗处理，其过程如图1所示。

图1 绿色生态混凝土某一断面处理后孔结构图像

1.2.3 图像孔隙率计算

绿色生态混凝土目标孔隙率为20%～30%，经优化设计配合比后实测孔隙率为26%～28%。为了从理论上分析绿色生态混凝土的孔隙结构分布情况，本试验采用Image-Pro Plus图像处理软件对绿色生态混凝土内部孔隙结构参数进行测试，可得到总截面积S和总孔隙面积S，使用相关公式：

可得到图像分析孔隙率值。根据Deless相关定律，从绿色生态混凝土二维断面上得到的参数可以用来表示三维立体结构信息，即可以用图像分析法测得的断面孔隙率来表示绿色生态混凝土立方体的孔隙率值。

1.2.4 孔隙面分形维数的测定

绿色生态混凝土切片厚度为2mm，忽略厚度并采用分形维数法对绿色生态混凝土的孔隙结构特征进行研究，其分形特征主要表现为颗粒形状、粒径以及级配，以碎石颗粒为研究对象，可以采用“小岛法”来进行描述。其原理如下。

对于三角形、矩形、圆形等几何规则图形，其周长L与面积A有如下关系：

对于地形、海岛、材料内部的微细裂缝等自然界不规则图形，则存在：

公式（3）中D为不规则图形的分形维数。整理后可得：

公式（4）中C为常数，设K为ln L与ln A之间的斜率，则K=

D

/2，可得出分形维数D=2K。

2 试验结果及分析

2.1 孔结构图像处理结果分析

通过Med Explorer软件处理后的绿色生态混凝土孔结构形态如图2所示。

图2 孔结构取样图片

从图2可以看出，绿色生态混凝土内部孔隙结构明显、清晰，且分布均匀，连通孔隙较多，用大粒径骨料制备的绿色生态混凝土内部孔隙更为明显，更有利于绿色植物根系的生长。同时也表明绿色生态混凝土骨料粒径越大，内部孔隙率越大，透水性越强，有利于自然界的水气循环，可以大大缓解温室效应。

2.2 图像孔隙率计算分析

采用实测法和图像分析法测得的孔隙率及参数如表3所示。

表3 绿色生态混凝土孔隙率对比参数

表3的试验结果表明：骨料粒径为16.0～19.0mm的绿色生态混凝土图像分析孔隙率为28.03%，与实测孔隙率26.58%相差5.46%；骨料粒径为19.0～26.5mm的绿色生态混凝土图像分析孔隙率为29.41%，与实测孔隙率27.22%相差9.96%；随着骨料粒径的增大，实测孔隙率与图像分析孔隙率也随之增大，且图像分析孔隙率值略大于实测孔隙率值。其原因可能是图像处理过程存在一定的试验误差，但两种粒径的测试结果均在目标孔隙率范围内，说明采用CT扫描技术结合Image pro-plus图像处理技术可对绿色生态混凝土的孔隙结构和孔隙率值进行处理和分析，进一步简化和探明绿色生态混凝土内部孔隙结构的特征。

2.3 孔结构面分形维数的计算及分析

通过Image pro-plus软件测得部分孔结构切面的面积与周长，用origin软件进行拟合分析，其处理结果如图3所示。

图3 19～26.5mm粒径绿色生态混凝土断面分形维数

从图3可以看出，骨料粒径为19～26.5mm的绿色生态混凝土孔结构断面展现出较好的分形特性，断面孔隙周长与孔隙面积之间呈现良好的线性关系，即表明可以用分形几何关系来表示绿色生态混凝土内部孔隙特征。

根据“小岛法”相关原理，分形维数越高，说明研究对象越复杂、越粗糙、越不均匀、越不规则。绿色生态混凝土孔隙结构的不规则性、不确定性、自相似性和模糊性正是其复杂性的体现，采用分形理论可以将绿色生态混凝土孔结构的形态特征进行量化和具体化，从而更加精确的描述其结构特点。处理结果如图4。

图4 面分数维与绿色生态混凝土孔隙率的关系

结果表明：绿色生态混凝土孔隙率P（y）随面分形维数D（x）的增大而增大，且具有较好的相关性，相关方程为y=56.26097x-48.55947。说明绿色生态混凝土骨料粒径越大，孔隙率越大，其内部孔隙结构越复杂、越不规则，通过对绿色生态混凝土断面分形维数的研究，建立孔隙结构与其宏、微观结构性能之间的关系，为后续绿色生态混凝土植物相容性研究提供理论依据。

3 结语

1）采用CT扫描技术和Image-Pro Plus图像分析软件对绿色生态混凝土的孔隙率进行计算和分析，得出图像分析孔隙率值略大于实测孔隙率值，且均在目标孔隙率范围内。随着绿色生态混凝土骨料粒径的增大，孔隙率也随之增大；2）基于分形理论基础，对绿色生态混凝土断面分形维数进行分析，发现其面分形维数D与孔隙率之间存在较好的相关性，绿色生态混凝土孔隙率随面分形维数的增大而增大。可以利用分形维数这一指标建立绿色生态混凝土孔隙结构与其各结构性能之间的关系。