基于Image- pro Plus軟件混凝土斷裂面骨料和漿體面積的計算方法及應用

黃興震，陳紅鳥，王青原，畢永輝

(貴州大學 空間結構研究中心，貴州 貴陽 550003)

基于Image- pro Plus軟件混凝土斷裂面骨料和漿體面積的計算方法及應用

黃興震，陳紅鳥*，王青原，畢永輝

(貴州大學 空間結構研究中心，貴州 貴陽 550003)

通過混凝土斷面形態推導混凝土斷裂機理是研究混凝土斷裂力學性能常用的方法之一。本文介紹一種基于專業圖像分析軟件Image-pro Plus確定混凝土斷裂面上骨料和漿體面積的計算方法，詳細說明了該方法的操作步驟，通過實例，對混凝土梁斷裂面進行分析。結果表明，該方法相對其它方法簡單易學，操作簡便，可為定量分析混凝土斷裂機理提供參考。

混凝土；斷裂；骨料和漿體面積；Image- pro Plus

混凝土斷裂能指混凝土斷裂時產生單位面積裂縫所需要的總能量[1]，是評價混凝土斷裂力學性能的重要指標。而混凝土是由基相和分散相組成的二相復合材料，其強度主要由水泥砂漿基體強度、粗骨料強度以及水泥砂漿與骨料結合面這三方面決定。因此，混凝土斷裂能主要用來克服水泥砂漿基體斷裂面的粘結力、粗骨料斷裂面之間的粘結力以及粗骨料和水泥砂漿結合面的粘結力。準確測量混凝土斷面上骨料和漿體的面積，將有助于通過混凝土斷面形態推導混凝土斷裂機理。

目前，混凝土斷面骨料和漿體面積的計算方法可分為傳統測量法和圖像分析法兩類。傳統測量法主要有量邊法、坐標法及紙片質量法等[2-4]。這些方法需要依靠手工繪制或測量，效率低而且精度差。圖像分析法是指利用計算機和圖像處理軟件對混凝土斷面的骨料面積和水泥漿體面積進行分析和測量的方法，該法能在很大程度上提高測量的精度和效率。目前，研究人員主要通過使用Photoshop(PS)對混凝土斷面進行圖像分析。但是用PS計算混凝土斷面骨料和漿體面積時，需要進行像素值的讀取、像素和實際尺寸的換算等一系列操作[5]，難度較大。

本文介紹一種通過專業圖像分析軟件Image-pro Plus(IPP)計算混凝土斷裂面骨料和漿體面積的方法。IPP軟件作為生物學、醫學等專業的圖像分析軟件，具有強大的圖像處理、測量分析功能[6]，但目前利用IPP軟件計算混凝土斷面骨料和漿體面積的應用還在實驗階段，因此，本文通過對實驗中混凝土梁斷裂面骨料和漿體面積的分析，介紹一種利用IPP軟件計算混凝土斷面骨料和漿體面積的方法。分析結果表明，該方法相對于PS方法簡單易學，操作簡便，分析結果比較可靠。

1 實驗設計

1.1 實驗方法

混凝土配合比如表1所示，水泥采用波蘭特CEM I 52.5N，骨料采用機制花崗巖，最大粒徑為10mm。預制切口梁試件尺寸(跨度、高度、厚度、預制切縫長度和寬度)是參照RILEM技術委員會[7，8]的建議設計的，梁截面尺寸為：80mm×150mm×710mm，跨度為600mm，預制切口的深度為45mm，預制切口的寬度為2mm?；炷量箟簭姸萬cu及抗拉強度ft如表1所示。

表1 混凝土配合比及材料強度

通過對帶預制切縫的混凝土梁進行三點彎曲試驗模擬混凝土梁斷裂，實驗裝置如圖1所示。

圖1 混凝土梁三點彎曲試驗裝置

1.2 實驗結果

采用MTS加載裝置位移控制加載，加載速率為0.2 mm/15min。大約10分鐘，荷載達到峰值荷載。加載全過程荷載-位移曲線如圖2所示。

圖2 實驗荷載-撓度曲線

混凝土斷裂后，采用高清數碼相機對其斷裂面進行垂直拍攝，其斷裂面如圖3所示。拍攝要求斷面包含所要測量的整個范圍并且至少有一條邊尺寸已知，同時要求圖像清晰。

2 IPP圖像分析方法

利用IPP軟件打開所得圖像，以圖像中尺寸已知的邊為標尺進行單位設置，選取AOI(Area of Interest即所要計算的區域)，然后利用IPP軟件的分析計算模塊對選取的區域進行面積計算。

IPP軟件計算AOI面積流程如圖4所示：

圖3 混凝土梁斷裂面

圖4 利用IPP計算AOI面積流程圖

(1)打開圖像

打開IPP軟件，選用“File→Open”打開試驗得到的圖像“混凝土斷面圖N3”。

(2)單位設置

選擇菜單欄中的“Measure→Calibration→Spatial...”，會彈出“Spatial Calibration”對話框。先點擊“New”按鈕，然后在“Name”欄中輸入“混凝土斷面圖N3”，“Unit”欄選擇“mm”，“Units/Pixel”欄中選擇“Units/Pix”。然后再點擊“Units/Pixel”欄中的“Image”，此時會彈出“Scaling”對話框，同時會在圖像上出現一個標尺，如圖5所示。拖動標尺的兩端，使得標尺的兩端和已知尺寸邊的兩端重合，然后在“Scaling”對話框里輸入標尺對應的實際尺寸，點擊OK。再點擊“Apply”，將設置的單位“應用為當前”，然后關閉“Spatial Calibration”對話框即可。后面的計算都以該單位為計算單位。

(3)AOI選取

使用“Irregular AOI”工具選擇要測量面積的區域，點擊工具欄中的Irregular AOI按鈕。默認是“魔棒選擇工具”，直接點擊要計算面積的區域，被選中的區域外圍出現一圈紅線。如果點擊后所得區域不是自己想要的區域，可以嘗試著向周圍多點擊幾下，也可以調整Range的數值，數值的大小代表所選范圍的大小。選擇后點擊鼠標右鍵，所選區域邊界由紅色變為綠色，然后點擊“Multiple AOI→Add”，即完成AOI的選擇。繼續選擇時，點擊“New AOI”。

圖5 單位設置

當選擇的AOI邊界不明顯時，可以使用“Trace(追蹤)”模式，點擊對話框中的“Trace”按鈕即轉為“追蹤模式”?！白粉櫮Ｊ健庇袃煞N操作模式：手動模式和自動模式。當選用“手動模式”，不要選上對話框中的“Auto”按鈕，此時需要用鼠標沿AOI邊界點選，直至構成封閉邊界后，點擊右鍵，紅色的邊界變為綠色，然后點擊“Multiple AOI→Add”，即完成AOI的選擇。當選用“自動模式”時，需要勾選對話框中的“Auto”按鈕，此時需要先在AOI邊界上點擊一下，作為起點，再點擊一個不同的點，作為追蹤的方向，此時鼠標箭頭就開始自動尋跡。

AOI選取結果顯示如圖6所示。

圖6 AOI選取結果顯示

(4)面積計算。

選擇工具欄“Measure→Count/Size...”，此時會彈出“Count/Size”對話框，點擊“Edit→Convert AOI(s) to Object(s)”，此時已選擇的AOI邊界會變成紅色，并自動進行編號。點擊“Measurement→Select Measurements...”，在彈出的“Select Measurements”對話框中，選擇“Measurements”欄里的“Area”，點擊“Measure”按鈕。此時所選擇AOI的面積已經計算完畢。

(5)輸出結果

查看單個AOI的面積：點擊“View→Measurement Data”，在彈出的“Measurement Data”對話框里會顯示AOI編號以及對應的面積，也可以點擊“File→Export Data”，軟件會自動打開Excel并將數據即保存到Excel表格中。

統計所選AOI的總面積：點擊“View→Statistics”，在彈出的“Statistics”對話框里包含最大值，最小值，平均值，總和等內容。點擊“File→Export Data”，當計算機已安裝Microsoft office辦公軟件時，IPP軟件會自動打開Excel表格并將數據即保存到Excel表格中。IPP統計結果見圖7。

StatsAreaMin1．45511(Obj．#)27Max125．01701(Obj．#)59Range123．5619Mean20．2264Stb．Dev19．490555Sum1739．4703Samples86

圖7 分析結果輸出顯示

3 分析結果與討論

以N3梁斷面為例，其斷面總面積為12000mm2，其中韌帶面積為8400mm2，通過IPP計算骨料面積為1739.5 mm2，占混凝土梁韌帶面積的20.7%；水泥漿體的面積為6660.5 mm2占混凝土梁韌帶面積的79.3%。這一結果表明，當混凝土強度為86.73MPa時，水泥砂漿強度與骨料強度相當，甚至大于骨料強度，混凝土斷裂時，裂縫將穿過骨料，而不是繞過骨料。

相對于傳統測量法，IPP具有圖像分析法的共同特點：適用范圍廣，計算精度高。同時，IPP法相對于常用的PS法又有自己的優勢：(1)操作更簡單。PS法計算混凝土斷面面積時需要進行像素統計，進而換算成面積，而IPP法可以設置計算單位，軟件可操作性更強。(2)數據導出更方便。IPP軟件的分析結構可以直接導出到Excel表格中，方便進一步計算分析和保存，而PS軟件不具有該功能。(3)分析可信度更高。PS軟件具有強大的圖像處理功能，以至于處理過的圖片可能被認為有造假行為。IPP軟件作為專業的圖像分析軟件，具有專業的圖像分析功能，分析結果更可信。

4 結論

本文介紹一種基于專業圖像分析軟件Image-pro Plus確定混凝土斷裂面上骨料和漿體面積的計算方法。該方法降低了圖像分析的難度，能夠以更簡便的操作實現混凝土斷面骨料和漿體面積的計算，并且將計算數據導出。通過實例，對混凝土梁斷裂面進行分析。分析結果表明，該方法計算斷面上骨料面積，比較準確直觀，可為定量分析混凝土斷裂機理提供參考。

[1] 郭向勇.混凝土斷裂能的理論分析[J].哈爾濱工業大學學報， 2005， 37(9)： 1219. [2] Lee D J， Xu X Q， Eifert J， et al. Area and volume measurements of objects with irregular shapes using multiple silhouettes [J]. Optical Engineering， 2006， 45(2)： 272-273. [3] 張婕，周佳媚.坐標法計算斷面面積的改進研究[J].鐵路計算機應用， 2012， 21(4): 46-48. [4] 張士青.稱重法與圖像分析法測算鹿角形腎結石投影面積的比較[J].中華泌尿外科雜志， 1998， 19(4): 235. [5] 陳正.混凝土斷面漿體和骨料面積的圖像分析方法研究[J].混凝土， 2012， 269(3): 25. [6] 張季如，祝杰，黃麗，等.土壤微觀結構定量分析的IPP圖像技術研究[J].武漢理工大學學報， 2008(04): 81. [7] RILEM. TC50-FMC Fracture Mechanics of Concrete， Determination of the Fracture Energy of Mortar and Concrete by Means of Three-point Bend Testson Notched Beams[J]. Materials and Structures. Springer. Netherlands ，1985， 18(4): 287-290. [8] RILEM. TC89-FMT Fracture Mechanics of Concrete Test Methods， Determinationof Fracture Parameters (KIcs and CTODc) of Plain Concrete Using Three-pointBend Tests[J]. Materials and Structures. Springer Netherlands ，1990， 23(6): 457-460.

(責任編輯：王先桃)

The method and application based on the Image-pro Plus to calculate the concrete aggregate and cement paste area of the fracture surface

Huang Xingzhen, Chen Hongniao*，WANG Qingyuan，BI Yonghui

(Guizhou University, Space Structure Research Center, Guizhou Guiyang 550003 China)

Analyzing concrete fracture surface is one of the commonly used methods to derive concrete fracture mechanism. This paper introduces a method, which is based on Image-pro Plus—a Professional image analysis software, to calculate the concrete aggregate and cement paste area of the fracture surface. The steps of the method is provided in details, and the concrete beam fracture is analyzed through an example. Analysis results show that, relative to other methods, this method is easy to learn, simple to operate, and it can provide a reference for quantitative analysis of concrete fracture mechanism.

concrete; fracture; aggregate and cement paste area; image- pro Plus

1000-5269(2016)06-0063-04

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.06.15

2016-06-20

國家自然科學基金項目資助(51408144)；貴州省科學技術基金([2016]1040)；貴州大學博士基金(X131001)

黃興震(1989-)，男，在讀碩士，研究方向：混凝土斷裂力學的理論與應用，Email：499838745@qq.com.

*通訊作者： 陳紅鳥，Email：378593887@qq.com.

TU502.6

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