加气混凝土宏观孔分析简化方法及验证.pdf

郭 凯 等 ： 加气混凝土宏 观孔分 析简化方法及验证 加气混凝 土宏观孔分析简化方 法及 验证 郭 凯 ， 胡曙光 ， 丁庆 军 ( 武汉理工大学 材料科学与工程学院， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘 要 ： 利 用 MATI AB图像 处理 技 术 对 加 气混 凝 土的 宏观 孔特 性进 行 分析 ， 初 步 量化 加 气混 凝 土 孔 分 布 、 平 均孔 径和 孔 隙率 等 特 征 。通 过 对 已知 孔 特 性 的 标 准 图形 分析 ， 验 证 该 方法 的准确 性 ； 通过 与 图像 分 析 系统测 试 的加 气 混凝 土孔 特 性 结 果 对 比， 验 证 该 方 法 的可行 性 。 实验 表 明加 气混 凝土 宏观 孔 分析 简化 方法 能够较 精 确分析 加 气混 凝土 的宏 观孔 特性 。 关键 词 ： 加气 混凝 土 ； 宏 观 孔特性 ； 图像处 理 ； 验证 中图分 类号 ： TU5 5 。 。 1 3 3 文 献标 识码 ： A 文 章编 号 ： 1 ( ) O 1 - 9 7 3 1 ( 2 0 l 2 ) 2 O 一 2 8 5 5 - 0 3 1 引 言 加气 混凝 土 是 一 种 多 孑 L 的 非 均 质 材 料n ， 孑 L 是 其 结构 中重 要 的组 成 部 分 ， 加 气 混 凝 土 的孑 L 一 般 分 为微 观孔 和宏 观孔 ， 其 中宏 观 孔 是 指 孔 径 6 0 m 的 孔 ， 其对 加气 混凝 土 的性 能 有 极 大 的 影 响 。 目前 ， 表征 孔 特性 的方法 有很 多 ， 如压汞 法、 气体 吸附法 、 气 泡法 等 ， 但 这些测 试 方法 均存 在一 个共 同的缺 陷 ： 难 以分 析微米级 以上孑 L 的特性 。分析此类孔较多采用图像分 析系统 州， 但图像分析系统测试较为繁琐 ， 因此研究 加气 混凝 土 的宏 观 孔 特 性 ， 需 要 一 种新 型 的简 易孑 L 分 析方法。与此 同时， MATI AB图像 处理技术 发展到 现在已较为成熟 ， 其 以信息量大、 处理和传输方便 、 应 用范 围广 等一 系 列 优 点 ， 成 为 现 在 科 学研 究 的重 要 手 段 j 】 。本 文利 用 MATI AB图 像 处 理 技 术 ， 提 出 了一 种加 气 混 凝 土 孑 L 特 性 分 析 的 简 化 方 法 ( a s i mp l i f i e d me t ho d o f a n a l ys e t he ma c r o po r e f e a t u r e o f a e r a t e d c o n c r e t e ， 简称 S A P ) ， 并通 过 实验 加 以验 证 ， 此 项 研 究 对 于较 大 孔径 材料 的孔 特性 分析 具有 重要 意义 。 2 实 验 2 1 S AP原 理 本 文 调用 MAT L AB 2 0 1 0中 的 函数 ， 对 数 码 照 片 进 行灰 度 化 、 中值 滤波 、 扣除 背景 以及 调 节对 比度 等数 字 化处 理 ， 目的是 为 了增 加气 孔 与非 气 孔 部 分 的黑 白 对 比 度 ， 特 别 是 通 过 对 比 度 参 数 值 的 调 整 ， 能 优 化 S AP精 确度 。然 后 对 初 步 处 理 的 图 形 进 行 二 值 图 像 化转化 ， 并进行反色 ， 即完成气孑 L 显示 为 白色， 像素点 值计 为 0 ， 非 气 孔 部 分 显 示 为 黑 色 ， 像 素 点值 计 为 1 。 从处理后的二值 图像 中的某 一值计为 0的像 素点开 始 按照从左到右、 从上到下的顺序 ， 进行 临近像 素点 检测 ， 若 检 测像 素 点 值 为 0时 ， 继 续 检 测 ， 直 至 当初 始 点 周 围 的边 缘 像 素点 值 均 为 1时 ， 标 识 为 一 个 气 孔 。 此时该气孔 内部存在一定数量的像素点 ， 而一个像素 点 代表 的 面积是 可 以通 过 相 机 的参 数 计 算 得 到 ， 因此 可以得 到该 气孑 L 的面 积 ， 用 等 面 积 圆 近似 代 换 即可 得 到 该气 孔 的孔 径 大小 。重 复上 述 检 测 过 程 ， 直 至 整 个 图像分析完毕。这些作为启动初始 的像素点值计为 0 的像素点个数 即为材料的气孔个数 ， 其 中气孔孔径在 某 一范 围 内的气 孔 个 数 也 可 以计 算 得 到 ， 相 应 的各 孔 径 气孔所 占 比例 可 以得到 。气孔 的面积 除 以整 个 图像 即可得 到材 料 的孔 隙率 。 2 2实验验 证 实验 验证 由两 部 分 组 成 ： ( 1 )自制 已 知 孔 特 性 的 标准图形通过 s A P进行分析 ， 得出的结论与设定值进 行对 比， 验证该方法的准确性 ； ( 2 )将材料通过 图像分 析系统进行孔特性分析 ， 得出的结论与通过 S AP计算 的结 果进 行 比较 ， 验 证 该 方 法 的可 行 性 。 图像 分 析 系 统仪 器 D S 一 5 M ， 通 过 C C D 将 图像 信 号 转 换 并 输 入 到 图像分析仪 ， 利用 图像分析仪中心计算机对图像进行 处理 ， 并 测 量 统 计 图像 中微 孔 的 大 小 、 分 布 和 形 状 测 量 。 3 结果与讨论 S AP分 析 流程 如 图 1所 示 。 J图堡 墼 I i堕堡塾壁 l l 堡 i l空笪 鲨 l l望量 塑 I I 些 壁 墼l I 二值化 i一 l 反色 f一 一 J 计算 l 图 1 S AP处 理流程 Fi g 1 The p r oc e s s i ng o f SAP 3 1 理 论孔分 析 采 用 C AD在 1 0 c ml O c m 边 框 内 画 出 一个 设 定 孔特性 的 图 ( 见 图 2 ) ， 按 1：1打 印 出来 后 ， 进 行拍 照 取 原始 图像 ， 如 图 2所示 。设 定 的孔 特性 见表 1 。 表 1设定 的孔 特性 Ta b l e 1 The s e t t i ng p o r e d i s t r i but i o n 孔 径 ( mm ) 0 1 0 3 0 5 O 7 1 1 2 1 5 1 7 2 O 2 5 3 0 数 量 ( 个 ) 1 8 1 8 1 8 1 8 1 8 1 8 l 8 l 8 1 8 l 8 1 8 * 基金项 目： 国家重 点基础研究发展计划 ( 9 7 3 计划 ) 资助项 目( 2 o o 9 C B 6 2 3 2 0 1 ) 收到初稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 7 1 7 收到修改稿 日期 ： 2 0 1 2 0 9 0 1 通讯作者 ： 胡曙光 作者简介 ： 郭凯 ( 1 9 8 4 一) ， 男 ， 湖北襄阳人 ， 在读博 士 ， 师承胡曙光教授 ， 从事水泥基功能材料研究 。 2 8 6 2 1 7 助 材 料 l 34卜l 3 46 2 O 1 2年第 2 O 期 ( 4 3 ) 卷 1 8 孟冠华 ， 爱 民 ， 张全兴炭 的表 面含氧官能团及其对 吸 附影 响的研究进展 J 离子交换与吸附 ，2 0 0 7 ，2 3 ( 1 ) ： 8 8 - 9 4 江茂生 ， 黄彪 ， 陈学榕 ， 等木材 炭化机 理的 F T I R光 谱分析研究 J 林产化学 与工业 ， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 2 ) ： 1 6 2 0 2 2 2 3 1 9 王玉新 ， 苏伟 ， 周亚平 不 同结构活性炭对 C Oz ， C H ， 2 4 N 及 0。的吸附分离性能 J 化工进展 ， 2 0 0 9 ，2 8 ( 2 ) ： 2 06 20 9 2 O 史小农 ， 张永春 ， 王金渠 ， 等o z ，Nz ， CH 在碳 分子筛 上 的扩散系数计算I- j 石油学报 ( 石 油加工 ) ， 1 9 9 9 ，1 5 ( 6)：81 - 83 1 2 1 张薄 ， 辜敏 ， 鲜学福 ， 等CH ，N ，C Oz在椰壳 活 2 5 2 6 性炭 内的吸附平衡及扩散 J 煤炭学报 ， 2 0 1 0 ，3 5 ( 8 ) ： Ef f e c t s o f s t r u c t u r e a n d s u r f a c e p r o p e r t y 孙培德煤 与 甲烷 气体 相 互作 用机 理 的研 究 J 煤 ， 2 00 0，9(1 )：1 8 21 叶振华化 工吸附 分离过程 M 北京 ： 中 国石油化 工 出版社 ，1 9 9 2 9 2 9 3 刘立恒 ， 辜敏 ， 鲜学福 ， 等粘 结剂对颗 粒活性炭 P S A 分离 C H N。 性能的影响 J 材 料研究学报 ， 2 0 1 1 ， 2 5 ( 3)：24 9 2 5 4 王 鹏 ， 张海禄表面化学 改性 吸附用活性炭 的研 究进 展 J 炭素技术 ， 2 0 0 3 ，( 3 ) ：2 3 2 8 Ba ks h M S A ，Ya n g R TUni q ue a d s o r p t i o n pr o pe r t i e s a nd po t e nt i a l e ne r gy pr o f i l e s of mi e r op or o us pi l l a r e d c l a y s E J A I C h E J ，1 9 9 2 ，3 8 ( 9 ) ： 1 3 5 7 1 3 6 8 o n a d s o r pt i v e s e p a r a t i o n o f c a r b o n mo l e c u l a r s i e v e f o r C H4 N2 a n d C O2 h2 ZHA NG Bo 】 。 GU M i n ， XI AN Xue f u ( 1 St a t e Ke v La b o r a t o r y o f Co a l M i n e Di s a s t e r Dyn a m i c s a nd Con t r ol ，Ch on gq i n g Uni v e r s i t y， Cho ng q i ng 4 0 0 04 4，Ch i n a； 2 S t a t e a n d Lo c a l J o i n t En g i n e e r i n g La b o r a t o r y o f M e t h a n e Dr a i n a g e i n Co mp l e x Co a l Ga s S e a m ， Cho ng q i ng Uni v e r s i t y，Cho n gq i n g 40 0 0 4 4，Chi na ) Ab s t r a c t ：I n t h i s p a p e r ，wi t h t h e Ta k e d a ( CM S 一 1 )a n d Ku r a r a y ( CMS 一 2 )c a r b o n mo l e c u l a r s i e v e( CM S )f r o m J a p a n t o ge t he r wi t h t he BF CM S( CM S 一 3)f r o m Ge r ma n y a s a ds or b e n t s，we m e a s ur e d t h e a d s or p t i o n i s ot h e r m s by us e of hi p r e c i s i o n i nt e l l i g e nt g r a v i me t r i c a n a l yz e rs t ud i e d t he CM S s a d s o r pt i o n e qu i l i b r i u m s e pa r a t i ng pr op e r t v a n d a d s or p t i o n ki ne t i c s o n N2 ， CH 4 a n d CO2，c h a r a c t e r i z e d t he p o r e s i z e d i s t r i bu t i o n a n d s ur f a c e f u nc t i o n a l g r o u p o f CMS Th e e f f e c t s o f s t r u c t u r e a n d s u r f a c e p r o p e r t y o n a d s o r p t i v e s e p a r a t i o n o f CMS f o r CH 4 N 2 a n d CO， N，we r e r e s e a r c h e d Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o we d t h a t t h e d y n a mi c s s e p a r a t i o n f o r CH 4 N2 a n d t h e e q u i l i b r i u m s e p a r a t i o n f o r CO2 N2 we r e r e a l i z a b l e o n CMS 一 1 a n d CMS 一 2 Th e e f f e c t o f e q u i l i b r i u m s e p a r a t i o n f o r CH 4 N2 a n d CO2 N2 wa s b e t t e r t h a n d y n a mi c s s e p a r a t i o n Th e p o r e s i z e wa s t h e k e y f a c t o r wh i c h a f f e c t i n g CMS s a d s o r D t i v e s e p a r a t i o n p e r f o r ma n c e Th e d i f f e r e n c e o f p o r e d i a me t e r d i s t r i b u t i o n c a u s e s d e v e n mo r e o b v i o u s s t e r i c h i n d r a n c e d y n a mi c s s e p a r a t i o n e f f e c t f o r CH 4 N 2 o n CMS - 1 a n d CMS - 2，a s we l l a s t h e e q u i l i b r i u m s e p a r a t i o n e f f e c t o n CM S - 3 The o xy ge n f un c t i on a l g r ou p wa s i n f a v o r of i mpr o vi ng t he a d s or p t i v e s e p a r a t m n p r op e r t y o f CM S Ke y wo r d s：c a r bo n mo l e c u l a r s i e v e( CM S)；me t h a n e；c a r b o n d i o x i de ；ni t r o g e n；s e p a r a t i o n ( 上接第 2 8 5 7页 ) Th e s i m p l i f i e d me t ho d o f a n a l y s e ma c r o p o r e f e a t u r e o f a e r a t e d c o n c r e t e a n d i t s v a l i d a t i o n GUO Ka i ，Hu S h u - g u a n g ，DI NG Qi n g j u n ( Sc h oo 1 of M a t e r i a 1 s Sc i e n c e a nd Eng i ne e r i n g，W u ha n Uni ve r s i t y o f Te c hn o l og y，W u h a n 43 0 0 7 0，Chi n a ) Abs t r a c t ：M ATI AB t e c h nol og y wa s us e d t o d e s i gn a n a p pl i c a t i on s o f t wa r e t o a na l yz e t h e ma c r o p or e t e a t u o l a e r a t e d c o nc r e t e The m a c r o po r e s t r uc t ur e c ha r a c t e r i s t i c s o f a e r a t e d c o n c r e t e s uc h a s p o r e a r e a d i s t r i bu t i ona v e r a ge po r e s i z e， p o r os i t y we r e o bt a i ne d us i ng t hi s me t h od The m e t ho d a c c u r a c y wa s v a l i da t e d b y a na l yz e a k n o wn p o r e f e a t u r e p i c t u r e c o r r e c t l y ，a n d f e a s i b i l i t y wa s v a l i d a t e d b y t h e r e s u l t i s c l o s e t o wh i c h g e t f r o m l ma g e a n a l v s i s s v s t e m Te s t s s h owe d t ha t t he s i m p l i f i e d me t h od o f a n a l y s i s t he ma c r o p o r e f e a t u r e of a e r a t e d c o n c r e t e wa s a c c u r a t e a n d c r e d i b l e Ke v wO r d s：a e r a t e d c o n c r e t e ；ma c r o po r e f e a t ur e ；i ma g e a n al y s i s ；v a l i da t i o n