基于Image- pro Plus软件混凝土断裂面骨料和浆体面积的计算方法及应用

黄兴震，陈红鸟，王青原，毕永辉

(贵州大学 空间结构研究中心，贵州 贵阳 550003)

基于Image- pro Plus软件混凝土断裂面骨料和浆体面积的计算方法及应用

黄兴震，陈红鸟*，王青原，毕永辉

(贵州大学 空间结构研究中心，贵州 贵阳 550003)

通过混凝土断面形态推导混凝土断裂机理是研究混凝土断裂力学性能常用的方法之一。本文介绍一种基于专业图像分析软件Image-pro Plus确定混凝土断裂面上骨料和浆体面积的计算方法，详细说明了该方法的操作步骤，通过实例，对混凝土梁断裂面进行分析。结果表明，该方法相对其它方法简单易学，操作简便，可为定量分析混凝土断裂机理提供参考。

混凝土；断裂；骨料和浆体面积；Image- pro Plus

混凝土断裂能指混凝土断裂时产生单位面积裂缝所需要的总能量[1]，是评价混凝土断裂力学性能的重要指标。而混凝土是由基相和分散相组成的二相复合材料，其强度主要由水泥砂浆基体强度、粗骨料强度以及水泥砂浆与骨料结合面这三方面决定。因此，混凝土断裂能主要用来克服水泥砂浆基体断裂面的粘结力、粗骨料断裂面之间的粘结力以及粗骨料和水泥砂浆结合面的粘结力。准确测量混凝土断面上骨料和浆体的面积，将有助于通过混凝土断面形态推导混凝土断裂机理。

目前，混凝土断面骨料和浆体面积的计算方法可分为传统测量法和图像分析法两类。传统测量法主要有量边法、坐标法及纸片质量法等[2-4]。这些方法需要依靠手工绘制或测量，效率低而且精度差。图像分析法是指利用计算机和图像处理软件对混凝土断面的骨料面积和水泥浆体面积进行分析和测量的方法，该法能在很大程度上提高测量的精度和效率。目前，研究人员主要通过使用Photoshop(PS)对混凝土断面进行图像分析。但是用PS计算混凝土断面骨料和浆体面积时，需要进行像素值的读取、像素和实际尺寸的换算等一系列操作[5]，难度较大。

本文介绍一种通过专业图像分析软件Image-pro Plus(IPP)计算混凝土断裂面骨料和浆体面积的方法。IPP软件作为生物学、医学等专业的图像分析软件，具有强大的图像处理、测量分析功能[6]，但目前利用IPP软件计算混凝土断面骨料和浆体面积的应用还在实验阶段，因此，本文通过对实验中混凝土梁断裂面骨料和浆体面积的分析，介绍一种利用IPP软件计算混凝土断面骨料和浆体面积的方法。分析结果表明，该方法相对于PS方法简单易学，操作简便，分析结果比较可靠。

1 实验设计

1.1 实验方法

混凝土配合比如表1所示，水泥采用波兰特CEM I 52.5N，骨料采用机制花岗岩，最大粒径为10mm。预制切口梁试件尺寸(跨度、高度、厚度、预制切缝长度和宽度)是参照RILEM技术委员会[7，8]的建议设计的，梁截面尺寸为：80mm×150mm×710mm，跨度为600mm，预制切口的深度为45mm，预制切口的宽度为2mm。混凝土抗压强度fcu及抗拉强度ft如表1所示。

表1 混凝土配合比及材料强度

通过对带预制切缝的混凝土梁进行三点弯曲试验模拟混凝土梁断裂，实验装置如图1所示。

图1 混凝土梁三点弯曲试验装置

1.2 实验结果

采用MTS加载装置位移控制加载，加载速率为0.2 mm/15min。大约10分钟，荷载达到峰值荷载。加载全过程荷载-位移曲线如图2所示。

图2 实验荷载-挠度曲线

混凝土断裂后，采用高清数码相机对其断裂面进行垂直拍摄，其断裂面如图3所示。拍摄要求断面包含所要测量的整个范围并且至少有一条边尺寸已知，同时要求图像清晰。

2 IPP图像分析方法

利用IPP软件打开所得图像，以图像中尺寸已知的边为标尺进行单位设置，选取AOI(Area of Interest即所要计算的区域)，然后利用IPP软件的分析计算模块对选取的区域进行面积计算。

IPP软件计算AOI面积流程如图4所示：

图3 混凝土梁断裂面

图4 利用IPP计算AOI面积流程图

(1)打开图像

打开IPP软件，选用“File→Open”打开试验得到的图像“混凝土断面图N3”。

(2)单位设置

选择菜单栏中的“Measure→Calibration→Spatial...”，会弹出“Spatial Calibration”对话框。先点击“New”按钮，然后在“Name”栏中输入“混凝土断面图N3”，“Unit”栏选择“mm”，“Units/Pixel”栏中选择“Units/Pix”。然后再点击“Units/Pixel”栏中的“Image”，此时会弹出“Scaling”对话框，同时会在图像上出现一个标尺，如图5所示。拖动标尺的两端，使得标尺的两端和已知尺寸边的两端重合，然后在“Scaling”对话框里输入标尺对应的实际尺寸，点击OK。再点击“Apply”，将设置的单位“应用为当前”，然后关闭“Spatial Calibration”对话框即可。后面的计算都以该单位为计算单位。

(3)AOI选取

使用“Irregular AOI”工具选择要测量面积的区域，点击工具栏中的Irregular AOI按钮。默认是“魔棒选择工具”，直接点击要计算面积的区域，被选中的区域外围出现一圈红线。如果点击后所得区域不是自己想要的区域，可以尝试着向周围多点击几下，也可以调整Range的数值，数值的大小代表所选范围的大小。选择后点击鼠标右键，所选区域边界由红色变为绿色，然后点击“Multiple AOI→Add”，即完成AOI的选择。继续选择时，点击“New AOI”。

图5 单位设置

当选择的AOI边界不明显时，可以使用“Trace(追踪)”模式，点击对话框中的“Trace”按钮即转为“追踪模式”。“追踪模式”有两种操作模式：手动模式和自动模式。当选用“手动模式”，不要选上对话框中的“Auto”按钮，此时需要用鼠标沿AOI边界点选，直至构成封闭边界后，点击右键，红色的边界变为绿色，然后点击“Multiple AOI→Add”，即完成AOI的选择。当选用“自动模式”时，需要勾选对话框中的“Auto”按钮，此时需要先在AOI边界上点击一下，作为起点，再点击一个不同的点，作为追踪的方向，此时鼠标箭头就开始自动寻迹。

AOI选取结果显示如图6所示。

图6 AOI选取结果显示

(4)面积计算。

选择工具栏“Measure→Count/Size...”，此时会弹出“Count/Size”对话框，点击“Edit→Convert AOI(s) to Object(s)”，此时已选择的AOI边界会变成红色，并自动进行编号。点击“Measurement→Select Measurements...”，在弹出的“Select Measurements”对话框中，选择“Measurements”栏里的“Area”，点击“Measure”按钮。此时所选择AOI的面积已经计算完毕。

(5)输出结果

查看单个AOI的面积：点击“View→Measurement Data”，在弹出的“Measurement Data”对话框里会显示AOI编号以及对应的面积，也可以点击“File→Export Data”，软件会自动打开Excel并将数据即保存到Excel表格中。

统计所选AOI的总面积：点击“View→Statistics”，在弹出的“Statistics”对话框里包含最大值，最小值，平均值，总和等内容。点击“File→Export Data”，当计算机已安装Microsoft office办公软件时，IPP软件会自动打开Excel表格并将数据即保存到Excel表格中。IPP统计结果见图7。

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

图7 分析结果输出显示

3 分析结果与讨论

以N3梁断面为例，其断面总面积为12000mm2，其中韧带面积为8400mm2，通过IPP计算骨料面积为1739.5 mm2，占混凝土梁韧带面积的20.7%；水泥浆体的面积为6660.5 mm2占混凝土梁韧带面积的79.3%。这一结果表明，当混凝土强度为86.73MPa时，水泥砂浆强度与骨料强度相当，甚至大于骨料强度，混凝土断裂时，裂缝将穿过骨料，而不是绕过骨料。

相对于传统测量法，IPP具有图像分析法的共同特点：适用范围广，计算精度高。同时，IPP法相对于常用的PS法又有自己的优势：(1)操作更简单。PS法计算混凝土断面面积时需要进行像素统计，进而换算成面积，而IPP法可以设置计算单位，软件可操作性更强。(2)数据导出更方便。IPP软件的分析结构可以直接导出到Excel表格中，方便进一步计算分析和保存，而PS软件不具有该功能。(3)分析可信度更高。PS软件具有强大的图像处理功能，以至于处理过的图片可能被认为有造假行为。IPP软件作为专业的图像分析软件，具有专业的图像分析功能，分析结果更可信。

4 结论

本文介绍一种基于专业图像分析软件Image-pro Plus确定混凝土断裂面上骨料和浆体面积的计算方法。该方法降低了图像分析的难度，能够以更简便的操作实现混凝土断面骨料和浆体面积的计算，并且将计算数据导出。通过实例，对混凝土梁断裂面进行分析。分析结果表明，该方法计算断面上骨料面积，比较准确直观，可为定量分析混凝土断裂机理提供参考。

[1] 郭向勇.混凝土断裂能的理论分析[J].哈尔滨工业大学学报， 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] 张婕，周佳媚.坐标法计算断面面积的改进研究[J].铁路计算机应用， 2012， 21(4): 46-48. [4] 张士青.称重法与图像分析法测算鹿角形肾结石投影面积的比较[J].中华泌尿外科杂志， 1998， 19(4): 235. [5] 陈正.混凝土断面浆体和骨料面积的图像分析方法研究[J].混凝土， 2012， 269(3): 25. [6] 张季如，祝杰，黄丽，等.土壤微观结构定量分析的IPP图像技术研究[J].武汉理工大学学报， 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.

(责任编辑：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

国家自然科学基金项目资助(51408144)；贵州省科学技术基金([2016]1040)；贵州大学博士基金(X131001)

黄兴震(1989-)，男，在读硕士，研究方向：混凝土断裂力学的理论与应用，Email：499838745@qq.com.

*通讯作者： 陈红鸟，Email：378593887@qq.com.

TU502.6

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