摘要：本文探索了采用高分辨率平板掃描儀配合圖像分析軟件進行碾壓混凝土氣泡參數的測定。切取的碾壓混凝土切片試件經過打磨、拋光、著色，然后用高精度平板掃描儀掃描圖像，采用圖像分析軟件分析圖像，最后根據計算公式可以算出氣泡間距系數等氣泡參數。該方法與直線導線法測得的結果接近，可以作為判斷碾壓混凝土抗凍性的參考。
關鍵詞：碾壓混凝土 氣泡參數 平板掃描 圖像識別
Study of the Air Void Parameters of Roller Compacted Concrete Using a Flatbed Scanner Image Analysis Method
ABSTRACT: This paper discussed a method to measure the air void parameters of RCC using high resolution flatbed scanner and image analysis software. The RCC specimen after rubbing, polishing, coloring, and scanned an image by high resolution flat scanner, and analysis by image analysis software, then the air void parameters could be work out by formulation. The result worked out by this method was close to that by straight line traverse method. It could be used as RCC antifreeze performance judgment of reference.
KEY WORDS：Roller Compacted Concrete (RCC), Air Void Parameters, Flatbed Scanner, Image Analysis
概述
大量研究表明，引入微小氣泡是提高混凝土抗凍性能的有效方法。摻入優質引氣劑、高效減水劑等外加劑及優質礦物摻合料，可以形成了有利于改善抗凍耐久性的孔結構：大孔減少，小孔、微孔增多，孔分布均勻。
近幾十年發展起來的碾壓混凝土筑壩不斷在北方嚴寒地區的水電建設中應用，也要求碾壓混凝土具有高抗凍的性能。評價碾壓混凝土的抗凍性能可以采用快速凍融試驗，根據凍融前后的試件重量和相對動彈性模量的變化判斷抗凍抗凍等級。這種方法需要較長的周期和較高的試驗成本，不利于快速判斷碾壓混凝土的抗凍性能。
從Powers提出抗凍混凝土根據氣泡間距系數判斷抗凍性能以來，不斷推出了各種測試混凝土氣泡參數的方法。本文提出了一種平板掃描圖像識別方法，并將該方法與傳統的直線導線法做了比較，探討了平板掃描圖像識別方法的可行性。
1 試驗配合比
本次試驗選取了高抗凍的二級配碾壓混凝土和低抗凍的三級配碾壓混凝土各3組進行對比分析。6組碾壓混凝土配合比及其快速凍融試驗結果見表 1。 
2 直線導線法
2.1 試驗方法
采用《水工混凝土試驗規程》（DL/T 5150-2001）中的直線導線法對硬化混凝土的氣泡參數進行測定和分析。在加工好的切片觀測面上標注間隔相等的測試導線，采用體視顯微鏡沿導線觀測導線所切割的氣泡弦長和氣泡個數，以此推算混凝土中的空氣含量和氣泡間距系數。
直線導線法的原理是在固體中取任意直線，某一組分在此直線上所截取的線段長度總和，與此直線全長的比值，即為該組分在此固體中的體積含量。對于混凝土來說，各種尺寸的封閉氣泡便是其中的組分之一。導線截取的氣泡弦長總和與導線全長的比值就是混凝土中氣泡的體積含量。
2.2 試件處理
分別從100mm×100mm×400mm的抗凍試件上切取100mm×100mm×10mm的薄片，用磨片機打磨觀測面，在拋光機轉盤的呢料上涂刷氧化鉻進行拋光，洗刷干凈后在105℃±5℃的烘箱中烘干。合格的切片應該能夠在顯微鏡下觀測到尺寸為10μm的氣泡截面，且氣泡邊緣清晰。
本試驗每組混凝土取3個切片進行觀測，每個切片上以5mm間距劃導線，因此，每組混凝土的總觀測面積為30000mm2，總導線長度為5700mm。
2.3 計算方法
根據以上原理和方法對混凝土切片進行觀測，得到全部導線切割氣泡的弦長總和以及氣泡個數，即可按照以下公式進行一系列計算。
以上參數中，對應不同的混凝土配合比，混凝土中水泥凈漿含量 是不同的，對用于試驗的幾組配合比計算了水泥凈漿含量，結果見表 2。
表 2中對三級配混凝土的凈漿含量計算中還按粗骨料級配比例去除了40mm～80mm的大石。由凈漿含量計算結果可以看出，二級配碾壓混凝土的凈漿含量在18.0%～21.3%之間，濕篩后的三級配碾壓混凝土凈漿含量在19.3%～23.2%之間。 
根據目前大量有關氣泡間距系數與抗凍性關系的研究成果，氣泡間距系數對混凝土抗凍耐久性的影響更顯著。美國混凝土學會根據Powers的理論，認為高抗凍性混凝土的平均氣泡間距應小于0.25mm。本試驗結果表明：二級配碾壓混凝土的氣泡間距系數小于0.328mm時，抗凍耐久性指數可達68%以上，氣泡間距系數小于0.285mm時，抗凍耐久性指數可達87%以上；三級配碾壓混凝土的氣泡間距系數小于0.779mm時，抗凍等級可達F100。
3 平板掃描圖像識別方法
3.1 方法原理
平板掃描圖像識別方法的基本原理是定量體視學原理[]2。定量體視學是一種通過測量和計算材料的二維結構來定量推斷其三維結構特征的外推方法，是一種統計復原方法。定量體視學認為，材料中的各組織結構可看成是由空間的點、線、面和體組成的圖像，點數P、線長L、平面面積A、曲面面積S、體積V之間有著一定的定量關系。其基本公式如下：
VV=AA=LL=PP
上述公式中的結構特征參數VV、Sv、LV、PP分別表示每單位體積的被測相體積、面積、線、點，其它符號以此類推。顯然，VV、SV、LV、PP為無法直接測量的三維結構特征參數，它們將由能夠直接測量的二維參數推得。
本方法用到的儀器包括一臺光學分辨率為4800dpi×4800dpi的高分辨率平板掃描儀和圖像分析軟件Image-pro Plus 6.0。按照4800dpi×4800dpi的分辨率掃描經過著色處理的混凝土切片，并保存為Tiff格式的灰度圖像。采用圖像分析軟件Image-pro Plus 6.0對得到的灰度圖采用卷積法進行處理，直到準確區分出混凝土中的氣孔。用Image-pro Plus 6.0定量分析及計算氣孔的直徑、面積等參數，然后根據體視學原理計算出混凝土中的氣泡平均直徑、氣泡含量和氣泡間距系數。
3.2 試件處理
采用平板掃描圖像識別方法必須對用于直線導線法的切片進行著色處理。處理步驟如下：
1）用黑色油性記號筆將觀測面均勻涂黑；
2）將混凝土切片置入烘箱在105℃±5℃條件下烘干；
3）將烘干的切片置入50nm級TiO2粉末的混懸溶液，放置30min；
4）再次將切片置入烘箱在105℃±5℃條件下烘干；
5）清除觀測面上多余的TiO2粉末，此時可以清晰分辨出觀測面上的混凝土氣孔。
如此加工過的切片即可采用高分辨率的平板掃描儀進行數字成像，用于圖像分析軟件的分析計算。
3.3 計算方法
圖像分析軟件可以定量分析并計算出氣泡平均半徑和氣泡含量，再按照以下公式進行一系列計算，即可推導出氣泡間距系數。 
采用平板掃描圖像識別方法推算出的二級配碾壓混凝土的氣泡間距系數為0.268mm～0.316mm，三級配碾壓混凝土的氣泡間距系數為0.568mm～0.692mm。
4 結果對比
將采用直線導線法和平板掃描圖像識別方法測試的結果進行對比，列入表 5。
從表中可以看出，采用平板掃描圖像識別方法測得的氣泡平均半徑比采用直線導線法測得的約小3.8%～7.0%，采用平板掃描圖像識別方法測得的空氣含量比采用直線導線法測得的約高0.4%～0.9%。二級配碾壓混凝土采用2種方法測得的氣泡間距系數相差-6.6%～-3.7%，三級配碾壓混凝土采用2種方法測得的氣泡間距系數相差-15.5%～-11.2%。
造成兩種方法測試結果誤差的主要原因主要在于不同方法對于微小氣泡的識別能力。直線導線法采用160倍體視顯微鏡觀測試件表面，理論上可以觀測到直徑10μm的氣泡，而實際操作難度大，很難做到全面統計10μm左右的微小氣泡。而平板掃描圖像識別方法在試件處理過程中，4800dpi×4800dpi分辨率的圖像理論上可以檢視的單點尺寸為5μm，而采用50nm級的TiO2粉末更能夠填充大多數直徑為微米級的氣孔。由此導致圖像分析法測得的平均氣泡直徑小、含氣量大、氣泡間距系數也小。
5 結語
（1）本文探索了一種采用高分辨率平板掃描儀配合圖像分析軟件進行碾壓混凝土氣泡參數分析的方法，并與直線導線法進行了對比；
（2）碾壓混凝土試件經過切片、打磨、拋光、著色、掃描、圖像分析等過程，可以測出氣泡的平均半徑、氣泡比表面積、氣泡間距系數等能夠表征碾壓混凝土抗凍性能的氣泡參數；
（3）2種氣泡參數分析方法得出的結果有一定差異，平板掃描圖像分析方法得出的氣泡平均半徑較小、空氣含量較大，計算出的氣泡間距系數也較小。這主要是由于平板掃描圖像分析方法統計了更多的微小氣泡引起；
（4）提出的平板掃描圖像分析方法可以作為碾壓混凝土抗凍性評價參考。
