摘要：本文探索了采用高分辨率平板扫描仪配合图像分析软件进行碾压混凝土气泡参数的测定。切取的碾压混凝土切片试件经过打磨、抛光、着色，然后用高精度平板扫描仪扫描图像，采用图像分析软件分析图像，最后根据计算公式可以算出气泡间距系数等气泡参数。该方法与直线导线法测得的结果接近，可以作为判断碾压混凝土抗冻性的参考。
关键词：碾压混凝土 气泡参数 平板扫描 图像识别
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，引入微小气泡是提高混凝土抗冻性能的有效方法。掺入优质引气剂、高效减水剂等外加剂及优质矿物掺合料，可以形成了有利于改善抗冻耐久性的孔结构：大孔减少，小孔、微孔增多，孔分布均匀。
近几十年发展起来的碾压混凝土筑坝不断在北方严寒地区的水电建设中应用，也要求碾压混凝土具有高抗冻的性能。评价碾压混凝土的抗冻性能可以采用快速冻融试验，根据冻融前后的试件重量和相对动弹性模量的变化判断抗冻抗冻等级。这种方法需要较长的周期和较高的试验成本，不利于快速判断碾压混凝土的抗冻性能。
从Powers提出抗冻混凝土根据气泡间距系数判断抗冻性能以来，不断推出了各种测试混凝土气泡参数的方法。本文提出了一种平板扫描图像识别方法，并将该方法与传统的直线导线法做了比较，探讨了平板扫描图像识别方法的可行性。
1 试验配合比
本次试验选取了高抗冻的二级配碾压混凝土和低抗冻的三级配碾压混凝土各3组进行对比分析。6组碾压混凝土配合比及其快速冻融试验结果见表 1。 
2 直线导线法
2.1 试验方法
采用《水工混凝土试验规程》（DL/T 5150-2001）中的直线导线法对硬化混凝土的气泡参数进行测定和分析。在加工好的切片观测面上标注间隔相等的测试导线，采用体视显微镜沿导线观测导线所切割的气泡弦长和气泡个数，以此推算混凝土中的空气含量和气泡间距系数。
直线导线法的原理是在固体中取任意直线，某一组分在此直线上所截取的线段长度总和，与此直线全长的比值，即为该组分在此固体中的体积含量。对于混凝土来说，各种尺寸的封闭气泡便是其中的组分之一。导线截取的气泡弦长总和与导线全长的比值就是混凝土中气泡的体积含量。
2.2 试件处理
分别从100mm×100mm×400mm的抗冻试件上切取100mm×100mm×10mm的薄片，用磨片机打磨观测面，在抛光机转盘的呢料上涂刷氧化铬进行抛光，洗刷干净后在105℃±5℃的烘箱中烘干。合格的切片应该能够在显微镜下观测到尺寸为10μm的气泡截面，且气泡边缘清晰。
本试验每组混凝土取3个切片进行观测，每个切片上以5mm间距划导线，因此，每组混凝土的总观测面积为30000mm2，总导线长度为5700mm。
2.3 计算方法
根据以上原理和方法对混凝土切片进行观测，得到全部导线切割气泡的弦长总和以及气泡个数，即可按照以下公式进行一系列计算。
以上参数中，对应不同的混凝土配合比，混凝土中水泥净浆含量 是不同的，对用于试验的几组配合比计算了水泥净浆含量，结果见表 2。
表 2中对三级配混凝土的净浆含量计算中还按粗骨料级配比例去除了40mm～80mm的大石。由净浆含量计算结果可以看出，二级配碾压混凝土的净浆含量在18.0%～21.3%之间，湿筛后的三级配碾压混凝土净浆含量在19.3%～23.2%之间。 
根据目前大量有关气泡间距系数与抗冻性关系的研究成果，气泡间距系数对混凝土抗冻耐久性的影响更显著。美国混凝土学会根据Powers的理论，认为高抗冻性混凝土的平均气泡间距应小于0.25mm。本试验结果表明：二级配碾压混凝土的气泡间距系数小于0.328mm时，抗冻耐久性指数可达68%以上，气泡间距系数小于0.285mm时，抗冻耐久性指数可达87%以上；三级配碾压混凝土的气泡间距系数小于0.779mm时，抗冻等级可达F100。
3 平板扫描图像识别方法
3.1 方法原理
平板扫描图像识别方法的基本原理是定量体视学原理[]2。定量体视学是一种通过测量和计算材料的二维结构来定量推断其三维结构特征的外推方法，是一种统计复原方法。定量体视学认为，材料中的各组织结构可看成是由空间的点、线、面和体组成的图像，点数P、线长L、平面面积A、曲面面积S、体积V之间有着一定的定量关系。其基本公式如下：
VV=AA=LL=PP
上述公式中的结构特征参数VV、Sv、LV、PP分别表示每单位体积的被测相体积、面积、线、点，其它符号以此类推。显然，VV、SV、LV、PP为无法直接测量的三维结构特征参数，它们将由能够直接测量的二维参数推得。
本方法用到的仪器包括一台光学分辨率为4800dpi×4800dpi的高分辨率平板扫描仪和图像分析软件Image-pro Plus 6.0。按照4800dpi×4800dpi的分辨率扫描经过着色处理的混凝土切片，并保存为Tiff格式的灰度图像。采用图像分析软件Image-pro Plus 6.0对得到的灰度图采用卷积法进行处理，直到准确区分出混凝土中的气孔。用Image-pro Plus 6.0定量分析及计算气孔的直径、面积等参数，然后根据体视学原理计算出混凝土中的气泡平均直径、气泡含量和气泡间距系数。
3.2 试件处理
采用平板扫描图像识别方法必须对用于直线导线法的切片进行着色处理。处理步骤如下：
1）用黑色油性记号笔将观测面均匀涂黑；
2）将混凝土切片置入烘箱在105℃±5℃条件下烘干；
3）将烘干的切片置入50nm级TiO2粉末的混悬溶液，放置30min；
4）再次将切片置入烘箱在105℃±5℃条件下烘干；
5）清除观测面上多余的TiO2粉末，此时可以清晰分辨出观测面上的混凝土气孔。
如此加工过的切片即可采用高分辨率的平板扫描仪进行数字成像，用于图像分析软件的分析计算。
3.3 计算方法
图像分析软件可以定量分析并计算出气泡平均半径和气泡含量，再按照以下公式进行一系列计算，即可推导出气泡间距系数。 
采用平板扫描图像识别方法推算出的二级配碾压混凝土的气泡间距系数为0.268mm～0.316mm，三级配碾压混凝土的气泡间距系数为0.568mm～0.692mm。
4 结果对比
将采用直线导线法和平板扫描图像识别方法测试的结果进行对比，列入表 5。
从表中可以看出，采用平板扫描图像识别方法测得的气泡平均半径比采用直线导线法测得的约小3.8%～7.0%，采用平板扫描图像识别方法测得的空气含量比采用直线导线法测得的约高0.4%～0.9%。二级配碾压混凝土采用2种方法测得的气泡间距系数相差-6.6%～-3.7%，三级配碾压混凝土采用2种方法测得的气泡间距系数相差-15.5%～-11.2%。
造成两种方法测试结果误差的主要原因主要在于不同方法对于微小气泡的识别能力。直线导线法采用160倍体视显微镜观测试件表面，理论上可以观测到直径10μm的气泡，而实际操作难度大，很难做到全面统计10μm左右的微小气泡。而平板扫描图像识别方法在试件处理过程中，4800dpi×4800dpi分辨率的图像理论上可以检视的单点尺寸为5μm，而采用50nm级的TiO2粉末更能够填充大多数直径为微米级的气孔。由此导致图像分析法测得的平均气泡直径小、含气量大、气泡间距系数也小。
5 结语
（1）本文探索了一种采用高分辨率平板扫描仪配合图像分析软件进行碾压混凝土气泡参数分析的方法，并与直线导线法进行了对比；
（2）碾压混凝土试件经过切片、打磨、抛光、着色、扫描、图像分析等过程，可以测出气泡的平均半径、气泡比表面积、气泡间距系数等能够表征碾压混凝土抗冻性能的气泡参数；
（3）2种气泡参数分析方法得出的结果有一定差异，平板扫描图像分析方法得出的气泡平均半径较小、空气含量较大，计算出的气泡间距系数也较小。这主要是由于平板扫描图像分析方法统计了更多的微小气泡引起；
（4）提出的平板扫描图像分析方法可以作为碾压混凝土抗冻性评价参考。
