本發(fā)明涉及一種洞渣骨料三維形貌重構(gòu)方法，屬于混凝土。

背景技術(shù)：

1、隧道開挖通常會產(chǎn)生大量洞渣，將洞渣破碎后制備成砂石骨料和混凝土用于隧道工程建設(shè)，既能緩解洞渣堆存帶來的土地資源和生態(tài)環(huán)境問題，也能應(yīng)對隧道工程原材料短缺問題。然而，由于洞渣母巖種類繁多、物理力學(xué)性能各異，加上破碎生產(chǎn)工藝的多樣化，導(dǎo)致洞渣機制骨料的形貌復(fù)雜，其形貌特征顯著影響混凝土性能。

2、對于骨料形貌，傳統(tǒng)間接表征方法包括流動時間法或間隙率法、膠砂流動度法、針片狀顆粒含量法，根據(jù)試驗標準中的規(guī)范步驟和試驗結(jié)果，間接對骨料的整體形貌特征進行評價。隨著數(shù)字圖像技術(shù)的發(fā)展，有學(xué)者采用圖像法對骨料粒形進行重構(gòu)，并采用一系列形貌表征參數(shù)，包括主尺度、細長度、扁平度、縱橫比、球度、磨圓度、棱角度、粗糙度等，結(jié)合統(tǒng)計分析方法總結(jié)不同種類骨料的形貌特征規(guī)律。圖像法對于骨料形貌的量化表征和分析首先需要獲取骨料的圖像，當前學(xué)者們通過高清攝影或顯微鏡觀測獲取骨料的二維投影平面，但二維投影平面通常具有很高的隨機性，無法體現(xiàn)骨料的所有三維形貌特征，和真實三維骨料的表面形貌有較大差異。

3、綜上所述，現(xiàn)用骨料形貌表征方法難以精確重構(gòu)骨料的真實三維形貌，不適用于洞渣骨料顆粒，亟需開發(fā)方法對洞渣骨料三維形貌進行重構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的為提供一種洞渣骨料三維形貌重構(gòu)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對洞渣骨料三維形貌的精確重構(gòu)。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明所述一種洞渣骨料三維形貌重構(gòu)方法，包括以下步驟：

3、(1)使用x射線斷層掃描(ct)儀掃描獲取洞渣骨料樣品圖像，得到洞渣骨料樣品ct圖像；

4、(2)對洞渣骨料樣品ct圖像進行圖像處理，提取單個洞渣骨料體素圖像；

5、(3)提取單個洞渣骨料表面點，采用球諧函數(shù)擬合骨料表面，建立滿足骨料表面點坐標的球諧函數(shù)表達式；

6、(4)基于洞渣骨料表面球諧函數(shù)表達式，生成洞渣骨料表面四邊形網(wǎng)格，重構(gòu)骨料表面。

7、進一步地，步驟(1)中，使用x射線斷層掃描(ct)儀掃描獲取洞渣骨料樣品圖像包括以下步驟：

8、對洞渣骨料篩分，劃分粒級，將洞渣骨料裝入塑料容器中，使用固化材料進行固化，不同粒級洞渣骨料之間分層固化，制備得到ct樣品，再使用x射線斷層掃描(ct)儀掃描ct樣品獲得洞渣骨料樣品ct圖像。

9、更進一步地，所述固化材料為石蠟或樹脂，所述塑料容器為塑料圓柱筒。

10、更進一步地，將液態(tài)固化材料融化后倒入塑料容器中浸沒同級洞渣骨料，等待凝固后，再進行下一級洞渣骨料的固化。

11、進一步地，步驟(2)中，對洞渣骨料樣品ct圖像進行圖像處理包括以下步驟：

12、(a1)圖像降噪：采用中值濾波法消除ct圖像噪點；

13、(a2)閾值分割：調(diào)整ct圖像灰度值，使得洞渣骨料與塑料容器、固化材料和可能存在的孔隙分離；

14、(a3)骨料分離：采用分水嶺算法進行ct圖像分割，將洞渣骨料彼此分離，將單個骨料三維體素圖像提取出來。

15、更進一步地，調(diào)整ct圖像灰度值為50-200。此時骨料與塑料容器、固化材料和可能存在的孔隙分離。

16、進一步地，步驟(3)中，提取單個洞渣骨料表面點包括以下步驟：

17、導(dǎo)出單個洞渣骨料的ct圖像，其中骨料體素單元的灰度值大于零，非骨料體素單元的灰度值為零；遍歷ct圖像中的所有體素單元，根據(jù)各個單元的灰度值獲取骨料表面體素單元，當灰度值大于零，且相鄰26個單元中存在零灰度值的單元即滿足要求；建立三維空間直角坐標系，根據(jù)x射線斷層掃描(ct)儀參數(shù)中列出的體素單元尺寸(pixel?size)，即每個體素立方體的邊長，計算直角坐標系下骨料表面點坐標。

18、更進一步地，以該洞渣骨料ct圖像的第一張二維灰度圖片的第一個像素為坐標原點建立三維空間直角坐標系，體素單元尺寸采用原洞渣骨料樣品ct圖像的體素尺寸。

19、進一步地，步驟(3)中，采用球諧函數(shù)對洞渣骨料表面進行擬合包括以下步驟：

20、將骨料顆粒表面點的三維空間直角坐標轉(zhuǎn)換為空間極坐標，轉(zhuǎn)換公式如下公式(1)所示：

21、

22、其中，xi、yi、zi分別為第i個表面點的直角坐標，θi、ri為第i個表面點的直角坐標對應(yīng)的極坐標，x0、y0、z0為洞渣骨料質(zhì)心的直角坐標；

23、將洞渣骨料表面擬合成極半徑球諧函數(shù)展開形式，如公式(2)所示：

24、

25、其中，θ和為一個表面點兩個方位角，為對應(yīng)的極半徑，n為階數(shù)，m為次數(shù)，n為該展開形式能取到的最大階數(shù)，anm為n階m次球諧系數(shù)，為n階m次球諧函數(shù)；

26、將所有洞渣骨料表面點的極坐標代入公式(2)，將求和公式展開得到如下線性方程組(6)：

27、

28、其中，np為提取的顆粒表面點總數(shù)量，θ1，為第1個表面點的方位角坐標，r1為第1個表面點的極徑坐標，θ2，為第2個表面點的方位角坐標，r2為第2個表面點的為第2個表面點的方位角極徑坐標，以此類推；公式(6)可表達為如下的矩陣方程公式(7)：

29、

30、采用最小二乘法求解矩陣方程公式(7)，即可得到球諧系數(shù)anm。

31、更進一步地，為n階m次球諧函數(shù)，自變量為兩個方位角，其如公式(3)所示：

32、

33、其中，e為自然常數(shù)，i為虛數(shù)符號，為n階m次伴隨勒讓德函數(shù)，是cosθ的函數(shù)；

34、更進一步地，當cosθ＝x，伴隨勒讓德函數(shù)的一般形式如公式(4)所示：

35、

36、其中，為勒讓德函數(shù)pn(x)的m階導(dǎo)數(shù)，

37、更進一步地，pn(x)的表達式如公式(5)所示：

38、

39、進一步地，步驟(4)中，采用均分極坐標方位角節(jié)點采樣方案生成洞渣骨料表面四邊形網(wǎng)格，將方位角θ和分別均分m份和n份，則可以得到m×n個采樣點，每個采樣點的方位角坐標如公式(8)所示：

40、

41、其中，j和k為采樣點對應(yīng)方位角θ和的編號，

42、更進一步地，將采樣節(jié)點方位角坐標值帶入式(1)，計算得到對應(yīng)的極徑rj,k，將空間極坐標轉(zhuǎn)換成直角坐標，公式如(9)所示：

43、

44、其中，xj,k、yj,k、zj,k分別為極坐標為θj、rj,k的表面點的直角坐標。將每組坐標為(xj,k,yj,k,zj,k)、(xj+1,k,yj+1,k,zj+1,k)、(xj+1,k+1,yj+1,k+1,zj+1,k+1)、(xj,k+1,yj,k+1,zj,k+1)的表面點依次連接，形成覆蓋整個骨料表面的四邊形網(wǎng)格。

45、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下顯著優(yōu)點：

46、(1)本發(fā)明ct圖像獲取的是洞渣骨料的三維形態(tài)信息，比現(xiàn)有技術(shù)得到的二維投影更精確；

47、(2)本發(fā)明基于球諧函數(shù)的重構(gòu)模型將骨料三維形態(tài)映射到一組球諧系數(shù)上，便于骨料形態(tài)數(shù)據(jù)的存儲和傳輸；

48、(3)本發(fā)明重構(gòu)得到的骨料表面四邊形網(wǎng)格可直接用于其他物理或力學(xué)過程的數(shù)值模擬中。