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CT层片图像的三维重构技术研究进展摘要:随着时代发展，3D打印技术凭借其优势逐渐在各个领域广泛应用，医学上借助该技术创建的实体模型应用广泛，而CT层片图像通过三维重构技术转化为LOM原型被认为是3D打印的基础。
本文主要就作用于转化CT层片图像的三维重构技术，实物模型的制作及其应用做一综述。
关键词：三维重构技术;三维模型;3D打印模型;CT层片图像;教学目前，随着医学影像技术的飞速发展，医学影像在临床诊断中发挥着越来越重要的作用，也在一定程度上加快了临床医学的发展进程。
通过三维重建和二维图像可视化，可以直观地显示复杂的三维器官结构，这将有助于医生进行全面、准确的分析，提高医学诊断水平。
因此，三维医学图像重建与可视化技术具有重要的实用价值。
1三维图像和医学图像重建技术三维医学图像重建技术是指利用可视化技术将从医学成像设备获取的二维图像数据转换为三维数据，显示人体组织和器官的三维形态，并进行定性和定量分析[1]。
目前，CT、MRI等影像技术广泛应用于临床诊断和治疗。
二维断层图像展示断层的解剖信息，不能以横向和三维方式显示病变的位置。
影像科室的技术人员只能将重建好的三维图像依照他们的想法选择几个部位、角度拷贝成二维图像提交到临床医生手中。
在普通计算机中，使用Mimics软件重建的三维模型可以动态旋转观察，任意切割和显示内部解剖结构，也可以编辑和修改[1-3]。
可更深入细致地定位、定性和定量分析损伤，以提高手外科手术成功的概率。
同时在Mimics软件中包括RP Slice模块、STL+模块、Simulation模块、MedCAD模块、FEA模块。
RP模块能通过Slice格式在Mimics与多数RP机器之间建立接口，自动生成快速原型系统模型所需的支撑结构，并将数据模型转换为实体模型。
Medical mimics图像处理软件是比利时materialist公司的一个用于交互式医学图像控制的3D数字系统。
它是一个高度集成的软件集，简单易用的3D图像生成、编辑和处理[4]。
基于CT图像的三维重建技术研究一、引言三维重建技术是计算机视觉领域中的一个热点问题，与医疗、地质勘探、机械制造等多个领域紧密相关。
基于CT图像的三维重建技术在医学图像领域中的应用非常广泛，例如对人体器官、病变血管的三维模型进行建立，可以为医生提供更为直观的诊断和手术辅助。
本文将介绍基于CT图像的三维重建技术的研究现状和发展趋势。
二、CT图像的三维重建流程CT（Computed Tomography，计算机断层摄影）是一种医学影像学技术，具有高分辨率、高对比度、高鉴别度等优点。
CT重建技术是将众多的二维图像通过计算机技术，利用三维重建算法恢复出原始物体的三维形态信息。
其基本流程如下：1. CT图像获取通过CT扫描设备对人体进行扫描，并获取多张二维图像。
2. 图像预处理对CT图像进行预处理，包括滤波、去噪、图像增强等操作，以提高图像质量。
3. 分割对图像进行分割，将所需物体从图像中分离出来。
4. 三维表面重建将二维图像转换为三维点云数据，并进行三维表面重建，生成三维模型。
5. 三维模型后处理对三维模型进行后处理，包括去瑕疵、调整模型大小、贴图等。
6. 可视化呈现将处理好的三维模型进行可视化呈现，以展示三维几何结构和形态信息。
三、 CT图像的三维重建算法目前，基于CT图像的三维重建算法主要有以下几种：1. 基于体素的三维重建算法基于体素的三维重建算法是将三维物体分割成体素（voxel）并构建三维网格（grid）模型，其中每个体素表示一个三维像素，具有三个维度和三个颜色通道。
该算法中的三维数据往往需要进行缩减、滤波、采样等操作，以减少数据规模和保证计算效率。
2. 基于曲面的三维重建算法基于曲面的三维重建算法采用轮廓线和板块识别方法，对CT 图像进行分割和表面重建。
该算法通过计算物体表面的法线方向和曲率特征，来还原物体的三维表面形态，常用于较为复杂的生物组织和器官建模。
3. 基于纹理的三维重建算法基于纹理的三维重建算法结合图像和几何信息，在三维模型表面上进行贴图，以还原真实物体的纹理特征和光照效果。
第３９卷第７期２０２０年７月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报ＢＵＬＬＥＴＩＮＯＦＴＨＥＣＨＩＮＥＳＥＣＥＲＡＭＩＣＳＯＣＩＥＴＹＶｏｌ.３９㊀Ｎｏ.７Ｊｕｌｙꎬ２０２０基于ＣＴ图像三维重建的高温下高性能混凝土孔隙衍化分析石丽娜ꎬ杜红秀ꎬ徐瑶瑶(太原理工大学土木工程学院ꎬ太原㊀０３００２４)摘要:为研究高温对高性能混凝土内部孔隙变化的影响ꎬ采用Ｘ射线ＣＴ技术ꎬ分别对常温㊁２００ħ㊁３００ħ㊁４００ħ㊁５００ħ㊁６００ħ温度作用下的混凝土进行扫描和图像重建ꎬ采用ＭＩＭＩＣＳ软件对掺与不掺聚丙烯纤维混凝土进行三维细观结构重建ꎬ分析其内部孔隙随温度的变化情况ꎮ结果表明ꎬ随着温度的升高ꎬ混凝土内部孔隙体积及孔隙表面积呈不同幅度增加ꎬ混凝土内部微结构不断劣化ꎬ掺加聚丙烯纤维ꎬ在４００ħ前可明显改善混凝土内部结构高温劣化ꎬ在２００~４００ħ时可减缓混凝土小孔隙的增加ꎬ有利于抑制高性能混凝土的高温爆裂ꎬ并减缓高温对混凝土内部结构劣化的影响ꎮ关键词:高性能混凝土ꎻ高温ꎻ三维细观重建ꎻ劣化衍化中图分类号:ＴＵ５２８㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀文章编号:１００１￣１６２５(２０２０)０７￣２１５９￣０６ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＨｉｇｈＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＣｏｎｃｒｅｔｅＰｏｒｅＤｅｒｉｖａｔｉｏｎｕｎｄｅｒＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＢａｓｅｄｏｎ３ＤＲｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＣＴＩｍａｇｅｓＳＨＩＬｉｎａꎬＤＵＨｏｎｇｘｉｕꎬＸＵＹａｏｙａｏ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＴａｉｙｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＴａｉｙｕａｎ０３００２４ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＴｏｓｔｕｄｙｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｐｏｒｅｃｈａｎｇｅｓｏｆｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｎｃｒｅｔｅꎬＸ￣ｒａｙＣＴｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｃａｎａｎｄｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｔｈｅｉｍａｇｅｓｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｕｎｄｅｒｎｏｒｍａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅꎬ２００ħꎬ３００ħꎬ４００ħꎬ５００ħꎬ６００ħꎬａｎｄＭＩＭＩＣＳｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｕｓｅｄｔｏｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｔｈｅｔｈｒｅｅ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｗｉｔｈａｎｄｗｉｔｈｏｕｔｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅｆｉｂｅｒꎬａｎｄｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｏｆｉｎｔｅｒｎａｌｐｏｒｅｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅꎬｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｐｏｒｅｖｏｌｕｍｅａｎｄｓｕｒｆａｃｅａｒｅａｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｉｎｃｒｅａｓｅｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｍｐｌｉｔｕｄｅｓꎬａｎｄｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｅｓ.Ａｄｄｉｎｇｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅｆｉｂｅｒｃａｎｏｂｖｉｏｕｓｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｂｅｆｏｒｅ４００ħ.Ａｄｄｉｎｇｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅｆｉｂｅｒｃａｎｓｌｏｗｄｏｗｎｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｓｍａｌｌｐｏｒｅｓｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅａｔ２００￣４００ħꎬｗｈｉｃｈｉｓｃｏｎｄｕｃｉｖｅｔｏｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｃｒｅｔｅｂｕｒｓｔｉｎｇａｎｄｓｌｏｗｉｎｇｄｏｗｎｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｎｃｒｅｔｅꎻｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅꎻ３Ｄｍｅｓｏ￣ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎꎻｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎａｎｄｄｅｒｉｖａｔｉｏｎ基金项目:国家自然科学基金(５１２７８３２５)作者简介:石丽娜(１９９５ )ꎬ女ꎬ硕士研究生ꎮ主要从事混凝土材料及性能方面的研究ꎮE￣mail:157****2324＠１６３.ｃｏｍ通讯作者:杜红秀ꎬ博士ꎬ教授ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｔｙｄｈｘ＠１６３.ｃｏｍ０㊀引㊀言近年来ꎬ随着我国基础设施大规模发展ꎬ高性能混凝土因其高工作性㊁高耐久性㊁服役环境多样性而得到青睐ꎬ它可以为建筑提供优质的结构材料ꎬ为建筑生命提供保障[１]ꎮ但因其高致密性和低渗透性ꎬ在高温作用下内部微结构损伤严重且极易爆裂ꎬ导致力学性能显著下降[２]ꎮ研究发现ꎬ聚丙烯纤维的加入可以抑制高温作用下混凝土内部微裂缝的萌生和发展及高温爆裂[３￣４]ꎮ混凝土是一种多相的非均质复合材料ꎬ对其高温后的性能可从宏观㊁细观和微观尺度展开研究[５￣８]ꎬ本团队在混凝土高温后强度㊁裂缝数量及孔径分布等方面进行了研究ꎮ在这些多尺度模型中ꎬ细观分析是深入２１６０㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３９卷了解混凝土损伤行为的有价值和可行的工具[９￣１０]ꎮＸ射线ＣＴ技术具有良好的空间分辨率ꎬ可将扫描得到的图片重建为三维模型ꎬ进而研究其结构ꎬ是用于混凝土微结构分析的一种新型无损检测技术[１１]ꎮ目前对高性能混凝土高温作用后三维重建模拟研究较少ꎮ本研究根据ＣＴ扫描数据ꎬ采用ＭＩＭＩＣＳ软件对掺与不掺聚丙烯纤维的高性能混凝土进行三维细观结构的重建ꎬ得到不同温度作用下混凝土的细观结构图像ꎬ深入研究高性能混凝土高温作用下微结构的变化规律ꎬ以期为混凝土抗火设计及火灾后修复提供试验依据ꎮ１㊀实㊀验１.１㊀原材料水泥:太原产Ｐ Ｏ４２.５普通硅酸盐水泥ꎬ２８ｄ抗折强度６.８ＭＰａꎬ２８ｄ抗压强度４６.３ＭＰａꎮ粗骨料:５~２０ｍｍ连续粒级㊁级配合格的石灰石碎石ꎮ细骨料:细度模数２.８９㊁级配良好的豆罗砂ꎮ矿渣粉:太原产Ｓ９５级粒化高炉矿渣ꎮ粉煤灰:太原产粉煤灰ꎬⅠ级ꎬ安定性符合要求ꎮ减水剂:太原产聚羧酸减水剂ꎮ聚丙烯纤维:熔点１６５ħꎬ长度８ｍｍꎬ直径２５μｍꎬ体积掺量０.２％ꎮ水:自来水ꎮ１.２㊀配合比依据«高性能混凝土应用技术规程»(ＣＥＣＳ２０７ ２００６)㊁«纤维混凝土应用技术规程»(ＪＧＪＴ２２１ ２０１０)进行Ｃ６０强度等级混凝土配合比设计ꎬ制备掺加聚丙烯纤维混凝土(ＰＰＨＰＣ)与不掺加聚丙烯纤维混凝土(ＨＰＣ)ꎬ配合比如表１所示ꎮ表１㊀Ｃ６０混凝土试验配合比Ｔａｂｌｅ１㊀ＴｅｓｔｍｉｘｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｏｆＣ６０ｃｏｎｃｒｅｔｅ/(ｋｇ/ｍ３)ＴｙｐｅＣｅｍｅｎｔＳｌａｇｐｏｗｄｅｒＦｌｙａｓｈＳｔｏｎｅＳａｎｄＷａｔｅｒＷａｔｅｒｒｅｄｕｃｉｎｇａｇｅｎｔＰｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅｆｉｂｅｒＨＰＣ４１２８３５５１０２４７１１１６５１２.６０.０ＰＰＨＰＣ４１１８３５５１０２２７１０１６５１２.６１.８１.３㊀试件制备依据«高性能混凝土应用技术规程»(ＣＥＣＳ２０７ ２００６)ꎬ制备试件尺寸为１５０ｍｍˑ１５０ｍｍˑ１５０ｍｍ立方体试块ꎬ设定混凝土拌合物坍落度为(２００ʃ２０)ｍｍꎮ选用６０Ｌ卧式强制式搅拌机进行混凝土的搅拌ꎬ具体流程如图１所示ꎮ图１㊀混凝土搅拌流程图Ｆｉｇ.１㊀Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｍｉｘｉｎｇ混凝土装入模具ꎬ振动成型后表面覆盖塑料薄膜ꎬ实验室内自然养护２４ｈ后拆模编号ꎬ放入标准养护室养护２８ｄꎮ１.４㊀ＣＴ扫描和高温试验方法混凝土养护２８ｄ后ꎬ每组各取３个试件进行抗压强度测试ꎬ经测试混凝土抗压强度满足Ｃ６０强度ꎮ试验采用ＣＴ扫描设备为μＣＦ２２５ＦＣＢ高分辨显微Ｘ射线ＣＴ系统ꎬ高温加载装置为太原理工大学矿业工程学院研制的高温加热炉ꎬ模拟高温火灾环境ꎬ如图２㊁图３所示ꎮＣＴ试验所需试件通过立方体试块切割㊁钻芯得到长５.６５ｍｍ㊁直径６ｍｍ的圆柱体ꎮ试验步骤为:(１)将试件放入干燥箱中干燥至恒重后放到转动台上ꎬ调整位置并固定ꎮ通过配套软件调整转动台位置ꎬ试验放大倍数为５３.８５倍ꎬ先对常温下试件进行扫描ꎮ(２)扫描结束后ꎬ将试件转入高温炉中进行加热ꎮ设定目标温度㊀第７期石丽娜等:基于ＣＴ图像三维重建的高温下高性能混凝土孔隙衍化分析２１６１２００ħꎬ加热速率为５ħ/ｍｉｎꎬ达到目标温度后恒温１０ｍｉｎ[８]ꎬ使试件受热均匀ꎬ之后进行ＣＴ扫描ꎮ(３)重复步骤(２)ꎬ可获得３００~６００ħ高温作用后的扫描图像ꎬ其中３００ħ后恒温１０ｍｉｎꎬ４００ħ㊁５００ħ后恒温１５ｍｉｎꎬ６００ħ后恒温２０ｍｉｎ[８]ꎮ图２㊀μＣＦ２２５ＦＣＢ高分辨显微ＣＴ系统Ｆｉｇ.２㊀μＣＦ２２５ＦＣＢｈｉｇｈ￣ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｍｉｃｒｏ￣ＣＴｓｙｓｔｅｍ图３㊀模拟高温试验装置Ｆｉｇ.３㊀Ｓｉｍｕｌａｔｅｄｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｅｓｔｄｅｖｉｃｅ２㊀混凝土三维模型重建２.１㊀ＣＴ图像处理(１)ＣＴ图像预处理:利用ＣＴ扫描系统软件将扫描数据进行图像重建ꎬ得到１５００张试件扫描图像ꎮ(２)图像二值化处理:二值化处理是将整个图像呈现为明显黑白效果的过程ꎬ利用ＭＡＴＬＡＢ软件中的ｇｒａｙｔｈｒｅｓｈ函数(最大类间方差法ꎬ即ＯＴＳＵ法)找到阈值[１２]并进行二值化处理ꎬ批量处理ＣＴ图像ꎬ图像重建及二值化处理后图片如图４所示ꎮ(３)图像颜色处理:为了使混凝土基体㊁孔隙及混凝土以外区域在软件中进行重建时有明显界限ꎬ需对图像进行颜色处理ꎬ区分混凝土基体㊁孔隙以及外部区域灰度值ꎮ将图像导入Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ中ꎬ先将黑白两种颜色进行反相处理ꎮ然后进行背景更换处理ꎬ将混凝土以外区域更改为蓝色ꎮ图４㊀ＣＴ重建图及二值化处理后图片Ｆｉｇ.４㊀ＣＴｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｍａｇｅｓａｎｄｉｍａｇｅａｆｔｅｒｂｉｎａｒｉｚａｔｉｏｎ２.２㊀三维重建过程及数据处理将预处理后的图像导入ＭＩＭＩＣＳꎬ选用命令Ｍａｓｋ重建混凝土基体和孔隙裂隙两个蒙版ꎬ通过Ｃａｌｃｕｌａｔｅ２１６２㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３９卷图５㊀２０ħ时混凝土三维重构模型Ｆｉｇ.５㊀３Ｄｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅａｔ２０ħＭａｓｋｓ建立混凝土基体和孔隙裂隙两部分模型ꎬ重建后可得到各温度下ＨＰＣ和ＰＰＨＰＣ共１２个模型ꎬ常温时混凝土的三维重构图见图５ꎮ利用命令ＡｎａｌｙｚｅＰｏｒｅｓ可对模型进行孔隙体积㊁表面积㊁数量㊁孔隙分布等分析ꎮ３㊀结果与讨论试验对比分析掺与不掺聚丙烯纤维混凝土高温后内部孔隙变化ꎬＰＰＨＰＣ与ＨＰＣ相比ꎬ在其余材料物相变化相同的基础上ꎬ探究聚丙烯纤维经过高温熔化对混凝土内部结构的影响ꎮ３.１㊀高性能混凝土不同温度作用后孔隙体积衍化分析混凝土经过不同温度作用后的内部孔隙体积及体积增长率见图６ꎮ由图可知随作用温度的升高混凝土内部孔隙体积持续增长ꎮＰＰＨＰＣ原生孔隙较ＨＰＣ多ꎬ但ＰＰＨＰＣ增长速率始终低于ＨＰＣ的增长速率ꎮ２００ħ㊁３００ħ㊁４００ħ时ＰＰＨＰＣ较ＨＰＣ孔隙体积增长率分别降低６５.９２％㊁７３.８３％㊁７７.４４％ꎬ５００ħ㊁６００ħ时ＰＰＨＰＣ较ＨＰＣ孔隙体积增长率分别降低３４.３９％㊁４３.１０％ꎮ４００ħ前ＰＰＨＰＣ与ＨＰＣ相比ꎬＰＰＨＰＣ孔隙体积增长率降低的百分比大于４００ħ之后的百分比ꎬ表明聚丙烯纤维的熔化在４００ħ前可改善混凝土高温劣化性能ꎮ５００ħ时ＰＰＨＰＣ孔隙体积增长速率急剧增大ꎬ内部劣化严重ꎬＰＰＨＰＣ与ＨＰＣ在６００ħ时孔隙体积比５００ħ时的增长率分别增加９.２５％㊁２０.４３％ꎬＰＰＨＰＣ的劣化程度较ＨＰＣ小ꎮ图６㊀混凝土内部孔隙体积及体积增长率Ｆｉｇ.６㊀Ｉｎｔｅｒｎａｌｐｏｒｅｖｏｌｕｍｅａｎｄｖｏｌｕｍｅｇｒｏｗｔｈｒａｔｅｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅ图７㊀混凝土内部孔隙表面积及表面积增长率Ｆｉｇ.７㊀Ｉｎｔｅｒｎａｌｐｏｒｅｓｕｒｆａｃｅａｒｅａａｎｄｓｕｒｆａｃｅａｒｅａｇｒｏｗｔｈｒａｔｅｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅ３.２㊀高性能混凝土不同温度作用后孔隙表面积衍化分析混凝土经过不同温度作用后内部孔隙表面积及表面积增长率见图７ꎮ随作用温度升高混凝土内部孔隙表面积呈现不同幅度的增加ꎮＰＰＨＰＣ原生孔隙较多ꎬ孔隙表面积大于ＨＰＣꎬＰＰＨＰＣ在２００ħ时孔隙表面积较常温时略有下降ꎬ２００ħ后孔隙表面积随作用温度的升高持续增大ꎮ２００ħ㊁３００ħ㊁４００ħ时ＰＰＨＰＣ较ＨＰＣ孔隙表面积增长率分别降低１１６.１９％㊁６３.９８％㊁７２.３０％ꎬ５００ħ㊁６００ħ时ＰＰＨＰＣ较ＨＰＣ孔隙体积增长率分别降低－５７.２１％㊁８.２５％ꎮ５００ħ时孔隙表面积急剧增长ꎬ表面积增长率高于ＨＰＣꎬ６００ħ时孔隙表面积增长率比ＨＰＣ小ꎮ原因可能是聚丙烯纤维的熔化可释放混凝土内部蒸汽压[１３]ꎬ从而减缓混凝土内部孔隙的劣化程度ꎬ抑制孔隙的产生及延伸ꎬ与孔隙体积的演变规律基本一致ꎮ３.３㊀高性能混凝土孔隙直径分布混凝土内部孔隙的孔径分布随温度变化见图８㊁图９ꎮＨＰＣ在２００ħ时孔隙总数量较常温相比稍有增加ꎻ３００ħ㊁４００ħ时孔隙总数量继续增加ꎬ其中孔径小第７期石丽娜等:基于ＣＴ图像三维重建的高温下高性能混凝土孔隙衍化分析２１６３㊀于２０μｍ的孔隙数量增加明显ꎬ混凝土内部萌生小孔隙ꎻ５００ħ时１０~２０μｍ㊁４０~５０μｍ孔径范围的孔隙数量增大ꎻ６００ħ时各孔径孔隙数量急剧上升ꎬ混凝土内部孔隙受高温影响劣化较严重ꎮＰＰＨＰＣ在２００ħ时孔径范围小于２０μｍ的孔隙数量呈明显增长ꎬ其中小于５μｍ孔隙数量增长达８０.５０％ꎬ混凝土内部小孔隙较多ꎻ３００ħ时小于２０μｍ孔径范围孔隙数量减小ꎬ大于２０μｍ孔径孔隙数量均增大ꎬ不同于ＨＰＣ变化ꎻ４００ħ时孔隙数量变化较小ꎬ混凝土内部劣化程度较小ꎻ５００ħ时各孔径孔隙数量增加ꎬ微结构劣化程度较大ꎻ６００ħ后小于４０μｍ孔径范围孔隙数量增大ꎬ大于４０μｍ孔径范围的孔隙数量减小ꎮＰＰＨＰＣ在４００ħ前孔隙变化不同于ＨＰＣꎬ２００ħ时由于聚丙烯纤维的熔化有大量孔隙增加ꎬ３００ħ时较大孔隙数量增加ꎬ４００ħ时变化缓慢ꎮ５００ħ时聚丙烯纤维熔化后留下孔道使孔隙数量增加较ＨＰＣ多ꎮ聚丙烯纤维的加入在２００~４００ħ时可减缓孔隙的增加ꎬ改善混凝土的劣化程度ꎮ图８㊀ＨＰＣ内部孔隙孔径分布Ｆｉｇ.８㊀ＩｎｔｅｒｎａｌｐｏｒｅｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＨＰＣ图９㊀ＰＰＨＰＣ内部孔隙孔径分布Ｆｉｇ.９㊀ＩｎｔｅｒｎａｌｐｏｒｅｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＰＰＨＰＣ３.４㊀高性能混凝土细观孔隙衍化分析为了能更好地反映高温对混凝土内部微结构的影响ꎬ基于处理后的ＣＴ图像对混凝土各个温度作用后同一位置处的孔隙进行提取ꎮ将提取后的孔隙图像导入ＭＩＭＩＣＳ进行重建ꎬ重建图见图１０㊁图１１ꎮ由图可知ꎬ常温时ＨＰＣ与ＰＰＨＰＣ原生孔隙间有极少量裂纹ꎬ随着温度的升高ꎬ孔隙周围开始产生新裂纹ꎬ孔隙之间的裂纹也逐渐增多ꎮＰＰＨＰＣ与ＨＰＣ相比ꎬ２００~４００ħ后产生的新孔隙较少且孔隙劣化程度较低ꎬ说明聚丙烯纤维的加入可改善４００ħ前的劣化程度ꎻ５００ħ后ＰＰＨＰＣ的孔隙增长明显高于ＨＰＣꎬ该阶段发生了新孔隙的萌生以及原有孔隙发展㊁延伸ꎻ６００ħ后混凝土内部孔隙劣化严重ꎬ孔隙增多㊁孔径变大并连通ꎬ但ＰＰＨＰＣ劣化程度比ＨＰＣ小ꎮ这与混凝土内部孔隙体积㊁表面积得出的结论一致ꎮ与ＨＰＣ相比ꎬＰＰＨＰＣ原生孔隙间裂纹的数量及长度明显降低ꎬ表明虽然聚丙烯纤维的加入使混凝土原生孔隙增多ꎬ但聚丙烯纤维熔化后的孔隙可释放混凝土内部蒸汽压ꎬ抑制高温爆裂ꎬ缓解对高温劣化的影响ꎮ图１０㊀ＨＰＣ不同温度作用后孔隙重建图Ｆｉｇ.１０㊀ＲｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｄｅｆｅｃｔｓａｆｔｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｏｆＨＰＣ２１６４㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３９卷图１１㊀ＰＰＨＰＣ不同温度作用后孔隙重建图Ｆｉｇ.１１㊀ＲｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｄｅｆｅｃｔｓａｆｔｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｏｆＰＰＨＰＣ４㊀结㊀论(１)混凝土孔隙体积随作用温度的增长呈现不同幅度增长ꎬＰＰＨＰＣ的增长速率始终低于ＨＰＣꎬＰＰＨＰＣ在４００ħ之前内部孔隙增长率较小ꎬ４００~６００ħ温度区间有较大增长ꎬ５００ħ时增长速率最大ꎮ(２)ＰＰＨＰＣ孔隙表面积始终大于ＨＰＣꎬＨＰＣ内部孔隙表面积随作用温度的增加呈现不同幅度的增加ꎮＰＰＨＰＣ在２００ħ后孔隙表面积出现下降ꎬ此后随作用温度的升高持续增大ꎬＰＰＨＰＣ在４００ħ作用温度前孔隙表面积增长率始终小于ＨＰＣꎬ５００ħ后高于ＨＰＣꎬ６００ħ后增长率小于ＨＰＣꎮ(３)混凝土经不同温度作用后ꎬ聚丙烯纤维的熔化可在２００~４００ħ减缓混凝土小孔隙的增加ꎬ有利于抑制高性能混凝土的高温爆裂ꎬ并减缓高温对混凝土内部结构劣化的影响ꎮ参考文献[１]㊀吴中伟.高性能混凝土￣绿色混凝土[Ｃ].中国混凝土科学一代宗师￣吴中伟院士纪念文集ꎬ中国硅酸盐学会ꎬ２００４:４０７￣４１５. 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基于磁共振成像技术的混凝土微结构三维重建磁共振成像技术（MRI）是一种非侵入性成像技术，广泛应用于医学、材料科学等领域。
近年来，MRI也被应用于混凝土微结构的三维重建中，以帮助研究混凝土的力学性能、耐久性等方面。
本文将详细介绍MRI在混凝土微结构三维重建中的基本原理、研究方法及应用前景。
一、MRI在混凝土微结构三维重建中的基本原理MRI是利用原子核在外磁场作用下的共振现象进行成像的技术。
在MRI成像中，利用强磁场产生的磁感应强度差异使样品中的原子核分别处于高能态和低能态，然后通过向样品中加入高频电磁脉冲来激发样品中的原子核，使其产生共振。
共振信号的强度与样品中原子核的密度和周围磁场的强度有关，通过对共振信号的接收和处理，可以得到样品的图像信息。
在混凝土微结构三维重建中，MRI可以通过对混凝土样品进行扫描得到样品的图像信息，从而重建出混凝土的微结构。
混凝土中的水泥石、骨料、孔隙等组分都具有不同的磁性质，因此可以通过MRI对不同组分进行区分，从而得到混凝土的三维结构信息。
二、MRI在混凝土微结构三维重建中的研究方法1. 样品制备为了进行MRI扫描，需要制备出混凝土样品。
通常采用的方法是将混凝土原材料按一定比例混合，并使用模具制备成规定形状和尺寸的混凝土试块或圆柱体。
2. MRI扫描对制备好的混凝土样品进行MRI扫描，通常采用的是强磁场（1.5T或3.0T）下的三维体积成像技术。
在扫描过程中，需要对不同组分的信号进行区分，通常采用的是序列重复时间（TR）和回波时间（TE）的组合来实现。
通过改变TR和TE的组合，可以得到不同组分的信号强度，从而实现对不同组分的区分。
3. 三维重建通过对扫描到的图像进行处理，可以得到混凝土微结构的三维重建图像。
通常采用的方法是将扫描到的二维图像进行堆叠，并进行体绘制，从而得到三维重建图像。
在重建过程中，需要对图像进行去噪、平滑和分割等处理，以得到更加精确的微结构信息。
三、MRI在混凝土微结构三维重建中的应用前景MRI在混凝土微结构三维重建中具有广阔的应用前景。
CT技术在混凝土细观损伤检测中的应用摘要：为了更好的研究CT技术在混凝土细观损伤检测中的应用效果，把握混凝土的内部结构和裂纹变化过程，需要人们加强对CT技术在混凝土细观裂纹中变化的研究和分析，本文对当前CT技术在混凝土破损中的变化过程进行了分析。
并对CT图像、裂纹演化规律、损失演化、损伤变量等进行了综合分析，对混凝土二维图像重构的应用进展进行了分析，以此提出了CT技术在测试过程中存在的问题，并对应用成果进行了分析。
关键词：CT技术；混凝土；细观；损伤检测；应用引言：当前CT技术可以对混凝土内部结构特点进行损伤检测，这种检测技术出现较早，其由最初人们对CT图像的初步分析逐渐向着混凝土裂纹变化过程的分析和研究转变，且通过CT技术在混凝土细观损伤检测中的应用分析可以发现，CT技术是分析和研究混凝土裂纹变化情况的主要手段。
一、关于混凝土的CT研究在早期的混凝土研究中主要采用的是数值方法来对混凝土在各种外力条件下的变形情况、破坏情况进行分析，在此过程中混凝土的单轴拉伸、压缩、劈拉、剪切、卸荷条件下变形和破坏状态下细观损伤和裂痕程度各不相同。
一般情况下，混凝土结构的破坏和恢复有一个过程，其会从缓慢损伤向着裂纹结构方向变化，对此人们可以通过创建裂纹模型或者研究力学特点来研究混凝土裂纹变化过程，并将其作为混凝土CT技术应用的主要研究方向。
当前国外关于CT技术在混凝土中的应用研究历史较为久远，我国研究起步晚，当前X射线混凝土CT技术研究是当前混凝土原材料细观裂纹领域的主要问题。
基于CT操作原理，混凝土各组分物理密度不同，在CT图像上的数值信息也不同，比如可以形成骨料、砂浆、孔洞等影像图，当混凝土试件在受力出现细观裂纹后，CT图像也会变得模糊，形成一些线性的影像，这叫作CT尺度裂纹，其属于X射线CT分辨率下的裂纹。
当前人们还没有明确解决裂纹的具体形状和产生的时间，也没有加强对混凝土CT图像中裂纹的定量分析工作，导致混凝土裂纹模式识别、位置明确、演化过程中仍然存在较大的问题，严重影响着混凝土CT技术的应用发展。
收稿日期：基金项目：国家自然科学基金重点项目(90510017) ；国家自然科学基金资助项目(50679073)资助； 作者简介：田威，（1981—）男，博士，研究方向为岩土工程数值仿真，Email ：tianwei816@ 混凝土CT 图像的三维重建技术研究田威1，党发宁2，陈厚群2,3（1.长安大学，建筑工程学院 西安710061； 2.西安理工大学 岩土工程研究所， 西安710048；3.中国水利水电科学研究院工程抗震中心，北京100044）摘 要：为了建立更加真实的三维混凝土细观模型，进行破损机理的分析。
本文利用三维图像处理软件MIMICS 对原始的CT 图像进行预处理，实现了混凝土真实细观结构的三维重建，将重建结果导入到大型商业有限元软件ANSYS 中，建立了更加能准确表征混凝土细观非均质性的三维有限元数值模型。
在此基础上，对重建的细观有限元模型进行了数值模拟，并与其它有限元模型的分析结果进行了比较。
结果表明：本文所建立的三维混凝土细观模型可以弥补传统随机混凝土骨料模型的不足，较好的反映出了混凝土材料内部的力学特性，为最终能够深入研究混凝土材料的细观破损机理开辟新的途径。
关键词：岩土力学；混凝土；CT 图像；三维重建；数值模拟 中图分类号： 文献标识码：AResearch on Three Dimensional Reconstruction Technology ofConcrete Based on CT ImagesTIAN Wei 1 ,DANG Faning 2 , CHEN Houqun 2、3(1.School of Civil Engineering, Chang'an University Xi’an 710061；2.Institute of Geotechnical Engineering ， Xi’an University of Technology ，Xi’a n 710048，China ；3. China Institute of Water Resources and Hydropower Research ，Beijing 100044， China )Abstract ：In order to build the real 3-D meso-concrete model ,which analyzed the damage-fracture mechanism,The CT images were pretreated in the MIMICS software of 3-D digital image processing, concrete real meso-level structure was reconstructed, and the data were imported the ANSYS, thus the 3-D finite element numerical model was constructed, which was described meso heterogeneity of concrete. On the basis of the results, the meso finite element model was numerical simulated. By comparing the simulation results with other finite model analyzed results, it was shown that the concrete of 3-D reconstruction model overcome the shortage of traditional Random Aggregate Model and actually reflected mechanics properties of concrete, Finally a new approach to research the meso damage-fracture mechanism of concrete was provided.Key Words: rock and soil mechanics ；concrete ；CT image ；3-D reconstruction ；numerical simulation混凝土是一种特殊的天然缺陷材料，由级配骨料、水泥、砂浆及孔隙等组成，其内部结构非常复杂，具有多尺度性和独特的物理和力学性质，是一种工程应用相当广泛的不均匀材料。
为了研究的方便，往往忽略混凝土的复杂结构，把混凝土材料视为宏观连续体。
在此基础上，化繁为简进行混凝土结构分析，这对解决工程问题是非常重要和必要的。
但是这种研究模式制约了人们对于混凝土材料在各种静动荷载作用下内部裂纹萌生、扩展、贯通直至宏观裂纹形成至失稳破裂过程的研究，也无法反映混凝土断裂过程中表现出来的局部化和应力重分布等特 征，更无法准确反映混凝土骨料的集合特征参数（骨料粒形、粒径）、配合比参数和各种掺料等对混凝土或改性混凝土物理力学特性的影响。
研究各种空间尺度缺陷对混凝土材料的变形、破坏和稳定性所起的作用，或者作用的大小，是目前混凝土材料研究所面临的最深刻而又最艰难的课题之一[1]。
为了解决以上问题，以细观层次为基础的混凝土数值模拟方法应运而生。
这种方法把混凝土看成是由骨料、界面和砂浆组成的非均质复合材料，充分考虑了骨料分布的随机性、材料的非均匀性和各组分之间的相互作用影响，采用力学理论对这类复合材料的试件进行结构分析，研究其承受荷载后的破坏机理，并通过和试验结果对比，比较真实地揭示混凝土损伤和微裂缝的发展过程，可以为准确地描述混凝土的宏观力学行为提供有力的依据。
而研究混凝土的细观破损机理最重要的途径之一就是数值模拟技术。
数值模拟技术省时、省力、无仪器限制、可以重复，大批量进行试验，能够模拟许多加载设备难以实现的复杂加载路径，真正用来研究混凝土材料细观破损机理。
目前为了在细观层次上对混凝土这种非均质材料的破损过程进行分析，已经建立起了很多的随机骨料数学模型，大连理工大学的王宝庭，宋玉普[2]提出了刚体—弹簧模型（rigid body spring model）；邢纪波[3]等提出了梁—颗粒模型；清华大学的刘光廷[4]等将混凝土看作是水泥砂浆、骨料和两者间的结合带构成的三相复合材料。
马怀发[5]采用二维数值模型进行了混凝土的破坏过程研究。
党发宁[6-8]利用随机数学方法建立了混凝土细观三维模型。
以上方法大多是基于随机数学的理论，所建立的模型皆为随机模型。
虽然在骨料的分布和形状上已越来越接近混凝土的真实结构，但是虚拟的混凝土骨料的形状和分布毕竟与真实混凝土试样有很大差别。
因此，很多学者希望能找到更准确的方法来表述混凝土真实的细观结构。
随着计算机科学技术的发展及其与其他各学科间的相互交叉渗透，计算机断层扫描(CT)、磁共振(MR)技术大量使用，以往了解结构的内部构造需要采用连续切片的方法，现在可以用CT扫描来获得结构的内部信息，基于CT图像的三维重建也越来越受到人们的重视。
CT图像的三维重建技术得到了快速的发展，岳中琦[9]等利用CT图像建立了有限元模型并进行了平面受力分析。
但以上研究是基于二维模型，不能反应材料真实的空间结构。
郝书亮[10]基于混凝土的CT平面图像信息，运用MATLAB 软件对混凝土的三维细观结构进行了三维重建。
重建的结果精度较高，但是重建的单元数目过多，以现有的单机硬件条件无法满足其计算。
本文在此基础上运用CT扫描的原始数据信息，建立了更接近于真实结构的混凝土三维细观有限元模型，并对模型进行了初步的有限元计算，为真实反映混凝土材料内部结构和深入研究材料破损机理开辟了新的途径。
1混凝土细观结构的三维重建1.1 建模的方法和步骤利用高度集成的比利时三维图像处理软件MIMICS对CT图像进行预处理，导入大型有限元软件ANSYS中，三维重建后得到精细的三维有限元模型。
1.2 CT图像的获取本文采用三峡大学仁和医院PHILIPS brilliance 16排螺旋CT机对高120mm，直径60mm的混凝土圆柱体试件沿横断面连续扫描，以层厚5mm，层距5mm进行扫描，获得512*512的CT图像(Dicom格式)，随后进一步获得薄层重建后图像共276张。
1.3图像数据的预处理在三维图像处理软件MIMICS中对CT 扫描图像数据的质量进行增强，目的是人为突出图像中混凝土骨料的信息，弱化砂浆等次要信息，这样使图像质量更好，有利于分析识别。
然后采用阈值(thresholds)方法提取各细观结构，混凝土骨料阈值范围设定为1570—2976Hu；砂浆阈值范围设定为1375—1571Hu；孔洞阈值范围设定为-297—1374Hu。
将提取的组织存放在一个蒙罩(mask)里，采用区域增长(region growing)，腔隙填充(cavity fill)、编辑蒙罩(edit masks)等方法修改蒙罩中的像素，每层图像经以上的编辑处理，去除冗余数据，经3D计算得到一个精细的混凝土三维几何实体模型如图1、2所示。
从图中可以看出，经过重建，可以清晰地看到骨料颗粒、硬化水泥砂浆和孔洞等混凝土内部真实的细观结构。
图1三维重建整体图 图2三维重建剖面图Fig.1 3D concrete reconstruction Fig.2 3D concrete reconstruction图3骨料三维重建图 图4砂浆三维重建图 Fig.3 3D aggregate reconstruction of concrete Fig.4 3D mortar reconstruction of concrete2．材料参数的确定及有限元模型的建立2.1单元属性的设置为了准确模拟细观混凝土几何形状的特征，同时考虑模型的复杂和划分有限元网格的难度，模型全部采用四面体8节点单元。
2.2材料属性的设置经试验测定，混凝土各相组分材料特性参数按表1取值（按中国水电顾问集团西北勘测设计研究院科研所提供的力学试验的结果选取）。
表1 混凝土各相组分材料参数Tab.1Material data of concrete components材料 弹性模量/ Pa 泊松比 抗拉强度/Pa 骨料 5.8731E100.2407 9.25E6 砂浆 1.7458E10 0.1960 2.78E62.3有限元模型的建立MIMICS 软件中所建三维混凝土实体模型导入ANSYS 中，经过单元合并和删减，生成了混凝土细观结构的有限元三维模型(总节点数为402535、单元数为360088个单元)，如图5、6所示。
