钢纤维混凝土细观的参数测量
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［ #］ 混凝土中得到纤维间距的计算公式 为
着至关重要的作用， 因此测量纤维分布细观几何参 数的重点在计算该参数! 目前的研究多假定纤维在 混凝土中各向均匀分布时基于不同的模型而从理 论上导出的参数， 推导的数值在 $ ! " % $ ! & 之间， 测 量纤维配向系数对评定施工质量 # 指导生产工艺 有重要的意义! 在前述图像处理的基础上， 可计算纤维配向系 数， 具体的计算方法为测量出钢纤维混凝土截面上 随机分布的每一根钢纤维长度 "（ # 直线拟合后的 钢纤维单像素直线长度） ， 利用以下公式计算纤维 配向系数：
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收稿日期： $%%&?%$?@! 作者简介： 刘福华 （ @"&!?） ， 女， 湖南隆回人， 副教授， 主要从事 A>B、 计算机图形图像处理方面的研究<
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武汉大学学报 （ 工学版）
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混凝土中的分布、 配向、 长径比、 粘结、 形状等细观 几何特征$ 细观几何特征越好， 则钢纤维对材料的 增强作用越高$ 纤维配向系数 !、 纤维平均间距 !、 截面钢纤维面积比 " # 、 截面均匀度系数 $ # 等是钢 纤维混凝土主要的纤维分布细观几何参数% 测量分 析钢纤维混凝土的纤维分布细观几何参数对研究 材料性能、 指导生产工艺、 控制施工质量具有重要 意义% 针对目前钢纤维混凝土的纤维分布细观几何 参数的研究大多限于理论推导、 定性研究， 缺乏有 效的检测手段的状况， 本文采用计算机图形图像技 术， 对钢纤维混凝土的纤维分布细观几何参数进行 测量， 测量原理是： 首先对钢纤维混凝土图像进行 计算机图形图像处理， 以提取目标图像特征； 然后 进行参数测量%
!& 参数测量
（%） 纤维配向系数 ! 纤维配向系数即钢纤维混凝土中纤维的配向 度， 在纤维随机分散于各种方向的情况下， 将所有 的纤维投影于某一方向， 其投影长度的总和同全部
! 第" 期
刘福华等： 钢纤维混凝土细观的参数测量
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图 !" 图形图像处理
纤维长度的总和的比值
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* & 45 （ --） 1* $ *# ! 5 3 ( 3 ! 其中： ( 为钢纤维当量直径 （ 像素） ； 4 5 为钢纤维体 积掺量!
#! 实! 验
（ * ）实验过程 本文对曲靖—陆良高速公路钢纤维混凝土试 验路面进行了纤维分布细观几何参数测量实验! 曲靖—陆良高速公路钢纤维混凝土试验路面 全长 * 6$$ -， 采用大型滑摸摊铺机修建， 其钢纤维 所使用的钢纤维当量直径 体积 掺 量 4 5 7 *8 ， ( 7 $ ! 4 --、 长度 " 7 #$ --! 具体实验过程如下： " 制作试件 从曲靖—陆良高速公路钢纤维混凝土试验路 面施工现场随机钻芯取样制作了若干试件， 试件均 为截面为路面方向的圆柱体! # 获取钢纤维混凝土图像
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（ @< B,J1-9N,)9 /3 O,P51)+P12 ()*+),,-+)*，.+1)*80 Q/2:9,P5)+P 6)+7,-8+9:，A51)*R5/0 $@!%@& ，A5+)1； $< G/)*2+ A/0)9: Q21) 1)S B,8+*) L33+P,，G/)*2+ DD@$%% ，A5+)1； !< I1P029: /3 >-P5+9,P90-12 ()*+),,-+)*，T0)N+)* 6)+7,-8+9: /3 KP+,)P, 1)S F,P5)/2/*:，T0)N+)* &D%%"! ，A5+)1）
（ @< 江苏工业学院机械工程系， 江苏 常州E $@!%@& ； $< 龙里县规划设计室， 龙里E DD@$%% ； !< 昆明理工大学建筑工程学院， 云南 昆明E &D%%"! ）
摘要： 针对钢纤维混凝土研究中缺乏有效纤维分布细观几何参数检测手段的状况， 提出了基于计算机图形图像
技术的纤维分布细观几何参数的测量方法， 并论述了该方法的测量原理， 根据钢纤维混凝土图像的特点， 设计了 对图像进行图像分割、 噪声消除、 特征提取、 直线拟合等计算机图形图像处理、 然后进行参数测量的方案< 对曲 靖—陆良高速公路钢纤维混凝土试验路面进行了纤维分布细观几何参数测量实验， 实验表明， 测量数据准确 可靠< E E
所示、 消除短枝后得到的图像如图 ( （ ,） 所示， 经上 述计算机图像处理已成功提取目标图像特征， 此时 图像中所有的钢纤维都是单一像素的线条 （ 钢纤 维截面 中 轴 线） ， 从而图形化地显示出其拓扑性 质$ 由于施工时搅拌、 粗骨料挤压导致钢纤维本身
图 !" 钢纤维混凝土图像
弯曲及图像上钢纤维边界不平滑等因素影响， 经上 述图像处理后得到的钢纤维截面中轴线是弯曲的$ 而理想情况下钢纤维在任一截面上的截面形状应 为椭圆， 同时也为了使处理过程可视化， 本文采用
［ !］ 了基于平均点法 的直线拟合方法$ 如图 ( （ -） 所
示， 经直线拟合处理后的图像中每一根随机分布的 钢纤维截面都是单像素宽的直线段， 这些直线段即
图 #" 钢纤维混凝土灰度直方图
为钢纤维截面椭圆的长轴 （ 由于进行了细化时进 行了腐蚀运算， 钢纤维长度有所缩短） $
钢纤维混凝土是多相复合材料， 钢纤维混凝土 图像如图 % 所示， 图 ! 为该图像的灰度直方图% 测量钢纤维混凝土的纤维分布细观几何参数 首先要将钢纤维从背景中识别出来% 由于钢纤维混 凝土中只有钢纤维是金属材料， 其灰度直方图呈双 峰分布， 所以可采用灰度阈值法将钢纤维从混凝土 基中识别分割出来% 在钢纤维混凝土中， 钢纤维处于随机、 三维乱
距离的平均值! 纤维平均间距的计算方法为测量计算出截面 上每一根钢纤维中心 （ 直线拟合后的钢纤维单像 素直线中点） 到与它相邻的上、 下、 左、 右四个方向 最近的钢纤维的距离的平均值! （"） 截面均匀度系数 2 截面均匀度系数指纤维在某一截面上分布的 均匀程度! 测量截面均匀度系数 2 - 的公式为 2 - $ 1 & 1* 其中： 1 为测量纤维平均间距； 1* 为纤维在混凝土 中各向充分均匀分布时的平均间距! 美国 ,(-./012 等在 *34# 年针对乱向短钢纤维增强混凝土提出了 纤维间距理论， 并于 *34" 年将上述概念用于纤维
第 !" 卷 第 # 期 $%%& 年 ’ 月
武汉大学学报 （ 工学版） ()*+),,-+)* ./0-)12 /3 4051) 6)+7,-8+9:
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文章编号： @&C@?’’## （ $%%& ） %#?@@D?%#
钢纤维混凝土细观的参数测量
刘福华@ ，刘福平$ ，宋万明!
%& 图形图像处理
（%） 钢纤维混凝土图像分析
图 $" 图形图像处理基本流程
所采用的主要图形图像处理方法如图 ( 所示$ 其中采用了阈值法进行图像分割， 经图像分割、 图 像反色后如图 ( （ )） 所示； 采用数学形态学的开运 算、 闭运算进行噪声消除后得到的图像如图 ( （ *）
［ %］ 处理后得到的图像如图 ( （ +） 所示； 然后经细化
关键词： 复合材料； 钢纤维混凝土； 计算机图像图形处理； 细观几何参数； 测量 中图分类号： F6 D$’< DC$E E E 文献标志码： >
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向分布状态% 反映在钢纤维混凝土图像中， 钢纤维 截面形状不规则， 位置处于无规律的随机分布状 态% 在测量中， 本文将钢纤维混凝土中每一根钢纤 维按当量圆柱看待， 其在钢纤维混凝土的任一截面 上的截面形状理想情况下为椭圆% 测量截面钢纤维面积比需要测量截面上钢纤 维的面积， 而测量纤维配向系数、 纤维平均间距和 截面均匀度系数需要测量截面上钢纤维长度 （椭 圆长轴长度） 和中心 （ 椭圆圆心） % （!） 钢纤维混凝土图形图像处理 采用的图形图像处理基本流程如图 ’ 所示：
着至关重要的作用， 因此测量纤维分布细观几何参 数的重点在计算该参数! 目前的研究多假定纤维在 混凝土中各向均匀分布时基于不同的模型而从理 论上导出的参数， 推导的数值在 $ ! " % $ ! & 之间， 测 量纤维配向系数对评定施工质量 # 指导生产工艺 有重要的意义! 在前述图像处理的基础上， 可计算纤维配向系 数， 具体的计算方法为测量出钢纤维混凝土截面上 随机分布的每一根钢纤维长度 "（ # 直线拟合后的 钢纤维单像素直线长度） ， 利用以下公式计算纤维 配向系数：
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收稿日期： $%%&?%$?@! 作者简介： 刘福华 （ @"&!?） ， 女， 湖南隆回人， 副教授， 主要从事 A>B、 计算机图形图像处理方面的研究<
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混凝土中的分布、 配向、 长径比、 粘结、 形状等细观 几何特征$ 细观几何特征越好， 则钢纤维对材料的 增强作用越高$ 纤维配向系数 !、 纤维平均间距 !、 截面钢纤维面积比 " # 、 截面均匀度系数 $ # 等是钢 纤维混凝土主要的纤维分布细观几何参数% 测量分 析钢纤维混凝土的纤维分布细观几何参数对研究 材料性能、 指导生产工艺、 控制施工质量具有重要 意义% 针对目前钢纤维混凝土的纤维分布细观几何 参数的研究大多限于理论推导、 定性研究， 缺乏有 效的检测手段的状况， 本文采用计算机图形图像技 术， 对钢纤维混凝土的纤维分布细观几何参数进行 测量， 测量原理是： 首先对钢纤维混凝土图像进行 计算机图形图像处理， 以提取目标图像特征； 然后 进行参数测量%
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（ * ）实验过程 本文对曲靖—陆良高速公路钢纤维混凝土试 验路面进行了纤维分布细观几何参数测量实验! 曲靖—陆良高速公路钢纤维混凝土试验路面 全长 * 6$$ -， 采用大型滑摸摊铺机修建， 其钢纤维 所使用的钢纤维当量直径 体积 掺 量 4 5 7 *8 ， ( 7 $ ! 4 --、 长度 " 7 #$ --! 具体实验过程如下： " 制作试件 从曲靖—陆良高速公路钢纤维混凝土试验路 面施工现场随机钻芯取样制作了若干试件， 试件均 为截面为路面方向的圆柱体! # 获取钢纤维混凝土图像
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图 !" 钢纤维混凝土图像
弯曲及图像上钢纤维边界不平滑等因素影响， 经上 述图像处理后得到的钢纤维截面中轴线是弯曲的$ 而理想情况下钢纤维在任一截面上的截面形状应 为椭圆， 同时也为了使处理过程可视化， 本文采用
［ !］ 了基于平均点法 的直线拟合方法$ 如图 ( （ -） 所
示， 经直线拟合处理后的图像中每一根随机分布的 钢纤维截面都是单像素宽的直线段， 这些直线段即
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为钢纤维截面椭圆的长轴 （ 由于进行了细化时进 行了腐蚀运算， 钢纤维长度有所缩短） $
钢纤维混凝土是多相复合材料， 钢纤维混凝土 图像如图 % 所示， 图 ! 为该图像的灰度直方图% 测量钢纤维混凝土的纤维分布细观几何参数 首先要将钢纤维从背景中识别出来% 由于钢纤维混 凝土中只有钢纤维是金属材料， 其灰度直方图呈双 峰分布， 所以可采用灰度阈值法将钢纤维从混凝土 基中识别分割出来% 在钢纤维混凝土中， 钢纤维处于随机、 三维乱
距离的平均值! 纤维平均间距的计算方法为测量计算出截面 上每一根钢纤维中心 （ 直线拟合后的钢纤维单像 素直线中点） 到与它相邻的上、 下、 左、 右四个方向 最近的钢纤维的距离的平均值! （"） 截面均匀度系数 2 截面均匀度系数指纤维在某一截面上分布的 均匀程度! 测量截面均匀度系数 2 - 的公式为 2 - $ 1 & 1* 其中： 1 为测量纤维平均间距； 1* 为纤维在混凝土 中各向充分均匀分布时的平均间距! 美国 ,(-./012 等在 *34# 年针对乱向短钢纤维增强混凝土提出了 纤维间距理论， 并于 *34" 年将上述概念用于纤维
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关键词： 复合材料； 钢纤维混凝土； 计算机图像图形处理； 细观几何参数； 测量 中图分类号： F6 D$’< DC$E E E 文献标志码： >
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