本發(fā)明具體涉及一種基于CT掃描透明透水混凝土試件3D打印方法。

背景技術：

目前海綿城市建設中大量使用了透水路面，包括透水混凝土、透水磚以及透水瀝青等材料，相關的實驗如透水混凝土泥沙堵塞過程中孔隙率的測量等原位測試比較麻煩，通過CT掃描結合3D建模3D打印可以快速進行透水材料相關物理參數(shù)包括孔隙率、滲透性等的測試和實驗，解決工程實際應用中的問題。

傳統(tǒng)的透水混凝土制備過程要先確定透水混凝土的水灰比，骨灰比等參數(shù)，在攪拌機中先加入粗骨料和一半的水，等骨料表面被濕潤后再加入水泥和水機械攪拌，最后機械振搗20s成型，在模具中進行養(yǎng)護。然而由于混凝土粗骨料材料不透明，而孔隙結構又是隨機分布的，有可聯(lián)通的孔隙，也有不聯(lián)通的孔隙，如何深入對其內部的孔隙結構和孔隙堵塞機理進行微觀研究和觀察就成為困擾研究人員的一大難題。

如果利用3D打印新材料將試件制作成透明的，則可以方便的觀察到泥沙在透水混凝土中堵塞的過程，研究堵塞的機理。

3D打印混凝土技術目前可以利用水泥，砂子，水，添加劑等原材料打印出透水混凝土試塊，但是成本高，技術困難，其成型的透水混凝土產品強度，抗壓抗折力學性能與傳統(tǒng)攪拌澆筑工藝生產的透水混凝土試塊相比，有一定的差異。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種基于CT掃描透明透水混凝土試件3D打印方法，本發(fā)明能夠將原始透水混凝土試件通過CT掃描，3D建模，3D打印技術最終生成透明的透水混凝土材料，對于研究透水混凝土的堵塞機理和過程十分有效。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種基于CT掃描透明透水混凝土試件3D打印方法，包括以下步驟：

(1)采集透水混凝土試塊，將其進行CT掃描，生成二維切片圖；

(2)對二維切片圖進行灰度處理，利用不同的灰度級別表征不同顏色的分布，并進行濾波和降噪處理；

(3)根據(jù)處理后的二維圖片，利用三維可視化技術進行三維模型重構；

(4)根據(jù)體素和圖片的數(shù)量相乘進行計算需要的試塊模型的尺寸，依照計算的尺寸對重構的三維模型進行裁剪；

(5)將裁剪后的模型采用二值化分割，提取骨料結構，將得到的透水混凝土骨料模型利用3D打印技術，逐層打印透水混凝土試件。

所述步驟(1)中，海綿城市施工過程的實驗路段，采集透水混凝土試塊，將其在干燥條件下進行CT掃描。

優(yōu)選的，為使建立的透水混凝土模型比較合適，采集圓柱體透水混凝土試塊。

進一步的，圓柱體透水混凝土試塊的尺寸為高度15-30cm高，直徑8-15cm。

進一步的，CT掃描利用x射線三維顯微鏡進行，選擇旋轉掃描方式，得到CT掃描產生的二維切片圖。

所述步驟(2)中，掃描的圖片在灰度模式下即用256級灰度來表示顏色的分布，對切片進行濾波降噪處理。

所述步驟(2)中，采用中值濾波方法進行濾波。

當然，本領域技術人員在本發(fā)明的工作原理的啟示下，可以將中值濾波方法替換為均值濾波等其他常用濾波方法，這種簡單替換屬于不需要付出創(chuàng)造性勞動的，理應屬于本發(fā)明的保護范圍。

所述步驟(3)中，根據(jù)需要將圓柱體的試塊裁剪成長方體。

所述步驟(3)中，根據(jù)CT掃描的儀器不同，掃描生成的每張圖片的體素也不同。

所述步驟(3)中，根據(jù)掃描的每張切片體素尺寸，乘以X,Y,Z方向切片的張數(shù)得到透水混凝土三個方向的尺寸。

所述步驟(4)中，將裁剪后的模型采用二值化分割，灰度值小于設定閾值的點為透水混凝土孔隙結構，大于設定閾值的為骨料結構。

所述步驟(5)中，通過分水嶺算法提取出骨料。

所述步驟(5)中，為防止過度分割，根據(jù)先驗知識，即掃描圖片中黑色的部分為孔隙結構，灰色的部分為骨料。

所述步驟(5)中，根據(jù)先驗知識與分割情況是否相符，多次進行分割嘗試，使分割結果最接近真實情況。

所述步驟(5)中，導出STL格式的透水混凝土骨料模型利用3D打印技術，采用高粘結性的透明塑料材料，如熱塑性粉末、熱塑性塑料、光敏聚合物或液態(tài)樹脂，逐層打印透水混凝土試件。

如果想研究透水性和泥沙堵塞機理，透水混凝土的透水性和耐久性(抗堵塞能力)在實際生產使用中是非常關心的一個指標，透水混凝土的力學性能等其他指標對實驗的影響可以忽略。因此采用樹脂外加透明材料，利用3D打印技術打印透明的透水混凝土，重點觀察透水效果和泥沙堵塞效果，成本低效率快，觀察效果明顯。

當然，可以根據(jù)具體的研究對象或情況，更改打印材質，屬于本領域技術人員容易想到的簡單替換。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明將原始透水混凝土試件通過CT掃描、3D建模、3D打印技術最終生成透明的透水混凝土材料，對于研究透水混凝土的堵塞機理和過程十分有幫助。

同時，本發(fā)明通過CT掃描結合3D建模3D打印生成的試件，重復的應用于同一透水混凝土的實驗研究，用于反復研究控制變量，研究同一因素對縮尺實驗的影響，更精確高效。

通過本發(fā)明3D打印成型同一批次的透水混凝土試件，重復地應用于某一實驗，在測試試件透水性和孔隙率的實驗中可以更好的控制變量，達到更好的實驗效果，比傳統(tǒng)的透水混凝土澆筑和振搗方法生產的透水混凝土差異大具有優(yōu)勢。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構成對本申請的不當限定。

圖1是本發(fā)明的整體操作流程示意圖。

圖2是本發(fā)明的提取骨料流程示意圖。

圖3是本發(fā)明的提取出的骨料模型示意圖。

圖4(a)-圖4(d)是本發(fā)明的分割示意圖。

圖5是本發(fā)明的建立的透明試塊示意圖。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復數(shù)形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術所介紹的，現(xiàn)有技術中打印的透水混凝土試件不透明，無法對其深入對其內部的孔隙結構和孔隙堵塞機理進行微觀研究和觀察，為了解決如上的技術問題，本申請?zhí)岢隽艘环N基于CT掃描透明透水混凝土試件3D打印方法。

對于海綿城市施工過程的實驗路段，可以采集20cm高，直徑10cm的圓柱體透水混凝土試塊，將其在干燥條件或浸水飽和條件下進行CT掃描，CT掃描可以利用x射線三維顯微鏡等設備進行，選擇旋轉掃描方式，將CT掃描產生的二維切片圖(如圖1所示)，在三維可視化軟件分析處理。

三維可視化分析與處理

掃描的圖片在灰度模式下即用256級灰度來表示顏色的分布，對切片進行中值濾波降噪處理，使圖像更加清晰。

中值濾波數(shù)學公式：

Yi＝Med{fi-v,…,fi-1,fi,fi+1,…,fi+v}i∈N v＝(m-1)/2

Yi稱為序列fi-v,…,fi-1,fi,fi+1,…,fi+v的中值

掃描的圖片數(shù)據(jù)可以達到幾G至十幾G，需要裁剪模型，使模型適合處理，根據(jù)需要可以將圓柱體的試塊裁剪成長方體。

當然，本領域技術人員在本發(fā)明的工作原理基礎上，能夠結合本領域的公知常識，將濾波方法替換為其他方法。

如平滑空間的均值濾波方法，銳化空間的銳化濾波方法，卷積濾波等等，或根據(jù)透水混凝土試件的用途，使用多個濾波方法相融合疊加等方法。

同時，進行灰度化的方法也可以替換為其他方法，如分量法、最大值法、平均值法以及加權平均值法。

模型的尺寸是根據(jù)體素和圖片的數(shù)量相乘進行計算，根據(jù)CT掃描的儀器不同，掃描生成的每張圖片的體素也不同。此次掃描的每張切片體素尺寸是0.142538*0.142538*0.142538[mm]，乘以X,Y,Z方向切片的張數(shù)得到透水混凝土三個方向的尺寸。裁剪模型也可以去除透水混凝土損壞的邊角材料。將裁剪后的模型采用二值化分割(附圖4)，灰度值小于某一閾值的點為透水混凝土孔隙結構，大于某一閾值的為骨料結構。

二值化公式：

T₀是分割的閾值，u(x₁,x₂)是原始圖像的灰度值，g(x₁,x₂)是二值化后輸出的圖像灰度值。

然后再提取透水混凝土骨料的數(shù)據(jù)，將大于上述T₀閾值的骨料通過分水嶺算法提取出來。

分水嶺算法：

g(x,y)＝grad(f(x,y))＝1/2{[f(x,y)-f(x-1,y)]2[f(x,y)-f(x,y-1)]2}

f(x,y)表示原始圖像，grad{}表示梯度運算。

為防止過度分割，根據(jù)先驗知識，即掃描圖片中黑色的部分為孔隙結構，灰色的部分為骨料，如圖3所示。分割時，如圖4所示，A部分為提取出來的骨料結構，B部分是保留的孔隙結構，C部分是分割邊界。根據(jù)先驗知識與分割情況是否相符，多次進行分割嘗試，使其最接近真實情況。最后導出STL格式的透水混凝土骨料模型利用3D打印技術，采用高粘結性的透明塑料材料，逐層打印透水混凝土試件。

以上所述僅為本申請的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本申請，對于本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護范圍之內。

上述雖然結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內。