一种高聚物注浆材料破坏特征的试验装置及其试验方法

1.本发明涉及高聚物注浆材料测试技术领域，特别是涉及一种高聚物注浆材料破坏特征的试验装置及其试验方法。


背景技术：

2.高聚物注浆材料广泛的应用于各种非开挖修复工程。与传统的开挖回填修复相比，高聚物注浆修复不经节约了工程成本，也大大节约时间。高聚物注浆材料具有高膨胀率、低密度、速凝、环保、不透水性等优良特性。这些特性为在基础设施非开挖修复中广泛应用的提供了可能性。目前，聚氨酯注浆材料已被用做管道，无砟轨道和路面沉降的抬升；隧道，地铁和大坝的渗漏封堵；地基和路堤土体的固结加固。
3.高聚物注浆材料用于修复基础设施时，常埋于地下，主要承担上部荷载。在上部荷载地作用下，材料内部结构不断地发生破坏，实现应力重分布。因此，有必要通过一种方法来表征材料的破坏特征，为评估修复后工程效果提供理论依据。目前，科研人员主要通过观察压缩过程中试样的表面破坏现象来研究试样的破坏特征，但试样的破坏最早发生于试样内部。表面破坏现象只是试样内部破坏形成的裂缝向外延续的结果，既片面又不合理。
4.计算机层析成像(computed tomography，ct)技术是目前应用较广的无损检测技术，其最大的优势是在不引入新的人为缺陷的情况下原位的反映出样品内部的空间结构，能够将材料的内部结构形态逐层以灰度图像无损地展示出来。在注浆技术领域，ct扫描已经广泛地应用于分析岩石、混凝土和泡沫等注浆材料的内部结构。可以考虑通过扫描压缩过程中的高聚物注浆材料试样的内部结构变化来表征其破坏特征。
5.在使用ct扫描来表征高聚物注浆材料的破坏特征时，主要存在两个问题。一是对于注浆材料来说，在由万能试验机移至ct机的过程中，试样会因自身的弹性性能不可避免的发生回弹，对后续的ct扫描结果产生干扰。因此，有必要通过自制夹具来解决试样压缩后回弹问题。二是压缩过后的试样内部微裂隙尺寸过小，从ct扫描得到的灰度图片无法直接看出其位置和尺寸变化。因此，需要通过一种分割方法来识别分割ct图像中裂缝的位置和尺寸变化。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种高聚物注浆材料破坏特征的试验装置及其试验方法，解决了现有破坏特征表征方法因通过试样的表面破坏现象来研究试样的破坏特征而导致研究结果存在不合理和片面的问题。
7.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
8.提供了一种高聚物注浆材料破坏特征的试验装置，其包括试验机、夹具和用于扫描并获取高聚物注浆材料破坏特征图像的ct机；所述夹具包括下夹板，所述下夹板上设置有多根螺杆，每根所述螺杆顶部设置有螺纹段；每根螺杆顶部均螺纹连接有一颗夹紧螺母，下夹板的上端面设置有压力传感器，所述压力传感器电性连接有电子压力表，压力传感器
的上端面设置有受力板，所述受力板顶部设置有带有多个安装通孔的上夹板，所述上夹板通过多个安装通孔与多根螺杆的顶部滑动配合；多颗所述夹紧螺母均位于上夹板的顶部；高聚物注浆材料试样设置于下夹板和上夹板之间；
9.试验机包括用于承载夹具的试验台和用于向上夹板施加竖直向下压力的试验机压头。
10.进一步地，所述下夹板和上夹板均呈矩形结构，多根所述螺杆的数量为4根，4根螺杆分别设置于下夹板的四角处；
11.多个安装通孔的数量为4个，4个安装通孔分别设置于上夹板的四角处，4个安装通孔的位置与4根螺杆的位置相匹配。
12.本发明还提供一种高聚物注浆材料破坏特征的试验装置的试验方法，其包括：
13.步骤1、固定高聚物注浆材料试样，将夹具的上夹板去掉，将试样放置在受力板上，再将上夹板装上，通过拧紧夹紧螺母将高聚物注浆材料试样固定在夹具上；
14.步骤2、获取高聚物注浆材料试样的原始内部结构图像，将步骤1中固定有高聚物注浆材料试样的夹具移至ct机扫描，获取高聚物注浆材料试样的原始内部结构图像；
15.步骤3：定义高聚物注浆材料试样破坏特征的三个受力阶段，根据高聚物注浆材料应力-应变曲线图定义三个不同的受力阶段，三个不同阶段分别为初始压缩段、线弹性段和应力下降段；
16.步骤4：分别获取高聚物注浆材料试样在初始压缩段、线弹性段和应力下降段的内部结构图像；
17.步骤5：对步骤2中高聚物注浆材料试样的原始内部结构图像和步骤4中高聚物注浆材料试样在不同受力阶段的内部结构图像进行图像处理，分别获取每张图像中的裂缝、泡孔和固体基质。
18.进一步地，在步骤1中，为了避免在固定过程中，对高聚物注浆材料试样造成破坏，而影响实验结果，拧紧夹紧螺母时，电子压力表上的数值不超过高聚物注浆材料试样屈服强度的1％。
19.进一步地，在步骤2中，ct扫描获得试样内部的原始结构。试验前使用毛巾将试样的表面擦拭干净，以免影响扫描结果。为了全面、整体的观察单轴压缩过程中试样裂缝发展方式及发展过程，选取整个试样作为扫描区域。
20.进一步地，在步骤4中，分别获取高聚物注浆材料试样在初始压缩段、线弹性段和应力下降段的内部结构图像包括以下步骤：
21.步骤4.1，启动试验机，试验机压头向下竖直运动，对上夹板施加竖直向下压力，直至电子压力表上的数值与初始压缩段对应的应力数值相同后，试验机压头停止竖直向下运动，分别拧动4颗夹紧螺母直至4颗夹紧螺母的下端面与上夹板的上端面抵紧接触后停止，试验机压头竖直向上移动，从试验机内取出固定有高聚物注浆材料试样的夹具，并将夹具移至ct机扫描，获取高聚物注浆材料试样在初始压缩段的内部结构图像；
22.步骤4.2，从ct机中取出固定有高聚物注浆材料试样的夹具，并夹具转移至试验台上，试验机压头通过上夹板对高聚物注浆材料试样施加竖直向下的压力，直至电子压力表上的数值与线弹性段对应的应力数值相同后，试验机压头停止，拧动4颗夹紧螺母使上夹板夹紧高聚物注浆材料试样，取出夹具转移至ct机扫描，获取高聚物注浆材料试样在初始压
缩段的内部结构图像；
23.步骤4.3，从ct机中取出固定有高聚物注浆材料试样的夹具，并夹具转移至试验台上，试验机压头通过上夹板对高聚物注浆材料试样施加竖直向下的压力，直至电子压力表上的数值与应力下降段对应的应力数值相同后，试验机压头停止，拧动4颗夹紧螺母使上夹板夹紧高聚物注浆材料试样，取出夹具转移至ct机扫描，获取高聚物注浆材料试样在应力下降段的内部结构图像。
24.进一步地，在步骤5中，获取图像中的裂缝、泡孔和固体基质的方法包括以下步骤：
25.步骤5.1，任意选用一张步骤4中图像的图片，并使用imagej软件的裁剪功将选中图片的边缘部分裁掉；
26.步骤5.2，将选中图片的泡孔、基质和裂缝添加到不同的合集中；
27.步骤5.3，训练学习方案，借助trainable weka segmentation插件从输入图像中提取图像特征，将一组像素样本表示为特征向量来获得灰度值数据，并在一组像素样本上通过随机森林算法训练学习方案；
28.步骤5.4，通过训练后的学习方案对图片中剩余图像数据进行分类，获得图片的分割结果；
29.步骤5.5，对分割后的图片采用阈值分割来获得二值化图像，并根据二值化图像得到高聚物注浆材料试样内部裂缝的位置和尺寸变化。
30.本发明的有益效果为：
31.通过ct获得压缩过程中高聚物注浆材料试样内部结构的灰度图，通过自制夹具解决试样压缩回弹的问题，通过使用imagej软件分割试样内部灰度图得到裂缝的位置和尺寸变化，使得获取的高聚物注浆材料破坏特征更加准确，解决了现有破坏特征表征方法因通过试样的表面破坏现象来研究试样的破坏特征而导致研究结果存在不合理和片面的问题。
附图说明
32.图1为高聚物注浆材料破坏特征的试验装置的结构示意图。
33.图2为高聚物注浆材料破坏特征的试验装置中夹具的结构示意图。
34.图3是高聚物注浆材料应力应变曲线图。
35.图4是imagej基于机器学习的自动分割原理示意图。
36.图5～7高聚物注浆材料试样在不同区域内部结构的ct扫描图像和分割后的二值化图像的对比图。
37.其中，1、试验机；2、夹具；3、下夹板；4、螺杆；5、螺纹段；6、夹紧螺母；7、压力传感器；8、电子压力表；9、受力板；10、上夹板；11、高聚物注浆材料试样；12、试验台；13、试验机压头。
具体实施方式
38.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
39.如图1～图2所示，本发明提供了一种高聚物注浆材料破坏特征的试验装置，包括试验机1、夹具2和用于扫描并获取高聚物注浆材料破坏特征图像的ct机；所述夹具2包括下夹板3，所述下夹板3上设置有多根螺杆4，每根所述螺杆4顶部设置有螺纹段5；每根螺杆4顶部均螺纹连接有一颗夹紧螺母6，下夹板3的上端面设置有压力传感器7，所述压力传感器7电性连接有电子压力表8，压力传感器7的上端面设置有受力板9，所述受力板9顶部设置有带有多个安装通孔的上夹板10，所述上夹板10通过多个安装通孔与多根螺杆4的顶部滑动配合；多颗所述夹紧螺母6均位于上夹板10的顶部；高聚物注浆材料试样11设置于下夹板3和上夹板10之间；如图3所示，本实施例中的高聚物注浆材料试样11的应力应变曲线包含3个阶段，初始压缩段、线弹性段和应力下降段，具体地，原始应变0对应的为o点，初始压缩段应变0.02对应的为a点，线弹性段应变0.03对应的为b点，应力下降段应变0.08对应的为c点，根据标准制备高聚物注浆材料试样11，其尺寸为70.7
×
70.7
×
70.7mm、密度0.4g/cm3。
40.试验机1包括用于承载夹具2的试验台12和用于向上夹板10施加竖直向下压力的试验机压头13。试验机1可以选用waw-300电液伺服万能试验机1，试样应变率取10-4/s，对应加载速率0.42mm/s。
41.ct机可以选用novo voxel 4000型的工业ct机，其扫描电压为180kv，电流为450a，分辨率为35.91m，单次曝光时间为0.3s，总测试时间为0.5h。
42.具体地，所述下夹板3和上夹板10均呈矩形结构，多根所述螺杆4的数量为4根，4根螺杆4分别设置于下夹板3的四角处；多个安装通孔的数量为4个，4个安装通孔分别设置于上夹板10的四角处，4个安装通孔的位置与4根螺杆4的位置相匹配。
43.高聚物注浆材料破坏特征的试验装置的试验方法为：
44.步骤1、固定高聚物注浆材料试样11，将夹具2的上夹板10去掉，将试样放置在受力板9上，再将上夹板10装上，通过拧紧夹紧螺母6将高聚物注浆材料试样11固定在夹具2上；具体地，在步骤1中，为了避免在固定过程中，对高聚物注浆材料试样11造成破坏，而影响实验结果，拧紧夹紧螺母6时，电子压力表8上的数值不超过高聚物注浆材料试样11屈服强度的1％。
45.步骤2、获取高聚物注浆材料试样11的原始内部结构图像，将步骤1中固定有高聚物注浆材料试样11的夹具2移至ct机扫描，获取高聚物注浆材料试样11的原始内部结构图像；具体地，在步骤2中，ct扫描获得试样内部的原始结构。试验前使用毛巾将试样的表面擦拭干净，以免影响扫描结果。为了全面、整体的观察单轴压缩过程中试样裂缝发展方式及发展过程，选取整个试样作为扫描区域。
46.步骤3：如图3所示，定义高聚物注浆材料试样11破坏特征的三个受力阶段，根据高聚物注浆材料应力-应变曲线图定义三个不同的受力阶段，三个不同阶段分别为初始压缩段、线弹性段和应力下降段；
47.步骤4：分别获取高聚物注浆材料试样11在初始压缩段、线弹性段和应力下降段的内部结构图像；
48.具体地，步骤4.1，启动试验机1，试验机压头13向下竖直运动，对上夹板10施加竖直向下压力，直至电子压力表8上的数值与初始压缩段对应的应力数值相同后，试验机压头13停止竖直向下运动，分别拧动4颗夹紧螺母6直至4颗夹紧螺母6的下端面与上夹板10的上端面抵紧接触后停止，试验机压头13保持一段时间后释放压力，试验机压头13竖直向上移
动，从试验机1内取出固定有高聚物注浆材料试样11的夹具2，并将夹具2移至ct机扫描，获取高聚物注浆材料试样11在初始压缩段的内部结构图像；
49.步骤4.2，从ct机中取出固定有高聚物注浆材料试样11的夹具2，并夹具2转移至试验台12上，试验机压头13通过上夹板10对高聚物注浆材料试样11施加竖直向下的压力，直至电子压力表8上的数值与线弹性段对应的应力数值相同后，试验机压头13停止，拧动4颗夹紧螺母6使上夹板10夹紧高聚物注浆材料试样11，试验机压头13保持一段时间后释放压力，试验机压头13竖直向上移动，取出夹具2转移至ct机扫描，获取高聚物注浆材料试样11在初始压缩段的内部结构图像。
50.步骤4.3，从ct机中取出固定有高聚物注浆材料试样11的夹具2，并夹具2转移至试验台12上，试验机压头13通过上夹板10对高聚物注浆材料试样11施加竖直向下的压力，直至电子压力表8上的数值与应力下降段对应的应力数值相同后，试验机压头13停止，拧动4颗夹紧螺母6使上夹板10夹紧高聚物注浆材料试样11，试验机压头13保持一段时间后释放压力，试验机压头13竖直向上移动，取出夹具2转移至ct机扫描，获取高聚物注浆材料试样11在应力下降段的内部结构图像。
51.步骤5：对步骤2中高聚物注浆材料试样11的原始内部结构图像和步骤4中高聚物注浆材料试样11在不同受力阶段的内部结构图像进行图像处理，分别获取每张图像中的裂缝、泡孔和固体基质。
52.具体地，如图4所示，步骤5.1，任意选用一张步骤4中图像的图片，并使用imagej软件的裁剪功将选中图片的边缘部分裁掉；
53.步骤5.2，将选中图片的泡孔、基质和裂缝添加到不同的合集中；
54.步骤5.3，训练学习方案，借助trainable weka segmentation插件从输入图像中提取图像特征，将一组像素样本表示为特征向量来获得灰度值数据，并在一组像素样本上通过随机森林算法训练学习方案；
55.具体地，在步骤5.1～5.3中，在图片上随机手动选取泡孔、基质和裂缝三种不同物相的像素，提取其灰度值，根据灰度值范围将像素标记为不同类型的合集；每张图片上选取的泡孔、基质和裂缝等物相均不少于20处；利用像素样本，结合随机森林算法构建学习方案，最终形成的学习方案为：灰度值大于等于110的像素为基质，灰度值大于60且小于110的像素为泡孔，灰度值小于60的像素为裂缝。
56.步骤5.4，通过训练后的学习方案对图片中剩余图像数据进行分类，获得图片的分割结果；
57.步骤5.5，对分割后的图片采用阈值分割来获得二值化图像，并根据二值化图像得到高聚物注浆材料试样内部裂缝的位置和尺寸变化。
58.图5-图7是高聚物注浆材料试样11在不同的三个受力阶段内部结构的ct扫描图像和分割后的二值化图像，图5-图7中的上部分图均为ct扫描图像，下部分均为分割后的二值化图像，在压缩前，即位于o点处，高聚物注浆材料试样11内部有明显的泡孔结构，随着压缩次数的增加，高聚物注浆材料试样11内部黑色区域逐渐增加，裂缝首先在部分区域出现，压缩至c点时，裂缝已经基本连通。
59.通过ct获得压缩过程中高聚物注浆材料试样11内部结构的灰度图，通过自制夹具2解决试样压缩回弹的问题，通过使用imagej软件分割试样内部灰度图得到裂缝的位置和
尺寸变化，使得获取的高聚物注浆材料破坏特征更加准确，解决了现有破坏特征表征方法因通过试样的表面破坏现象来研究试样的破坏特征而导致研究结果存在不合理和片面的问题。