（应用数学专业论文）水泥水化过程的计算机模拟算法分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 n i s t 的b e n t z 等人提出了基于数字图像的水泥水化计算机模拟模型。他们使用扫描电 子显微镜( s e i v l ) 采集水泥浆体二维截面的背散射电子( b s e ) n 像和x 一射线图像，然后用一种 基于判定树的算法从采集的二维图像中分割出组成水泥浆体的各相，并进一步得到各相的 空间分布特征数据，如面积分数和周长分数等。在此基础上重建水泥浆体的初始三维微结 构，然后用一套基于元胞自动机的水泥水化规则来操纵微结构中的所有像素，从而达到模 拟水泥水化过程的目的。本文从二维s e m 图像的分割处理入手，在研究和分析b e n t z 等人 的图像分割算法的基础上，将图像分割问题转化为数字图像匹配问题，从数字图像处理的 角度，提出了一种新的基于相关度量的图像分割算法。新算法采集水泥截面上c a 、s i 、a l 、 凡、s 、恩m g 的二维x - 射线图像，将这些图像同一点处的灰度值正规化并按一定的顺序 排列后写成向量的形式，称为该点的特征向量。通过水泥中各相的化学组成以及数值试验 确定了水泥中待分割相的特征向量，称为基准点；然后对二维图像中的每一点，计算该点 的特征向量与各基准点的相关度量，比较计算结果，将相关度量值最大的那个相作为该点 所包含的相。这样就可以确定水泥图像中各点所包含的相，达到分割水泥图像的目的。经 对比发现，新算法能达到与b e n t z 等人的算法相同的分割精度，可以扩充，并且不需要确定 各x - 射线图像的灰度阈值，具有更强的通用性、可计算性和容错性。 关键词：扫描电子显微镜；s e m ；图像分割；水泥水化；相关度量 雷海秫：水混水纯过稷的计算机模拟算法分析 a n a l y s i so fc o m p u t e rs i m u l a t i o na l g o r i t h mo f c e m e n th y d r a t i o n a b s t r a c t b e n t ze ta li nn i s th a v ep r o p o s e dat h r e e - d i m e n s i o n a lc e m e n th y d r a t i o nc o m p u t e r s i m u l a t i o nm o d e lb a s e do nd i g i t a li m a g e s t h e yn s es c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) t o c o l l e c tb a c ( s c a t 妇甜e l e c t r o n s ( b s e ) i m a g e sa n dx - m yi m a g e sf r o mc e m e n tp a s t e s2 - ds l i c e s , a n d t h e nad e c i s i o nt r e e b a s e dm e m o di sa p p l i e dt os e g m e n t p h a s e sw h i c hb u i l d u pc e m e mp a s t ef r o m t h e s e2 - di m a g e s 。w h e ns e g m e n t a t i o ni sc o m p l e t e d , s p a c ed i s t r i b u t i o nc h a r a g t e r so f e a c hp h a s e s u c ha sa r e af r a c t i o n , p e r i m e t e rf r a c t i o ne t c c a nb ee a s i l yc a l c d a t e db yu s i n ga p i x e ! - c o u n tm e t h o d t h e s ed a t ac a nt h e nb eu s e df o rt h er e c o n s t r u c t i o no f c e m e n tp a s t e si n i t i a lt h r e e d i m e n s i o n a l m i c r o s t r u c t u r e t h e nas e r i e so f c e l l u l a ra n m m a t a - l n er u l e sa r eu s e dt oo p e r a t eo na l lp i x e l si nt h e i n i t i a lm i c r o s t r u c t u r e ，a n dt h eh y d r a t i o np r o c e s so f c e m e n ti ss i m u l a t e db yt h i sw a y i nt h i st h e s i s ， w es t a r tw k ht h es e g m e n t a t i o na n dp r e c e s so f c e m e n tp a s t e s2 - ds e m 担 l a g e s o n t h eb a s i so f r e s e a r c h i n ga n da n a l y z i n gb e n l zc ta l si m a g es e g m e n t a t i o nm e t h o d w et r a n s f o r mt h ei m a g e s e g m e n t a t i o nq u e s t i o nt oaq u e s t i o no f i m a g em a t c h i n g ，a n dp r o p o s ean e wi m a g es e g m e n t a t i o n a l g o r i t h mw h i c h i sb a s e do nc o r r e l a t i o nm e a s u r e m e n tf r o mt h e p o i n to f v i e wo f e a g i t a li m a g e p m c e s s i n t h i s n e w a l g o r i t h m ，2 - d x - r a y i m a g e s a r e c o l l e c t e d f o r c a ，s i ，a t ，f e ，s ，k 。m g , a n d g r e y - l e v e l v a l u e o f t h es a n 2 e p o i n t i n t h e s e i m a g e s a r e n o r m a l i z e d a n d a r r a n g e d a s a v e c t o r i n a p a r t i c u l a ro r d e r i nt h i sp a p e r , t h ev e c t o ri sn a m e da sc h a r a c t e rv e c t o r , f o ri tc a nb eu s e dt o c h a r a c t e r i z ee a c h i l 娃i nc e m e n tp a s t e s2 - di m a g e 。t h ec h a r a c t e rv e c t o r so f e a c hp h a s ei n c e m e n tp a s t ew h i c ha r en a m e dd a t u mm a r ka r eo b t a i n e db yc o m p o s i t i o na n a l y s i sa n dn u m e r i c a l e x p e r i m e n t f o re a c hp o i n ti nc e m e n tp a s t e s2 di m a g e , c o r r e l a 垃o nm e a s u r e m e n 招b e t w e e nt h i s p o i n t sc h a r a c t e rv e c t o ra n de a c hd a t u mm a r ka r ec a l c u l a t e d , a n dt h ep h a s ew h i c hh a st h e m 础l l u mr e l a t i v i t yw i t ht i f f sp o i n ti sa s s i g n e da st h i sp o i n t sp h a s e ，s op h a s eo f e a c h p o i n ti n c e m e n tp a s t e s2 - di m a g ec a nb ei d e n t i f i e di nt h i sw a y , a n dt h ec e m e m i m a g ei ss e g m e n t e d b y c o m p a r i s o n ，w ef i n dt h a tn e wa l g o r i t h mc a na c h i e v et h es a m es e g m e n t a t i o np r e c i s i o na sb e n t ze t a l sa l g 砥也擞，a n dc a ne a s i l yb ee x t e n d e dt o o 。i nn e w a l g o r i t h m ，i ti sn o tn e c e s s a r y t oc n c n 融e g r e y - l e v e it h r e s h o l df o re a c hx - r a yi m a g ew h i c hi si n e v i t a b l ei nb e n t ze ia l sm e t h o d s ot h en e w a l g o r i t h mi sm o r eg e n e r a l ，c o m p u t a t i o n a la n de r r o rt o l e r a n c e k e yw o r d s ：s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ；s e m ；i m a g es e g m e n t a t i o n ：c e m e n th y d r a t i o n ： c o r r e l a t i o nm e a s u r e m e n t - 1 l - 大连理工大学硕士学位论文 插图或附表清单 图0 1 从b r e u g e l 的模型中生成的三维计算体积中获取的一个二维截面图4 图0 2 以数字图像为基础的水泥水化模型中的几个模拟过程图示5 图o 3 将实验和模拟相结合进行水泥性能预测的流程图5 图1 1 11 5 号水泥和1 1 6 号的实测粒径分布与r - r 函数的计算结果对比1 0 图1 _ 2c 3 s 水化放热速率的时间变化曲线1 2 图1 _ 3 有石膏存在时c 埘的水化过程15 图1 4 波特兰水泥的水化放热曲线1 7 图2 1 周期性边界二维示意图2 2 图2 2c e m e n t1 3 3 水泥颗粒三维图像中的二维截面2 3 图2 3c e m e n t1 3 3 水泥最终三维微结构中的二维截面2 5 图2 4c e m e n t1 3 3 水泥最终三维微结构中的中心部分图像2 5 图2 5 二维元胞自动机中的两种邻居关系2 6 图2 6 水泥模型中的反应2 8 图2 7c a 程序流程图2 8 图2 8 三维水化模型中的状态转移图2 9 图3 1c e m e n t1 3 3 水泥的b s e 和x 射线图像3 5 图3 2b e n t z 和s t u t z m a n 的图像分割方法中所用的判定树3 6 图3 3c e m e n t1 3 3 水泥中c a 元素x - 射线图像的灰度直方图3 6 图3 4 用基于判定树的方法分割处理后的c e m e n t1 3 3 水泥的各相分布图像3 7 图3 5 用基于相关度量的方法对c e m e n t1 3 3 水泥二维截面分割处理后的图像4 2 图3 6 c e m e n t1 3 3 水泥另二维截面分割处理后的图像一4 2 表1 1 普通波特兰水泥的生料的化学组成6 表1 2c e m e n t11 5 和c e m e n t11 6 水泥的离散粒径分布1 0 表1 3c a s 水化各阶段的化学过程和动力学行为1 2 表1 , 4c 埘的水化产物1 4 表2 1 水泥中各相的物理性质2 7 表3 1 水泥中一些相的密度、平均原子量和背散射系数，按照它们在b s e 图像的亮度 大小排序3 3 一 重鲎签! 垄望查些塾堡塑生簦垫堡型竺鲨坌堑 表3 2 用本文方法与用b e r 此和s m t 珊a d 的方法对c e m e m1 3 3 水泥图像进行分割处理 的结果对比4 3 盔塑三查堂堡主兰垡! 箜茎 c h s 一 f s m c 。s c s e 爿 c a a f c s h 、 c 日 c s h a f t a f m 注释说明清单 氧化钙( c a o ) 水( e 0 ) 氧化硅( s f q ) 氧化铝( a t 2 d 3 ) 氧化铁( n ：0 3 ) 氧化硫( s 0 0 氧化镁( m g o ) 硅酸三钙( 3 c a o s i q ) 硅酸二钙( 2 c a o s i 0 2 ) 铝酸三钙( 3 c a o 彳f 2 d 3 ) 铁铝酸四钙( 4 c a o 一f 2d 3 f e 2 0 3 ) 石膏( c a s o , 2 h 2 d ) 氢氧化( c a ( o h ) ，) 水化硅酸钙( x c a o s i 0 2 y 以0 ) n 矾e ( 3 c a o 一0 3 3 c a s 0 4 3 2 马o ，c 3 a 3 c s 吗2 ) 单硫型水化硫铝酸钙( 3 c a o m 2 0 3 c a s 0 4 1 2 哎0 ， q 彳c s q 2 ) v i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学或者其 他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡 献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：烫捣期：兰堕：! 兰 霉海椿：水滋承亿道程懿诗舞撬模羧算法分耩 大连理工大辫学位论文版权使用授权书 本学铯论文作者及指导剥币完全了解“大连臻工大攀硕士、溥士学位论文版权使用规 定”，同意大涟理工大学傈留并向霞家有关部门或机构送交学德论文的复印傣釉电子版， 允许论文被套嘲和借阅。本人授权大涟理工大学可以将零学位论文的众部或都分内容编入 霄关数掭露遵行检索，墩胃襞胃影e f 】、缩印或扫辩等复制手段舔存积汇编学筏论文。 储磁：器函棘 嚣粪器签名：安呋为 垒! ! 唑月羔圈 大连瑾工大学硕士学位论文 引言 承祝是霸常生活中广泛使用的一种建筑辩料。房麓、桥粱、隧道、公路、堤坝、管道， 随处都可以见到水泥的身影。许多人都认为水泥是一种结构简单、技术含量不高的材料， 僮实际上承滚的痨部缩穆 常复杂。在家泥工厂里，添焉一是豹工艺过程煅浇生石灰( 提 供钙) 和粘土( 提供张、铝、铁) 组成的混合物，得誉0 块状的水泥熟料；然后，将水泥熟 辩磺薅藏粉寒狡。在研密过獠中，一般要蠡l 入一定数鬃鹣石黉，它哥虢调节永淀酶永纯速 度和凝结时间。充分研磨之后，就得到日常所见的水泥粉末，它是由一些多尺度、多棚并 显影羧援不栽剐熬黢卷缝戚，这些羲羧最，l 、戆嶷径不裂l i m ，最大戆纛径l 越过1 0 0 掣m 1 1 。 水泥粉末与水混合之厢，会发生一系列复杂的化学反廒( 水化反应) ，这些反应将初始时 糙瓣、胶状懿瘩雾曩- 零潺会甥转变成炱骞一定联度、强液秘多魏熬霆傣状物傣，豫羹拳淀浆 体；它能将碎石、钢筋等粗、细骨料粘结在哪b ，形成我们常见的混凝土构件。 零淀粉末中豹各釉纯学成分( 樱) 蛇东化速度是不一样妻孽，著且不因穗懿农位过程互 相影响，其缩果就是产生了各种各样的反应产物。有蟪积淀在水泥颗粒的表面，称为袭面 产物( s u r f a c ep r o d u c t s ) 有些存在予水泥颞粒闯斡闯隙( 被水联壤充) 闽，并爨以晶体瓣形 态出现，称为孔隙产物( p o r ep r o d u c t s ) 。有些水化产物中还含脊纳米大小的孔。因此，水化 产物的大小范围非常大，从几纳米至几百微米；如果其中有碎石，则产物的大小将达到厘 米缀。由于产物的不确定性和产物形状的不规剃性，猩水泥材料的研究中，许多问题黧今 仍无法回答，例如水泥浆体的微结构及其发展、水泥的水化过程和机璎、以及它们和水泥 构 孛凝终性能翡关系等闯题。但是和其它大多数的工救材料一样，为了能更好地掌握和控 制产物的性能，必须簧知道水泥的水化过程、水泥的徽结构和水泥的j 陡能之间的关系。所 臣衣淀承纯磷究无论从理论至实践都爨一个十分复杂耱具有挑战涟的阏题，它不仅其脊很 高的理论价值，而且舆有广泛的工程指导意义，几十年来一喜是国内外水泥研究领域的重 要漾簇。鏊 l 蓼，雷内争 对承滋求亿遘穗熬磅究主要集中在两个方垂：试验衮溺嗣诗算捉摸 拟。 零淀静零位反应逡程，甏滚震授多实验麓察绩栗寒表征，窳测量教热速率一辩闻美系， 测量c 铲十进入溶液的逸率一时间关系，观察水化产物的变化情况等。其中应用较多的是测量 款热速率与露瓣静关系p 霹。它是一令霹以连续鼹察交像靛据橡，l 动悫魏爱浚不曩除段承 泥浆体的变化。同时，水泥水化热的研究对混凝土工艺也有多方面的意义。例如：水化热 对某魑工程煮不利影嗡，龆在大傣积滋凝熬工孛，噬予混凝戆导热睦差，产生豹热霪 长期散发不出来，会产生巨大的温度应力，使混凝土皲裂，出现渗漏，从而给工程带= 采不 同程发的危害；但在菜些场合，水他热对施工却是有懿款，例麴冬季施工湛度低，不足娃 雷海林：水泥水化过程的计算机模拟算法分析 提供水化反应所需的活化能，此时恰恰可以利用这种放热。这些都说明水化热的测量与研 究，不但可以用来解释水泥凝结和硬化的特征，揭示水化机理，同时对于温度的预测，更 有助于指导工程实践，为各种冷却或者保温措施提供科学的理论依据。对水化热的测量， 主要有两种方法：直接法( 蓄热法) 和间接法( 溶解热法) 。现阶段我国使用最广泛的是 直接法。这两种方法虽然能够反映不同时期的水化热，但都存在着测量精度不高、连续性 差、人为误差大、对环境温度的控制要求较高、操作人员的劳动强度大等局限性 3 9 , 4 0 。为此， 人们尝试用用新的测试手段与仪器来研究水化过程【4 l 】，如法国s e t a r a m 公司生产的 c a l v e t 热导式量热仪( c 8 0 微量热仪) 。该仪器利用了直接法测水泥水化热的原理，但 在测试精度上却大大提高，并且取点的时间间隔缩短，采用微机进行数据的采集和处理， 减少了人为误差。 水泥水化研究中的另一类钡0 试是针对水泥浆体的微结构。在1 9 6 0 年的第4 届国际水泥 化学会议上，p o w e r s 发表了关于硬化水泥浆体的物理结构和性能的论文，对水泥浆体的微 结构作了纲领性的描述田。此后，随着分析仪器的不断发展，大量的论文开始致力于水泥浆 体微结构的研究，并揭示了许多微结构与材料性能的关系。这些研究表明，在水泥基材料 中，浆体的微结构对材料的性能，如强度、收缩、徐变、耐久性等都有很大影响i s - s 。因此， 深入探讨浆体微结构及其演化规律，成为预测材料的性能，特别是高性能水泥基材料的指 南。目前，测量水泥浆体中的固体微结构元和孔结构的方法主要有电子光学法【7 , 1 1 , 4 2 1 、压汞 法m 、等温吸附法【6 j 、小角x 射线散射法、交流阻抗谱技术m 等。 自八十年代以来，随着计算机技术的飞速发展，除了以往的实验手段外，计算机模拟 已成为解决材料科学中理论和实际问题的重要组成部分，并产生了一门新的学科计算 材料科学【4 5 j 。从水泥材料看，近1 0 年来，国内外的学者一直致力于用计算机来模拟水泥基 材料的水化过程、微结构及其变化规律的研究，试图揭示其内在机理。这其中，最基本也 是最重要的步骤是如何用计算机来描述水泥的微结构。 w i t t m a n n 等人降驯最早提出用计算机来模拟水泥或混凝土的微结构，并建立了“数字混 凝土”模型。在w i t t m a n n 的模型中，水泥的微结构由作为基体的水泥浆体和含于其中的骨 料组成，其中，水泥浆体用矩阵的形式描述；将微结构映射到有限元网格上，用有限元的 方法就能计算热量、湿度和机械压力分布等参数。w i t t m a n n 的模型是比较粗糙的，和实际 的微结构相差比较大，水泥浆体的许多性质也不能从模型中体现出来。 j e n n i n g ss n j o h n s o ni i 叫首创了将水泥颗粒作为基本单元来描述水泥浆体的微结构，创 立了连续描述法。在j e n n i n g s 和j o h n s o n 的模型中，将水泥颗粒视为球状，在水化反应过程 中，水泥颗粒的外表将被一层水化硅酸钙( g s 二劭凝胶所覆盖，其厚度随着反应的进行而不 断增加。另外，在反应过程中，生成的氢氧化钙( c 功晶体能在连续的孔隙中聚集成核，并 大连理工大学硬士学位论文 且隧着反应的进行而增大。j e n n i n g s 和j o h n s o n 提出的模型是一种连缭模型，农模型中，每 一个水泥颗糨( 包括骨料) 用它的中心黛标和一系列半径来表示，包括未水他核的半径和其上 的一层或多艨永纯产物的半径( 表示水泥水化后的内部产物粕外部产物) 。b r e u g e i 1 2 q 4 1 也 提出丁一个类似的连续模型。该模型也假设水泥颗粒为球形，随着水化过程的进行，位于 大鬏粒附近静，j 、颗粒将逐渐被大颗粒术化后形成的产物壳层吞邀，产物层醚辩闻延长瓶增 厚。b r e u g e l 的模型盥式考虑了水泥的粒径分稚、水获比和反廉温度等因素，图0 1 显示了由 该模嫠生成并输出静阕形结巢。还有释连续模登是以m o s a i c 方法为纂疆的【1 5 1 ：在该模型 中，用一系列直线将二维空间划分成多个凸多边形，用这些多边形表示未水化的水泥颗粒 亵隶健产物。使雳这耱按术，可敬狠轻橙懿横箍东淀中各耱分布离散豹相，毽器同眩横j 薹i 分布连续的相或渗流相，如水泥浆体中的c h 、毛细管孔和。口日凝胶相，就会遇到计算 上静滚战，佼褥模瓠嶷或不哥链。练上，连续模鍪鼗绘密一些骞溺熬数量蔫悫，毖黧粒径 分布对水泥水化动力学的影响。但连续模型不能直接计算传输和机械属性，而这些属性在 w i t t m a n n 麴数字混凝模螯中帮女缀容易的箨篷。 为了克服连续模型的局限性，美豳n i s t 实验室的b e n t z 等人建立了基于数字图像的模 数摸型 1 6 嘲。该模型将每一个农淀颞糖描述或一些图像像素鲍燕合嚣，逶过一套元鼹蠡动辊 规则操纵全部像素来模拟水流的水化澈程郾到。使用该模型可以很容易的描述多尺度、多相、 非球形的水泷颗粒。该模型怒逐激发鼹的，它经历了从最扔仅模拟水泥中的主要扫硅羧三 钙( g s ) 的水化过程7 - 3 1 ，到将水泥中的所有相都考虑到水泥水化模型中口l ，以及从二维模拟 至4 三维模拟的发展过程。另外，由于这些微结梅是以像素为基本单元瓣，可以缀容易驰烽 水混的微结构映射到有限差分或有限元栅格上。所以，利用这个模型，可以很方便、容易 的模拟并计算如水泥的渗流度【1 7 1 、扩散率口4 】、复合阻抗口瓠、凝结行为等。熬予数字图像 的模 莓c 模型也有它的简限性，主要在予它的解析度。潮为，在模型中，每个像索所占的体 积是t , u m 3 ，所以，对予小于这个尺度的一些特征量，模型就无能为力了。不过，万幸盼是， 大多数水泥颗粒的直裰都在l z m 和7 0 z m 之间，因此，可以用这一模涎来很好的模拟实际 中各张水泥的水化过稷。在实际应用中，使用2 0 0 x 2 0 0 x 2 0 0 像素大小的计算空间就可以缀 精确的描述甑莱一给定水泥的徽结构。通过对模拟结巢画图表、数值分析，并和实验缩果 相比较，以便对某些参数进行校正，遮之后就可以根据模拟的结果来预测水泥构件的一些 往箍，包括永化度、水纯熟、纯学牧缩等口1 翊。图o 3 攒绘了b e n t z 静水化模型模拟和实验相 结合的操作流程。b e n t z 等人已l 经将此模型用c 语言实现，做成程序包，程序名称为 c y m h y d 3 d ；谴稍将程亭敷发布在潮上，供笸赛各鞫静研究喾参考辆使用，同时还提供 程序的源代码恻。到现在该程序已经发展到3 0 版。 雷海林：水泥水化过程的计算机模拟算法分析 基于数字图像的水泥水化模型使用元胞自动机规则，避开尚存争议的具体水化机制， 使用水泥的s e m 高清晰照片作为模型的初始输入，而且现在已经发展到可以模拟水泥中的 所有主要相以及在水泥中加入各种外加剂的水化过程 2 7 , 2 8 1 ；另外，由于n i s t 采用开放的研 究方式，向外公开模型的源代码，使得世界其他国家的研究者能方便的在此模型的基础上 作进一步的研究。在国内，对这一模型的研究还不是很多，山东建材工学院的董学仁即】等 人在这一方面作了前导性的工作，将该模型引入并介绍给国内的其他研究者。兰十i 1 理工大 学的李旭东 4 7 1 等人在该模型的基础上开发了自己的水泥水化模拟和预测软件 c e m t u r e s h o p 。 本文主要以b e n t z 的水泥水化计算机模拟模型作为研究的出发点。结合现有的条件和实 际情况，将研究重点放在了水泥二维s e m 图像的处理上。b e n t z 和s t u t z m a n 提出了基于判 定树的图像分割方法，本文在此基础上引入了一种新的基于相关度量的水泥二维图像分割 方法。 本文第l 节介绍水泥及其水化的一些基本知识，包括水泥的组成、特征和水化的过程； 第2 节介绍b e n t z 的水泥水化计算机三维模拟模型，包括模型的模拟流程、微结构三维重建 和基于元胞自动机的水泥水化规则：第3 节介绍水泥二维s e m 图像的获取和处理方法，包 括用于观测的水泥试样的制备、s e m 图像的分割和处理。 图o 1 从b r e u g e l 的模型中生成的三维计算体积中获取的一个二维截面图 f i g0 1a n e x a m p l e o f g r a p h i c a lo u t p u t f r o m t h e m o d e lo f b r e u g e l i m a g es h o w n i sa t w o - d i m e n s i o n a l s l i c ef r o ma t h r e e - d i m e n s i o n a ls p h e d c n c o m p u t a t i o n a lv o l u m e 大连理工大学硕士学位论文 粪轾器羹与水棍合的蛰蠡j 管 水化3 2 x 水化7 6 初始状态扩散之后 水 瓣黼 c t s c 2 s q a c i a f 石膏 c s h c h 象鞋蓑 图0 2 以数字图像为基础的水泥水化模型中的几个模拟过程图示 f i g 0 , 2i l l u s t r a t i o no f v a r i o u ss t e p si nt h ed i g i t a l - i m a g e b a s e dc e m e n th y d r a t i o nm o d e l s e - i m a g e s c e n l e n t p c w d e r h y d r a t i o n 盐e & c t 蛔n u l e s 3 d p h y s i c a l 3 1 i e r a s t r u c t u r e p r o p e r t y e v a l u t l o n p u t a t i o z 雩弋三严 s h r i n k a g e 行水泥性能预测的流程图 f i g 0 3f l o wd i a g r m ns u m m a r i z i n ge x p e r i m e n t a la n dm o d e l i n gp r o g r a mf o rp r e d i c t i n gc e m e n tp e r f o r m a n c e 5 由 雷海拣：永溅承纯过程静计算机模掇雾畿5 争橱 1 水泥化学 1 1 水泥的化学组成和特征 。 瘩泥鹣 乏拳缝袋 1 。 。1 ，1 生料的矿物组成 难料是用于生产水泥的原材料。生产波特兰水泥的主要原料是石灰质原料和粘土质原 料。拣灰质原料可以采用石灰嚣、白骧、石获壤凝灰裟等，糖质原料可以采爆糙、离 岭石、黄土等1 4 s l 。将难料磨细并按一定的配比混合均匀，就可以放入嘲转窑中煅烧来制备 水泥【1 】。生料的混合物中，有阻种主要的氧化物，分别是氧化钙( c a o ) 、氧化硅瓣晓) 、裁他 铝9 1 2 0 3 ) 耜氧化铁( f e 2 0 3 ) 。它们是熟料形成过程中的主要反应物，也怒构成水泥的主要成 分。生料中述含有一嬲含量不是很多识对水泥热料的烧制和水化过程衣很大影响的氧化物， 它霄j 麓氧亿镁( m g o ) 、氧纯锌( 晒d ) 、甑亿钠( n a z o ) 裙氧化硫( s 0 3 ) 。其中s 0 3 不单独出现， 主要以n a 2 s 0 4 和k 2 s 0 4 等硫化物的形式存在于生料中。需要特别注意的是生料中s 0 3 即硫 纯秘豹含量，嚣为在永淀硬纯觞罩麓，它和水泥生产菇期热入酌石膏一起对承泥承纯遽度 起着调节的作用【l2 ，即硫化物能影响水泥硬化初期的凝结时间，这在工程上是很有用的。 除既之努，垒瓣孛还含有其它豹一些徽量氧亿耪，螽t i 0 2 、m n 2 0 3 、t 0 5 等，峦于它们对 于水泥水化过程和性能的影响不是很大，在建立水化模拟模型时，可以不用考虑它们。表 l ，l u l 捌窭了簧暹渡特兰承混懿整糕孛镑氧鼗懿麓震量嚣分蓖裁辍。鼓袭孛霉苏爱塞，徽量 氧化物的含量变动比率要远远大于主隳氧化物，也就魑说实际的生料中，主要辇c 化物的含 量掇瓣稳定，瑟羧量裁绽物静含量变像擐大，嚣踅，凌配豢l 生瓣对豢零鬟要霉秀l 入菜夔特 定的矿石来调节微量飘化物的含量。 袭1 1 普通波特兰水泥的生料的化学组成 t a b l el - lc h e m i c a lc o m p o s i t i o no f r a w m a t e r i a l s o f o r d i n a r y p o r t l a n d c e m e n t 。 。 2 熬瓣戆住学缀或 将配制好的生料遴入回转窑中，缀过于燥、部分熔融、烧结、冷却等工艺i 建程之后， 褥至l 承淀熬粒；再将熬籽矮瘩残耪末狻，裁餐戮露零生活孛豢冤静东滤狳寒“1 。塞器 在簸浇 夫连理工大学硕士学位论文 过程中，其缀分在高温下发垒圃相反簸，反藏产物中含量最多酌是硅酸三钙( 白| s ，、硅酸二 钙( c 2 s ) 、铝酸三钙( c 姒) 和铁镪酸四钙( c “d 这四种物质；它们是组成水泥的主露相( 文献中 常称永泥中豹吾组分为程) ，遴常占隶泥总量翡9 5 戳上。这瓣稀稆在承淀中并不是纯瀚， 通常都含有一定量的杂质，如凡、a 1 、m g 、c r 、z n 等元豢。含有杂质的白s 也叫阿列特( 削抽e ) ， 是熬瓣孛静圭要穗，禽量逶黟在4 0 释7 0 2 _ 阂；其麓体力+ 字交叉豹六面棒浚，尺寸可 达1 5 0 t m ，存在有晶形、半隅形和无晶形三种形态田j 。含有杂质的聊称为贝列特( b l i t e ) 或者筘一o s ，也是承淀熬糕静主要穗，一觳蠢熬精惑霞量静1 5 - 4 5 ；箕晶体星球霞狡， 尺寸在5 - - 4 0 a m 之间。c 到占熟料总量的1 - 1 5 ，晶体呈条状，尺寸程1 - 6 0 t i n 之间。c 钮 晶体懑常填充在铁酸簸磊落阉豹空豫中。不筑瓣e 罐豫为塞捌特犯c l i 嗡，占熬辩慈羹的 0 - 18 ，其晶体呈现枝权状、长柱状和团状多种形态。c 3 a 和c 4 a f 相通常被认为是粘缩相 或短簿穗，嚣必宅弱豹鑫侮分布在硅酸益鑫体之阕，辩将硅酸楚螽傣糨结在一逛 2 9 1 。 除了上述的四种主要相之外，水泥熟料中还含有一些微量成分，如游离的氧化钙、菱 镁蠢( m g o ) 、溅盐( k 2 s 0 4 、n a 2 s 0 4 f f q ) 。贯乡 ，熬辩中逐蠢一个 l 较重妥鹣缝戎郯分，潮玻 璃相 稍】；它是熟料经过急速冷却形成的，主要成分是爿f 2 0 3 、凡2 0 3 、c a o 以及少量的a r g o 。 玻璃鞠魏形成是由于熟料烧至部分熔融对部分波提在冷颦时来不及辑熬戆结暴。魏於，在 熟料粉磨的过程中，为了改善水泥的蚀能，通常要加入一定量的石膏以及外加剂如矿激、 硅灰、粉煤获等。 实际上，水泥熟料的最终组成，依赖于生科的矿物组成和生产工装过程中的各种条件， 如生料混合悬露均匀、生料的易烧性与活性、加热的控制过程、熟料的冷却速率等。其中 熟料的冷却过程对熟料的最终组成有j # 常大的影响 1 2 1 。 。1 。1 。3 熟! i 枣各维分含量的测定方法 关于如何测定熟料中各相的含量存在两类不同的方法，分别是间接法和直接法。间接 法裁是弱数学戆方法寒诗算各缝分斡含量，逡会予桌黧疆究。嶷接法就是透过实验载方法 来测冀水泥中各组分的含量。通常认为直接法具有更高的精度，但实际操作起来比较费时、 费力、重复世大，从褥测量成零离。不过直接法憋熟料豹冷却历史对熬辩最终缀成的影瞧 包含了进来，间接法就很难做茔0 这一点，这是随接法的优势所在。下面对这两类方法作一 个简要的介缨。 1 ) 间接法 最早也是被引用次数最多的计算熟料组成的数学方法是b o g u e t 3 0 提出来的。b o g u e 法 根据熟料中各种氧化物的含量宋计算熟料中的阻种主要相郎c 3 s c 2 s 、c 弘和c t f 的含量。 计算公式如下( 括号中的化学符号表示相应氧化物的含量，单位都是) ： 雷海捧：承嚣农诧过程的计算辊援掇葬法努辑 c 3 s = 4 0 7 ( c a o ) 一7 0 6 ( s i 0 2 ) 一6 7 2 ( a t 2 9 ) 一1 4 3 ( o i ) 一2 8 5 ( s 0 3 ) c 2 s = 1 8 7 ( s i 0 2 ) 一0 7 5 4 ( 3 c a 0 s i 0 2 ) ，4 一f 2 6 5 ( a z 2 0 3 ) a f 0 6 4 ， 1 “【0 a f 0 6 4 q a f = 3 0 4 ( f e 2 0 3 ) ( 1 1 ) 上式中的a f 称为铝率( 或铁拳) 。 b o g u e 法获雳静公式是农充分滚浇蠢缓後冷却绩纯学反澎与结晶过程完全这裂平衡的 条件下建立的，而在实际情况中，各种反应不一定都憋平衡的，所以理论计算结果与真实 鹣矿耪组或鸯定会寄一定黪穗差。不避，蒋蓠b o g u e 法诗算静结果 乍为对真实酶矿物缀成 的个大体的估计还烧可以的，所以，该方法目前还被广泛的使用【1 2 】。 2 ) 壹羧法 直接法也即实验法，一般是使用一定的实验手段获取水泥的二维或三维图像，然厨从 耍像中区分戴浚剩凄缀残东淀鼹各耱穗，这襻渡可敬诗算遗各程兹含豢。获取拳涯图像豹 工具和方法有多种，常用的育电子显微镜、光学显微镜、x - 射线衍射频谱、x ，射线流分析 和扫攘退子爨羧镜( s e m ) 等。痰予壹接法蹇接获取实黪承混熬黧像，爨淡它苓纹霹鞋褥攀g 各 相的禽量，述能得到备相的空间分布情况。用直接法测算水泥中各相的含量时需要解决三 个闻题：一是恩于溉测盼水溅试样的豢l 蛋；二是获取熬水泥图像螅精度；三是从匿像中区 分出缀成水泥的各相的方法。在各种获取水混图像的方法中，s e m 的拍摄精度是最高的， 而且能避免用其它方法拍摄过程中遇到许多困艨吲。美固n i s t 实验室的s t u t z m a n 和b e n t z 在使用s e m 采确定水泥的相缀成方面做了许多工作，在水泥样品的制备、组成水泥的备相 的识别和分割等方面提出许多新颖和旃效的方法盱, 2 9 , 3 1 - 3 3 1 。本文在分析s t u t z r n a n 和b e n t z 的 方法鹩基础上，提出了一种新的基于相关度量的识另水泥图像中的各楣的方法，获得了较 好的分割结果。在节3 中将分另n 对s t u t z m a n 的方法和新方法作详细的介绍。 1 1 2 水泥的特征 。 。2 ， 鬏羧足专分豢 擞称为粒径分布( p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n ) ，是指箨莘申尺寸婀水泥颗粒的空间数量密度， 露攀谯薅黎黥岽淀建帮多少个菜一足寸大小煞求涎鬏粒。歪赣，雳予瓣定东巍黢粒只曹分 布的方法有籀于沉积的方法( 如x r s x 射线沉积法) 、激光衍射法、光学鼹微镜法、空 气努穰法霸c o u l t e r 诗数法。其中，激光惩射法是嚣蓊馕霹最广泛戆一耱方法。在这些穷法 中，一般都不考虑水漏颗粒的实际形状和大小，丽是将水泥颗粒近似为与实际颗粒等体积 熬球形颞筏。这芬蕊化方便了诗霎，对于零混粒径努蛮数学搂羹翁建立瞧舂缀大夔黎躺t 大连瑾工大学硕举往论文 当然，作这样的简化之后，这些数学模蛰就无法描述水泥颗粒的实际形狭和大小了。实际 上，由于水泥颗粒的极不规则性，翳建立一个可行的、能够撒述水泥颗粒实际形状的数学 模激是不可能的。所以，上述的简化是援有必要豹。不过程翔模墼对实际数据进行解释对 就需要考虑到实际颗粒不是球形的【1 2 j 。 许多学髫郡致力于寻求个能较准确鹃箍述零泥粒镫分布静数学表遮蕊。旱在1 9 6 0 年，h e r d a n p 哪就给出了一大批用于描述研磨过的材料的粒径分布的表达式，不过在描述水 泷蠡棼粒径分布主，爝瓣最多鹣一个公式是r o u s i n - r a m m l e r ( r - 稀丞数。这个公式最旱楚雳专： 描述研磨过的煤的粒径分布的。该表达式如下； g ( 磅= 1 0 0 ( t - e 一舻) ( 1 。2 ) 其中，x 表示颗粒尺寸( 直径；b m ) ，g ( x ) 表示直径小于成等于x 的颗粒的含量( 呦，b 嚣n 是豢数。 r - r 函数的优点是只有两个待寇参数，故能极大的简化计算过程。但是r - r 函数也有 不足之处。它认为7 k 混鬏粒翡尺寸分布是连续懿，毽实际上水泥懿粮径分臻般是襄数躬。 另外，在实际使用中发现，对于l 肌2 0 b m 之间的粒径分布，用r - r 函数计算的结果袋高于 实际僮，恧慰予2 队5 0 芦聪之闻兹羧经分悫，鼹r - r 灏数诗冀熬缝暴鞭低予实际筐。梵了克 服r - r 函数的缺点，人们又提出了许多其它的粒径分布函数，其中效果比较好的是k u n d s e n 提出鲍一个函数： g ( x ) 小m + “ ( 1 3 )、。 c 一秘c b 、。 薄予足寸在o 1p m 以上的颡粒的尺寸分布，滔式( 1 3 ) 计算静结果能与实际值很好的渤台。 ( 1 3 ) 的缺点就是式中的两个常数各出现了两次，从而降低了袭达式的透明性。 在实际中究竟该选角哪个分布黼数来描逡菜一稀水泥的糨径分布没有一个通用豹准 则。不过精确度是必须考虑的。实际上预测的粒径分布和实际的粒径分布稍肖偏差对于水 纯邀程静搂叛结暴死乎没有仟么影桶，所敬，鼹诗冀豹筵便浚考虑，r - r 丞数还是蕊的最多 的。一方面，r - r 函数中只用两个常数就能描述水泥的粒径分布；另一方面，许多关于水泥 粒经势毒静文藏都後瑶r - r 溺鼗，嚣驻耪关数据静获彀遣程对容易些。袭1 。2 歹鞋凌静是e e m e 基 1 1 5 和c e m e n t l l 6 水泥的粒径分布c 用x r s 法测得