基于X-CT技术的木材三维孔隙结构评定与量化研究

摘要

木材的微观孔隙结构是影响其宏观水分迁移、传热及力学性质等重要因素.为定量表征孔隙结构对上述参数的影响,首要任务是获得精确的孔隙结构参数信息.然而传统孔隙结构检测方法在三维孔隙结构评定与参数精确量化分析方面略显不足.为此本文采用X射线计算机断层扫描(简称X-CT)技术重构木材三维孔隙结构,结合数字图像处理技术量化孔隙结构参数,以期为木材三维孔隙结构检测与量化分析提供新途径.以落叶松与柞木为研究对象,对其进行X-CT检测,将扫描结果(多层二维平面图像)在Avizo软件中进行三维体渲染(三维立体图像);在此基础上,采用图像裁切、噪声过滤、阈值分割及标记等数字图像处理手段,识别三维孔隙结构特征;定量计算诸如孔隙率(体/面)、孔面积与孔体积、孔径分布及连通性.结果表明,边长3 mm的立方体松木样品内,孔径尺寸范围为9.65～79.51μm,平均孔径为26.03μm,孔体积为1.58×1010μm3,孔面积为1.65×109μm2,体孔隙率为58.46％,面孔隙率范围为56.61％ ～59.64％;轴向连通孔隙孔面积与体积占比分别为78.5％与80.3％.同样尺寸的柞木样品内,孔径尺寸范围为11.01～319.68μm,平均孔径为51.24μm,孔体积为1.01×1010μm3,孔面积为1.12×109μm2,体孔隙率为37.57％,面孔隙率范围为36.05％ ～39.07％;轴向连通孔隙孔面积与体积占比分别为74.4％与67.3％.本研究基于X-CT技术定性定量表征了木材孔隙结构,可为木材孔隙结构重构及导热、渗流及扩散模拟提供孔隙结构数据支撑,同时为木材微观孔隙的研究提供了新思路.