水泥是世界范围内使用最广泛的一种建筑材料。然而,水泥生产的重现性很差。即使是相同的水泥熟料配比,在不同的试验条件下,也很难得到性能完全相同的水泥。此外,由于高性能水泥的理论知识和设计方面的严重匮乏,我国高性能水泥的产出率很低。而水泥水化、硬化过程中复杂的物理和化学变化又导致水泥的生产过程难以精确控制,甚至水泥水化过程的研究也变得十分复杂。为了设计高性能胶凝材料,急需科学有效的方法来研究水泥水化的机理。在水泥科学的研究中,先进的研究工具的引入已经为在微观尺度上研究水泥水化提供了可能。一些新的、先进的研究工具,被引入到水泥科学的研究中,使相关研究人员对水泥水化的认识可以达到更深的层次。尤其是微米级显微断层扫描的引入,能够展示水泥水化过程中四维微观尺度下的固体结构演化。可以帮助科学家直接从时序微观图像序列中观察形态和相位的变化。其次,水泥的微观结构与物理性能之间的动态关系可以通过图像序列被测量和分析。此外,水泥微观结构的动态图像为指导计算机模型的设计提供了原始数据。然而,微米级显微断层扫描得到的原始图像存在的很多问题限制了水泥水化的研究。仅使用观测数据的方法来提取自然规律也存在很多困难。通过将传统的实验研究方法与先进的研究工具,图像处理技术,计算智能技术相结合,用水泥水化微观结构时序图像研究水泥水化机理,将为水泥科学的研究提供新的途径,对水泥工业的发展具有深远的意义和广阔的应用前景。通过将传统的实验研究方法与先进的研究工具,图像处理技术,计算智能技术相结合,用水泥水化微观结构时序图像研究水泥水化机理,将为水泥科学的研究提供新的途径,对水泥工业的发展具有深远的意义和广阔的应用前景。本文主要从以下几个方面进行水泥水化四维微观结构图像校正及物相分析:(1)水泥水化下采样μCT图像的配准为了表现出不同类型和大小的物相以详细了解水泥水化机理,在实践中,高分辨率的三维图像需要超过2 Gigapixel甚至达到500 Gigapixel。因此,图像处理所需的资源量,如内存和时间消耗,是巨大的。本文基于互信息和多层粒子群优化进行了水泥水化下采样μCT图像配准的尝试,成功的减小了问题的复杂度。(2)四维高质量水泥水化微观结构图像的快速构建研究水泥浆体在水化过程中的微观结构演化对于理解其水化机理和设计新型材料具有重要意义。随着微米级显微断层扫描和图像配准的使用,水泥浆体的四维结构可以被捕获,从而帮助科学家原位研究水化过程。然而,存在的大量限制,例如较大的尺寸、各向同性和同质性等,严重阻碍了高质量的水泥水化四维微结构图像的构建。本文提出了一种新的基于多因子多层粒子群优化的部分物相双迭代配准方法,用于快速构建水泥水化的四维微观结构图像。此外,一个基于乘法的内在组成优化和插值的快速偏移场校正方法也被提出用于加速。实验结果表明了该方法的有效性。(3)水泥水化μCT图像的三维分割水泥的性能强烈的受其微观结构的影响,其中动态微观结构可以反映水泥浆体的形成和发展。因此,动态微观结构的研究有助于我们了解水泥的水化过程,并试图改善水泥的性能。然而,由于水泥浆体物相混杂、包含大量噪声、图像清晰度低等特点,使得水泥浆的成分难以通过肉眼直接分割,进而影响了物相提取、物质分析和材料成分变化的研究。本文使用自组织映射和邻域特征研究了水泥水化μCT图像的三维分割。该方法利用了邻域特征和自组织映射对混杂、噪声较大的数据具有较好的容错能力,对不同数据集具有良好的适应性的优点。实验结果表明,该方法效果良好。此外,利用分割后的图像分析了水泥在水化过程中的三维微观结构演化。(4)基于水泥水化μCT图像估测水泥抗压强度水泥的物理性能直接影响着建筑设施的安全,其中水泥抗压强度对评价其安全性起着至关重要的作用。因此,对水泥抗压强度的研究有助于改善水泥的性能。传统上基于化学成分、养护条件和水灰比来评价水泥浆体的强度。然而,这种方法却受到水泥水化过程中物理变化和化学反应的极端复杂性的限制。考虑到水泥的微观结构包含了与强度相关的微观信息。μCT可以成像三维微观结构,提供了另一种无损研究水泥抗压强度的方式。本文利用从水泥水化μCT图像提取的微观结构特征和基因表达式编程来估测水泥抗压强度。本文还提出了一种概率极化相似性权重锦标赛选择算子以平衡勘探和开采能力。实验结果表明,所获得的抗压强度和提取的微观结构特征的关系具有较高的估测精度和良好的可解释性,且使用此算子的方法进化能力良好。