天然冰在自然界广泛存在,与人类的生产和生活密切相关。天然冰的存在不仅将对水利工程设施(水库、堤坝、沿河建筑物等)的设计施工造成影响,冰情严重时甚至可能引发灾害。研究天然冰的内部微结构,对明确其基本物理性质(力学、热学、光学等)具有重要意义。天然冰是一种多相混合材料,孔隙形态和分布都较为复杂,内部可能含有泥沙、气泡、卤水、结晶盐等各种杂质。传统方法中对天然冰内部微结构的研究多建立在二维平面内(如切片法、显微镜观察等),对三维空间内的杂质分布和孔隙复杂度描述较为粗糙。本研究采用CT扫描技术结合图像处理技术为天然冰内部微结构的描述提供了可行方法。具体的研究内容包含以下三方面:1、对天然冰试样进行CT扫描试验,获得的CT图像可以反映天然冰内部各种杂质的几何形态和CT值特征。对CT图像进行裁剪、滤波、阈值分割等处理,为构建三维模型提供图像基础。2、结合CT值反演密度的理论基础和CT扫描在其他材料领域的应用,利用质量-体积法对天然冰试样进行密度测量,所得结果与实测CT值进行拟合,得到了天然冰密度与CT值的关系。3、利用天然冰的CT图像,选择合适的三维建模方法对天然冰内部各种杂质及微结构进行三维建模,得到了天然冰的三维孔隙模型。对比了传统公式和三维模型对孔隙率计算方法的各自优劣。通过CT图像结合三维模型分析,对天然冰内的各种杂质的CT图像表现进行了总结和归纳。其中乌梁素海湖冰内的微气泡聚集结构、黄河河冰在融冰期的带状孔隙、黄河河冰不同冻融状态的冰内泥沙均为CT扫描天然冰试验的首次发现。利用CT扫描技术的快速、无损、标准化特性,可以对天然冰的内部微结构进行迅速的扫描和识别。