一種砂細(xì)度模數(shù)的新型測(cè)量方法

范 宏 秦 雪

(青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島271100)

骨料的顆粒形狀是影響混凝土的重要因素之一，細(xì)骨料的性質(zhì)(顆粒級(jí)配、顆粒形狀，表面粗糙度等)對(duì)硅鹽水泥拌合物的需水量影響很大，用水量的不同導(dǎo)致混凝土硬化后的收縮、裂縫以及耐久性都有極大的差異［1］，其中，砂的粗細(xì)程度是評(píng)定水泥混凝土用砂質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，細(xì)度模數(shù)是作為砂的粗細(xì)程度的評(píng)定指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)研究表明混凝土強(qiáng)度隨細(xì)度模數(shù)變化有顯著變化［2］，在混凝土配合比的設(shè)計(jì)中，要以砂的細(xì)度模數(shù)來(lái)調(diào)整砂率及砂的用水量，砂的細(xì)度模數(shù)對(duì)混凝土的和易性、配合比以及抗壓強(qiáng)度等性能都有明顯的影響。

砂的顆粒級(jí)配是指不同粒徑砂粒搭配比例狀況，粗細(xì)程度即細(xì)度，是指不同砂粒大小的混合體總的粗細(xì)程度。傳統(tǒng)的，也是現(xiàn)在普遍使用測(cè)量砂的顆粒級(jí)配和粗細(xì)程度的方法主要是篩分法，即通過(guò)不同篩孔上的篩余物質(zhì)量來(lái)分析砂的級(jí)配構(gòu)成，分別用級(jí)配曲線(xiàn)和細(xì)度模數(shù)來(lái)表示［3］。而篩分法在理論上來(lái)講，小于篩孔的骨料應(yīng)全部通過(guò)篩孔，但實(shí)際上是不可能全部透篩，因此必然會(huì)造成一些誤差。圖像分析技術(shù)(DIP 技術(shù))即用模式識(shí)別和人工智能方法對(duì)物景進(jìn)行分析、描述、分類(lèi)和解釋的技術(shù)，又稱(chēng)景物分析或圖像理解。很多學(xué)者應(yīng)用DIP 技術(shù)對(duì)骨料進(jìn)行圖像分析，但其中最大的問(wèn)題在于只能得到骨料的二維尺寸，無(wú)法得到三維尺寸，即無(wú)法知道顆粒的厚度，這里我們將顆粒的平均厚度用其他的尺寸來(lái)估算，得到與實(shí)際尺寸相近的值來(lái)估算。實(shí)驗(yàn)通過(guò)篩分法和圖像分析法進(jìn)行對(duì)比，來(lái)驗(yàn)證圖像分析方法的準(zhǔn)確性。

1 篩分法測(cè)量砂的細(xì)度模數(shù)

1.1 篩分法實(shí)驗(yàn)流程

按照國(guó)家規(guī)范規(guī)定［4］，通過(guò)篩分法來(lái)測(cè)量砂的顆粒級(jí)配，具體操作如下。

按規(guī)定取樣，篩除大于9.50 mm 的顆粒，并將試樣縮分至1 100 g，放在干燥室中烘干至恒量，待冷卻至室溫后，大致分為兩份備用:

(1)稱(chēng)取試樣500 g，按照建筑用砂規(guī)范中篩分法方法步驟，將試樣倒入按孔徑大小從上到下組合的套篩上，然后進(jìn)行篩分。

(2)將套篩置于搖篩機(jī)上，搖10 min 取下套篩，按篩孔大小順序再逐個(gè)用手篩，篩至每分鐘通過(guò)總量0.1%為止，通過(guò)的試樣并入下一號(hào)篩，并和下一號(hào)篩中的試樣一起過(guò)篩，這樣順序進(jìn)行，直至各號(hào)篩全部篩完為止。

稱(chēng)出各號(hào)篩的篩余量，精確至1 g，試樣在各號(hào)篩上的篩余量不得超過(guò)按式(1)計(jì)算出的量。

G—在一個(gè)篩上的篩余量，單位為克

A—篩面面積，單位為平方毫米

d—篩孔尺寸，單位為毫米

(3)計(jì)算結(jié)果與評(píng)定

Mx—細(xì)度模數(shù)

A1、A2、A3、A4、A5、A6—分別為4. 75 mm、2. 36 mm、1.18 mm、600 μm、300 μm、150 μm 篩的累計(jì)篩余百分率。砂的顆粒級(jí)配應(yīng)符合表1 規(guī)定，砂的級(jí)配類(lèi)別應(yīng)符合表2 規(guī)定。

表1 顆粒級(jí)配

表2 級(jí)配類(lèi)別

1.2 篩分法誤差分析

篩分法的優(yōu)點(diǎn)在于原理簡(jiǎn)單，操作方便、易于實(shí)現(xiàn)，但篩分法的缺陷也是不容忽視的。在實(shí)際的操作過(guò)程中，即使經(jīng)過(guò)了搖篩機(jī)和人工手篩，仍會(huì)有部分小于篩孔的骨料不能夠透篩;同時(shí)一些大于篩孔的呈梭形的骨料也易通過(guò)篩孔，造成了計(jì)算時(shí)的誤差如圖1;篩分過(guò)程中因震動(dòng)強(qiáng)烈，一些顆粒種類(lèi)可能容易破損，從而破壞粒徑分布［5］。

圖1 顆粒經(jīng)過(guò)篩孔示意圖

2 圖像測(cè)量測(cè)砂的細(xì)度模數(shù)

2.1 圖像測(cè)量方法實(shí)驗(yàn)流程及實(shí)驗(yàn)原理

(1)按照《建筑用砂》中規(guī)定的取樣方式，取800 g 砂子進(jìn)行烘干，然后從中取400 g 待用，將400 g砂子等分為10 份，隨機(jī)抽取一份置于漏斗中;將黑色卡紙置于光線(xiàn)良好處，每次拍照都盡量要放在同一地點(diǎn)，同一時(shí)間，以保證拍到的照片盡可能光線(xiàn)、背景可以達(dá)到一致。

(2)將沙漏置于卡紙上方，均勻緩慢的將砂子從沙漏灑在黑色卡紙上;框出所要拍照的區(qū)域，測(cè)量區(qū)域一般為600 mm400 mm，旁邊放上標(biāo)尺作為參考單位，用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行固焦拍照。

(3)從400 g 砂子中再隨機(jī)抽取兩份重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，以獲得更加準(zhǔn)確、全面的數(shù)據(jù)。

(4)將拍到的圖片在專(zhuān)業(yè)軟件中打開(kāi)，通過(guò)調(diào)整亮度、對(duì)比度和伽馬值來(lái)弱化背景，突出所要測(cè)量的顆粒，為了更好的排除背景上的亮光影響，還可以在實(shí)驗(yàn)中先拍攝一張背景圖片，然后再處理砂子的圖片時(shí)，通過(guò)背景校正功能將背景干擾因素排除如圖2。

圖2 調(diào)整圖片

(5)校準(zhǔn)，選擇測(cè)量單位即拍照時(shí)標(biāo)尺的單位，準(zhǔn)確定位好標(biāo)尺的長(zhǎng)度也就可以準(zhǔn)確測(cè)得照片中砂子的實(shí)際粒徑。

(6)顆粒分割，這里使用選擇顏色范圍的方法來(lái)確定測(cè)量區(qū)域，通過(guò)選取砂子顏色來(lái)選中所有的砂子如圖3，個(gè)別未選中的或誤選的或者選中的砂子連接在一起的都可以再通過(guò)手動(dòng)工具來(lái)進(jìn)行調(diào)整如圖4(a)(b)，同時(shí)需要注意的是，所獲得的圖片里的砂子會(huì)有處在邊界的情況，在顆粒分割時(shí)應(yīng)選擇不考慮邊界。

圖3 選取砂子

圖4 顆粒分割

(7)砂子粒徑過(guò)濾:機(jī)械篩分測(cè)得的粒度取決于所用篩子的篩孔形狀，如果篩孔是圓的，則顆粒剛好通過(guò)篩孔大小和顆粒的寬度相近，如果篩孔是方的，顆粒剛好能通過(guò)篩孔大小一般只有顆粒寬度的0.8 倍，所以圓孔和方孔篩子得到的粒度結(jié)果是不一樣的。

圓孔篩得到的粒度結(jié)果可按下式換算成等效方孔篩的結(jié)果:

等效方孔篩篩孔尺寸=C×圓孔篩篩孔尺寸

DIP 法中測(cè)量的顆粒寬度也可以用這樣一個(gè)校正系數(shù)換算成等效方孔篩孔徑C 是取決于顆粒截面形狀的校正系數(shù)，一般范圍在0.7 ～0.9 范圍內(nèi)

(8)細(xì)度模數(shù)計(jì)算原理:普遍認(rèn)為同一來(lái)源的骨料顆粒具有或多或少相同的形狀特征，因此骨料的平均厚度可以由其他尺寸來(lái)估算:

λ 是取決于顆粒扁平程度的參數(shù)。按照該式顆粒體積按下式來(lái)估算

體積=面積×平均厚度=λ×面積×寬度利用此公式得到質(zhì)量級(jí)配:

式中分母的加和是對(duì)所有的顆粒而言的，分子的和是對(duì)大于篩孔尺寸顆粒而言，ρ 是密度。在上式中λ 和ρ 均被消去所以真正的λ 值并不影響質(zhì)量級(jí)配曲線(xiàn)。但λ 具有物理含義并由下式?jīng)Q定:

其中M 為稱(chēng)重測(cè)得試樣的總重量。

通過(guò)換算，將DIP 技術(shù)中的級(jí)配區(qū)間換算過(guò)來(lái)，得到與篩分法更相近的結(jié)果。本次實(shí)驗(yàn)選用系數(shù)C為0.9。

利用Image－proplus 軟件將識(shí)別出的最小費(fèi)雷特直徑大于10 mm 和小于0.16 mm 的砂子進(jìn)行過(guò)濾排除，再將篩分后的砂子按最小費(fèi)雷特直徑分為11.1 ～5. 3 mm、5. 3 ～2. 62 mm、2. 62 ～1. 31 mm、1.31 ～0.67 mm、0.67 ～0.33 mm 和0.33 ～0.17 mm共六個(gè)類(lèi)別范圍，對(duì)六個(gè)類(lèi)別范圍內(nèi)的砂子分別采用六種不同的顏色在圖片中進(jìn)行表示，并計(jì)算出六個(gè)范圍內(nèi)砂子面積與寬度，將得到的數(shù)值導(dǎo)入EXCEL 表格，按照公式 計(jì)算得到樣品砂子的細(xì)度模數(shù)。然后根據(jù)《建設(shè)用砂》(GB/T 14684—2011)中砂的粗細(xì)判斷準(zhǔn)則進(jìn)行判定。

2.2 兩種方法結(jié)果比較

按照上述實(shí)驗(yàn)方法，取一組砂子分別進(jìn)行篩分法和圖像測(cè)量法，對(duì)比兩種方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3。

對(duì)比上述兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖像分析得到的細(xì)度模數(shù)值比篩分法略大，但都在中砂的范圍內(nèi)，究其原因主要是篩分法的計(jì)算公式中沒(méi)有考慮底盤(pán)上小于0.15 mm 的部分，但在試樣總量中沒(méi)有扣除，所得結(jié)果是偏小的。

表3 篩分法與圖像分析法結(jié)果對(duì)比

若按照田文玉所提出的細(xì)集料細(xì)度模數(shù)的計(jì)算公式［6］

來(lái)計(jì)算篩分法的細(xì)度模數(shù)，得出的結(jié)果為2.57，與圖像分析法結(jié)果相近;同時(shí)考慮由于隨機(jī)取樣以至于進(jìn)行圖像拍攝時(shí)，顆粒大，比例少的部分砂子捕捉的機(jī)會(huì)較少，所以做圖像分析時(shí)，這一部分砂子所占比例較少;圖像拍攝也會(huì)受環(huán)境亮度、相機(jī)分辨率、拍攝高度、砂粒分布［7］等因素的影響。

3 結(jié) 論

(1)采用圖像分析法計(jì)算砂子的細(xì)度模數(shù)，避免了對(duì)砂子的稱(chēng)重過(guò)程;通過(guò)扁平系數(shù)用寬度來(lái)估算砂粒的三維厚度，從而得到砂子的細(xì)度模數(shù);(2)(多個(gè)測(cè)定)主要分析步驟均利用了圖像分析軟件，不僅提高了計(jì)算砂子細(xì)度模數(shù)的效率，而且減少了設(shè)備使用和勞動(dòng)消耗;(3)在圖像處理時(shí)，通過(guò)自動(dòng)分割和人工分割對(duì)粘連的砂子進(jìn)行分離，保證了砂粒的真實(shí)形態(tài)識(shí)別。(4)圖像分析得出的結(jié)果與篩分法的結(jié)果比較，仍有誤差的存在，究其原因主要是由二維平面推測(cè)三維尺寸，與真實(shí)的數(shù)據(jù)有一定的誤差。但所得到的砂子的級(jí)配分布曲線(xiàn)是大致相同的，說(shuō)明了圖像分析測(cè)細(xì)度模數(shù)方法的可行性。(5)這里的圖像分析技術(shù)只展現(xiàn)了對(duì)細(xì)度模數(shù)的測(cè)量，實(shí)際上，它從圖像中得到的信息還要多的多，不僅可以進(jìn)行面積、寬度的測(cè)量，對(duì)于費(fèi)雷特直徑、周長(zhǎng)等很多基本參數(shù)都可以分析出來(lái)，經(jīng)過(guò)充分的發(fā)掘，圖像分析技術(shù)應(yīng)該更好的應(yīng)用于對(duì)建筑材料的幾何特征的分析中去。

［1］葉建雄，余林文，顏從進(jìn)，等. 機(jī)制砂顆粒形狀評(píng)價(jià)方法的相關(guān)性［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2012，34(4):5－7.

［2］梁勇.砂的細(xì)度模數(shù)與混凝土抗壓強(qiáng)度［J］.山西建筑，2006，10:159－160.

［3］何文敏.砂的細(xì)度模數(shù)與顆粒級(jí)配關(guān)系的探討［J］.山東建材，2007，4:47－49.

［4］GB/T14684－2011，建筑用砂［S］.

［5］李文凱，吳玉新，黃志民，等. 激光粒度分析和篩分法測(cè)粒徑分布的比較［J］.中國(guó)粉體技術(shù)，2007，5:10－13.

［6］田文玉.細(xì)集料細(xì)度模數(shù)計(jì)算公式的修正［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，65－71.

［7］彭海濤，蘇婕，方志，等. 基于圖像分析的混凝土表面色差檢測(cè)及評(píng)定［J］.公路工程，2012，37(5):19－28.