基于DIP技術(shù)的碎石粗骨料粒形測(cè)試與修正

，，

(1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利系，廣州　510635；2.廣東省水利水電科學(xué)研究院 a.結(jié)構(gòu)材料所；b. 廣東省水利新材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，廣州　510610)

1　研究背景

粗細(xì)骨料是混凝土各組分中用量最大的材料，對(duì)混凝土的性能具有重要的影響，但對(duì)其性能的研究和掌握也是混凝土研究中最薄弱的環(huán)節(jié)。一直以來(lái)，有關(guān)骨料問(wèn)題的研究，一直停留在含糊、定性的描述水平，砂石特性與混凝土性質(zhì)之間也難以建立準(zhǔn)確的定量關(guān)系[1]。因此對(duì)骨料粒形和粒徑的表征進(jìn)行研究是非常重要的，也是非常必要的。

骨料顆粒為不規(guī)則形狀，很難充分地定義、度量，因此，粒形對(duì)混凝土性質(zhì)的影響也很難精確評(píng)價(jià)[1]，數(shù)字圖形處理(Digital Image Processing，DIP)技術(shù)的出現(xiàn)給骨料粒形研究帶來(lái)了方便。

DIP技術(shù)是一種計(jì)算機(jī)技術(shù)，它通過(guò)電子方法捕捉景像，產(chǎn)生視覺(jué)信號(hào)，經(jīng)數(shù)字化后，作為像素的列陣進(jìn)行存儲(chǔ)，運(yùn)用圖形識(shí)別處理軟件進(jìn)行處理計(jì)算，從中得到所需要的圖像信息[2]。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)及圖像理論的迅速發(fā)展，DIP已經(jīng)為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了一種新的技術(shù)手段，并相繼在多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域得到應(yīng)用，同時(shí)也為混凝土材料進(jìn)行精確測(cè)量和數(shù)值表達(dá)提供了可行途徑，為全面認(rèn)識(shí)骨料形態(tài)特征及相應(yīng)的力學(xué)特性開(kāi)辟了新的道路。

DIP技術(shù)測(cè)試系統(tǒng)由數(shù)碼照相設(shè)備、照明燈、試樣臺(tái)、計(jì)算機(jī)和圖形處理軟件組成。測(cè)試時(shí)，首先，調(diào)整相機(jī)的高度，以便有一個(gè)合適的視野，同時(shí)調(diào)整照明燈，避免照片中存在陰影;接著，在白色試樣盤中放入試樣顆粒，各個(gè)顆粒應(yīng)相互分隔，以保證它們?cè)谡掌斜舜霜?dú)立，邊界清晰;然后，對(duì)試樣顆粒進(jìn)行照相，得到數(shù)碼照片，供圖形處理軟件進(jìn)行分析，得到相關(guān)的粒形特征和表面構(gòu)造數(shù)據(jù)[3]。

圖1　DIP技術(shù)測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.1　Test system based on Digital ImageProcessing (DIP) technology

20世紀(jì)90年代中期， Antoine等[4]將DIP技術(shù)應(yīng)用于顆粒的棱角性對(duì)環(huán)境沖刷破壞作用方面的研究， 后來(lái)香港大學(xué)有關(guān)學(xué)者將該技術(shù)直接應(yīng)用于粗骨料粒形的表征和級(jí)配的描述， 他們研究發(fā)現(xiàn)， DIP技術(shù)得到粗骨料的縱長(zhǎng)比及扁平比分別與其針狀及片狀顆粒含量線性相關(guān)， DIP技術(shù)的級(jí)配曲線與傳統(tǒng)的級(jí)配曲線也是一致的[3,5-6]， 但是對(duì)于DIP技術(shù)的顆粒長(zhǎng)度、 寬度及厚度與傳統(tǒng)方法測(cè)值之間的關(guān)系未能進(jìn)行研究， 同時(shí)對(duì)于扁平比的含義未能進(jìn)行充分的闡釋。 本文采用DIP技術(shù)測(cè)試灰?guī)r碎石骨料的顆粒長(zhǎng)度、 寬度、 扁平比、 厚度、 縱長(zhǎng)比、 球度和粒形因數(shù)等粒形參數(shù)， 與游標(biāo)卡尺的測(cè)量值進(jìn)行比較分析，并對(duì)DIP技術(shù)測(cè)試的粒形參數(shù)進(jìn)行修正。

2　灰?guī)r碎石粗骨料粒形和粒徑的測(cè)試

粗骨料的粒形和粒徑參數(shù)主要包括:①長(zhǎng)度a。②寬度b。③厚度c。④扁平比λ。扁平比定義為厚度對(duì)寬度的比值。由于DIP技術(shù)捕捉、量測(cè)的只是顆粒的二維投影，不能直接得到顆粒的第三維(厚度)，通過(guò)扁平比，DIP技術(shù)就可以通過(guò)顆粒的二維投影得到顆粒的厚度，從而得到顆粒的三維粒形特征，在這個(gè)過(guò)程中，扁平比是顆粒二維投影到三維粒形特征的橋梁，是非常關(guān)鍵的粒形參數(shù)。Mora等[6]假設(shè)同一產(chǎn)地、來(lái)源的顆粒應(yīng)具有相同的粒形特征，因此可得骨料試樣的厚度/寬度的平均比值λ，計(jì)算方法見(jiàn)式(1)。⑤縱長(zhǎng)比β，縱長(zhǎng)比定義為顆粒長(zhǎng)度對(duì)寬度的比值。⑥球度ψ，假設(shè)顆粒為扁平橢圓體，a,b和c分別為顆粒長(zhǎng)軸、中間軸和短軸，并經(jīng)過(guò)適當(dāng)近似處理，得到球度ψ，計(jì)算方法見(jiàn)式(2)。⑦ 粒形因數(shù)ξ，計(jì)算方法見(jiàn)式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：a,b,c分別為試樣顆粒的長(zhǎng)度、寬度、厚度(mm)；S為試樣顆粒的投影面積(mm2)；M為全部試樣顆粒的質(zhì)量(kg)；ρ為試樣顆粒的密度(kg/m3);λ,β分別為顆粒的扁平比、縱長(zhǎng)比；ψ為球度；ξ為粒形因數(shù)。

對(duì)于灰?guī)r碎石粗骨料，用游標(biāo)卡尺測(cè)量每個(gè)顆粒的長(zhǎng)度a′、寬度b′和厚度c′；將照相機(jī)水平固定在三腳架上，固定焦距后進(jìn)行二維照相，并采用DIP技術(shù)測(cè)量二維照片的長(zhǎng)度a、寬度b、面積S1及凸起面積S2；用精度為0.01 g的電子稱測(cè)量每個(gè)顆粒的質(zhì)量。由單個(gè)顆粒質(zhì)量可計(jì)算單個(gè)顆粒λ值，從而得到單個(gè)顆粒厚度平均值；根據(jù)多個(gè)顆粒質(zhì)量可得到這批顆粒的λ值，從而得到這批顆粒厚度平均值，并計(jì)算得到其他粒形和粒徑參數(shù)。

本研究測(cè)試所用灰?guī)r碎石粗骨料均來(lái)自同一石場(chǎng)，包括5～20,2～40,40～80 mm 3個(gè)規(guī)格，每個(gè)規(guī)格碎石骨料用DIP技術(shù)各測(cè)試30個(gè)樣品。

3　粒型因數(shù)分析及比較

3.1　骨料長(zhǎng)度、寬度及厚度的比較

由表1至表3、圖2可知，碎石骨料顆粒用游標(biāo)卡尺實(shí)測(cè)的長(zhǎng)度a′和寬度b′分別與DIP技術(shù)測(cè)量的長(zhǎng)度a和寬度b呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)非常接近1，相關(guān)性良好；比例系數(shù)非常接近1，平均誤差在3%以內(nèi)，而且誤差隨顆粒粒徑增大而減小。

表1　5～20 mm級(jí)灰?guī)r碎石粗骨料長(zhǎng)度、寬度和厚度測(cè)試結(jié)果Table 1　Measured results of length, width andthickness of crushed limestone coarse aggregate insize range 5-20 mm

注：長(zhǎng)度、寬度、厚度單位均為mm,表觀密度2 710 kg/m3，下同。

表2　20～40 mm級(jí)灰?guī)r碎石粗骨料長(zhǎng)度、寬度和厚度測(cè)試結(jié)果Table 2　Measured results of length, width andthickness of crushed limestone coarse aggregate insize range 20-40 mm

表3　40～80 mm級(jí)灰?guī)r碎石粗骨料長(zhǎng)度、寬度和厚度測(cè)試結(jié)果Table 3　Measured results of length, width andthickness of crushed limestone coarse aggregate insize range 40-80 mm

(a) a-a′相關(guān)關(guān)系

(b) b-b′相關(guān)關(guān)系

(c) c-c′相關(guān)關(guān)系圖2　DIP技術(shù)與游標(biāo)卡尺分別測(cè)量得到的長(zhǎng)度、寬度、厚度關(guān)系對(duì)應(yīng)關(guān)系圖Fig.2　Correlation between length, width and thicknessvalues measured by DIP method and by caliper gauge

項(xiàng)目縱長(zhǎng)比a′/b′扁平比c′/b′球度ψ′粒形因數(shù)ξ′縱長(zhǎng)比a/bDIP技術(shù)的單個(gè)顆粒扁平比c/bλ粒形因數(shù)ξ球度ψ最大值2．7500．9000．3540．8042．4000．4560．3430．698最小值1．0000．2580．8450．1661．0100．1530．2220．391平均值1．4100．6060．6850．5171．4400．3200．3440．2910．563標(biāo)準(zhǔn)差0．3720．1560．1120．1440．3270．0930．0280．072變異系數(shù)0．2640．2600．1640．2790．2270．2910．0960．128

DIP測(cè)量的顆粒長(zhǎng)度a與游標(biāo)卡尺測(cè)量的顆粒長(zhǎng)度a′的關(guān)系式為

a=1.014a′-0.719 8 ，R2=0.993 4 。

(4)

DIP測(cè)量的顆粒寬度b與游標(biāo)卡尺測(cè)量的顆粒寬度b′的關(guān)系式為

b=1.019b′-0.588 9 ,R2=0.995 6 。

(5)

游標(biāo)卡尺測(cè)得3個(gè)規(guī)格碎石的縱長(zhǎng)比平均值為1.36～1.455，總平均值為1.41，DIP技術(shù)測(cè)得3個(gè)規(guī)格碎石的縱長(zhǎng)比平均值為1.334～1.446，總平均值為1.39，標(biāo)準(zhǔn)差也非常接近，可見(jiàn)通過(guò)DIP技術(shù)測(cè)量碎石顆粒的長(zhǎng)度、寬度以及縱長(zhǎng)比的方法是可行的。因此，也可用DIP技術(shù)測(cè)量顆粒的針狀顆粒的含量。

DIP測(cè)量的顆粒平均厚度c與游標(biāo)卡尺測(cè)量的顆粒厚度c′的關(guān)系式為

c=0.550 5c′+0.040 5 ,R2=0.942 3 。

(6)

由圖2(c)可知，DIP測(cè)量的單個(gè)顆粒平均厚度與游標(biāo)卡尺的實(shí)測(cè)厚度c′之間呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)接近1，相關(guān)性良好，比例系數(shù)為0.550 5。

由表1至表3還可知，游標(biāo)卡尺的實(shí)測(cè)厚度c′比DIP技術(shù)計(jì)算得到的單個(gè)顆粒平均厚度c大得多，5～20 mm級(jí)、20～40 mm級(jí)和40～80 mm級(jí)碎石c′平均比c大91.1%，81.4%和78.6%，總平均值為83.7%。顯然，兩者的物理意義和數(shù)值并不相同，在使用過(guò)程中不具有替代性，但由于兩者之間存在良好的線性相關(guān)性，可以根據(jù)DIP技術(shù)測(cè)量厚度c，得到實(shí)際的顆粒平均厚度c′，綜合換算系數(shù)c′/c為1.82。因此，也可用DIP技術(shù)測(cè)量顆粒的片狀顆粒的含量。

3.2　扁平比、球度及粒形因數(shù)的比較

由表4至表7可見(jiàn)，DIP技術(shù)得到的5～20 mm級(jí)、20～40 mm級(jí)和40～80 mm級(jí)碎石骨料的扁平比λ分別為0.344,0.313和0.289，與對(duì)應(yīng)的c/b值的偏差分別為+7.5%,-3.7%和-8.3%，平均值為0.315，較c/b略小1.6%，與采用DIP技術(shù)計(jì)算得到的單個(gè)顆粒扁平比c/b基本相等，在使用過(guò)程中具有替代性。

5～20 mm級(jí)、20～40 mm級(jí)和40～80 mm級(jí)碎石骨料游標(biāo)卡尺所得的單個(gè)顆粒扁平比c′/b′平均值分別為0.606,0.590和0.570，三者最大差別為5%，總平均值為0.589；DIP技術(shù)得到的單個(gè)顆粒扁平比c/b平均值為0.320,0.325和0.315，三者最大差別為3.1%，總平均值為0.320；前者較后者大89.3%,81.5%和81.0%，平均值84.0%，可見(jiàn)，游標(biāo)卡尺實(shí)測(cè)的單個(gè)顆粒扁平比c′/b′明顯比DIP技術(shù)計(jì)算得到的單個(gè)顆粒扁平比c/b大得多，可見(jiàn)兩者是不相同的，不可混淆。

表5　20～40 mm級(jí)灰?guī)r碎石粗骨料粒形測(cè)試結(jié)果

表6　40～80 mm級(jí)灰?guī)r碎石粗骨料粒形測(cè)試結(jié)果

5～20 mm級(jí)、20～40 mm級(jí)和40～80 mm級(jí)碎石游標(biāo)卡尺所得的單個(gè)顆粒球度ψ′平均值分別為0.685，0.692和0.651，總平均值為0.676；DIP技術(shù)得到的球度分別為0.563，0.576和0.531，總平均值為0.557，前者較后者大21.4%。

5～20 mm級(jí)、20～40 mm級(jí)和40～80 mm級(jí)的粒形因數(shù)c′平均值分別為0.517，0.507和0.472，總平均值為0.499；DIP技術(shù)得到的粒形因數(shù)平均值分別為0.291，0.276和0.245，總平均值為0.271，前者較后者大130%。

4　關(guān)于λ的討論

扁平比λ定義為厚度對(duì)寬度的比值，是表示顆粒粒形的重要參數(shù)，也是計(jì)算球度ψ和粒形因數(shù)的重要參數(shù)，在顆粒數(shù)字化中居于核心地位，也是DIP技術(shù)測(cè)試顆粒粒形的關(guān)鍵和難點(diǎn)，因此，正確測(cè)試和計(jì)算λ是非常重要的，也是非常必要的。

表7　5～20 mm級(jí)灰?guī)r碎石粗集料修正后的粒形測(cè)試結(jié)果Table 7　Corrected index values of the particle shape ofcrushed limestone coarse aggregate insize range 5-20 mm

表8　20～40 mm級(jí)灰?guī)r碎石粗集料修正后的粒形測(cè)試結(jié)果Table 8　Corrected index values of the particle shape ofcrushed limestone coarse aggregate insize range 20-40 mm

表9　40～80 mm級(jí)灰?guī)r碎石粗集料修正后的粒形測(cè)試結(jié)果Table 9　Corrected index values of the particle shape ofcrushed limestone coarse aggregate insize range 40-80 mm

5～20 mm級(jí)、20～40 mm級(jí)和40～80 mm級(jí)碎石骨料修正前的扁平比λ分別是0.344,0.313,0.289，總平均值為0.315；修正后λ*分別是0.626,0.570,0.526，總平均值為0.574；而游標(biāo)卡尺測(cè)量的扁平比c′/b′分別是0.606,0.590,0.570，總平均值為0.58。修正后的λ*與實(shí)測(cè)的扁平比c′/b′相近，總平均值偏差為-1.0%。

5～20 mm級(jí)、20～40 mm級(jí)和40～80 mm級(jí)碎石骨料修正前的粒形因數(shù)分別是0.291,0.276,0.245，總平均值為0.271；修正后粒形因數(shù)ξ*分別是0.530,0.502,0.446，總平均值為0.493；游標(biāo)卡尺測(cè)量的粒形因數(shù)ξ′分別是0.517,0.507,0.472，總平均值為0.499。修正后的粒形因數(shù)ξ*與實(shí)測(cè)的粒形因數(shù)ξ′相近，總平均值偏差為-1.2%。

5～20 mm級(jí)、20～40 mm級(jí)和40～80 mm級(jí)碎石骨料修正前的球度分別是0.563,0.576,0.531，總平均值為0.557；修正后球度ψ*分別是0.687,0.703,0.649，總平均值為0.680；而游標(biāo)卡尺測(cè)量的球度ψ′分別是0.685,0.692,0.651，總平均值為0.676。修正后的球度ψ*與實(shí)測(cè)的球度ψ′相近，總平均值偏差為+0.6%。

5　結(jié)　論

3個(gè)規(guī)格碎石的縱長(zhǎng)比平均值為1.41，扁平比平均值為0.589，球度平均值為0.616，粒形因數(shù)平均值為0.499，總體上呈扁平的橢球狀。

DIP技術(shù)所得灰?guī)r碎石骨料的長(zhǎng)度、寬度、厚度與游標(biāo)卡尺測(cè)量值線性關(guān)系良好，采用DIP技術(shù)測(cè)試碎石骨料的粒形是可行的。

DIP技術(shù)所得灰?guī)r碎石骨料的長(zhǎng)度、寬度與游標(biāo)卡尺測(cè)量值平均偏差<3%，無(wú)需進(jìn)行修正；但厚度、扁平比與游標(biāo)卡尺測(cè)量值差異顯著，需要進(jìn)行修正，修正系數(shù)1.82，修正后2種測(cè)試方法所得的厚度、扁平比、球度以及粒形因數(shù)偏差均在2%以內(nèi)， DIP技術(shù)測(cè)試顆粒粒形參數(shù)的精度顯著提高。

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