基于數(shù)字圖像分析法的機(jī)制砂清水混凝土外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)

屠海峰

1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司， 北京 100055； 2.中鐵咨詢集團(tuán)北京工程檢測(cè)有限公司， 北京 100073

清水混凝土是一種成型后表面未加裝飾的混凝土，在具有良好耐久性的同時(shí)擁有別具一格的觀賞效果［1-3］。針對(duì)清水混凝土，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 169—2009《清水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》［4］及美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ACI 347.3R‐13Guide to Formed Concrete Surfaces［5］中都提出了表面應(yīng)平整光滑、色澤均勻，無(wú)露筋、蜂窩、孔洞、夾渣等缺陷，并對(duì)氣孔面積等參數(shù)進(jìn)行了規(guī)定。張建雄等［6］研究提出，清水混凝土外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)體系需要綜合考慮混凝土色澤的一致性、氣泡的大小和數(shù)量、表面平整度及外觀缺陷等。石亮等［7］提出了基于不同尺寸氣孔數(shù)量的外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，將外觀質(zhì)量劃分為差、中、優(yōu)三個(gè)等級(jí)。然而目前清水混凝土外觀質(zhì)量分析智能化程度低，對(duì)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)依賴性強(qiáng)，針對(duì)工程量大、施工面多的混凝土建（構(gòu)）筑物檢測(cè)效率低［8-9］。

數(shù)字圖像分析法可根據(jù)所采集圖像的數(shù)字特征對(duì)混凝土外觀質(zhì)量進(jìn)行分析，準(zhǔn)確性和可信度高，因此在混凝土裂縫形態(tài)研究中被大量應(yīng)用［10-12］。彭海濤等［13］通過(guò)計(jì)算混凝土表面灰度標(biāo)準(zhǔn)差建立混凝土表面色差的定量評(píng)價(jià)體系。劉剛等［14］通過(guò)在圖像獲取及分析過(guò)程中引入?yún)⒄瘴?，增?qiáng)了不同圖像的可比性。Coster等［15］對(duì)比了濾波法、分割法和二值化三種圖像處理方法的差異，并介紹了數(shù)字圖像分析中的建模方法。但目前數(shù)字圖像分析方法還處于研究階段，未形成標(biāo)準(zhǔn)化的質(zhì)量評(píng)價(jià)制度，評(píng)價(jià)參數(shù)的閾值還未統(tǒng)一。

本文利用不同來(lái)源的骨料和機(jī)制砂制備了四組機(jī)制砂清水混凝土，以混凝土圖像表面氣孔參數(shù)和灰度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用數(shù)字圖像分析和人工測(cè)量?jī)煞N方法對(duì)不同清水混凝土表面質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在為清水混凝土外觀質(zhì)量提供快速準(zhǔn)確的檢測(cè)方法。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

機(jī)制砂清水混凝土試樣編號(hào)為Q‐1、Q‐2、Q‐3和Q‐4。Q‐1和Q‐2為第一組，Q‐3和Q‐4為第二組。兩組試樣均采用P·O 42.5水泥，粗細(xì)骨料見(jiàn)表1。

表1 機(jī)制砂清水混凝土粗細(xì)骨料

礦物摻和料：粉煤灰為F類Ⅰ級(jí)粉煤灰，石粉為石灰石粉。外加劑：減水劑為減水率27%的聚羧酸高性能減水劑，引氣劑為GYQ型混凝土高效引氣劑，消泡劑為改性聚醚耐堿性消泡劑。

試模為雙層結(jié)構(gòu)，外層采用木制三合板，內(nèi)層采用聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）膜。試模尺寸為600 mm（長(zhǎng)） × 600 mm（寬） × 200 mm（高）。采用地板蠟作為脫模劑。

1.2 試樣制備

機(jī)制砂清水混凝土配合比見(jiàn)表2。

表2 機(jī)制砂清水混凝土配合比kg?m-3

1.3.1 混凝土拌和物的工作性能

按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［16］測(cè)試混凝土拌和物的工作性能。所制備的混凝土拌和物工作性能須滿足：出機(jī)坍落度（170 ± 20）mm，擴(kuò)展度300 ~ 400 mm，含氣量小于2%。使用手持式振搗器分層振搗澆筑成型。成型1 d后拆模，覆膜澆水養(yǎng)護(hù)至14 d后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3.2 混凝土力學(xué)性能

按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［17］測(cè)試混凝土的力學(xué)性能。每組3個(gè)試樣，取其平均值作為試驗(yàn)值。

1.3.3 圖像采集、處理及分析

圖像采集：為保證拍攝條件一致且能夠通過(guò)圖像觀察到混凝土表面細(xì)節(jié)，拍照時(shí)間選擇每天下午14：00。選擇垂直于試件中心、距離邊緣80 cm的位置，對(duì)機(jī)制砂清水混凝土正面和背面拍照。

圖像處理：選擇數(shù)字圖像分析軟件Image ProPlus 6.0對(duì)圖像進(jìn)行處理和分析。由于模型密封原因模型邊緣有部分水分散失，模型邊緣顏色較深，將圖像邊緣裁去約5 cm，剩余圖像面積約為0.25 m2。

圖像分析：將采集處理后的包含紅色、綠色和藍(lán)色的RGB圖像轉(zhuǎn)換為8位灰度圖像。

根據(jù)加權(quán)平均法，圖像中像素點(diǎn)灰度值H的計(jì)算式為

式中：R、G、B分別為原圖中紅色、綠色和藍(lán)色的亮度值。

1.3.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)圖像分析后，以氣孔參數(shù)（氣孔面積、數(shù)量及最大尺寸）和灰度參數(shù)（平均灰度、最大灰度、最小灰度、灰度標(biāo)準(zhǔn)差）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)機(jī)制砂清水混凝土的外觀質(zhì)量進(jìn)行分析。

1.3 試驗(yàn)方法

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 機(jī)制砂清水混凝土工作性能及力學(xué)性能

機(jī)制砂清水混凝土試樣工作性能及力學(xué)性能見(jiàn)表3。

表3 混凝土工作性能及力學(xué)性能

由表3可知：

1）摻入粉煤灰試樣（Q‐1、Q‐3）坍落度及擴(kuò)展度均低于同組摻入石灰石粉試樣（Q‐2、Q‐4）。原因是粉煤灰主要改善混凝土黏性，減少混凝土離析；與粉煤灰相比，石灰石粉具有良好形態(tài)效應(yīng)和填充效應(yīng)，其活性低、用水量少，因而更有利于改善漿體的流動(dòng)性。

2）與摻入石灰石粉試樣相比，同組摻入粉煤灰試樣28 d抗壓強(qiáng)度更高。原因是粉煤灰具有微珠效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，對(duì)混凝土的強(qiáng)度提升作用更大，而石灰石粉活性低，單位體積混凝土中的水化產(chǎn)物含量有所下降。

2.2 機(jī)制砂清水混凝土外觀質(zhì)量分析

2.2.1 表面氣孔情況

各試樣表面氣孔分布見(jiàn)圖1。其中：Q1‐1Z、Q1‐1B分別表示試樣Q‐1的正面、反面，其他以此類推?？芍簹饪纂S機(jī)分布，與原材料巖性相關(guān)性較小，同一試樣正反面氣孔面積相差不大。經(jīng)計(jì)算，Q‐1Z、Q‐1B、Q‐2Z、Q‐2B、Q‐3Z、Q‐3B、Q‐4Z、Q‐4B試樣表面氣孔面積分別為7.23、7.24、4.84、5.25、5.63、4.97、6.09和5.75 cm2/m2，其中Q‐1B氣孔面積最大，說(shuō)明機(jī)制砂清水混凝土氣孔面積與其配合比有關(guān)。各試樣氣孔面積比（孔面積/總面積）均滿足JGJ 169—2009中氣孔面積比小于20 cm2/m2的要求。

圖1 試樣表面氣孔分布

數(shù)字圖像分析法與人工測(cè)量所得最大孔徑及氣孔數(shù)量對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)字圖像分析法與人工測(cè)量所得最大孔徑及氣孔數(shù)量對(duì)比

由圖2可知：①各試樣最大孔徑均滿足JGJ 169—2009中氣孔尺寸小于等于8 mm的要求。人工測(cè)量與數(shù)字圖像分析所得孔徑最大面均是Q‐1B，最大孔徑分別為6.6、7.3 mm，兩者相差較小。②人工測(cè)量與數(shù)字圖像分析所得孔徑d≥2 mm 的氣孔數(shù)量最多面均是Q‐1B，氣孔數(shù)量分別為69、72個(gè)；1

2.2.2 表面色差

采用概率統(tǒng)計(jì)方法分別統(tǒng)計(jì)各試樣表面灰度參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表4。其中：平均灰度反映圖像整體亮度，其值越大圖片越亮；灰度標(biāo)準(zhǔn)差反映圖像灰度離散程度，其值越大圖像色差越大。可知：試樣平均灰度在160 ~ 210，其中Q‐1Z平均灰度最大，圖像整體亮度最高；試樣灰度標(biāo)準(zhǔn)差在8 ~ 14，其中Q‐3Z面的灰度標(biāo)準(zhǔn)差最大，說(shuō)明其色差最大。

表4 試樣表面灰度參數(shù)

以Q‐1Z、Q‐2Z、Q‐3Z、Q‐4Z為例，繪制灰度分布曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 試樣灰度實(shí)測(cè)曲線與正態(tài)函數(shù)擬合曲線對(duì)比

由圖3可知，灰度實(shí)測(cè)曲線與正態(tài)函數(shù)擬合曲線吻合。表4中相關(guān)系數(shù)反映灰度實(shí)測(cè)曲線與正態(tài)函數(shù)擬合曲線的相關(guān)程度，相關(guān)系數(shù)均在0.91以上，說(shuō)明擬合結(jié)果良好，進(jìn)一步證明混凝土表面灰度基本呈正態(tài)分布。

綜合各試樣正面和反面的概率統(tǒng)計(jì)參數(shù)，計(jì)算得到平均灰度和灰度標(biāo)準(zhǔn)差，見(jiàn)表5?？芍孩俚谝唤M試樣（Q‐1、Q‐2）平均灰度高于第二組試樣（Q‐3、Q‐4），說(shuō)明第一組試樣的亮度更高。②在同一小組內(nèi)，與摻入石灰石粉試樣（Q‐2、Q‐4）相比，摻入粉煤灰試樣（Q‐1、Q‐3）表面平均灰度和灰度標(biāo)準(zhǔn)差均更高。原因是粉煤灰中存在未完全燃燒的炭粒等有機(jī)物，這些有機(jī)物顏色較深且在混凝土表面隨機(jī)分布，導(dǎo)致試樣表面顏色加深，均勻性降低；而石灰石粉的形態(tài)效應(yīng)與填充效應(yīng)使?jié){體組分分布更均勻，且組分單一不含深色有機(jī)物。③試樣Q‐2的灰度標(biāo)準(zhǔn)差最小，表面色差情況最好，且灰度標(biāo)準(zhǔn)差與平均灰度間無(wú)明顯聯(lián)系。

表5 試樣灰度值統(tǒng)計(jì)參數(shù)

各混凝土試樣表面灰度值分布范圍大，因此在混凝土表面色差評(píng)價(jià)過(guò)程中，合理設(shè)定灰度標(biāo)準(zhǔn)差閾值是量化評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。根據(jù)文獻(xiàn)［6，12］，清水混凝土灰度標(biāo)準(zhǔn)差的評(píng)價(jià)閾值相差較大。一般認(rèn)為，灰度標(biāo)準(zhǔn)差小于18時(shí)為合格。本文中所配制的混凝土試樣灰度標(biāo)準(zhǔn)差均小于18，綜合考慮混凝土表面氣孔情況與色差，可認(rèn)為所有試樣均達(dá)到清水混凝土要求。

3 結(jié)論

以機(jī)制砂清水混凝土表面氣孔面積、數(shù)量、孔徑分布及表面色差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出了基于數(shù)字圖像分析法的機(jī)制砂清水混凝土外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。通過(guò)對(duì)兩組不同粗細(xì)骨料混凝土試樣測(cè)試分析，得出以下主要結(jié)論：

1）兩組混凝土氣孔情況良好，各試樣表面最大孔徑和氣孔面積比均滿足規(guī)范要求。數(shù)字圖像分析與人工測(cè)量所得孔徑最大面和氣孔數(shù)量最多面相同。

2）因配合比不同，各混凝土試樣表面亮度和色差存在差異，但其灰度值均基本呈正態(tài)分布。亮度與色差間無(wú)明顯關(guān)聯(lián)。綜合考慮平均灰度與灰度標(biāo)準(zhǔn)差，可對(duì)機(jī)制砂清水混凝土表面色差情況進(jìn)行較全面的分析。

3）與摻入石灰石粉試樣相比，摻入粉煤灰試樣表面平均灰度和灰度標(biāo)準(zhǔn)差更高。其原因是粉煤灰中存在有機(jī)物且隨機(jī)分布，導(dǎo)致試樣表面顏色加深，均勻性降低；而石灰石粉漿體組分分布更均勻，且組分單一，不含深色有機(jī)物。

4）綜合考慮混凝土表面氣孔情況與色差，所有試樣均達(dá)到清水混凝土要求。數(shù)字圖像分析和人工測(cè)量所得機(jī)制砂清水混凝土外觀質(zhì)量的評(píng)價(jià)結(jié)果基本相同，說(shuō)明數(shù)字圖像分析所得數(shù)據(jù)具有較高可信度，且檢測(cè)效率優(yōu)于人工測(cè)量，可在機(jī)制砂清水混凝土中推廣應(yīng)用。