基于圖像處理技術(shù)的粗骨料形狀特征對自密實混凝土工作性的影響研究

于 峰，劉 平，高亞磊，方小婉，婁宗科

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，楊凌 712100)

0 引 言

粗骨料形狀特征包括顆粒尺寸、輪廓形狀和棱角性等，是影響混凝土工作性、強度和收縮變形的關(guān)鍵因素[1-2]。實際工程中大多將針片狀顆粒含量作為控制粗骨料顆粒形狀的指標(biāo)，國內(nèi)相關(guān)規(guī)范僅規(guī)定粗骨料的針片狀顆粒含量應(yīng)在8%以內(nèi)[3]，而這無法從本質(zhì)上精準(zhǔn)表征粗骨料顆粒形狀的不規(guī)則程度，另一方面，Kwan等[4]研究發(fā)現(xiàn)，篩分法只能得出粗骨料單一方向的尺寸，當(dāng)粗骨料形狀特征不同時，篩分法得出的粗骨料級配可能不同，因此有必要對粗骨料顆粒個體進(jìn)行形狀特征研究。國內(nèi)外學(xué)者在如何表征粗骨料形狀特征方面進(jìn)行了大量研究，徐飛[5]應(yīng)用球度和形狀指數(shù)的概念來評定粗骨料顆粒形狀特征；李曉燕等[6]研究發(fā)現(xiàn)了分形維數(shù)是合理評價粗骨料形狀特征的最佳定量指標(biāo)；張小偉等[7]運用定量體視學(xué)原理，研究發(fā)現(xiàn)了粗骨料的三維體視學(xué)參數(shù)與堆積空隙率之間具有較高的相關(guān)性；Kwan等[4]采用數(shù)字圖像處理技術(shù)對25種巖性及大小不同的粗骨料顆粒的薄片率和軸向系數(shù)進(jìn)行了分析；Fernlund[8]通過3D圖像分析方法測定了粗骨料顆粒3個軸的軸向長度；Zhang等[9]通過手工測量和圖像分析相結(jié)合方法發(fā)現(xiàn)玄武巖和石灰石粗骨料顆粒的長、寬、高以及粒形指數(shù)均符合正態(tài)分布；Mora等[10]運用數(shù)字圖像處理技術(shù)測量了粗骨料的球度、形狀參數(shù)和凹凸比，發(fā)現(xiàn)粗骨料顆粒的棱角性可以采用凹凸比與豐滿比進(jìn)行表征；Barret等[11]認(rèn)為可以采用球形度、形狀因子和表觀紋理來描述顆粒的形狀；然而目前尚無關(guān)于將粗骨料球體率作為表征粗骨料顆粒形狀的定量指標(biāo)的研究，而且關(guān)于粗骨料形狀特征影響自密實混凝土工作性能的研究較少。

本文基于圖像處理技術(shù)，將粗骨料球體率作為粗骨料顆粒形狀的定量評價指標(biāo)，在顆粒級配不變的前提條件下，研究球體率對粗骨料堆積空隙率及自密實混凝土工作性能的影響，并基于球體率與工作性能的定量關(guān)系式，對實際工程中粗骨料質(zhì)量進(jìn)行控制。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥采用的陜西盾石牌P·O 42.5水泥，其成分及性質(zhì)見表1和表2；粉煤灰采用鞏義電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，其成分見表1；細(xì)骨料采用渭河河砂，細(xì)度模數(shù)為2.92，級配曲線見圖1；粗骨料采用粒徑為4.75～19 mm、連續(xù)級配的渭河卵石，級配曲線見圖2；水采用普通自來水；外加劑采用上海臣啟化工科技有限公司生產(chǎn)的高效減水劑，建議摻量為0.15%～0.40%。

表1 水泥和粉煤灰的化學(xué)成分Table 1 Chemical constituents of cement and fly ash /%

表2 水泥的性能指標(biāo)Table 2 Performance index of cement

圖1 細(xì)骨料級配曲線
Fig.1 Gradation curve of fine aggregate

圖2 粗骨料級配曲線
Fig.2 Gradation curve of coarse aggregate

1.2 配合比設(shè)計

1.2.1 粗骨料形狀特征試驗方案

本試驗把各粒級粗骨料顆粒手工分成形狀接近橢球體和扁平狀等不規(guī)則形狀兩種，在保持粗骨料顆粒級配不變的條件下，通過變化不規(guī)則粗骨料顆粒的含量β，分別為5%、10%、15%和20%，得到了四組粗骨料形狀特征不同的粗骨料顆粒。

1.2.2 自密實混凝土配合比

本試驗采用絕對體積法計算自密實混凝土配合比，水膠比為0.36，砂率為47%，粉煤灰摻量為膠凝材料總量的25%，減水劑摻量為0.16%，試驗配合比見表3。

表3 自密實混凝土配合比Table 3 Mix proportion of self-compacting concrete /(kg/m3)

1.3 試驗方法

(1)填充性能試驗。試驗按照J(rèn)GJT 283—2012《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行。測量混凝土拌和物的坍落擴展度和坍落擴展度達(dá)500 mm的時間T500。

(2)間隙通過性能試驗。將裝在盛料器中的混凝土拌合物緩慢連續(xù)倒入L型流動儀垂直部分加入，靜置1 min提起活動門, 使混凝土拌合物穿過障礙并流向水平部分，最后測量L型流動儀垂直部分混凝土高度H1和水平部分末端混凝土高度H2，H2/H1可表征混凝土拌合物間隙通過性能。

(3)抗離析性能試驗。將裝在盛料器中的混凝土拌合物從500 mm高處緩慢連續(xù)倒入篩網(wǎng)篩孔為5 mm的方孔篩中，靜置2 min后稱量通過方孔篩的混凝土質(zhì)量，通過方孔篩的混凝土質(zhì)量與盛料器內(nèi)混凝土質(zhì)量之比即為離析系數(shù)GTM值，GTM值可表征混凝土拌合物抗離析性能。

2 基于圖像處理技術(shù)的粗骨料顆粒形狀定量表征

圖像處理技術(shù)能夠廣泛運用于材料學(xué)研究中，解決了傳統(tǒng)技術(shù)無法測定骨料形貌的問題。本文使用數(shù)碼單反相機對測量對象拍照并獲得圖像，之后應(yīng)用Image-Pro Plus軟件對粗骨料顆粒形狀特征進(jìn)行了圖像處理操作，圖像處理的基本步驟包括：圖像采集、圖像增強處理、圖像去噪、灰度處理、圖像二值化、測量及數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

2.1 圖像采集

首先對試驗用粗骨料進(jìn)行清洗和烘干，然后將粗骨料顆粒有序地擺放在白板上，以此達(dá)到增強粗骨料顆粒與白板的對比度的目的，這便于Image-Pro Plus軟件精準(zhǔn)快速地檢測到測量對象的邊界，最后使用數(shù)碼單反相機從正上方拍攝測量對象并獲取圖像。粗骨料顆粒圖像見圖3。

圖3 粗骨料顆粒
Fig.3 Coarse aggregate particles

圖4 圖像增強效果
Fig.4 Effect of image enhancement

2.2 圖像增強處理

為了使Image-Pro Plus軟件能精準(zhǔn)計算粗骨料形狀特征參數(shù)，使粗骨料的邊界輪廓特征表現(xiàn)得更突出，進(jìn)一步增強對比度，故進(jìn)行了圖像增強處理操作。圖像增強效果如圖4所示。

2.3 圖像去噪

使用數(shù)碼單反相機拍攝圖片時，圖像會產(chǎn)生影響測量結(jié)果的光點，故進(jìn)行了圖像去噪處理操作，本研究運用中值濾波法來去噪。圖像去噪效果如圖5所示。

圖5 圖像去噪
Fig.5 Image denoising

圖6 灰度圖像
Fig.6 Grayscale image

2.4 灰度處理

Image-Pro Plus軟件可以將RGB圖像直接轉(zhuǎn)化為灰度圖像。灰度圖像如圖6所示。

2.5 圖像二值化

圖7 二值圖像Fig.7 Binary image

對灰度圖像進(jìn)行圖像二值化處理操作，使整個圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果，從而使Image-Pro Plus軟件更好地識別測量對象的輪廓特征。本研究的測量對象為灰度值小于背景值的區(qū)域，將閾值定為146，從而得到了對應(yīng)的二值圖像。二值圖像如圖7所示。

2.6 測 量

本試驗所用的粗骨料為顆粒形狀類似于橢球體的卵石，相比于碎石顆粒，卵石顆粒表面光滑程度更高，故采用球度與圓度的比值作為衡量粗骨料顆粒與球體接近程度的指標(biāo)。

圓度σ表明了粗骨料顆粒棱角的尖銳程度，圓度越小，則粗骨料顆粒形狀越接近圓形，其計算公式為：

(1)

式中：l為粗骨料顆粒二維投影輪廓周長；A為粗骨料顆粒二維投影面積。

球度φ表明了粗骨料顆粒三軸尺寸(長軸、中軸和短軸)之間的接近程度，球度越大，則粗骨料顆粒形狀越接近球體，其計算公式為：

(2)

式中：a為長軸；b為中軸；c為短軸。

在本研究中，通過應(yīng)用Image-Pro Plus軟件只得出了粗骨料顆粒中軸和長軸的尺寸，未得到短軸的尺寸，Mora等[12]認(rèn)為來源相同的粗骨料顆粒形狀特征大體相同，因此根據(jù)已知粗骨料顆粒的中軸尺寸來計算平均厚度D，計算公式為：

D=λb

(3)

式中：λ為粗骨料的薄片率。粗骨料的體積V為：

V=DA=λbA

(4)

進(jìn)一步可得粗骨料質(zhì)量m的計算公式為：

(5)

式中：N為粗骨料顆粒數(shù)量；ρ為粗骨料的表觀密度。由式(5)可計算出薄片率，再將λ值代入式(3)即可求出粗骨料的短軸長度。

本研究定義球體率α為粗骨料形狀特征的定量評價指標(biāo)，其計算公式為：

(6)

球體率α值越大，粗骨料顆粒的三軸長度的接近程度越高，形狀特征越接近球體。

通過對測量圖像進(jìn)行增強、去噪和二值化等處理后，即可應(yīng)用Image-Pro Plus軟件獲取粗骨料球體率。

2.7 球體率的統(tǒng)計分析

圖8 不規(guī)則顆粒的含量與粗骨料球體率的關(guān)系Fig.8 Relationship between irregular particles content and spherical rate of coarse aggregate

Image-Pro Plus軟件只能測量單個粗骨料顆粒的球體率，所以采用體積權(quán)重法計算各粒級粗骨料的球體率及三級配粗骨料的球體率[7]，如表4所示；根據(jù)各粒級粗骨料的球體率，可計算三級配粗骨料的球體率，如表5所示。

不規(guī)則粗骨料顆粒的含量β與粗骨料顆粒α的球體率的擬合曲線如圖8所示，擬合曲線方程分別為：

α=-0.0001β2+0.0078β+0.4885

(7)

擬合曲線方程的R2為0.999，表明了不規(guī)則粗骨料顆粒的含量與粗骨料顆粒的球體率之間的曲線擬合精度高，擬合方程相關(guān)性強，且不規(guī)則顆粒的含量與球體率呈正相關(guān)關(guān)系。

表4 各粒級粗骨料的球體率Table 4 Spherical rate of particle-size coarse aggregate

表5 三級配粗骨料的球體率Table 5 Spherical rate of tertiary coarse aggregate

3 結(jié)果與討論

3.1 粗骨料球體率對粗骨料堆積空隙率的影響

圖9 粗骨料球體率與堆積空隙率的關(guān)系Fig.9 Relationship between spherical rate of coarse aggregate and voidage

不同粗骨料球體率下的粗骨料堆積空隙率如圖9所示。由圖中可得，隨著球體率由0.5240增大到0.5922，粗骨料堆積空隙率先減小后增大，當(dāng)球體率為0.5756時，堆積空隙率最小為39.1%。這是由于隨著粗骨料球體率的增大，不規(guī)則形狀的粗骨料顆粒含量逐漸降低，粗骨料顆粒與球體的接近程度越高，從而粗骨料的堆積空隙率先呈減少的趨勢；當(dāng)粗骨料球體率增大到一定程度時，不規(guī)則形狀的粗骨料顆粒含量相對較低，不能很好地填充粗骨料之間的空隙，因此堆積空隙率又呈增大的趨勢。

3.2 粗骨料球體率對自密實混凝土工作性的影響

不同粗骨料球體率下的自密實混凝土工作性如圖10所示。由圖中可得，隨著粗骨料球體率的增大，自密實混凝土的坍落擴展度逐漸增大，T500逐漸減小，間隙通過性能逐漸提高，抗離析性能逐漸提高。

圖10 粗骨料球體率與自密實混凝土工作性的關(guān)系
Fig.10 Relationship between spherical rate of coarse aggregate and workability of self-compacting concrete

這是由于隨著粗骨料球體率的增大，粗骨料顆粒越接近球體，扁平狀等不規(guī)則形狀顆粒逐漸減少。在自密實混凝土處于流動過程中，漿體包裹粘聚著粗骨料顆粒一起流動，而扁平狀顆粒在自密實混凝土的流動過程中時多呈現(xiàn)平置狀態(tài)，故漿體推動扁平狀粗骨料顆粒的作用較弱，這會使粗骨料顆粒從漿體中分離，從而降低了自密實混凝土的工作性、抗離析性和間隙通過性；且不規(guī)則粗骨料顆粒之間的摩擦阻力逐漸增大，這也會降低自密實混凝土的流動性。另一方面，隨著粗骨料球體率的增大，粗骨料堆積空隙率和比表面積逐漸減小，可用于填充粗骨料空隙的漿體體積逐漸減小，同時增大了粗骨料顆粒的表面漿體包裹層厚度，這使粗骨料顆粒之間、粗骨料與漿體之間的摩擦阻力顯著降低，從而提高了自密實混凝土的工作性能。

3.3 粗骨料球體率與自密實混凝土工作性的定量關(guān)系

此外，粗骨料顆粒的球體率與自密實混凝土的坍落擴展度和離析指標(biāo)GTM的擬合曲線如圖11和圖12所示，擬合曲線方程分別為：

Y1=2238.2α2-2017α+1028

(8)

Y2=-4.5571α2-38.914α+32.083

(9)

擬合曲線方程的R2均為0.964，表明了粗骨料顆粒的球體率與坍落擴展度以及離析指標(biāo)GTM之間的曲線擬合精度較高，擬合方程相關(guān)性強，依據(jù)上述擬合曲線方程，在本研究條件下，若要確保拌合物的坍落擴展度不低于600 mm，則需控制粗骨料顆粒球體率至少為0.5592；若要保證拌合物不出現(xiàn)離析現(xiàn)象，需要控制GTM值不大于15%，對應(yīng)的球體率應(yīng)不小于 0.4185。

設(shè)計了兩組驗證試驗，保持顆粒級配不變，不規(guī)則粗骨料顆粒的含量分別為2.5%和25%，試驗結(jié)果如表6～表8所示。當(dāng)粗骨料球體率分別為0.5016和0.6031時，此時拌合物的坍落擴展度與離析指標(biāo)GTM的預(yù)測值與實際值相差均在3%以內(nèi)，擬合曲線方程具有較高的準(zhǔn)確性，由此說明在一定顆粒級配條件下可以采用球體率作為粗骨料形狀特征的評價指標(biāo)，從而達(dá)到控制實際工程中所用粗骨料質(zhì)量的目的。

圖11 球體率與坍落擴展度的擬合曲線
Fig.11 Fitting curve of spherical rate and slump flow

圖12 球體率與GTM的擬合曲線
Fig.12 Fitting curve of spherical rate and GTM

表6 各粒級粗骨料的球體率(驗證試驗)Table 6 Spherical rate of particle-size coarse aggregate(experimental validation)

表7 三級配粗骨料的球體率(驗證試驗)Table 7 Spherical rate of tertiary coarse aggregate(experimental validation)

表8 坍落擴展度與GTM值的預(yù)測值與實際值的對比Table 8 Comparison between predictive values and experimental values of slump flow and GTM

4 結(jié) 論

(1)不規(guī)則粗骨料顆粒的含量與粗骨料球體率呈正相關(guān)關(guān)系；粗骨料堆積空隙率隨球體率的增大呈先減小后增大的趨勢，當(dāng)球體率為0.5756時，粗骨料堆積空隙率最小為39.1%。

(2)當(dāng)粗骨料球體率由0.5240增大到0.5922時，粗骨料堆積空隙率呈先減小后增大的趨勢，自密實混凝土的坍落擴展度逐漸增大，T500逐漸減小，間隙通過性能與抗離析性能逐漸提高。

(3)通過建立粗骨料球體率與自密實混凝土坍落擴展度及離析指標(biāo)GTM的定量關(guān)系式，能夠確定滿足一定工作性能要求的粗骨料球體率；在本研究條件下，若要確保拌合物的坍落擴展度不低于600 mm，則需控制粗骨料顆粒球體率至少為0.5592；若要保證拌合物不出現(xiàn)離析現(xiàn)象，需要控制GTM值不大于15%，對應(yīng)的球體率應(yīng)不小于 0.4185；經(jīng)試驗驗證，拌合物的坍落擴展度與離析指標(biāo)GTM的預(yù)測值與實際值相差均在3%以內(nèi)，定量關(guān)系式具有較高的準(zhǔn)確性，由此能夠達(dá)到控制實際工程中所用粗骨料質(zhì)量的目的。