基于DIP技术的碎石粗骨料粒形测试与修正

，，

(1.广东水利电力职业技术学院 水利系，广州　510635；2.广东省水利水电科学研究院 a.结构材料所；b. 广东省水利新材料与结构工程技术研究中心，广州　510610)

1　研究背景

粗细骨料是混凝土各组分中用量最大的材料，对混凝土的性能具有重要的影响，但对其性能的研究和掌握也是混凝土研究中最薄弱的环节。一直以来，有关骨料问题的研究，一直停留在含糊、定性的描述水平，砂石特性与混凝土性质之间也难以建立准确的定量关系[1]。因此对骨料粒形和粒径的表征进行研究是非常重要的，也是非常必要的。

骨料颗粒为不规则形状，很难充分地定义、度量，因此，粒形对混凝土性质的影响也很难精确评价[1]，数字图形处理(Digital Image Processing，DIP)技术的出现给骨料粒形研究带来了方便。

DIP技术是一种计算机技术，它通过电子方法捕捉景像，产生视觉信号，经数字化后，作为像素的列阵进行存储，运用图形识别处理软件进行处理计算，从中得到所需要的图像信息[2]。随着计算机硬件技术及图像理论的迅速发展，DIP已经为现代科学技术的发展提供了一种新的技术手段，并相继在多个学科领域得到应用，同时也为混凝土材料进行精确测量和数值表达提供了可行途径，为全面认识骨料形态特征及相应的力学特性开辟了新的道路。

DIP技术测试系统由数码照相设备、照明灯、试样台、计算机和图形处理软件组成。测试时，首先，调整相机的高度，以便有一个合适的视野，同时调整照明灯，避免照片中存在阴影;接着，在白色试样盘中放入试样颗粒，各个颗粒应相互分隔，以保证它们在照片中彼此独立，边界清晰;然后，对试样颗粒进行照相，得到数码照片，供图形处理软件进行分析，得到相关的粒形特征和表面构造数据[3]。

图1　DIP技术测试系统示意图Fig.1　Test system based on Digital ImageProcessing (DIP) technology

20世纪90年代中期， Antoine等[4]将DIP技术应用于颗粒的棱角性对环境冲刷破坏作用方面的研究， 后来香港大学有关学者将该技术直接应用于粗骨料粒形的表征和级配的描述， 他们研究发现， DIP技术得到粗骨料的纵长比及扁平比分别与其针状及片状颗粒含量线性相关， DIP技术的级配曲线与传统的级配曲线也是一致的[3,5-6]， 但是对于DIP技术的颗粒长度、 宽度及厚度与传统方法测值之间的关系未能进行研究， 同时对于扁平比的含义未能进行充分的阐释。 本文采用DIP技术测试灰岩碎石骨料的颗粒长度、 宽度、 扁平比、 厚度、 纵长比、 球度和粒形因数等粒形参数， 与游标卡尺的测量值进行比较分析，并对DIP技术测试的粒形参数进行修正。

2　灰岩碎石粗骨料粒形和粒径的测试

粗骨料的粒形和粒径参数主要包括:①长度a。②宽度b。③厚度c。④扁平比λ。扁平比定义为厚度对宽度的比值。由于DIP技术捕捉、量测的只是颗粒的二维投影，不能直接得到颗粒的第三维(厚度)，通过扁平比，DIP技术就可以通过颗粒的二维投影得到颗粒的厚度，从而得到颗粒的三维粒形特征，在这个过程中，扁平比是颗粒二维投影到三维粒形特征的桥梁，是非常关键的粒形参数。Mora等[6]假设同一产地、来源的颗粒应具有相同的粒形特征，因此可得骨料试样的厚度/宽度的平均比值λ，计算方法见式(1)。⑤纵长比β，纵长比定义为颗粒长度对宽度的比值。⑥球度ψ，假设颗粒为扁平椭圆体，a,b和c分别为颗粒长轴、中间轴和短轴，并经过适当近似处理，得到球度ψ，计算方法见式(2)。⑦ 粒形因数ξ，计算方法见式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：a,b,c分别为试样颗粒的长度、宽度、厚度(mm)；S为试样颗粒的投影面积(mm2)；M为全部试样颗粒的质量(kg)；ρ为试样颗粒的密度(kg/m3);λ,β分别为颗粒的扁平比、纵长比；ψ为球度；ξ为粒形因数。

对于灰岩碎石粗骨料，用游标卡尺测量每个颗粒的长度a′、宽度b′和厚度c′；将照相机水平固定在三脚架上，固定焦距后进行二维照相，并采用DIP技术测量二维照片的长度a、宽度b、面积S1及凸起面积S2；用精度为0.01 g的电子称测量每个颗粒的质量。由单个颗粒质量可计算单个颗粒λ值，从而得到单个颗粒厚度平均值；根据多个颗粒质量可得到这批颗粒的λ值，从而得到这批颗粒厚度平均值，并计算得到其他粒形和粒径参数。

本研究测试所用灰岩碎石粗骨料均来自同一石场，包括5～20,2～40,40～80 mm 3个规格，每个规格碎石骨料用DIP技术各测试30个样品。

3　粒型因数分析及比较

3.1　骨料长度、宽度及厚度的比较

由表1至表3、图2可知，碎石骨料颗粒用游标卡尺实测的长度a′和宽度b′分别与DIP技术测量的长度a和宽度b呈线性关系，相关系数非常接近1，相关性良好；比例系数非常接近1，平均误差在3%以内，而且误差随颗粒粒径增大而减小。

表1　5～20 mm级灰岩碎石粗骨料长度、宽度和厚度测试结果Table 1　Measured results of length, width andthickness of crushed limestone coarse aggregate insize range 5-20 mm

注：长度、宽度、厚度单位均为mm,表观密度2 710 kg/m3，下同。

表2　20～40 mm级灰岩碎石粗骨料长度、宽度和厚度测试结果Table 2　Measured results of length, width andthickness of crushed limestone coarse aggregate insize range 20-40 mm

表3　40～80 mm级灰岩碎石粗骨料长度、宽度和厚度测试结果Table 3　Measured results of length, width andthickness of crushed limestone coarse aggregate insize range 40-80 mm

(a) a-a′相关关系

(b) b-b′相关关系

(c) c-c′相关关系图2　DIP技术与游标卡尺分别测量得到的长度、宽度、厚度关系对应关系图Fig.2　Correlation between length, width and thicknessvalues measured by DIP method and by caliper gauge

项目纵长比a′/b′扁平比c′/b′球度ψ′粒形因数ξ′纵长比a/bDIP技术的单个颗粒扁平比c/bλ粒形因数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标准差0．3720．1560．1120．1440．3270．0930．0280．072变异系数0．2640．2600．1640．2790．2270．2910．0960．128

DIP测量的颗粒长度a与游标卡尺测量的颗粒长度a′的关系式为

a=1.014a′-0.719 8 ，R2=0.993 4 。

(4)

DIP测量的颗粒宽度b与游标卡尺测量的颗粒宽度b′的关系式为

b=1.019b′-0.588 9 ,R2=0.995 6 。

(5)

游标卡尺测得3个规格碎石的纵长比平均值为1.36～1.455，总平均值为1.41，DIP技术测得3个规格碎石的纵长比平均值为1.334～1.446，总平均值为1.39，标准差也非常接近，可见通过DIP技术测量碎石颗粒的长度、宽度以及纵长比的方法是可行的。因此，也可用DIP技术测量颗粒的针状颗粒的含量。

DIP测量的颗粒平均厚度c与游标卡尺测量的颗粒厚度c′的关系式为

c=0.550 5c′+0.040 5 ,R2=0.942 3 。

(6)

由图2(c)可知，DIP测量的单个颗粒平均厚度与游标卡尺的实测厚度c′之间呈线性关系，相关系数接近1，相关性良好，比例系数为0.550 5。

由表1至表3还可知，游标卡尺的实测厚度c′比DIP技术计算得到的单个颗粒平均厚度c大得多，5～20 mm级、20～40 mm级和40～80 mm级碎石c′平均比c大91.1%，81.4%和78.6%，总平均值为83.7%。显然，两者的物理意义和数值并不相同，在使用过程中不具有替代性，但由于两者之间存在良好的线性相关性，可以根据DIP技术测量厚度c，得到实际的颗粒平均厚度c′，综合换算系数c′/c为1.82。因此，也可用DIP技术测量颗粒的片状颗粒的含量。

3.2　扁平比、球度及粒形因数的比较

由表4至表7可见，DIP技术得到的5～20 mm级、20～40 mm级和40～80 mm级碎石骨料的扁平比λ分别为0.344,0.313和0.289，与对应的c/b值的偏差分别为+7.5%,-3.7%和-8.3%，平均值为0.315，较c/b略小1.6%，与采用DIP技术计算得到的单个颗粒扁平比c/b基本相等，在使用过程中具有替代性。

5～20 mm级、20～40 mm级和40～80 mm级碎石骨料游标卡尺所得的单个颗粒扁平比c′/b′平均值分别为0.606,0.590和0.570，三者最大差别为5%，总平均值为0.589；DIP技术得到的单个颗粒扁平比c/b平均值为0.320,0.325和0.315，三者最大差别为3.1%，总平均值为0.320；前者较后者大89.3%,81.5%和81.0%，平均值84.0%，可见，游标卡尺实测的单个颗粒扁平比c′/b′明显比DIP技术计算得到的单个颗粒扁平比c/b大得多，可见两者是不相同的，不可混淆。

表5　20～40 mm级灰岩碎石粗骨料粒形测试结果

表6　40～80 mm级灰岩碎石粗骨料粒形测试结果

5～20 mm级、20～40 mm级和40～80 mm级碎石游标卡尺所得的单个颗粒球度ψ′平均值分别为0.685，0.692和0.651，总平均值为0.676；DIP技术得到的球度分别为0.563，0.576和0.531，总平均值为0.557，前者较后者大21.4%。

5～20 mm级、20～40 mm级和40～80 mm级的粒形因数c′平均值分别为0.517，0.507和0.472，总平均值为0.499；DIP技术得到的粒形因数平均值分别为0.291，0.276和0.245，总平均值为0.271，前者较后者大130%。

4　关于λ的讨论

扁平比λ定义为厚度对宽度的比值，是表示颗粒粒形的重要参数，也是计算球度ψ和粒形因数的重要参数，在颗粒数字化中居于核心地位，也是DIP技术测试颗粒粒形的关键和难点，因此，正确测试和计算λ是非常重要的，也是非常必要的。

表7　5～20 mm级灰岩碎石粗集料修正后的粒形测试结果Table 7　Corrected index values of the particle shape ofcrushed limestone coarse aggregate insize range 5-20 mm

表8　20～40 mm级灰岩碎石粗集料修正后的粒形测试结果Table 8　Corrected index values of the particle shape ofcrushed limestone coarse aggregate insize range 20-40 mm

表9　40～80 mm级灰岩碎石粗集料修正后的粒形测试结果Table 9　Corrected index values of the particle shape ofcrushed limestone coarse aggregate insize range 40-80 mm

5～20 mm级、20～40 mm级和40～80 mm级碎石骨料修正前的扁平比λ分别是0.344,0.313,0.289，总平均值为0.315；修正后λ*分别是0.626,0.570,0.526，总平均值为0.574；而游标卡尺测量的扁平比c′/b′分别是0.606,0.590,0.570，总平均值为0.58。修正后的λ*与实测的扁平比c′/b′相近，总平均值偏差为-1.0%。

5～20 mm级、20～40 mm级和40～80 mm级碎石骨料修正前的粒形因数分别是0.291,0.276,0.245，总平均值为0.271；修正后粒形因数ξ*分别是0.530,0.502,0.446，总平均值为0.493；游标卡尺测量的粒形因数ξ′分别是0.517,0.507,0.472，总平均值为0.499。修正后的粒形因数ξ*与实测的粒形因数ξ′相近，总平均值偏差为-1.2%。

5～20 mm级、20～40 mm级和40～80 mm级碎石骨料修正前的球度分别是0.563,0.576,0.531，总平均值为0.557；修正后球度ψ*分别是0.687,0.703,0.649，总平均值为0.680；而游标卡尺测量的球度ψ′分别是0.685,0.692,0.651，总平均值为0.676。修正后的球度ψ*与实测的球度ψ′相近，总平均值偏差为+0.6%。

5　结　论

3个规格碎石的纵长比平均值为1.41，扁平比平均值为0.589，球度平均值为0.616，粒形因数平均值为0.499，总体上呈扁平的椭球状。

DIP技术所得灰岩碎石骨料的长度、宽度、厚度与游标卡尺测量值线性关系良好，采用DIP技术测试碎石骨料的粒形是可行的。

DIP技术所得灰岩碎石骨料的长度、宽度与游标卡尺测量值平均偏差<3%，无需进行修正；但厚度、扁平比与游标卡尺测量值差异显著，需要进行修正，修正系数1.82，修正后2种测试方法所得的厚度、扁平比、球度以及粒形因数偏差均在2%以内， DIP技术测试颗粒粒形参数的精度显著提高。

参考文献：

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