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，即通過不同篩孔上的篩余物質(zhì)量來分析砂的級(jí)配構(gòu)成，分別用級(jí)配曲線和細(xì)度模數(shù)來表示［3］。而篩分法在理論上來講，小于篩孔的骨料應(yīng)全部通過篩孔，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、分類和解釋的技術(shù)，又稱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，但其中最大的問題在于只能得到骨料的二維尺寸，無法得到三維尺寸，即無法知道顆粒的厚度，這里我們將顆粒的平均厚度用其他的尺寸來估算，得到與實(shí)際尺寸相近的值來估算。實(shí)驗(yàn)通過篩分法和圖像分析法進(jìn)行對(duì)比，來驗(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

按照國家規(guī)范規(guī)定［4］，通過篩分法來測(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，篩至每分鐘通過總量0.1%為止，通過的試樣并入下一號(hào)篩，并和下一號(hào)篩中的試樣一起過篩，這樣順序進(jìn)行，直至各號(hào)篩全部篩完為止。

稱出各號(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)配類別應(yīng)符合表2 規(guī)定。

表1 顆粒級(jí)配

表2 級(jí)配類別

1.2 篩分法誤差分析

篩分法的優(yōu)點(diǎn)在于原理簡單，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)際的操作過程中，即使經(jīng)過了搖篩機(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篩孔，造成了計(jì)算時(shí)的誤差如圖1;篩分過程中因震動(dòng)強(qiáng)烈，一些顆粒種類可能容易破損，從而破壞粒徑分布［5］。

圖1 顆粒經(jīng)過篩孔示意圖

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、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)將拍到的圖片在專業(yè)軟件中打開，通過調(diào)整亮度、對(duì)比度和伽馬值來弱化背景，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確定測(cè)量區(qū)域，通過選取砂子顏色來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手動(dòng)工具來進(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。但λ 具有物理含義并由下式?jīng)Q定:

其中M 為稱重測(cè)得試樣的總重量。

通過換算，將DIP 技術(shù)中的級(jí)配區(qū)間換算過來，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)類別范圍，對(duì)六個(gè)類別范圍內(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)算公式中沒有考慮底盤上小于0.15 mm 的部分，但在試樣總量中沒有扣除，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)砂子的稱重過程;通過扁平系數(shù)用寬度來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)配分布曲線是大致相同的，說明了圖像分析測(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、周長等很多基本參數(shù)都可以分析出來，經(jīng)過充分的發(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.