楊秀芬，黃佳富，戴大旺，楊潮軍,2，孟 濤

(1.浙江大學建筑工程學院，杭州 310058；2.浙江省建設(shè)工程質(zhì)量檢驗站有限公司，杭州 310012)

0 引 言

我國的城市化進程極大地加速了建筑垃圾的產(chǎn)生。僅計算建筑施工和拆除產(chǎn)生的建筑垃圾，我國每年就需要面臨約18億t的建筑垃圾處理問題[1]，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全國再生利用率僅為5%左右，資源利用率不足10%[2]。由于我國拆除建筑多為磚混結(jié)構(gòu)，而將破碎磚混粗骨料應用于再生混凝土是其資源化利用的重要手段，因此，深入研究磚混粗骨料的性能，提高破碎所得磚混粗骨料的應用價值，具有重要研究價值。磚混粗骨料性能方面的研究結(jié)果表明，其性能明顯劣于天然骨料，孔洞多，吸水率大，壓碎指標高[3]，且隨著磚骨料的摻入，混凝土性能持續(xù)惡化[4]。但從工程實踐考慮，利用再生磚混粗骨料制備的混凝土仍然可以滿足中低強度等級泵送混凝土的性能要求[5]，具有工程價值。由于骨料形態(tài)決定了骨料本身性質(zhì)及其與水泥漿的協(xié)同作用效果，混凝土的性能就必然受到骨料形態(tài)的影響[6]。而目前對再生磚混粗骨料的研究大多圍繞其簡單的物理性質(zhì)，再生磚混粗骨料形態(tài)研究必須得到重視。

為了推進骨料形態(tài)的相關(guān)研究，20世紀70年代，學者們開始將金屬材料領(lǐng)域的分形定量分析方法[7]應用于混凝土領(lǐng)域，并認為將分形學應用于混凝土材料領(lǐng)域，描述細微觀層次下的精細結(jié)構(gòu)與宏觀層次下的力學行為和自相似特征是有效的[8]。研究人員同時發(fā)現(xiàn)再生砂單顆粒和砂粒群輪廓具備較強的分形學特征[9]。李維濤等[10]將分形維數(shù)用于描述不同的砂，從而對砂進行分類。也有學者將分形思想應用于混凝土表面特征[11]、內(nèi)部氣泡空隙[12]及材料孔結(jié)構(gòu)[13-14]的分析?？梢?，雖然分形學理論早已引入骨料研究領(lǐng)域，但目前主要圍繞分形維數(shù)及砂群、混凝土孔結(jié)構(gòu)進行，針對再生磚混粗骨料的研究仍處于起步階段，不足以推進再生磚混粗骨料形態(tài)研究向前發(fā)展。

因此，細致的骨料形態(tài)表征研究具有重要應用價值。近年來，研究者們運用動態(tài)圖像分析[15]、數(shù)字影像[16]、三維激光掃描(LS)、經(jīng)典投影面積法(PAM)[17]和μXCT[18]等多種試驗方法獲取了骨料形態(tài)特征，并采用棱角系數(shù)、顆粒球度和形狀指數(shù)等多種指標對骨料進行了形態(tài)表征研究[19-20]。Tafesse等[21]開發(fā)了Matlab程序來進行圖像分析。蘇棟等[22]利用三維掃描和球諧分析進行了三維骨料顆粒不同層級的幾何特征研究，但數(shù)據(jù)分析相對復雜。此外，研究者大多圍繞天然骨料的表征進行數(shù)據(jù)采集分析，然而再生骨料組分及性能與天然骨料存在較大差異，天然骨料的研究成果并不能直接應用于再生骨料。

基于以上分析，本文對再生磚混粗骨料顆粒形態(tài)進行了表征和分析，首先采用圖像處理技術(shù)提取再生磚混粗骨料的顆粒形態(tài)特征，并計算了用于表征骨料形態(tài)的高寬比、圓整度和緊湊系數(shù)等特征參數(shù)，然后統(tǒng)計分析了單個骨料及混合骨料的形態(tài)特征參數(shù)，并在最后指出了各組分的顆粒形態(tài)特點及再生磚混粗骨料的應用價值。

1 實 驗

1.1 試驗用再生骨料

再生骨料由蕭山所前房屋拆遷產(chǎn)生的建筑固體廢棄物經(jīng)顎式破碎機進行破碎后形成，粒徑為0～9.5 mm，基本組分技術(shù)指標見表1，級配曲線見圖1。

圖1 再生骨料級配曲線Fig.1 Grading curves of recycled aggregates

表1 再生骨料基本組分Table 1 Basic components of recycled aggregates

1.2 數(shù)字圖像獲取及預處理

首先篩選出粒徑大于4.75 mm的再生骨料放置于水平黑色吸光布上，利用手機攝影功能獲取數(shù)字圖像，見圖2。獲取再生骨料的數(shù)字圖像后，對其進行圖像預處理，便于提取參數(shù)進行分析，本試驗技術(shù)路線如圖3所示。

圖2 再生骨料的總圖Fig.2 General layout of recycled aggregates

圖3 數(shù)字圖像處理方法Fig.3 Digital image processing method

(1)數(shù)字圖像預處理

使用Photoshop軟件截取試驗感興趣部分的數(shù)字圖像，為其中一個待處理的骨料圖像。本試驗采用中值濾波的方法進行圖像平滑處理，減少獲取圖像時因為光線或者模/數(shù)轉(zhuǎn)換和線路傳輸而產(chǎn)生的噪音，使圖像輪廓清晰、光滑，顆粒感減少，特征明顯。

本試驗將RGB色彩空間處理為GRAY灰度色彩空間，像素值的范圍為[0，255]。剔除圖像內(nèi)像素高于一定值或低于一定值的像素點，將圖像中所有小于或等于閾值的像素點的值設(shè)為0，將圖像中所有大于閾值的像素點的值設(shè)為255，得到二值圖像，可以有效分離前景和背景。

(2)骨料輪廓的查找和繪制

使用OpenCV的cv.findContours()函數(shù)用于查找圖像輪廓，并返回特定方式表示的輪廓；使用cv.drawContours()繪制已查找到的輪廓，并返回輪廓的個數(shù)。圖3中骨料外輪廓線就是物體的邊界線。同時通過cv.bitwise_and()位與運算繪制出單個骨料。

(3)輪廓擬合

利用函數(shù)cv2.minAreaRect()繪制輪廓的最小包圍矩形框，返回輪廓的高度、寬度，用于參數(shù)的計算。全部骨料預處理后的圖像見圖4。

圖4 全部骨料Fig.4 All aggregates

1.3 特征參數(shù)提取

(1)特征參數(shù)計算

因為骨料表面凹凸不平，具有不規(guī)則性，因此引用等效直徑、高寬比、圓整度和緊湊系數(shù)等特征參數(shù)進行骨料特征的描述。經(jīng)數(shù)據(jù)提取計算，再生骨料特征參數(shù)見表2。

表2 再生骨料特征參數(shù)Table 2 Characteristic parameters of recycled aggregates

(2)材質(zhì)識別

再生骨料中含有不同材質(zhì)的骨料，并具有相互區(qū)別的特有顏色，比如：磚呈現(xiàn)出暗紅色,石呈現(xiàn)出灰色等?，F(xiàn)對每個材質(zhì)的顏色取值范圍按表3進行初始化設(shè)定。

表3 顏色取值范圍Table 3 Color value range

由于再生骨料本身顏色存在差異，同時骨料上附著的再生砂漿會影響骨料顏色的呈現(xiàn)，拍攝時光線也會影響骨料的顏色，以單個像素作為參數(shù)進行識別會降低識別精度，因此本試驗統(tǒng)計每個像素，取平均值作為骨料的參數(shù)值，根據(jù)匹配顏色取值范圍表進行材質(zhì)識別。

2 再生骨料的特征參數(shù)分析

2.1 單個骨料的特征參數(shù)分析

表2是對應于圖4中各個骨料的具體特征參數(shù)，其中包括材質(zhì)、面積、周長等，用于描述材料的基本性能和特征。由表2可知,各個骨料參數(shù)存在明顯的差異，不同骨料的參數(shù)特征具有唯一性。

對骨料面積相差最大的兩個骨料進行分析。骨料面積最小的是編號為107的骨料，其材質(zhì)為石，面積只有21.34 mm2，等效直徑為5.21 mm，形狀偏向于三角形，見圖5(a)；骨料面積最大的是編號為202的骨料，其材質(zhì)為石，面積為144.14 mm2，等效直徑為13.55 mm，形狀偏向于橢圓形，見圖5(b)。面積最大骨料的等效直徑是面積最小骨料的2.6倍。

圖5 面積最小與最大的骨料Fig.5 Aggregates with minimum and maximum area

取骨料面積相近的骨料進行分析。圖6顯示的是面積相近的三個骨料，其中編號為33和編號為224的骨料同為石材質(zhì)，周長基本相同，但是編號33的高寬比是1.15，圓整度是0.86，而編號224的高寬比是1.26，圓整度是0.81，意味著編號33更接近于圓形，而編號224呈現(xiàn)出“凸”形。

圖6 面積相近的骨料Fig.6 Aggregates with similar area

編號155為磚骨料，與具有相近面積的編號為33和編號為224的石骨料相比，磚骨料高寬比(1.81)明顯大于石骨料，而另外兩個石骨料高寬比均值僅為1.21。從圓整度角度來看，磚骨料圓整度為0.67，明顯低于面積相近的石骨料圓整度均值(0.84)。基于高寬比與圓整度的差異，編號為155的磚骨料偏向于長方形，而編號為33和224的石骨料更接近于圓形，具體特征參數(shù)見表4。

表4 面積相近的骨料特征參數(shù)Table 4 Characteristic parameters of aggregates with similar area

2.2 混合骨料的特征參數(shù)分析

2.2.1 材質(zhì)識別

圖7顯示了再生粗骨料的Hue Saturation Value (HSV)顏色模型圖，每一種材質(zhì)都有自己特有的一個顏色區(qū)域，且相互重疊區(qū)域很小，說明使用像素平均值作為骨料的參數(shù)值用于識別再生粗骨料是可行的。

圖7 再生骨料的HSV顏色分布Fig.7 HSV color distribution of recycled aggregates

表5是數(shù)字圖像識別得到的統(tǒng)計結(jié)果，由表可知:再生骨料中主要成分是石，占全部骨料的86.5%(數(shù)目占比)；其次是磚，占全部骨料的12.4%(數(shù)目占比)；剩余的是極少量的木、陶瓷以及雜質(zhì)。這一數(shù)據(jù)與表1中再生骨料具體成分的試驗數(shù)據(jù)接近，說明使用數(shù)字圖像計算不同材質(zhì)骨料的比例，其結(jié)果是準確的。

表5 再生骨料統(tǒng)計結(jié)果Table 5 Statistics of recycled aggregates

2.2.2 等效直徑

等效直徑是指與骨料具有相同面積的圓的直徑，反應骨料尺寸大小，可用于描述骨料的級配特征。

圖8顯示了磚骨料的等效直徑分布頻率。由圖可知，磚骨料等效直徑分布分散、不連續(xù)。粒徑在4.75～8 mm之間相對較多，占了56.5%，峰值在6.8 mm左右，相同等效直徑的磚骨料數(shù)量隨著等效直徑的增大逐漸減少。等效直徑在8～10 mm之間存在明顯的空值，且相同等效直徑的磚骨料數(shù)量相近，分布規(guī)律不明確。分析認為這與磚骨料在再生骨料中只有46個樣本(占全部骨料的12.4%)有主要關(guān)系，磚骨料樣本數(shù)量不足，無法得到足夠的等效直徑計算值，導致磚骨料等效直徑分布規(guī)律比較模糊。

圖8 磚骨料等效直徑分布頻率Fig.8 Equivalent diameter distribution frequencyof brick aggregates

圖9顯示了石骨料的等效直徑分布頻率。由圖可知，石骨料的分布呈期望值左側(cè)部分圖形失真的正態(tài)分布，期望在等效直徑6.8 mm左右，正態(tài)分布離散程度較小。失真原因在于本試驗的對象為粗骨料，篩選了粒徑在4.75 mm以上的磚混骨料進行統(tǒng)計，因此骨料正態(tài)分布圖像從等效直徑小于6 mm的部分開始迅速下降。石骨料等效直徑主要集中在6～10 mm之間，占石骨料總量的76.6%，粒徑在6～10 mm之間仍是連續(xù)分布，10～12 mm之間偶爾有骨料出現(xiàn)，占比較小。

圖9 石骨料等效直徑分布頻率Fig.9 Equivalent diameter distribution frequencyof stone aggregates

圖10顯示了再生骨料的等效直徑分布頻率，分布特征與石骨料分布特征相似，呈期望值左側(cè)部分圖形失真的正態(tài)分布，期望在等效直徑6.8 mm左右，正態(tài)分布離散程度較小。由圖可知，骨料的等效直徑主要分布于6～10 mm的范圍內(nèi)，占76.6%左右，小于6 mm和大于10 mm的骨料的分別占10.6%和12.8%。

再生骨料中等效直徑為7 mm的骨料最多?；旌虾蟮墓橇霞壟浞植蓟境收龖B(tài)分布可表明磚骨料能夠混合石骨料形成一種級配良好的骨料。工程實踐表明，采用磚混再生粗骨料配制的再生混凝土可以滿足中低強度等級泵送混凝土的性能要求。

圖10 再生骨料的等效直徑分布頻率Fig.10 Equivalent diameter distribution frequencyof recycled aggregates

2.2.3 高寬比

高寬比是指骨料的高度與寬度之比，可用于針狀顆粒篩選，當高寬比超過一定值時，會被判為針狀顆粒，針狀顆粒在實際工程中往往會導致混凝土和易性的降低，而準確的針狀顆粒含量計算有助于控制骨料中針狀骨料的含量。

對骨料按高寬比計算值升序排列，并重新編號作為自變量，繪制散點圖如圖11(a)所示，再以等效直徑作為自變量，繪制散點圖如圖11(b)所示。圖11顯示，石和磚骨料高寬比基本處于1.0～2.0之間，僅有少量石和磚骨料的高寬比較大，處于2.0～2.7之間，沒有石和磚骨料的高寬比超出2.7。當高寬比計算值在1.0～1.5范圍內(nèi)時，骨料數(shù)量分布均勻，當高寬比大于1.5時，隨著高寬比計算值不斷增大，對應骨料數(shù)量單調(diào)減少，石和磚骨料均體現(xiàn)了該特征，且由于小面積骨料數(shù)量更多，該特征在小面積骨料中更為明顯。

圖11 再生骨料的高寬比Fig.11 Height width ratio of recycled aggregates

木材由于各向異性的材質(zhì)特性，通常高寬比會較大，且其相互差距較大，本試驗中的兩個木材樣本高寬比分別為2.10和4.10，大于98%的骨料。圖12為高寬比為4.10的木骨料。當高寬比超過一定值時，骨料會被判為針狀顆粒。

圖12 高寬比為4.10的編號為231的骨料(木材)Fig.12 Aggregate No.231 (wood) with height width ratio of 4.10

圖13顯示了高寬比均為1.00的骨料，其形狀仍有差異，主要體現(xiàn)在圓整度及緊湊系數(shù)的不同，但差異不大。編號為195的石骨料圓整度最高，最接近圓形，編號為307的石骨料緊湊系數(shù)最高，最接近其最小外接矩形，具體參數(shù)見表6。

圖13 高寬比為1.00的骨料Fig.13 Aggregates with height width ratio of 1.00

表6 高寬比相同的骨料特征參數(shù)Table 6 Characteristic parameters of aggregates with same height width ratio

2.2.4 圓整度

圓整度是指骨料接近圓的程度，從二維平面角度描述了材料的形狀，圓整度為1.00的骨料呈現(xiàn)標準的圓形。對于圓整度較差的骨料，所澆筑的混凝土可能具有較大的空隙率，在相同的澆筑條件下使得所需水泥用量增加。

對骨料按圓整度計算值升序排列，并重新編號作為自變量，繪制散點圖如圖14(a)所示，再以等效直徑作為自變量，繪制散點圖如圖14(b)所示。圖14顯示,96%以上的磚和石骨料圓整度處于0.60～0.90之間，當圓整度計算值在0.75～0.85范圍內(nèi)時，骨料數(shù)量分布均勻。當圓整度計算值在該范圍外時，隨著到該區(qū)間距離不斷增大，對應骨料數(shù)量單調(diào)減少，石和磚骨料均體現(xiàn)了該特征，該特征同樣在小面積骨料中更為明顯。

圖14 再生骨料的圓整度Fig.14 Roundness of recycled aggregates

編號為201的磚骨料的圓整度最大，為0.87，是本次試驗中最接近圓的骨料，見圖15。

圖15 編號為201的骨料Fig.15 Aggregate No.201

木材的各向異性同樣導致了其較差的圓整度。本試驗中的兩個木材骨料的圓整度分別為0.40和0.67，小于90%的骨料，圓整度較差的骨料同樣具有較低的緊湊系數(shù)，具體參數(shù)見表7。

表7 木骨料特征參數(shù)Table 7 Characteristic parameters of wood aggregates

2.2.5 緊湊系數(shù)

緊湊系數(shù)是指骨料的平面形狀接近其最小外接矩形的程度，可用于表征骨料輪廓的規(guī)則程度，可計算畸形骨料含量。當骨料的緊湊系數(shù)小于0.70時，骨料的高寬比一般較大，骨料偏向于針狀發(fā)展。

對骨料按緊湊系數(shù)計算值升序排列，并重新編號作為自變量，繪制散點圖如圖16(a)所示，再以等效直徑作為自變量，繪制散點圖如圖16(b)所示。圖16顯示，大部分磚和石骨料的緊湊系數(shù)處于0.70～0.90之間，均值為0.76。緊湊系數(shù)分布規(guī)律與圓整度相似,當緊湊系數(shù)計算值在0.72～0.80范圍內(nèi)時，骨料數(shù)量分布均勻。當緊湊系數(shù)計算值在該范圍外時，隨著到該區(qū)間距離不斷增大，對應骨料數(shù)量單調(diào)減少，且該特征在小面積骨料中更為明顯。

圖16 再生骨料的緊湊系數(shù)Fig.16 Compact factor of recycled aggregates

面積小于60 mm2的骨料緊湊系數(shù)均值為0.76，面積在60～100 mm2的骨料緊湊系數(shù)均值為0.75，面積大于100 mm2的骨料緊湊系數(shù)均值為0.74，可見骨料粒徑大小的不同與骨料緊湊系數(shù)的大小并無直接聯(lián)系，每一面積區(qū)間獲得特定緊湊系數(shù)骨料的可能性相近。

取緊湊系數(shù)差距最大的骨料進行對比分析：編號為125的骨料的緊湊系數(shù)最小，為0.60，骨料形態(tài)呈現(xiàn)出錐形；編號為90的骨料的緊湊系數(shù)最大，為0.87，接近于矩形，見圖17，參數(shù)對比見表8。當骨料緊湊系數(shù)相差較大時，骨料圓整度及高寬比也有較大差距，緊湊系數(shù)較大的骨料圓整度更大，高寬比更小。

圖17 緊湊系數(shù)差距最大的骨料Fig.17 Aggregates with minimum and maximum compact factor

表8 緊湊系數(shù)差距最大的骨料特征參數(shù)Table 8 Characteristic parameters of aggregates with minimum and maximum compact factor

2.2.6 不同材質(zhì)骨料的特征參數(shù)分析

表9為再生骨料特征參數(shù)均值統(tǒng)計表。由表可知，骨料主要成分為石和磚，足夠的樣本數(shù)量使得石和磚具有較為準確的統(tǒng)計結(jié)果，而陶瓷與木等雜質(zhì)離散性較大。

表9 再生骨料特征參數(shù)統(tǒng)計表Table 9 Statistical table of characteristic parameters of recycled aggregates

石的平均面積和平均周長稍大于磚，其余幾項特征參數(shù)相近，主要原因是磚的強度比較低，而回收過程中需要多次粉碎。在同樣的荷載作用下，磚受到的破壞更嚴重，因而尺寸相對更小。再生骨料在實際受力過程中：當破壞荷載小于磚骨料的破壞荷載時，磚骨料之間能夠相互協(xié)調(diào)共同抵抗荷載；當破壞荷載大于磚骨料的破壞荷載時，磚骨料發(fā)生破壞，最后導致整個試件結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。陶瓷的面積和周長相對其余骨料是最大的，因為陶瓷經(jīng)過燒制工藝，強度更高，粉碎過程中破壞程度更小，因而尺寸相對較大。

磚和石的特征參數(shù)均值十分接近，僅平均高寬比存在0.09的差值，說明盡管磚與石存在力學性能上的差異，但其形態(tài)特征十分相似。因此，在合理的顆粒級配下，采用磚類顆粒作為粗骨料可制得具有與普通骨料混凝土相近填充率的混凝土。可見，尋找合適的技術(shù)手段改善磚混骨料力學性能，減小磚石骨料的力學性能差異，是提高磚混骨料應用價值的關(guān)鍵。

3 結(jié) 論

本文使用數(shù)字圖像處理技術(shù)對再生磚混粗骨料進行圖像處理，由試驗結(jié)果可知，本次試驗骨料主要組分為磚、石、木和陶瓷。通過對不同組分的數(shù)量、等效直徑、高寬比、圓整度、緊湊系數(shù)等特征參數(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)：

(1)每種骨料具有特定的顏色屬性，且相互重疊區(qū)域很小，通過顏色分析可以準確識別骨料材質(zhì)。使用數(shù)字圖像處理得到再生骨料中磚含量為12.4%(數(shù)目占比)，石含量為86.5%(數(shù)目占比)，這一數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)結(jié)果相近，表明試驗的有效性。

(2)骨料的圓整度在0.75～0.85范圍內(nèi)時，數(shù)量分布均勻，當圓整度計算值在該范圍外時，隨著到該區(qū)間距離不斷增大，對應骨料數(shù)量單調(diào)減少。該分布特征與緊湊系數(shù)、高寬比相似。

(3)石的平均面積和平均周長稍大于磚，其余幾項特征參數(shù)相近，針狀顆粒少，圓整度好，且磚和石能夠混合形成一種級配良好的骨料，在合理的顆粒級配下，采用磚類顆粒作為粗骨料可制得具有與普通骨料混凝土相近填充率的混凝土。

(4)陶瓷的面積和周長相較于其余骨料是最大的，因為陶瓷經(jīng)過燒制工藝，強度更高，粉碎過程中受到的破壞更少，因而尺寸相對也較大。木材由于各向異性的材料特性，往往表現(xiàn)出“長方形”的輪廓。