楊 科,陶鐵軍,黃柯宇,徐躍生,游聚剛

(1.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院,貴陽 550025; 2.中建科技貴州有限公司,貴陽 550025)

1 研究背景

混凝土脫模時(shí),模板與新拌混凝土界面處的氣泡沒有釋放,導(dǎo)致大量孔洞的存在,是混凝土表面質(zhì)量中常見的缺陷之一。因此,對(duì)孔洞進(jìn)行檢測并評(píng)價(jià)混凝土表觀質(zhì)量具有重要意義。

基于圖像的孔洞識(shí)別能自動(dòng)地給出較為客觀的結(jié)果,諸多學(xué)者對(duì)孔洞的檢測開展了大量研究。Zhu等[1]用不同尺寸的濾波器進(jìn)行閾值分割來檢測孔洞,對(duì)11張混凝土圖像的識(shí)別顯示,孔洞檢測精度范圍為77.4%～96.8%,平均檢測精度為91.1%。Silva等[2]同樣基于圖像工具進(jìn)行閾值分割,考慮了孔洞累積分布曲線,通過面積減少率、孔洞最大直徑和孔洞面積比來進(jìn)行表觀質(zhì)量評(píng)價(jià),面積減少率給出了孔洞大小的分布情況。Liu等[3]采用閾值分割來檢測孔洞,他們建立了混凝土國際委員會(huì)CIB(Concrete International Board)推薦的尺度與孔洞面積比的關(guān)系。Isamu等[4]直接將混凝土彩色圖像中像素的RGB值與孔洞參考RGB值進(jìn)行比較來識(shí)別孔洞,對(duì)小孔洞的平均檢測精度為87%。最近基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的孔洞分類得到了較多關(guān)注,Wei等[5]用Mask R-CNN來檢測孔洞,包含孔洞的2 198張混凝土圖像作為數(shù)據(jù)集,對(duì)孔洞面積和直徑檢測的最小錯(cuò)誤率分別為0.23%和0.16%。Wei等[6]結(jié)合圖像處理與深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)孔洞進(jìn)行檢測,用10 000張裁剪圖像作為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集,結(jié)果顯示其孔洞檢測精度為89.46%,召回率為83.87%。雖然各種孔洞檢測手段能夠?qū)崿F(xiàn)較好的精度,但是檢測孔洞不是最終目的,下一步需要落實(shí)到對(duì)混凝土表觀質(zhì)量的評(píng)價(jià)上。

在表觀質(zhì)量評(píng)價(jià)方面,對(duì)于混凝土表面孔洞的分級(jí)較為模糊,《清水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ 169—2009)[7]規(guī)定了孔洞最大直徑≤8 mm,孔洞面積比≤0.2%。CIB推薦的混凝土參考分級(jí)照片[8]通過比較標(biāo)準(zhǔn)混凝土圖像與現(xiàn)場混凝土圖像進(jìn)行分級(jí),Zhu等[9]以孔洞平均面積比來表征孔洞大小的分布情況,較大的平均面積比意味著混凝土表面大尺寸的孔洞較多。現(xiàn)有對(duì)混凝土表面孔洞的分級(jí)與評(píng)價(jià)的研究,多數(shù)聚焦于孔洞最大直徑、孔洞面積比和孔洞面積等,然而混凝土表面孔洞的分布,大小等情況復(fù)雜,單純依據(jù)孔洞最大直徑、孔洞面積比無法綜合評(píng)判混凝土表觀質(zhì)量。很明顯,若多個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)域的孔洞最大直徑與面積比接近,而孔洞的數(shù)量不同時(shí),表觀質(zhì)量也不同。因此,孔洞的數(shù)量也應(yīng)該是一種需要考慮的混凝土表面質(zhì)量評(píng)價(jià)因素。除此之外,由于混凝土表觀質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)的模糊性、沒有精確定義的判別準(zhǔn)則,所以僅僅憑借人工比較可能具有一定程度的誤差。

為精確地描述現(xiàn)實(shí)世界中各種非定量、模糊性現(xiàn)象,1965年美國控制論專家L.A.Zadeh發(fā)表了模糊數(shù)學(xué)開創(chuàng)性論文“Fuzzy Sets”。由于模糊數(shù)學(xué)的優(yōu)勢,其在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用,如爆破工程[10]、地質(zhì)科學(xué)[11]、滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[12]。在混凝土結(jié)構(gòu)的損傷狀況、耐久性評(píng)估方面,朱平華等[13]基于模糊數(shù)學(xué)以裂縫等多項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)建立了混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的三層次評(píng)估模型,通過工程實(shí)例驗(yàn)證了該模型的可靠性。Masoud等[14]考慮了混凝土表面不同形態(tài)的裂縫、蜂窩麻面以及其它缺陷構(gòu)建兩層評(píng)價(jià)指標(biāo),基于層次分析法和模糊數(shù)學(xué),開發(fā)了混凝土結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)估模型。Khader等[15]使用模糊層次分析法,考慮了裂縫、滲漏等多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),建立了三級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)模型來對(duì)民用建筑健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于混凝土的耐久性評(píng)估,采用層次分析法得到較多研究,但由于層次分析法需要專家打分來計(jì)算權(quán)重,所以其可能易受人為因素影響。1982年,控制系統(tǒng)專家鄧聚龍[16]創(chuàng)立了灰色系統(tǒng)理論,灰色關(guān)聯(lián)分析是灰色系統(tǒng)理論的重要分支,通過關(guān)聯(lián)度可分析各因素對(duì)結(jié)果的影響,較客觀地給出影響因素權(quán)重。Wei等[17]利用灰色關(guān)聯(lián)分析建立了評(píng)價(jià)模型,根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果分析了路面材料對(duì)道路質(zhì)量的影響。薛鵬飛等[18]基于灰色關(guān)聯(lián)和模糊數(shù)學(xué)理論,考慮了混凝土表面裂縫寬度等評(píng)定指標(biāo)對(duì)混凝土耐久性進(jìn)行評(píng)估。周世華等[19]基于灰色關(guān)聯(lián)分析理論發(fā)現(xiàn)硅酸二鈣含量是影響水泥抗裂性最大的因素。徐德儒等[20]通過灰色關(guān)聯(lián)度分析了混凝土內(nèi)孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與抗凍耐久性間的關(guān)系,研究表明孔洞平均半徑與間距系數(shù)是影響混凝土抗凍性最明顯的因素。

綜上所述,當(dāng)前研究未考慮孔洞個(gè)數(shù)對(duì)混凝土表觀質(zhì)量評(píng)價(jià)的影響,同時(shí)存在分級(jí)評(píng)價(jià)方法模糊的問題。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,考慮了孔洞個(gè)數(shù)對(duì)混凝土表觀質(zhì)量評(píng)價(jià)的影響,采用圖像處理方法計(jì)算了孔洞最大直徑等參數(shù)?；谀：龜?shù)學(xué)方法,以孔洞最大直徑、面積比和孔洞個(gè)數(shù)為因素集,以灰色關(guān)聯(lián)度分析方法計(jì)算因素集權(quán)重,綜合評(píng)價(jià)混凝土表觀質(zhì)量,依據(jù)三個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)和評(píng)價(jià)結(jié)果探討了外加劑摻量與表觀質(zhì)量的關(guān)系。并通過室內(nèi)試驗(yàn),驗(yàn)證了評(píng)價(jià)方法的適用性。

2 圖像處理過程

2.1 孔洞檢測

相較于基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法,數(shù)字圖像處理技術(shù)能方便地利用小數(shù)據(jù)集進(jìn)行孔洞檢測,而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法往往需要大量數(shù)據(jù)集來訓(xùn)練分類模型,因此采用數(shù)字圖像方法進(jìn)行孔洞邊緣檢測。經(jīng)典的邊緣檢測算法如Canny[21]、OTSU方法[22]等,OTSU方法對(duì)目標(biāo)面積超過檢測面積30%時(shí)檢測效果接近最優(yōu),當(dāng)<30%時(shí),檢測性能迅速下降[23],而混凝土孔洞面積比往往<30%,同時(shí)在各種情況下,Canny算子被認(rèn)為具有較好的邊緣檢測性能[24],因此采用Canny算子進(jìn)行孔洞邊緣檢測。識(shí)別到孔洞邊緣后,對(duì)孔洞邊緣進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理以得到可用于孔洞尺寸量化的圖像。

由于混凝土表面外觀復(fù)雜的情況,一些細(xì)微的劃痕、陰影邊緣等也會(huì)被識(shí)別為孔洞,這部分不需要的誤識(shí)別內(nèi)容需要通過在識(shí)別算法中設(shè)置過濾系數(shù)來去除,過濾系數(shù)的計(jì)算依據(jù)平面圖形周長的平方與其面積的比值來確定,實(shí)際操作中通過圖像上代表非孔洞圖形的外圍像素與其總像素計(jì)算的。過濾系數(shù)的計(jì)算式為

K=P2/S。

(1)

式中:K為非孔洞過濾系數(shù);P為圖形周長(mm);S為圖形總像素面積(mm2)。

圓的周長平方與其面積的比值為4π,正方形的為16。當(dāng)圖形形狀越接近圓形時(shí),其周長平方與面積的比值越接近4π;混凝土表面的孔洞形狀多數(shù)接近圓形,所以孔洞周長的平方與其面積的比值也接近4π。經(jīng)過形態(tài)學(xué)處理后,這些被誤識(shí)為孔洞的圖形的形狀大多不接近圓形,其過濾系數(shù)多顯著偏離4π。因此可以通過計(jì)算圖形周長平方與面積的比值來過濾掉不需要的圖形。

形態(tài)學(xué)處理后非孔洞的過濾通過MATLAB內(nèi)置函數(shù)分別計(jì)算圖像上典型的非孔洞圖形的周長和面積來計(jì)算過濾系數(shù)。因?yàn)樾枰^濾的非孔洞因素的形狀各不相同,試圖僅憑借單一的過濾系數(shù)來對(duì)所有試件的孔洞進(jìn)行有效的過濾是不可靠的,因此,通過提取每張?jiān)嚰D像中合適的非孔洞特征進(jìn)行不同過濾系數(shù)的計(jì)算,如圖1所示。對(duì)檢測到的孔洞邊緣進(jìn)行膨脹-腐蝕-填充-過濾操作,最終得到可以計(jì)算孔洞面積比等評(píng)價(jià)參數(shù)的圖像,如圖2所示。對(duì)孔洞邊緣的檢測、形態(tài)學(xué)處理、非孔洞過濾和孔洞尺寸的計(jì)算通過MATLAB實(shí)現(xiàn)。

圖1 非孔洞圖形Fig.1 Diagram of non-bugholes

圖2 經(jīng)過圖像處理后的孔洞Fig.2 Bugholes after image processing

2.2 計(jì)算評(píng)價(jià)參數(shù)

混凝土表面的孔洞面積與試件面積的比值認(rèn)為是幾何不變的,如式(2)。通過幾何不變關(guān)系來實(shí)現(xiàn)孔洞尺寸量化。

(2)

式中:Hp是單個(gè)孔洞像素個(gè)數(shù)(個(gè));Bi是單個(gè)孔洞真實(shí)面積(cm2);I是圖像像素個(gè)數(shù)(個(gè));S是混凝土試件面積(cm2)。

孔洞面積比計(jì)算式為

(3)

式中:φ為孔洞面積比(%);n為混凝土表面孔洞個(gè)數(shù)(個(gè))?？锥催B通域的統(tǒng)計(jì)可按4鄰域或者8鄰域計(jì)算,采用4鄰域統(tǒng)計(jì)的連通域范圍更廣,但孔洞圖形邊緣附近的噪聲也會(huì)被統(tǒng)計(jì)為孔洞的一部分,而按8鄰域統(tǒng)計(jì)孔洞連通域的方法不易受噪聲影響,所以孔洞個(gè)數(shù)按8鄰域統(tǒng)計(jì)圖像中連通域個(gè)數(shù)。式(2)和式(3)中參數(shù)I等通過MATLAB內(nèi)置函數(shù)計(jì)算。

3 模糊綜合評(píng)價(jià)方法

3.1 分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

混凝土表面缺陷狀況復(fù)雜,僅通過孔洞最大直徑和孔洞面積比不能完全反映混凝土表觀質(zhì)量的好壞,也可能出現(xiàn)孔洞直徑和面積比相近的混凝土表面,如圖3所示。

圖3 孔洞最大直徑與面積比相近的混凝土表面Fig.3 Concrete surface with similar maximum diameter and area ratio of bugholes

S4表面孔洞最大直徑Dmax和面積比φ分別為2.439 mm與0.035%,而S5表面相應(yīng)參數(shù)分別為2.442 mm與0.048%。即使參考了CIB的標(biāo)準(zhǔn)混凝土圖像,僅憑借人眼觀測也很難區(qū)分表觀質(zhì)量孰好孰壞,所以應(yīng)該考慮多方面因素對(duì)混凝土表觀質(zhì)量的影響,并且應(yīng)盡量排除主觀因素對(duì)混凝土表觀質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

統(tǒng)計(jì)這2幅圖像中孔洞數(shù)量,發(fā)現(xiàn)S4表面具有26個(gè)孔洞,而S5表面具有32個(gè)孔洞,對(duì)比來看,S4表面具有更好的表觀質(zhì)量。因此除了考慮孔洞最大直徑與孔洞面積比2個(gè)因素,也應(yīng)將孔洞個(gè)數(shù)作為一個(gè)評(píng)價(jià)因素。

將最大直徑、孔洞面積比、孔洞個(gè)數(shù)作為因素集,參考Liu等[3]推薦的分級(jí)表確定評(píng)價(jià)集V=(V1,V2,V3,V4,V5,V6,V7,V8)。評(píng)價(jià)集元素分別代表“極好”、“很好”、“較好”、“好”、“差”、“較差”、“很差”、“極差”?？锥磦€(gè)數(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)對(duì)CIB參考圖像的回歸分析確認(rèn),由于CIB參考照片第6和第7級(jí)考慮了表面凸起等其他非孔洞因素,混凝土表面凸起并不在此次研究范圍內(nèi),如圖4所示,并且若孔洞個(gè)數(shù)越多,顯然混凝土表觀質(zhì)量越差,所以僅考慮前5級(jí)來進(jìn)行回歸分析。采用了指數(shù)函數(shù)的回歸曲線如圖5所示。

圖4 CIB混凝土缺陷分級(jí)Fig.4 CIB grading of concrete defects

圖5 CIB分級(jí)與孔洞個(gè)數(shù)回歸曲線Fig.5 Regression curve of CIB grading and number of bugholes

回歸函數(shù)式為

y=4.001 96e0.445 56x。

(4)

相關(guān)系數(shù)為0.929 74,孔洞個(gè)數(shù)與CIB分級(jí)之間存在良好的相關(guān)性。最終依據(jù)回歸函數(shù)計(jì)算的孔洞個(gè)數(shù)與Liu等[3]推薦的孔洞尺寸分級(jí)建立如表1分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。表中以a-g代表3項(xiàng)因素集對(duì)于不同評(píng)價(jià)集區(qū)間的邊界值。

表1 孔洞分級(jí)指標(biāo)Table 1 Indices of bughole grading

3.2 隸屬函數(shù)建立

根據(jù)分級(jí)評(píng)級(jí)指標(biāo),確定與評(píng)價(jià)集相對(duì)應(yīng)8個(gè)區(qū)間:[0,a],(a,b],(b,c],(c,d],(d,e],(e,f],(f,g],(g,+∞)。隸屬函數(shù)式為

(5)

其中Li(i=1,2)、ci(i=1,2,3)為與區(qū)間值有關(guān)的常數(shù),其計(jì)算結(jié)果見表2。每個(gè)評(píng)價(jià)集元素分別對(duì)應(yīng)不同的隸屬函數(shù)Ui(x),比如評(píng)價(jià)集元素為V1的隸屬函數(shù)為U1(x),V2的隸屬函數(shù)是U2(x),以此類推。

表2 隸屬函數(shù)限制值Table 2 Limit values of membership function

3.3 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

為盡可能避免主觀因素的影響,因素集權(quán)重按灰色關(guān)聯(lián)度分析計(jì)算,以CIB圖像為參照,對(duì)試驗(yàn)獲取的N張混凝土圖像進(jìn)行分類,分類結(jié)果作為母序列x0,孔洞最大直徑、孔洞面積比、孔洞個(gè)數(shù)的計(jì)算結(jié)果作為子序列x1,x2,x3,如式(6)。

(6)

母子序列除以序列中第一個(gè)元素以排除量綱的影響,如式(7)。

(7)

按式(8)求出母序列與子序列元素差值絕對(duì)值的最大值b與最小值a。

依式(9)求出每個(gè)子序列與母序列的關(guān)聯(lián)系數(shù)γ(x0(k),xi(k))。

i=1,2,3,?k。

(9)

式中β為分辨系數(shù),一般取為0.5?；疑P(guān)聯(lián)度γ(X0,Xi)按式(10)計(jì)算。

i=1,2,3,?k。

(10)

經(jīng)過歸一化后求得各因素權(quán)重向量W=(w(1),w(2),w(3)),如式(11)。

(11)

針對(duì)每一張獲取的混凝土表面圖像,將其孔洞最大直徑、孔洞面積比和孔洞個(gè)數(shù)的計(jì)算結(jié)果代入隸屬度函數(shù)得到每一張圖像的單因素評(píng)判矩陣R,例如某一張圖像計(jì)算的因素集數(shù)值分別為[2.44,0.048,8],代入隸屬函數(shù)計(jì)算的R如式(12)。

式中每一行分別代表了孔洞最大直徑、孔洞面積比和孔洞個(gè)數(shù)對(duì)于不同評(píng)價(jià)集元素的隸屬度。由于因素集都可以考慮為影響表觀質(zhì)量的因素,而不是僅僅考慮某一項(xiàng)主要因素,所以采用了加權(quán)平均型的模糊合成算子,則最后計(jì)算綜合評(píng)價(jià)結(jié)果矩陣B的計(jì)算如式(13)。

B=WR。

(13)

矩陣B大小為(1×8),B中每一個(gè)元素代表了在綜合考慮了孔洞最大直徑、孔洞面積比和孔洞個(gè)數(shù)情況下,某一混凝土表面對(duì)于不同評(píng)價(jià)集元素的隸屬度,按最大隸屬度原則,確定該混凝土表觀質(zhì)量評(píng)價(jià)的最終結(jié)果。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

以消泡劑(DA)和引氣劑(AEA)復(fù)配混凝土試驗(yàn)驗(yàn)證考慮了孔洞尺寸的模糊評(píng)價(jià)方法的適用性,水泥型號(hào)為貴州麟山P.O42.51,混凝土配合比如下,按單位體積混凝土(kg/m2)計(jì)算:試驗(yàn)的水泥質(zhì)量為372.9 kg/m3;輔助膠凝材料為貴州華電塘寨發(fā)電有限公司生產(chǎn)的F類Ⅱ級(jí)粉煤灰,試驗(yàn)質(zhì)量為93.2 kg/m3;粗細(xì)骨料來自貴州漣江源建材有限公司,采用Ⅱ區(qū)砂,其細(xì)度模數(shù)為2.6,粗骨料選用粒型較好并且且極配合格的5～20 mm的碎石。粗細(xì)骨料質(zhì)量分別為801.9、867.2 kg/m3;拌合水質(zhì)量為204.3 kg/m3;以膠凝材料質(zhì)量計(jì)算外加劑摻量,減水劑為聚羧酸類型,摻量為1%;消泡劑為日本竹本油脂,引氣劑為德固賽聚醚類型,其摻量如表3。

表3 外加劑摻量Table 3 Dosage of admixture

共設(shè)置12組不同消泡劑和引氣劑組合的混凝土試驗(yàn),每組試驗(yàn)包含4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方體混凝土試件?；炷寥肽? d后脫模,用數(shù)碼相機(jī)拍攝試件圖像,如圖6所示。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件Fig.6 Standard concrete specimens

4.1 評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)重

灰色關(guān)聯(lián)度分析求得的3個(gè)參數(shù)權(quán)重分別為0.341 7、0.321 6、0.336 8,盡管孔洞最大直徑、孔洞面積比和孔洞個(gè)數(shù)都被認(rèn)為對(duì)混凝土表觀質(zhì)量有所影響,但他們的影響程度不同,孔洞最大直徑占有最大的權(quán)重,其次是孔洞個(gè)數(shù),最后是孔洞面積比。無論是依據(jù)CIB參考圖像人工分類還是基于視覺傳感器的各種孔洞檢測方法,孔洞的識(shí)別是第一步工作,進(jìn)而在此基礎(chǔ)上獲取評(píng)價(jià)參數(shù),而孔洞的直徑和個(gè)數(shù)是具有直接的視覺沖擊效果的,憑借這2個(gè)參數(shù)即使不依靠各種孔洞檢測和表觀質(zhì)量評(píng)價(jià)方法僅依據(jù)人眼也能大概對(duì)表觀質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估,而孔洞面積比是統(tǒng)計(jì)全局的孔洞面積總和基礎(chǔ)上計(jì)算的,因而這個(gè)參數(shù)只能通過相應(yīng)的方法計(jì)算。除此之外CIB分類結(jié)果作為母序列本身就是依據(jù)人工分類得到的,而具有直接視覺沖擊的孔洞最大直徑和孔洞個(gè)數(shù)相比孔洞面積比一定程度上更能影響人工分類的結(jié)果,因此孔洞最大直徑和孔洞個(gè)數(shù)占有了比孔洞面積比更大的權(quán)重。

4.2 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

12組試驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果如表4所示。表4中每一組的評(píng)價(jià)結(jié)果是該組4個(gè)試件中對(duì)于V1水平的最大隸屬度。依據(jù)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,組4、5和9試件的表觀質(zhì)量對(duì)于V1具有較高的隸屬度,其中組4與9組對(duì)于V1的隸屬度都為1,但組4的4個(gè)試件中有兩個(gè)評(píng)價(jià)為V1,而組9有3個(gè)被評(píng)價(jià)為V1水平,除此之外,組4對(duì)于V1的隸屬度標(biāo)準(zhǔn)差也比組9的大,分別為0.568與0.277。所以組9試件具有最好的表觀質(zhì)量。組9對(duì)應(yīng)的消泡劑和引氣劑摻量分別為0.5‰和0.15‰;組4對(duì)應(yīng)外加劑摻量為0.3‰和0.05‰;組5對(duì)應(yīng)外加劑摻量為0.3‰和0.1‰,綜合評(píng)價(jià)結(jié)果也符合圖所展示的規(guī)律,因此,根據(jù)綜合結(jié)果,組9表觀質(zhì)量最好,其次是組4,最后是組5。

表4 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Comprehensive evaluation results

4.3 消泡劑摻量對(duì)混凝土表觀質(zhì)量的影響

不同摻量的消泡劑和引氣劑會(huì)對(duì)新拌混凝土的流變性能產(chǎn)生影響,引氣劑在混凝土中引入的小氣泡可以起到類似軸承滾珠的作用。當(dāng)加入高摻量消泡劑時(shí),混凝土流變性能反而惡化[25-26]。而混凝土流變性能較差則會(huì)在一定程度上導(dǎo)致更差的表觀質(zhì)量[27],外加劑摻量與孔洞平均面積比、平均孔洞最大直徑和平均孔洞個(gè)數(shù)的關(guān)系如圖7所示。

圖7 外加劑摻量與平均面積比、平均最大直徑和平均孔洞個(gè)數(shù)間的關(guān)系Fig.7 Relations of admixtures content against average area ratio, average maximum diameter and average number of bugholes

當(dāng)消泡劑摻量<0.3‰時(shí),混凝土表面孔洞平均尺寸和平均數(shù)量隨著消泡劑摻量增加而減小,而當(dāng)消泡劑摻量>0.5‰時(shí),隨著消泡劑摻量的增加,孔洞尺寸和個(gè)數(shù)反而增加。新拌混凝土的工作性能是其流變性能的宏觀體現(xiàn),因此為探究新拌混凝土流變性能與表面孔洞的關(guān)系,依據(jù)12組不同外加劑摻量的混凝土坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)數(shù)據(jù),如圖8所示。

圖8 不同引氣劑摻量的混凝土坍落擴(kuò)展度Fig.8 Slump flow of concrete with different content of air-entraining agent

計(jì)算消泡劑摻量分別為0.5‰和0.7‰時(shí)的塑性黏度u與屈服應(yīng)力τ[28-29]如表5所示。

表5 流變參數(shù)Table 5 Rheological parameters

消泡劑摻量為0.5‰和0.7‰分別對(duì)應(yīng)圖8中第7—第9組和第10—第12組,消泡劑摻量為0.5‰的新拌混凝土工作性好于消泡劑摻量為0.7‰的混凝土,較低的流變參數(shù)反映了混凝土具有相對(duì)較好的工作性能。從表4可知,第7—第9組的表觀質(zhì)量好于第10—第12組,而第7—第9組的流變參數(shù)低于第10—第12組的。具有高流變參數(shù)混凝土可為氣泡受到外界干擾時(shí)提供緩沖效果,也提供了一種屏障作用,減緩了氣泡合并,而低流變參數(shù)可以更方便混凝土內(nèi)氣泡的排出與破裂,因此不合理摻量消泡劑導(dǎo)致的高流變參數(shù)可能給在混凝土與模板界面處的氣泡提供了保護(hù)作用,讓氣泡沒能破裂從而導(dǎo)致了在界面處更多表面孔洞產(chǎn)生。

5 結(jié) 論

(1)基于圖像處理方法,建立了CIB混凝土分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)圖像與孔洞數(shù)量的數(shù)學(xué)關(guān)系,并提出孔洞個(gè)數(shù)分級(jí)指標(biāo),用精確的數(shù)學(xué)語言合理描述混凝土表觀質(zhì)量模糊的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),再通過計(jì)算機(jī)編程為模筑混凝土的配合比進(jìn)行輔助決策。

(2)結(jié)合模糊數(shù)學(xué)和客觀賦權(quán)的灰色關(guān)聯(lián)度法建立的評(píng)價(jià)模型,計(jì)算的孔洞最大直徑、孔洞面積比和孔洞個(gè)數(shù)三因素的權(quán)重分別為0.341 7、0.321 6、0.336 8,孔洞最大直徑對(duì)表觀質(zhì)量的影響程度最大,其次為孔洞個(gè)數(shù),最后為孔洞面積比,結(jié)果表明孔洞個(gè)數(shù)也是影響混凝土表觀質(zhì)量的較大因素。

(3)引氣劑與消泡劑對(duì)于混凝土內(nèi)氣泡和工作性能有很大影響,外加劑復(fù)配比例不合適時(shí),混凝土流動(dòng)性不好,而混凝土流動(dòng)性不好時(shí)氣泡不易排出和破裂,造成混凝土表面缺陷,影響混凝土使用性能。消泡劑摻量<0.3‰時(shí),隨引氣劑摻量增加,消泡劑消除了大氣泡,引氣劑引入了利于混凝土流動(dòng)的小氣泡。而消泡劑摻量>0.5‰時(shí),消泡劑過度消除了小氣泡,導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性惡化,但同時(shí)引氣劑摻量增加緩解了消泡劑導(dǎo)致的工作性能的損失,所以造成孔洞尺寸與數(shù)量隨消泡劑劑摻量增加而增大和隨引氣劑摻量增加而減小的現(xiàn)象。

(4)建立的評(píng)價(jià)模型,對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)表觀質(zhì)量優(yōu)化和評(píng)價(jià)具有較大的工程意義,同時(shí)不同摻量外加劑實(shí)驗(yàn)室試配混凝土表觀質(zhì)量的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明,當(dāng)消泡劑、引氣劑摻量分別為0.5‰和0.15‰時(shí),混凝土的表觀質(zhì)量最佳。