基于图像处理技术的粗骨料形状特征对自密实混凝土工作性的影响研究

于 峰，刘 平，高亚磊，方小婉，娄宗科

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，杨凌 712100)

0 引 言

粗骨料形状特征包括颗粒尺寸、轮廓形状和棱角性等，是影响混凝土工作性、强度和收缩变形的关键因素[1-2]。实际工程中大多将针片状颗粒含量作为控制粗骨料颗粒形状的指标，国内相关规范仅规定粗骨料的针片状颗粒含量应在8%以内[3]，而这无法从本质上精准表征粗骨料颗粒形状的不规则程度，另一方面，Kwan等[4]研究发现，筛分法只能得出粗骨料单一方向的尺寸，当粗骨料形状特征不同时，筛分法得出的粗骨料级配可能不同，因此有必要对粗骨料颗粒个体进行形状特征研究。国内外学者在如何表征粗骨料形状特征方面进行了大量研究，徐飞[5]应用球度和形状指数的概念来评定粗骨料颗粒形状特征；李晓燕等[6]研究发现了分形维数是合理评价粗骨料形状特征的最佳定量指标；张小伟等[7]运用定量体视学原理，研究发现了粗骨料的三维体视学参数与堆积空隙率之间具有较高的相关性；Kwan等[4]采用数字图像处理技术对25种岩性及大小不同的粗骨料颗粒的薄片率和轴向系数进行了分析；Fernlund[8]通过3D图像分析方法测定了粗骨料颗粒3个轴的轴向长度；Zhang等[9]通过手工测量和图像分析相结合方法发现玄武岩和石灰石粗骨料颗粒的长、宽、高以及粒形指数均符合正态分布；Mora等[10]运用数字图像处理技术测量了粗骨料的球度、形状参数和凹凸比，发现粗骨料颗粒的棱角性可以采用凹凸比与丰满比进行表征；Barret等[11]认为可以采用球形度、形状因子和表观纹理来描述颗粒的形状；然而目前尚无关于将粗骨料球体率作为表征粗骨料颗粒形状的定量指标的研究，而且关于粗骨料形状特征影响自密实混凝土工作性能的研究较少。

本文基于图像处理技术，将粗骨料球体率作为粗骨料颗粒形状的定量评价指标，在颗粒级配不变的前提条件下，研究球体率对粗骨料堆积空隙率及自密实混凝土工作性能的影响，并基于球体率与工作性能的定量关系式，对实际工程中粗骨料质量进行控制。

1 实 验

1.1 原材料

水泥采用的陕西盾石牌P·O 42.5水泥，其成分及性质见表1和表2；粉煤灰采用巩义电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，其成分见表1；细骨料采用渭河河砂，细度模数为2.92，级配曲线见图1；粗骨料采用粒径为4.75～19 mm、连续级配的渭河卵石，级配曲线见图2；水采用普通自来水；外加剂采用上海臣启化工科技有限公司生产的高效减水剂，建议掺量为0.15%～0.40%。

表1 水泥和粉煤灰的化学成分Table 1 Chemical constituents of cement and fly ash /%

表2 水泥的性能指标Table 2 Performance index of cement

图1 细骨料级配曲线
Fig.1 Gradation curve of fine aggregate

图2 粗骨料级配曲线
Fig.2 Gradation curve of coarse aggregate

1.2 配合比设计

1.2.1 粗骨料形状特征试验方案

本试验把各粒级粗骨料颗粒手工分成形状接近椭球体和扁平状等不规则形状两种，在保持粗骨料颗粒级配不变的条件下，通过变化不规则粗骨料颗粒的含量β，分别为5%、10%、15%和20%，得到了四组粗骨料形状特征不同的粗骨料颗粒。

1.2.2 自密实混凝土配合比

本试验采用绝对体积法计算自密实混凝土配合比，水胶比为0.36，砂率为47%，粉煤灰掺量为胶凝材料总量的25%，减水剂掺量为0.16%，试验配合比见表3。

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

1.3 试验方法

(1)填充性能试验。试验按照JGJT 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》进行。测量混凝土拌和物的坍落扩展度和坍落扩展度达500 mm的时间T500。

(2)间隙通过性能试验。将装在盛料器中的混凝土拌合物缓慢连续倒入L型流动仪垂直部分加入，静置1 min提起活动门, 使混凝土拌合物穿过障碍并流向水平部分，最后测量L型流动仪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间隙通过性能。

(3)抗离析性能试验。将装在盛料器中的混凝土拌合物从500 mm高处缓慢连续倒入筛网筛孔为5 mm的方孔筛中，静置2 min后称量通过方孔筛的混凝土质量，通过方孔筛的混凝土质量与盛料器内混凝土质量之比即为离析系数GTM值，GTM值可表征混凝土拌合物抗离析性能。

2 基于图像处理技术的粗骨料颗粒形状定量表征

图像处理技术能够广泛运用于材料学研究中，解决了传统技术无法测定骨料形貌的问题。本文使用数码单反相机对测量对象拍照并获得图像，之后应用Image-Pro Plus软件对粗骨料颗粒形状特征进行了图像处理操作，图像处理的基本步骤包括：图像采集、图像增强处理、图像去噪、灰度处理、图像二值化、测量及数据的统计分析。

2.1 图像采集

首先对试验用粗骨料进行清洗和烘干，然后将粗骨料颗粒有序地摆放在白板上，以此达到增强粗骨料颗粒与白板的对比度的目的，这便于Image-Pro Plus软件精准快速地检测到测量对象的边界，最后使用数码单反相机从正上方拍摄测量对象并获取图像。粗骨料颗粒图像见图3。

图3 粗骨料颗粒
Fig.3 Coarse aggregate particles

图4 图像增强效果
Fig.4 Effect of image enhancement

2.2 图像增强处理

为了使Image-Pro Plus软件能精准计算粗骨料形状特征参数，使粗骨料的边界轮廓特征表现得更突出，进一步增强对比度，故进行了图像增强处理操作。图像增强效果如图4所示。

2.3 图像去噪

使用数码单反相机拍摄图片时，图像会产生影响测量结果的光点，故进行了图像去噪处理操作，本研究运用中值滤波法来去噪。图像去噪效果如图5所示。

图5 图像去噪
Fig.5 Image denoising

图6 灰度图像
Fig.6 Grayscale image

2.4 灰度处理

Image-Pro Plus软件可以将RGB图像直接转化为灰度图像。灰度图像如图6所示。

2.5 图像二值化

图7 二值图像Fig.7 Binary image

对灰度图像进行图像二值化处理操作，使整个图像呈现出明显的黑白效果，从而使Image-Pro Plus软件更好地识别测量对象的轮廓特征。本研究的测量对象为灰度值小于背景值的区域，将阈值定为146，从而得到了对应的二值图像。二值图像如图7所示。

2.6 测 量

本试验所用的粗骨料为颗粒形状类似于椭球体的卵石，相比于碎石颗粒，卵石颗粒表面光滑程度更高，故采用球度与圆度的比值作为衡量粗骨料颗粒与球体接近程度的指标。

圆度σ表明了粗骨料颗粒棱角的尖锐程度，圆度越小，则粗骨料颗粒形状越接近圆形，其计算公式为：

(1)

式中：l为粗骨料颗粒二维投影轮廓周长；A为粗骨料颗粒二维投影面积。

球度φ表明了粗骨料颗粒三轴尺寸(长轴、中轴和短轴)之间的接近程度，球度越大，则粗骨料颗粒形状越接近球体，其计算公式为：

(2)

式中：a为长轴；b为中轴；c为短轴。

在本研究中，通过应用Image-Pro Plus软件只得出了粗骨料颗粒中轴和长轴的尺寸，未得到短轴的尺寸，Mora等[12]认为来源相同的粗骨料颗粒形状特征大体相同，因此根据已知粗骨料颗粒的中轴尺寸来计算平均厚度D，计算公式为：

D=λb

(3)

式中：λ为粗骨料的薄片率。粗骨料的体积V为：

V=DA=λbA

(4)

进一步可得粗骨料质量m的计算公式为：

(5)

式中：N为粗骨料颗粒数量；ρ为粗骨料的表观密度。由式(5)可计算出薄片率，再将λ值代入式(3)即可求出粗骨料的短轴长度。

本研究定义球体率α为粗骨料形状特征的定量评价指标，其计算公式为：

(6)

球体率α值越大，粗骨料颗粒的三轴长度的接近程度越高，形状特征越接近球体。

通过对测量图像进行增强、去噪和二值化等处理后，即可应用Image-Pro Plus软件获取粗骨料球体率。

2.7 球体率的统计分析

图8 不规则颗粒的含量与粗骨料球体率的关系Fig.8 Relationship between irregular particles content and spherical rate of coarse aggregate

Image-Pro Plus软件只能测量单个粗骨料颗粒的球体率，所以采用体积权重法计算各粒级粗骨料的球体率及三级配粗骨料的球体率[7]，如表4所示；根据各粒级粗骨料的球体率，可计算三级配粗骨料的球体率，如表5所示。

不规则粗骨料颗粒的含量β与粗骨料颗粒α的球体率的拟合曲线如图8所示，拟合曲线方程分别为：

α=-0.0001β2+0.0078β+0.4885

(7)

拟合曲线方程的R2为0.999，表明了不规则粗骨料颗粒的含量与粗骨料颗粒的球体率之间的曲线拟合精度高，拟合方程相关性强，且不规则颗粒的含量与球体率呈正相关关系。

表4 各粒级粗骨料的球体率Table 4 Spherical rate of particle-size coarse aggregate

表5 三级配粗骨料的球体率Table 5 Spherical rate of tertiary coarse aggregate

3 结果与讨论

3.1 粗骨料球体率对粗骨料堆积空隙率的影响

图9 粗骨料球体率与堆积空隙率的关系Fig.9 Relationship between spherical rate of coarse aggregate and voidage

不同粗骨料球体率下的粗骨料堆积空隙率如图9所示。由图中可得，随着球体率由0.5240增大到0.5922，粗骨料堆积空隙率先减小后增大，当球体率为0.5756时，堆积空隙率最小为39.1%。这是由于随着粗骨料球体率的增大，不规则形状的粗骨料颗粒含量逐渐降低，粗骨料颗粒与球体的接近程度越高，从而粗骨料的堆积空隙率先呈减少的趋势；当粗骨料球体率增大到一定程度时，不规则形状的粗骨料颗粒含量相对较低，不能很好地填充粗骨料之间的空隙，因此堆积空隙率又呈增大的趋势。

3.2 粗骨料球体率对自密实混凝土工作性的影响

不同粗骨料球体率下的自密实混凝土工作性如图10所示。由图中可得，随着粗骨料球体率的增大，自密实混凝土的坍落扩展度逐渐增大，T500逐渐减小，间隙通过性能逐渐提高，抗离析性能逐渐提高。

图10 粗骨料球体率与自密实混凝土工作性的关系
Fig.10 Relationship between spherical rate of coarse aggregate and workability of self-compacting concrete

这是由于随着粗骨料球体率的增大，粗骨料颗粒越接近球体，扁平状等不规则形状颗粒逐渐减少。在自密实混凝土处于流动过程中，浆体包裹粘聚着粗骨料颗粒一起流动，而扁平状颗粒在自密实混凝土的流动过程中时多呈现平置状态，故浆体推动扁平状粗骨料颗粒的作用较弱，这会使粗骨料颗粒从浆体中分离，从而降低了自密实混凝土的工作性、抗离析性和间隙通过性；且不规则粗骨料颗粒之间的摩擦阻力逐渐增大，这也会降低自密实混凝土的流动性。另一方面，随着粗骨料球体率的增大，粗骨料堆积空隙率和比表面积逐渐减小，可用于填充粗骨料空隙的浆体体积逐渐减小，同时增大了粗骨料颗粒的表面浆体包裹层厚度，这使粗骨料颗粒之间、粗骨料与浆体之间的摩擦阻力显著降低，从而提高了自密实混凝土的工作性能。

3.3 粗骨料球体率与自密实混凝土工作性的定量关系

此外，粗骨料颗粒的球体率与自密实混凝土的坍落扩展度和离析指标GTM的拟合曲线如图11和图12所示，拟合曲线方程分别为：

Y1=2238.2α2-2017α+1028

(8)

Y2=-4.5571α2-38.914α+32.083

(9)

拟合曲线方程的R2均为0.964，表明了粗骨料颗粒的球体率与坍落扩展度以及离析指标GTM之间的曲线拟合精度较高，拟合方程相关性强，依据上述拟合曲线方程，在本研究条件下，若要确保拌合物的坍落扩展度不低于600 mm，则需控制粗骨料颗粒球体率至少为0.5592；若要保证拌合物不出现离析现象，需要控制GTM值不大于15%，对应的球体率应不小于 0.4185。

设计了两组验证试验，保持颗粒级配不变，不规则粗骨料颗粒的含量分别为2.5%和25%，试验结果如表6～表8所示。当粗骨料球体率分别为0.5016和0.6031时，此时拌合物的坍落扩展度与离析指标GTM的预测值与实际值相差均在3%以内，拟合曲线方程具有较高的准确性，由此说明在一定颗粒级配条件下可以采用球体率作为粗骨料形状特征的评价指标，从而达到控制实际工程中所用粗骨料质量的目的。

图11 球体率与坍落扩展度的拟合曲线
Fig.11 Fitting curve of spherical rate and slump flow

图12 球体率与GTM的拟合曲线
Fig.12 Fitting curve of spherical rate and GTM

表6 各粒级粗骨料的球体率(验证试验)Table 6 Spherical rate of particle-size coarse aggregate(experimental validation)

表7 三级配粗骨料的球体率(验证试验)Table 7 Spherical rate of tertiary coarse aggregate(experimental validation)

表8 坍落扩展度与GTM值的预测值与实际值的对比Table 8 Comparison between predictive values and experimental values of slump flow and GTM

4 结 论

(1)不规则粗骨料颗粒的含量与粗骨料球体率呈正相关关系；粗骨料堆积空隙率随球体率的增大呈先减小后增大的趋势，当球体率为0.5756时，粗骨料堆积空隙率最小为39.1%。

(2)当粗骨料球体率由0.5240增大到0.5922时，粗骨料堆积空隙率呈先减小后增大的趋势，自密实混凝土的坍落扩展度逐渐增大，T500逐渐减小，间隙通过性能与抗离析性能逐渐提高。

(3)通过建立粗骨料球体率与自密实混凝土坍落扩展度及离析指标GTM的定量关系式，能够确定满足一定工作性能要求的粗骨料球体率；在本研究条件下，若要确保拌合物的坍落扩展度不低于600 mm，则需控制粗骨料颗粒球体率至少为0.5592；若要保证拌合物不出现离析现象，需要控制GTM值不大于15%，对应的球体率应不小于 0.4185；经试验验证，拌合物的坍落扩展度与离析指标GTM的预测值与实际值相差均在3%以内，定量关系式具有较高的准确性，由此能够达到控制实际工程中所用粗骨料质量的目的。