基于图像分析方法的机制砂颗粒形貌参数研究

王振 韩自力 赵有明 黄法礼 易忠来 谢永江 李化建

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

铁路跨越区域广、河砂资源分布不均以及我国河砂限采令的颁布，致使我国铁路建设面临河砂资源严重短缺的局面，而且这个问题在以云南、贵州、四川、西藏为主的山区铁路建设中尤为显著［1-2］。机制砂由岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒经过机械破碎、筛分制成，具有产量可控、质量可控、供应时间可控等优势，是天然河砂的最佳替代品［3-5］。相比于在河床中经过水流长期冲刷的天然河砂，由机械破碎生产的机制砂含有较多表面粗糙、棱角尖锐、针状或棒状颗粒［6］。我国砂石骨料等地方材料质量不稳定、缺少机制砂质量管理标准、机制砂规模化生产厂家较少等现状，进一步导致机制砂颗粒级配不稳定、含粉量超标等问题。由于表面粗糙、棱角尖锐的机制砂堆积密度小，石粉含量过高的机制砂比表面积大，使得配制工作性能良好的机制砂混凝土难度加大［7-8］。级配较差的骨料影响混凝土体积稳定性和耐久性［9-10］。因此，控制机制砂的颗粒形貌是提高机制砂及其混凝土质量的技术途径之一［11］。目前的标准中还未对机制砂粒形、颗粒级配等形貌关键参数提出具体指标，而且机制砂粒度分布从微米级到毫米级相差几千倍，所以还没有成熟的机制砂形貌检测设备。

为了在线快速测试机制砂颗粒形貌，中国铁道科学研究院集团有限公司基于图像分析方法自主研发了机制砂粒形粒度分析仪［12］。本文通过对比传统测试方法与图像分析方法的测试结果，探究用图像分析方法快速便捷地获取表征机制砂颗粒形貌的参数的可行性，为机制砂生产质量控制提供指导。

1 试验概况

1.1 原材料

试验所用细骨料为石灰岩机制砂（A）、凝灰岩机制砂（B）、花岗岩机制砂（C）和三种不同地区河砂（D，E，F），细骨料主要性能见表1，颗粒级配见图1。

表1 细骨料主要性能

图1 细骨料颗粒级配

1.2 图像分析方法原理

测试设备为中国铁道科学研究院集团有限公司自主研发的TK⁃1 型图像粒形粒度分析仪。该设备测试粒径为10～10 000 um，颗粒放大倍数为1 380 倍，颗粒识别速度不小于10 000 个/s，分析项目包括石粉含量、长径比、圆形度和颗粒级配。颗粒粒度可选取投影颗粒的短径、长径或等效粒径来表征。

长径比RLW是投影颗粒最小外接矩形的长宽之比，即

式中：L为投影颗粒最小外接矩形的宽；W为投影颗粒最小外接矩形的长。

表征投影颗粒趋近于圆的程度的圆形度C为

式中：A为投影颗粒的面积；p为投影颗粒的周长。

通过高速相机获得每个下落颗粒的形貌参数后，利用统计分析方法求得该样品的形貌参数。

1.3 试验方法

1.3.1 石粉含量的测试

采用湿法、干筛法和图像分析方法测试试样的石粉含量。湿法按照GB/T 14684—2011《建设用砂》中的水洗测试方法进行。干筛法是称取烘干至恒量的试样500 g，将试样倒在筛孔尺寸从大到小排列的套筛上，然后置于摇筛机上筛分10 min，计算底盘中试样重量和所称试样重量之比。图像分析方法是称取100 g烘干至恒量的试样，加入图像粒形粒度分析仪中进行测试，将粒径小于0.075 mm 的颗粒含量作为图像分析方法测得的石粉含量。

1.3.2 颗粒形貌的测试

采用间接法和图像分析方法测试试样的颗粒形貌。间接法是根据JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》测试试样的流动时间和间隙率，间接表征细骨料的表面粗糙度和棱角性。图像分析方法是称取100 g烘干至恒量的试样，采用图像粒形粒度分析仪测试试样的长径比和圆形度。

1.3.3 颗粒级配的测试

采用筛分法和图像分析方法测试试样的颗粒级配。筛分法是按照GB/T 14684—2011 称取500 g 烘干至恒量的试样，采用摇筛机测试各粒级的百分率。图像分析方法是称取100 g 烘干至恒量的试样，采用图像粒形粒度分析仪测试试样的粒度分布，根据粒度分布得到各粒级的分计筛余。

2 结果与讨论

2.1 石粉含量测试方法的相关性

湿法是GB/T 14684—2011 中规定的石粉含量标准测试方法，但其测试时间长，不适用于实时在线监测机制砂生产质量。干筛法和图像分析方法相对简单方便，建立与湿法之间的相关性即可快速获取机制砂石粉含量。干筛法和图像分析方法测试结果与湿法测试结果的相关关系见图2。可知：①干筛法和图像分析方法与湿法的相关性均较高，相关系数r大于0.987，表明采用干筛法和图像分析方法获取机制砂石粉含量具有较好的可行性；②干筛法和图像分析方法所测结果均小于湿法，且石灰岩机制砂测试结果差异程度大于花岗岩机制砂，这是因为不同岩性石粉对机制砂颗粒吸附能力不同，吸附作用小的石粉更容易被干筛法和图像分析方法测得；③图像分析方法与湿法对石粉含量的测试结果不同，可以通过提高相机分辨率、增设超声分散装置以及引入石粉含量修正参数来提高图像粒形粒度分析仪的准确度。

2.2 颗粒形貌的影响因素分析

2.2.1 不同形貌参数的相关性

图3中是采用间接法和图像分析方法测得的原状砂的形貌参数，由于砂的类型和制备工艺不同，各种砂的形貌参数差异较大，圆形度和长径比的相关性不明显，流动时间和间隙率的相关性也不明显。

图3 砂的形貌参数

2.2.2 颗粒粒级对形貌参数的影响

将机制砂和河砂均筛分成常用粒级进行形貌测试，颗粒粒级对砂的圆形度和长径比的影响见图4。可知：①当颗粒粒径大于0.075 mm 时，砂的长径比变化较小，当颗粒粒径小于0.075 mm 时，砂的长径比显著增大；②随着粒级的变化，砂的圆形度变化较小，当颗粒粒径小于0.075 mm 时，D，E 和 F 三种砂的圆形度明显减小。

图4 颗粒粒级对形貌参数的影响

应用图像分析方法通过投影图像分析颗粒的长径比和圆形度发现，当颗粒粒径小于0.075 mm 时，投影图像的形态特征明显减弱，且颗粒在下落过程中有团聚现象，颗粒投影形状的随机性较高，使圆形度和长径比的测试结果变化较大。为保证用图像分析方法获取机制砂形貌参数具有可靠性，可不考虑粒径小于0.075 mm 颗粒的形貌特征，并建议测试细骨料的圆形度和长径比时适当提高试样粒径的下限；在测试时采用超声分散仪器等充分分散机制砂，减少细小颗粒团聚现象发生。

2.2.3 石粉含量对形貌参数的影响

石粉含量对机制砂形貌参数的影响见图5。可知：随着石粉含量增加，长径比增大，圆形度减小，机制砂的形貌随着石粉含量增大逐渐变差；石粉含量大于15%时，机制砂颗粒的长径比和圆形度变化程度减小。结合粒级对机制砂形貌参数的影响可知，随着石粉含量增大机制砂中细颗粒数目显著增加，粒径小于0.075 mm 的细颗粒的形貌参数逐渐主导机制砂的形貌参数。石粉含量增大到一定程度后，机制砂的形貌参数完全由细颗粒主导，继续增大石粉含量对机制砂形貌参数的影响变小。

2.3 颗粒级配测试方法

图5 石粉含量对形貌参数的影响

采用筛分法和图像分析方法测得的机制砂和河砂的级配曲线见图6。可知：采用等效粒径计算得到的级配曲线与采用短径计算得到的级配曲线存在偏差，这是图像分析方法中等效粒径和短径的计算原理不同导致的。

图6 砂的级配曲线

颗粒等效粒径与短径的计算原理见图7。当相机获得颗粒投影后，软件通过计算得到投影面积S，与投影面积相等的圆的直径d即为颗粒的等效粒径。软件计算得到颗粒投影的最小外接矩形时，矩形的宽a即为颗粒的短径，矩形的长b为颗粒的长径。定义两条级配曲线之间同一粒级的通过率之差为D，用D评价不同计算方法得到的级配曲线之间的差异程度。

图7 等效粒径与短径的计算原理

用图像分析方法获取的等效粒径和短径表征颗粒级配与用筛分法的差异程度见表2。可知：①采用短径计算所得的颗粒级配，其平均值Da和标准差Ds均小于采用等效粒径计算所得的颗粒级配，说明用短径表征颗粒级配与筛分法的趋近程度更高；②用短径表征颗粒级配的Da为3%～6%，偏差程度较小，图像分析方法中采用短径表征砂的颗粒级配具有更好的准确性。

表2 图像分析方法与筛分法的差别

在实际筛分过程中，砂的短径小于或等于筛孔时即可通过筛孔，相当于砂的粒径分级是以颗粒短径划分的，因此应用图像方法时选用短径表征颗粒级配更接近实际筛分结果。

3 结论

1）采用干筛法和图像分析方法所测石粉含量与湿法所测石粉含量均线性相关，相关系数r大于0.987，两者可作为获取机制砂石粉含量的便捷测试方法。

2）颗粒形貌参数的测试结果与粒径和石粉含量有关。若粒径较小则颗粒的形貌特征不明显，粒径小于0.075 mm 时，长径比显著增大，圆形度减小。随着石粉含量增大，长径比增大，圆形度减小；石粉含量大于15%时，粒径小于0.075 mm 的细颗粒的形貌参数主导机制砂的形貌参数，若继续增加石粉含量则机制砂的形貌参数不再发生明显变化。

3）相比用等效粒径表征颗粒级配，用短径表征颗粒级配更接近实际筛分结果，图像分析方法与筛分法通过率之差的平均值为3%～6%。

4）应用图像分析方法获得机制砂石粉含量、颗粒形貌和颗粒级配具有可行性。采用图像分析方法时，须控制石粉含量对长径比和圆形度的影响，且应选用投影图像的短径计算颗粒级配。