基于圖像分析方法的機(jī)制砂顆粒形貌參數(shù)研究

王振 韓自力 趙有明 黃法禮 易忠來(lái) 謝永江 李化建

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

鐵路跨越區(qū)域廣、河砂資源分布不均以及我國(guó)河砂限采令的頒布，致使我國(guó)鐵路建設(shè)面臨河砂資源嚴(yán)重短缺的局面，而且這個(gè)問(wèn)題在以云南、貴州、四川、西藏為主的山區(qū)鐵路建設(shè)中尤為顯著［1-2］。機(jī)制砂由巖石、礦山尾礦或工業(yè)廢渣顆粒經(jīng)過(guò)機(jī)械破碎、篩分制成，具有產(chǎn)量可控、質(zhì)量可控、供應(yīng)時(shí)間可控等優(yōu)勢(shì)，是天然河砂的最佳替代品［3-5］。相比于在河床中經(jīng)過(guò)水流長(zhǎng)期沖刷的天然河砂，由機(jī)械破碎生產(chǎn)的機(jī)制砂含有較多表面粗糙、棱角尖銳、針狀或棒狀顆粒［6］。我國(guó)砂石骨料等地方材料質(zhì)量不穩(wěn)定、缺少機(jī)制砂質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)制砂規(guī)?；a(chǎn)廠家較少等現(xiàn)狀，進(jìn)一步導(dǎo)致機(jī)制砂顆粒級(jí)配不穩(wěn)定、含粉量超標(biāo)等問(wèn)題。由于表面粗糙、棱角尖銳的機(jī)制砂堆積密度小，石粉含量過(guò)高的機(jī)制砂比表面積大，使得配制工作性能良好的機(jī)制砂混凝土難度加大［7-8］。級(jí)配較差的骨料影響混凝土體積穩(wěn)定性和耐久性［9-10］。因此，控制機(jī)制砂的顆粒形貌是提高機(jī)制砂及其混凝土質(zhì)量的技術(shù)途徑之一［11］。目前的標(biāo)準(zhǔn)中還未對(duì)機(jī)制砂粒形、顆粒級(jí)配等形貌關(guān)鍵參數(shù)提出具體指標(biāo)，而且機(jī)制砂粒度分布從微米級(jí)到毫米級(jí)相差幾千倍，所以還沒(méi)有成熟的機(jī)制砂形貌檢測(cè)設(shè)備。

為了在線快速測(cè)試機(jī)制砂顆粒形貌，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基于圖像分析方法自主研發(fā)了機(jī)制砂粒形粒度分析儀［12］。本文通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)測(cè)試方法與圖像分析方法的測(cè)試結(jié)果，探究用圖像分析方法快速便捷地獲取表征機(jī)制砂顆粒形貌的參數(shù)的可行性，為機(jī)制砂生產(chǎn)質(zhì)量控制提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

試驗(yàn)所用細(xì)骨料為石灰?guī)r機(jī)制砂（A）、凝灰?guī)r機(jī)制砂（B）、花崗巖機(jī)制砂（C）和三種不同地區(qū)河砂（D，E，F(xiàn)），細(xì)骨料主要性能見(jiàn)表1，顆粒級(jí)配見(jiàn)圖1。

表1 細(xì)骨料主要性能

圖1 細(xì)骨料顆粒級(jí)配

1.2 圖像分析方法原理

測(cè)試設(shè)備為中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的TK?1 型圖像粒形粒度分析儀。該設(shè)備測(cè)試粒徑為10～10 000 um，顆粒放大倍數(shù)為1 380 倍，顆粒識(shí)別速度不小于10 000 個(gè)/s，分析項(xiàng)目包括石粉含量、長(zhǎng)徑比、圓形度和顆粒級(jí)配。顆粒粒度可選取投影顆粒的短徑、長(zhǎng)徑或等效粒徑來(lái)表征。

長(zhǎng)徑比RLW是投影顆粒最小外接矩形的長(zhǎng)寬之比，即

式中：L為投影顆粒最小外接矩形的寬；W為投影顆粒最小外接矩形的長(zhǎng)。

表征投影顆粒趨近于圓的程度的圓形度C為

式中：A為投影顆粒的面積；p為投影顆粒的周長(zhǎng)。

通過(guò)高速相機(jī)獲得每個(gè)下落顆粒的形貌參數(shù)后，利用統(tǒng)計(jì)分析方法求得該樣品的形貌參數(shù)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 石粉含量的測(cè)試

采用濕法、干篩法和圖像分析方法測(cè)試試樣的石粉含量。濕法按照GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》中的水洗測(cè)試方法進(jìn)行。干篩法是稱取烘干至恒量的試樣500 g，將試樣倒在篩孔尺寸從大到小排列的套篩上，然后置于搖篩機(jī)上篩分10 min，計(jì)算底盤中試樣重量和所稱試樣重量之比。圖像分析方法是稱取100 g烘干至恒量的試樣，加入圖像粒形粒度分析儀中進(jìn)行測(cè)試，將粒徑小于0.075 mm 的顆粒含量作為圖像分析方法測(cè)得的石粉含量。

1.3.2 顆粒形貌的測(cè)試

采用間接法和圖像分析方法測(cè)試試樣的顆粒形貌。間接法是根據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)試試樣的流動(dòng)時(shí)間和間隙率，間接表征細(xì)骨料的表面粗糙度和棱角性。圖像分析方法是稱取100 g烘干至恒量的試樣，采用圖像粒形粒度分析儀測(cè)試試樣的長(zhǎng)徑比和圓形度。

1.3.3 顆粒級(jí)配的測(cè)試

采用篩分法和圖像分析方法測(cè)試試樣的顆粒級(jí)配。篩分法是按照GB/T 14684—2011 稱取500 g 烘干至恒量的試樣，采用搖篩機(jī)測(cè)試各粒級(jí)的百分率。圖像分析方法是稱取100 g 烘干至恒量的試樣，采用圖像粒形粒度分析儀測(cè)試試樣的粒度分布，根據(jù)粒度分布得到各粒級(jí)的分計(jì)篩余。

2 結(jié)果與討論

2.1 石粉含量測(cè)試方法的相關(guān)性

濕法是GB/T 14684—2011 中規(guī)定的石粉含量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，但其測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，不適用于實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)機(jī)制砂生產(chǎn)質(zhì)量。干篩法和圖像分析方法相對(duì)簡(jiǎn)單方便，建立與濕法之間的相關(guān)性即可快速獲取機(jī)制砂石粉含量。干篩法和圖像分析方法測(cè)試結(jié)果與濕法測(cè)試結(jié)果的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖2?？芍孩俑珊Y法和圖像分析方法與濕法的相關(guān)性均較高，相關(guān)系數(shù)r大于0.987，表明采用干篩法和圖像分析方法獲取機(jī)制砂石粉含量具有較好的可行性；②干篩法和圖像分析方法所測(cè)結(jié)果均小于濕法，且石灰?guī)r機(jī)制砂測(cè)試結(jié)果差異程度大于花崗巖機(jī)制砂，這是因?yàn)椴煌瑤r性石粉對(duì)機(jī)制砂顆粒吸附能力不同，吸附作用小的石粉更容易被干篩法和圖像分析方法測(cè)得；③圖像分析方法與濕法對(duì)石粉含量的測(cè)試結(jié)果不同，可以通過(guò)提高相機(jī)分辨率、增設(shè)超聲分散裝置以及引入石粉含量修正參數(shù)來(lái)提高圖像粒形粒度分析儀的準(zhǔn)確度。

2.2 顆粒形貌的影響因素分析

2.2.1 不同形貌參數(shù)的相關(guān)性

圖3中是采用間接法和圖像分析方法測(cè)得的原狀砂的形貌參數(shù)，由于砂的類型和制備工藝不同，各種砂的形貌參數(shù)差異較大，圓形度和長(zhǎng)徑比的相關(guān)性不明顯，流動(dòng)時(shí)間和間隙率的相關(guān)性也不明顯。

圖3 砂的形貌參數(shù)

2.2.2 顆粒粒級(jí)對(duì)形貌參數(shù)的影響

將機(jī)制砂和河砂均篩分成常用粒級(jí)進(jìn)行形貌測(cè)試，顆粒粒級(jí)對(duì)砂的圓形度和長(zhǎng)徑比的影響見(jiàn)圖4。可知：①當(dāng)顆粒粒徑大于0.075 mm 時(shí)，砂的長(zhǎng)徑比變化較小，當(dāng)顆粒粒徑小于0.075 mm 時(shí)，砂的長(zhǎng)徑比顯著增大；②隨著粒級(jí)的變化，砂的圓形度變化較小，當(dāng)顆粒粒徑小于0.075 mm 時(shí)，D，E 和 F 三種砂的圓形度明顯減小。

圖4 顆粒粒級(jí)對(duì)形貌參數(shù)的影響

應(yīng)用圖像分析方法通過(guò)投影圖像分析顆粒的長(zhǎng)徑比和圓形度發(fā)現(xiàn)，當(dāng)顆粒粒徑小于0.075 mm 時(shí)，投影圖像的形態(tài)特征明顯減弱，且顆粒在下落過(guò)程中有團(tuán)聚現(xiàn)象，顆粒投影形狀的隨機(jī)性較高，使圓形度和長(zhǎng)徑比的測(cè)試結(jié)果變化較大。為保證用圖像分析方法獲取機(jī)制砂形貌參數(shù)具有可靠性，可不考慮粒徑小于0.075 mm 顆粒的形貌特征，并建議測(cè)試細(xì)骨料的圓形度和長(zhǎng)徑比時(shí)適當(dāng)提高試樣粒徑的下限；在測(cè)試時(shí)采用超聲分散儀器等充分分散機(jī)制砂，減少細(xì)小顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象發(fā)生。

2.2.3 石粉含量對(duì)形貌參數(shù)的影響

石粉含量對(duì)機(jī)制砂形貌參數(shù)的影響見(jiàn)圖5?？芍弘S著石粉含量增加，長(zhǎng)徑比增大，圓形度減小，機(jī)制砂的形貌隨著石粉含量增大逐漸變差；石粉含量大于15%時(shí)，機(jī)制砂顆粒的長(zhǎng)徑比和圓形度變化程度減小。結(jié)合粒級(jí)對(duì)機(jī)制砂形貌參數(shù)的影響可知，隨著石粉含量增大機(jī)制砂中細(xì)顆粒數(shù)目顯著增加，粒徑小于0.075 mm 的細(xì)顆粒的形貌參數(shù)逐漸主導(dǎo)機(jī)制砂的形貌參數(shù)。石粉含量增大到一定程度后，機(jī)制砂的形貌參數(shù)完全由細(xì)顆粒主導(dǎo)，繼續(xù)增大石粉含量對(duì)機(jī)制砂形貌參數(shù)的影響變小。

2.3 顆粒級(jí)配測(cè)試方法

圖5 石粉含量對(duì)形貌參數(shù)的影響

采用篩分法和圖像分析方法測(cè)得的機(jī)制砂和河砂的級(jí)配曲線見(jiàn)圖6?？芍翰捎玫刃Я接?jì)算得到的級(jí)配曲線與采用短徑計(jì)算得到的級(jí)配曲線存在偏差，這是圖像分析方法中等效粒徑和短徑的計(jì)算原理不同導(dǎo)致的。

圖6 砂的級(jí)配曲線

顆粒等效粒徑與短徑的計(jì)算原理見(jiàn)圖7。當(dāng)相機(jī)獲得顆粒投影后，軟件通過(guò)計(jì)算得到投影面積S，與投影面積相等的圓的直徑d即為顆粒的等效粒徑。軟件計(jì)算得到顆粒投影的最小外接矩形時(shí)，矩形的寬a即為顆粒的短徑，矩形的長(zhǎng)b為顆粒的長(zhǎng)徑。定義兩條級(jí)配曲線之間同一粒級(jí)的通過(guò)率之差為D，用D評(píng)價(jià)不同計(jì)算方法得到的級(jí)配曲線之間的差異程度。

圖7 等效粒徑與短徑的計(jì)算原理

用圖像分析方法獲取的等效粒徑和短徑表征顆粒級(jí)配與用篩分法的差異程度見(jiàn)表2。可知：①采用短徑計(jì)算所得的顆粒級(jí)配，其平均值Da和標(biāo)準(zhǔn)差Ds均小于采用等效粒徑計(jì)算所得的顆粒級(jí)配，說(shuō)明用短徑表征顆粒級(jí)配與篩分法的趨近程度更高；②用短徑表征顆粒級(jí)配的Da為3%～6%，偏差程度較小，圖像分析方法中采用短徑表征砂的顆粒級(jí)配具有更好的準(zhǔn)確性。

表2 圖像分析方法與篩分法的差別

在實(shí)際篩分過(guò)程中，砂的短徑小于或等于篩孔時(shí)即可通過(guò)篩孔，相當(dāng)于砂的粒徑分級(jí)是以顆粒短徑劃分的，因此應(yīng)用圖像方法時(shí)選用短徑表征顆粒級(jí)配更接近實(shí)際篩分結(jié)果。

3 結(jié)論

1）采用干篩法和圖像分析方法所測(cè)石粉含量與濕法所測(cè)石粉含量均線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r大于0.987，兩者可作為獲取機(jī)制砂石粉含量的便捷測(cè)試方法。

2）顆粒形貌參數(shù)的測(cè)試結(jié)果與粒徑和石粉含量有關(guān)。若粒徑較小則顆粒的形貌特征不明顯，粒徑小于0.075 mm 時(shí)，長(zhǎng)徑比顯著增大，圓形度減小。隨著石粉含量增大，長(zhǎng)徑比增大，圓形度減??；石粉含量大于15%時(shí)，粒徑小于0.075 mm 的細(xì)顆粒的形貌參數(shù)主導(dǎo)機(jī)制砂的形貌參數(shù)，若繼續(xù)增加石粉含量則機(jī)制砂的形貌參數(shù)不再發(fā)生明顯變化。

3）相比用等效粒徑表征顆粒級(jí)配，用短徑表征顆粒級(jí)配更接近實(shí)際篩分結(jié)果，圖像分析方法與篩分法通過(guò)率之差的平均值為3%～6%。

4）應(yīng)用圖像分析方法獲得機(jī)制砂石粉含量、顆粒形貌和顆粒級(jí)配具有可行性。采用圖像分析方法時(shí)，須控制石粉含量對(duì)長(zhǎng)徑比和圓形度的影響，且應(yīng)選用投影圖像的短徑計(jì)算顆粒級(jí)配。