运用数字图像处理技术测量混凝土粗骨料的球度形状系数和凸起比Word文档格式.docx

1、数字视频技术发展很快，比以前更加实惠而且使用更方便。利用摄像机可以捕获场景并转化成视频信号，它们首先被数字化然后按像素储存起来。然后，场景的图案信息可以通过数字图像处理技术提取出来。通过DIP技术1，图像中的物体能从背景中被区分出来，然后进行分析和测量。可以测量出粒子数、区域分布、粒度、形状分布与空间分布特征等几何参数。该方法测量的主要优势几乎囊括了自动化、快捷、减少人为误差、而且能进行高级测量的优点。作为DIP技术在混凝土工艺上应用研究的一部分，科学家正在研究运用DIP技术测量集料大小和形状可行的方法。这是一个具有现实意义的话题，因为骨料作为混凝土的主要组成部分，其级配、尺寸和形状影响了混凝

2、土的性能。Barksdale2、Li3、Yue和Morin4 以及Kuo 5等人已经尝试了DIP技术在颗粒大小与形状上的分析，取得了许多成果。然而在其应用上还存在不少问题。 只能进行两维的测量，这是DIP技术存在的一个主要缺陷。因此，不能直接得到第三维的结果。因此4，DIP技术可以用来测量面积分数而不是大家常用的质量分数。另一个问题是，传统方法测量颗粒大小和形状，比如筛分粒度、片状指数和针状指数等，适合机械和手动的筛选而不适合使用DIP技术。事实上，筛分粒度既不是颗粒的长度、宽度，也非厚度，因此不能用DIP6技术直接测量出来。而且，片状指数、针状指数是根据筛孔尺寸决定的，它们也不易通过DIP技

3、术测量7。因此，当直接测量粒子几何参数时运用DIP技术。还有一个问题，不同的研究者使用不同的指标来描述相同的形状属性，甚至对相同的形状指数进行不同的定义2-5。要想对其形状参数的描述达到一个统一的标准，可能不是一朝一夕的事。本文是作者关于DIP技术应用系列的第三篇文章。在第一篇中6，作者运用DIP技术分析粗骨料的粒度分布，并且发现了一种将面积分数转化为体积分数的简单方法，因此可以更方便的解析DIP技术的分级结果。第二篇中7，DIP技术被用来评估骨料的片状指数和针状指数。尽管该技术不能直接测量厚度，但是作者已经成功的开发了一种利用骨料的数字图像与质量进行厚度与宽度比率分析的方法。这篇文章中，DI

4、P技术被用来测量球度、形状系数和凹凸性，得到的形状系数和棱角数与传统测量方法相关联，这样可以区别出那些与传统测量方法有紧密联系的形状系数。棱角数很难从粒子形状直接测量得到，而且传统方法是测量骨料颗粒的堆积密度间接得到。我们希望从那些与棱角数的传统测量方法有紧密联系的形状系数中，选出一些用来直接测量棱角数。2 运用DIP技术测量形状参数DIP系统运用的是剑桥莱卡生产的定量电视显微镜Q600。它包括一个分辨率为736574像素的三芯CCD摄像机、一个画面捕捉器以及一个装有光源设备、计算机、和图像分析软件的装置。进行骨料样品图像分析，首先要将颗粒放在样品托盘上，并将托盘置于摄像机架下方，得到骨料颗粒

5、的图像。详细的图像采集过程和校准步骤如前所述6。获得骨料颗粒图像之后，DIP技术开始对骨料形态进行后台分析。包括增加颗粒和背景之间的对比度以及区分每个颗粒。一旦确定颗粒边缘界面，就能测出它的尺寸和形状几何特征。完成后，测量结果被保存在一个统计处理表格中再加工。2.1 运用DIP结果估算颗粒的厚度和体积因为只能分析颗粒的二维投影，不能通过DIP结果直接得到颗粒的厚度和体积。然而，之前已经发现一种测量方法6。它假设骨料的来源相同，应该或多或少与宽度有关联。通过这个假设，颗粒厚度平均数可以如下表示： （1） 其中是依赖于骨料的参数。通过这个方程式，颗粒体积可以表示为： （2）将全部体积求和再乘以密度

6、得到骨料总质量M的方程式为: （3）通过以上方程式可以得到的表达式： （4）的确切含义是骨料的厚度与宽度比，将代入方程式（1）和（2），便得到每个颗粒的厚度和体积。2.2 形状参数平均值的计算方法一个集料样品由许多颗粒组成。确定集料的形状参数之前，首先要测量每个颗粒的形状参数。测定每个颗粒形状参数以后，存在一个问题：如何估算这些颗粒的平均参数。至少有两种方法。第一种是估算颗粒形状参数的平均值，公式如下： （5）其中每个数值对应的颗粒质量相同而形状不同。然而，由于大颗粒一般对骨料的性能影响更大，一个更好的办法是将粒子形状参数平均值作为加权平均值，如公式： （6）2.3 形状参数的测量项目2.3.

7、1 薄片指数薄片指数定义为厚度对宽度的比率，也称为平面率2。尽管厚度不能直接由DIP技术测得，根据公式（4）可以得到的值。因此，当前用来表示薄片率。2.3.2 针状率延伸率是长度对宽度的比率。直接从DIP得到。2.3.3 球度 球率通常定义为具有相同体积颗粒球体的表面积与颗粒真实表面积的比率2。然而，由于表面积需要用三维形状分析，不能用数字图像技术的二维方法测量。因此Krumbein8提出了一种代替的方法。 （7）将公式（1）中的数值代入上式得： （8）2.3.4 形状因子形状因子是种常用的指标，但是不同的研究人员描述形状不同方面时采用不同的定义2,4,5。当前采用Kuo5给出的定义： （9）

8、用宽度代替厚度，则上面的公式为： （10）2.3.5 凸起比凸起比是凸度的度量8。由于三维粒形分析较复杂，现根据二维投影机算，见图1。公式如下： （11）凸起面积指颗粒凸起边界最小值面积。图1 颗粒面积与凸起面积2.3.6 颗粒饱满度 颗粒饱满度是凸度的另一种计量方法，同样是利用二维投影。公式如下5： （12）3 棱角性测量棱角性跟圆度相反，指的是骨料颗粒的棱边及角隅的相对尖锐程度。按照英国标准BS812：第1部分：1975年，研究者对于颗粒的磨损程度作出了定性描述，对圆度和棱角度区分如下：棱角状 颗粒表面很少磨损迹象；次棱角状 有一些磨损，各面未触动；次浑圆状 相当多磨损，各面面积减缩；浑圆

9、状 各面几乎磨掉；十分浑圆状 没有原始表面正如BS812：第1部分注释，棱角性是骨料的一种重要形态特征，应为它影响着骨料与胶凝材料之间的粘结性（比如混凝土的工作性）和稳定性。此外，还对骨料颗粒的填充效果以及空隙率有影响。大致来说，棱角性最小（球形）的骨料紧密堆积的密实度最多接近67%，棱角性稍大的就达不到这个水平。3.1 棱角性的传统测量方法到目前为止，关于棱角性，在几何学上还没有明确的定义，因此可以直接从骨料颗粒形状来度量。基于一种假设：单粒级骨料堆积密度完全取决于棱角度，根据等径颗粒堆积密度可以得到一种间接的测量棱角度的方法。这种方法和BS812：第1部分所介绍的利用棱角数测量棱角性相一致

10、。棱角数是指颗粒紧密堆积体积百分比（或者说空隙率减去33）。首先要求将样品分级，而且每个粒级变化幅度很小（这样保证每个粒级都属于单粒级），然后测量每个粒级的堆积密度，如表1所示。表一 测量棱角数筛目尺寸上限（mm）下限（mm）20.014.010.06.3to14.o5.0分别用每一粒级的骨料填满容量筒，将颗粒按规定标准捣实，测出容器和颗粒的总重。单粒级球形颗粒堆积密度为67%，它们的棱角数近乎为0，实际骨料棱角数从非常浑圆的0到棱角状的12。3.2 棱角性测量问题严格地说，棱角性是种形态学特性，应该直接从颗粒外形测量。这迫使研究者开发出通过颗粒形态特点测量棱角性的方法。然而，不同的方法使用发

11、展出不同的棱角性定义，产生互不关联的形状参数9。例如，Yudhbir和Abedinzadeh 10用颗粒边界的切线数量（突起物的数量）来量化颗粒的棱角性，而没有考虑突出物的实际形状。Verspui11用颗粒边界的凸角的平均值来测量棱角度。Antoine和Courard12也测量突起物的棱角性作为角度但是利用几何作图测量凸起角度。另一方面，Palasamudram和Bahadur13将颗粒棱角度作为尖锐度的依据。上述差异反映出对颗粒棱角度的定义达到一致的难度。事实上，每一位研究者在着手研究棱角性之前都要给它一个定义。迄今为止，给出的定义至少有以下几种：（1）拐角角度，（2）拐角处的曲率半径，（3

12、）拐角处高度，（4）拐角的凸凹性影响它与其它颗粒之间相互作用的概率。测量棱角性绝对不是简单的事，到目前为止，还没有一种被大家普遍接受的直接测量方法。4 骨料样品分析 骨料样品包含五种不同来源，已经通过DIP方法分析了它们的薄片率、针状率、球度、形状因子、凸度以及用传统方法测得的棱角数。五种不同来源分别是：（1）香港采石场碎花岗岩，（2）中国大陆采石场碎花岗岩，（3）香港采石场碎火山岩，（4）中国大陆采石场碎火山岩，（5）加拿大温哥华的砾石。骨料最大粒径从10到40mm不等。 砾石骨料非常圆而碎石骨料成棱角状。因此，骨料样品分析包括了多棱角到浑圆骨料的测量。为了制作出中间体，一些碎骨料要通过机器

13、人为磨耗来降低其棱角性。针对不同骨料，机器的转数从400到1600以便生产出不同圆度的骨料。已经对46种骨料样品进行了分析。5 结果与讨论通过DIP测得的各种形状参数加权平均值与传统方法测得的棱角性之间关联如图2所示。为了显示相关性的整体趋势，根据数据点描绘出最合适的直线。数据点的不同程度分散表明，各种形状参数与棱角性有不同的相关性。图2 运用DIP法测得的各种形状参数与传统方法测得的棱角数之间的关联性（r=相关系数）在确定骨料样品形状参数时，单个颗粒的算术平均数和加权平均数都算出来。算术和加权平均数不一样，但在棱角数上也有细微的关联。如图2所示，它们的关联都被列出。结果表明，一般加权平均值有更好的关联性。下面给出详细分析。相关形状系数与棱角数之间的关系DIP方法测得的形状系数形状系数算数平均数形状系数加权平均数薄片系数延伸率球度形状因数凸度填充率0.5350.7970.8550.8180.8090.8730.5400.8050.8620.8280.825表2. 各种形状参数与棱角数之比在两种形状因数测量中，发现薄片率与棱角数有很强的关联。然而，薄片率却不以棱角来计量。目测得知，薄片粒子大体上呈棱角状而且浑圆的几乎没有薄片。或许有很多因素影响薄片率，比如颗粒生产方式、