CN107655807A - 基于沉浆指标的透水混凝土透水效率分析方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于沉浆指标的透水混凝土透水效率分析方法，包括如下步骤：(1)试件截面准备与图像获取；(2)逐层填充率获取；(3)双向累计填充率分析；(4)沉浆指标计算；(5)填充均匀增长率计算与透水效率分析。该方法通过逐层计算透水混凝土的填充率，定量计算得到沉浆指标，实现了透水混凝土从顶面到底面透水能力变化的定量表征，从而为透水混凝土透水效率的评估提供了量化途径，克服了传统方法仅能测定透水系数，难以客观评价透水效率的缺点，具有良好的工程应用前景和推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种建筑材料分析方法，具体是一种基于沉浆指标的透水混凝土透水效率分析方法。
背景技术
透水混凝土是一种有连续多孔的混凝土，通过胶结浆体包裹粗骨料形成粗骨架-空隙结构，因此透水混凝土浆体要求高粘聚性、低流动性。
透水混凝土的性能通常用空隙率和透水系数来表征。目前，测定透水混凝土空隙率的方法是浸泡称量法，它是将透水混凝土试块浸泡在水中，测定水中的质量和取出后空气中干燥24h后的质量，计算求解空隙率。测定透水混凝土的透水系数通常采用常水头试验法，试块上方水头和渗出流量稳定后，量测经过一定时间内流经封闭侧面的试块的水量，使用达西公式计算得到透水混凝土的透水系数。然而，在透水混凝土施工过程中，浆体容易脱离骨料积聚到一起，破坏透水混凝土的均匀性，在底部形成不透水层。如果透水混凝土的均匀性不好，即便具有较高的空隙率，也会大大降低透水混凝土的透水效率。而在实际工程中测定透水混凝土的透水系数流程复杂且需要使用专门的仪器，而且透水混凝土的透水系数只能反映透水混凝土的透水效果，难以客观评价透水混凝土的透水效率，无法为透水混凝土透水性能的改进提供定量指标依据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于沉浆指标的透水混凝土透水效率分析方法。它能够通过逐层分析透水混凝土的填充率定量计算得到沉浆指标，实现了透水混凝土从顶面到底面透水能力变化的定量表征，从而为透水混凝土透水效率的评估提供了量化途径。
本发明通过以下述技术方案实现上述目的：一种基于沉浆指标的透水混凝土透水效率分析方法，包括如下步骤：
(1)试件截面准备与图像获取
获取透水混凝土沉浆分析标准试件，垂直顶面切开试件；清洁切开后的断面，在整个截面涂抹单一颜色，使截面上空隙区域和密实区域有明显的色差；通过拍摄或扫描获取截面的数字图像。
(2)逐层填充率获取
将沉浆分析标准试件截面均匀分成n层，使试件截面形成平行顶面的n个区域，通过图像分析逐层获取从顶面到底面各个区域的填充率c1至cn。
(3)双向累计填充率分析
根据从顶面到底面各个区域的填充率c1至cn，计算试件从顶面向底面的累计填充率A1至An：
式中，Ai表示当i取值从1至n时，从顶面向底面的累计填充率；cj表示i取值从1至n时,从1至i各个区域的填充率，n为沉浆分析标准试件填充率分析的分层数量。
根据从底面到顶面各个区域的填充率cn至c1，计算试件从底面向顶面的累计填充率B1至Bn：
式中，Bi表示当i取值从1至n时，从底面向顶面的累计填充率；ck表示i取值从1至n时,从n+1-i至n各个区域的填充率，n为沉浆分析标准试件填充率分析的分层数量。
(4)沉浆指标计算
根据双向累计填充率Ai和Bi，计算透水混凝土的沉浆指标α：
式中，α为透水混凝土的沉浆指标，Bi表示当i取值从1至n时，从底面向顶面的累计填充率；Ai表示当i取值从1至n时，从顶面向底面的累计填充率；
(5)填充均匀增长率计算与透水效率分析
根据计算得到的透水混凝土沉浆指标，计算该沉浆指标对应的填充均匀增长率β，评价透水混凝土的透水效率。
式中，β为填充均匀增长率，α为透水混凝土沉浆指标，n为沉浆分析标准试件填充率分析的分层数量。
所述的透水混凝土沉浆分析标准试件为顶面和底面平行的、厚度为100mm的透水混凝土试件。
所述的沉浆分析标准试件填充率分析的分层数量n的取值范围在5至20之间。
所述的填充均匀增长率是将沉浆分析标准试件等效为沉浆指标相同的、填充率从顶面到底面均匀递增的理想试件，该等效理想试件的底面的填充率相对于顶面填充率的增长率为填充均匀增长率，透水混凝土的填充均匀增长率越高，表明透水混凝土底层的沉浆情况越严重、透水效率越低，反之，填充均匀增长率越低，表明透水混凝土底层的沉浆情况越不严重、透水效率越高。
本发明要在具有图形处理中的区域精确选取和像素读取的功能的分析软件中完成，须预先在个人计算机中安装此类软件。
本发明突出的优点在于：
该方法通过逐层计算透水混凝土的填充率，定量分析透水混凝土的沉浆情况并计算得到沉浆指标，并利用沉浆指标将透水混凝土沉浆分析标准试件等效为沉浆指标相同的、填充率从顶面到底面均匀递增的等效理想试件，实现了透水混凝土从顶面到底面透水能力变化的定量表征，从而为透水混凝土透水效率的评估提供了量化途径，克服了传统方法仅能测定透水系数，难以客观评价透水效率的缺点。具有良好的工程应用前景和推广价值。
2、能够基于透水混凝土的沉浆指标，合理地评估透水混凝土的分层程度，为透水混凝土透水性能的改进提供依据。
附图说明
图1为试块1截面在涂抹单一颜色后的数字图像。
图2是试块1截面的黑白二值图。
图3是试块1截面均匀分为8层后的黑白二值图
图4是试块2截面在涂抹单一颜色后的数字图像。
图5是试块2截面的黑白二值图。
图6是试块2截面均匀分为8层后的黑白二值图。
图7是试块2截面均匀分为12层后的黑白二值图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的技术方案以及有效性和优越性作进一步详细描述。
实施例中的图像分析主要在R2014b数值分析软件，需预先在个人计算机中安装此软件。
实施例1
本发明所述的基于沉浆指标的透水混凝土透水效率分析方法的一个实例，包括如下步骤：
1、试件截面准备与图像获取
获取透水混凝土沉浆分析标准试件1，垂直顶面切开试件；清洁切开后的断面，在整个截面涂抹单一颜色，使截面上空隙区域和密实区域有明显的色差；通过拍摄获取得到试件1截面的数字图像，如图1所示。
2、逐层填充率获取
利用R2014b数值分析软件对图片进行二值化处理，得黑白二值图，如图2所示。将沉浆分析标准试件1的截面均匀分成8层，使试件截面形成平行顶面的8个区域，如图3所示。利用R2014b数值分析软件逐层统计白色像素数，白色像素占比即为填充率，获取从顶面到底面各个区域的填充率c1至c8分别为0.6644、0.3594、0.5061、0.6966、0.6903、0.7260、0.8392、0.8611；
3、双向累计填充率分析
根据从顶面到底面各个区域的填充率c1至c8，计算试件从顶面向底面的累计填充率A1至A8：
A1＝c1＝0.6644
A2＝c1+c2＝1.0238
A3＝c1+c2+c3＝1.5299
A4＝c1+c2+c3+c4＝2.2265
A5＝c1+c2+c3+c4+c5＝2.9168
A6＝c1+c2+c3+c4+c5+c6＝3.6428
A7＝c1+c2+c3+c4+c5+c6+c7＝4.4820
A8＝c1+c2+c3+c4+c5+c6+c7+c8＝5.3431
根据从底面到顶面各个区域的填充率c8至c1，计算试件从底面向顶面的累计填充率B1至B8：
B1＝c8＝0.8611
B2＝c7+c8＝1.7003
B3＝c6+c7+c8＝2.4263
B4＝c5+c6+c7+c8＝3.1166
B5＝c4+c5+c6+c7+c8＝3.8130
B6＝c3+c4+c5+c6+c7+c8＝4.3193
B7＝c2+c3+c4+c5+c6+c7+c8＝4.6787
B8＝c1+c2+c3+c4+c5+c6+c7+c8＝5.3431
4、沉浆指标计算
根据双向累计填充率Ai和Bi，计算透水混凝土的沉浆指标α：
5、填充均匀增长率计算与透水效率分析
根据计算得到的透水混凝土沉浆指标α＝1.203，计算该沉浆指标对应的填充均匀增长率β，评价透水混凝土的透水效率：
计算可得，该透水混凝土的沉浆指标对应的填充均匀增长率为92.4％，即该透水混凝土沉浆指标对应的填充率均匀递增的等效理想试件的填充率从顶面到底面均匀递增92.4％，说明该透水混凝土的沉浆情况较严重，会显著降低该透水混凝土的透水效率。
从图1能够看出，即便该混凝土上部有一定空隙，但由于该透水混凝土的沉浆情况严重，底部几乎封闭，所以其有效透水性能较低。如果能够有针对性地改善该透水混凝土的沉浆情况，则可明显提高透水混凝土的整体透水性能。
因此，根据本方法计算得到的沉浆指标及其对应的填充均匀增长率能够定量表征透水混凝土的透水效率。
实施例2
本发明所述的基于沉浆指标的透水混凝土透水效率分析方法的另一个实例，包括如下步骤：
1、试件截面准备与图像获取
获取透水混凝土沉浆分析标准试件2，垂直顶面切开试件；清洁切开后的断面，在整个截面涂抹单一颜色，使截面上空隙区域和密实区域有明显的色差；通过拍摄获取得到试件1截面的数字图像，如图4所示。
2、逐层填充率获取
利用R2014b数值分析软件对图片进行二值化处理，得黑白二值图，如图5所示。将沉浆分析标准试件2的截面均匀分成8层，使试件截面形成平行顶面的8个区域，如图6所示。利用R2014b数值分析软件逐层统计白色像素数，白色像素占比即为填充率，获取从顶面到底面各个区域的填充率c1至c8分别为0.4766、0.4393、0.6252、0.5585、0.6542、0.7030、0.6601、0.6112；
3、双向累计填充率分析
根据从顶面到底面各个区域的填充率c1至c8，计算试件从顶面向底面的累计填充率A1至A8：
A1＝c1＝0.4766
A2＝c1+c2＝0.9159
A3＝c1+c2+c3＝1.5411
A4＝c1+c2+c3+c4＝2.0996
A5＝c1+c2+c3+c4+c5＝2.7538
A6＝c1+c2+c3+c4+c5+c6＝3.4568
A7＝c1+c2+c3+c4+c5+c6+c7＝4.1169
A8＝c1+c2+c3+c4+c5+c6+c7+c8＝4.7281
根据从底面到顶面各个区域的填充率c8至c1，计算试件从底面向顶面的累计填充率B1至B8：
B1＝c8＝0.6112
B2＝c7+c8＝1.2713
B3＝c6+c7+c8＝1.9743
B4＝c5+c6+c7+c8＝2.6285
B5＝c4+c5+c6+c7+c8＝3.1870
B6＝c3+c4+c5+c6+c7+c8＝3.8122
B7＝c2+c3+c4+c5+c6+c7+c8＝4.2515
B8＝c1+c2+c3+c4+c5+c6+c7+c8＝4.7281
4、沉浆指标计算
根据双向累计填充率Ai和Bi，计算透水混凝土的沉浆指标α：
5、填充均匀增长率计算与透水效率分析
根据计算得到的透水混凝土沉浆指标α＝1.118，计算该沉浆指标对应的填充均匀增长率β，评价透水混凝土的透水效率：
计算可得，该透水混凝土的沉浆指标对应的填充均匀增长率为47.2％，即该透水混凝土沉浆指标对应的填充率均匀递增的等效理想试件的填充率从顶面到底面均匀递增47.2％。由于该实施例中试件的填充均匀增长率仅为实施例1中试件的填充均匀增长率的一半，说明该实施例中的透水混凝土的沉浆情况较轻，具有较好的透水效率。
从图4也能够看出，该实施例中的透水混凝土的空隙分布比较均匀，也证明了根据本方法计算得到的沉浆指标及其对应的填充均匀增长率对透水混凝土的透水效率的定量表征符合实际情况。
实施例3
本发明所述的基于沉浆指标的透水混凝土透水效率分析方法的一个验证实例，包括如下步骤：
1、试件截面准备与图像获取
本实施例为验证方法有效性，仍对实施例2中所获取沉浆分析标准试件2截面数字图像进行分析。
2、逐层填充率获取
将沉浆分析标准试件2的截面均匀分成12层，使试件截面形成平行顶面的12个区域，如图7所示。利用R2014b数值分析软件逐层统计白色像素数，白色像素占比即为填充率，获取从顶面到底面各个区域的填充率c1至c12分别为0.4703、0.4406、0.4505、0.6181、0.5635、0.5750、0.6228、0.6591、0.7386、0.7394、0.5342、0.6084；
3、双向累计填充率分析
根据从顶面到底面各个区域的填充率c1至c12，计算试件从顶面向底面的累计填充率A1至A12：
A1＝c1＝0.4703
A2＝c1+c2＝0.9109
A3＝c1+c2+c3＝1.3614
A4＝c1+c2+c3+c4＝1.9796
A5＝c1+c2+c3+c4+c5＝2.5431
A6＝c1+c2+c3+c4+c5+c6＝3.1180
A7＝c1+c2+c3+c4+c5+c6+c7＝3.7408
A8＝c1+c2+c3+c4+c5+c6+c7+c8＝4.4000
A9＝c1+c2+c3+c4+c5+c6+c7+c8+c9＝5.1386
A10＝c1+c2+c3+c4+c5+c6+c7+c8+c9+c10＝5.8779
A11＝c1+c2+c3+c4+c5+c6+c7+c8+c9+c10+c11＝6.4121
A12＝c1+c2+c3+c4+c5+c6+c7+c8+c9+c10+c11+c12＝7.0205
根据从底面到顶面各个区域的填充率c12至c1，计算试件从底面向顶面的累计填充率B1至B12：
B1＝c12＝0.6084
B2＝c11+c12＝1.1426
B3＝c10+c11+c12＝1.8819
B4＝c9+c10+c11+c12＝2.6206
B5＝c8+c9+c10+c11+c12＝3.2797
B6＝c7+c8+c9+c10+c11+c12＝3.9025
B7＝c6+c7+c8+c9+c10+c11+c12＝4.4774
B8＝c5+c6+c7+c8+c9+c10+c11+c12＝5.0409
B9＝c4+c5+c6+c7+c8+c9+c10+c11+c12＝5.6591
B10＝c3+c4+c5+c6+c7+c8+c9+c10+c11+c12＝6.1096
B11＝c2+c3+c4+c5+c6+c7+c8+c9+c10+c11+c12＝6.5502
B12＝c1+c2+c3+c4+c5+c6+c7+c8+c9+c10+c11+c12＝7.0205
4、沉浆指标计算
根据双向累计填充率Ai和Bi，计算透水混凝土的沉浆指标α：
5、填充均匀增长率计算与透水效率分析
根据计算得到的透水混凝土沉浆指标α＝1.124，计算该沉浆指标对应的填充均匀增长率β，评价透水混凝土的透水效率：
计算可得，该透水混凝土的沉浆指标对应的填充均匀增长率为47.2％。对比实施例3和实施例2能够发现，将试件截面划分为不同的层数时，由于层数的变化，双向累计填充率也随之改变，导致试件的沉浆指标存在差异，但沉浆指标对应的填充均匀增长率β在划分不同层数的情况下仍是一致的，从而证明了方法的合理性和普遍适用性。
实施例4
本发明所述的基于沉浆指标的透水混凝土透水效率分析方法的又一个验证实例，包括如下步骤：
1、本实例以实施例2中沉浆分析标准试件2对应的沉浆指标相同的、填充率从顶面到底面均匀递增的等效理想试件为分析对象。同实施例2一样，将该等效理想试件均匀分成8层，使试件截面形成平行顶面的8个区域。将该等效理想试件的从顶面到底面各个区域的填充率均匀递增，递增率为0.028，从顶面到底面各个区域的填充率c1～c8分别为0.4884、0.5164、0.5444、0.5724、0.6004、0.6284、0.6564、0.6844。
2、双向累计填充率分析
根据从顶面到底面各个区域的填充率c1至c8，计算试件从顶面向底面的累计填充率A1至A8：
A1＝c1＝0.4884
A2＝c1+c2＝1.0048
A3＝c1+c2+c3＝1.5492
A4＝c1+c2+c3+c4＝2.1216
A5＝c1+c2+c3+c4+c5＝2.7220
A6＝c1+c2+c3+c4+c5+c6＝3.3504
A7＝c1+c2+c3+c4+c5+c6+c7＝4.0068
A8＝c1+c2+c3+c4+c5+c6+c7+c8＝4.6912
根据从底面到顶面各个区域的填充率c8至c1，计算试件从底面向顶面的累计填充率B1至B8：
B1＝c8＝0.6844
B2＝c7+c8＝1.3408
B3＝c6+c7+c8＝1.9692
B4＝c5+c6+c7+c8＝2.5696
B5＝c4+c5+c6+c7+c8＝3.1420
B6＝c3+c4+c5+c6+c7+c8＝3.6864
B7＝c2+c3+c4+c5+c6+c7+c8＝4.2028
B8＝c1+c2+c3+c4+c5+c6+c7+c8＝4.6912
4、沉浆指标计算
根据双向累计填充率Ai和Bi，计算透水混凝土的沉浆指标α：
5、填充均匀增长率计算与透水效率分析
根据计算得到的透水混凝土沉浆指标α＝1.118，计算该沉浆指标对应的填充均匀增长率β，评价透水混凝土的透水效率：
由于该试件是从顶面到底面各个区域的填充率均匀递增的等效理想试件，所以能够直接通过第1层的填充率减去各层填充率递增量的一半来计算得到该等效理想试件顶面的填充率：
直接通过第8层的填充率加上各层填充率递增量的一半来计算得到该等效理想试件顶面的填充率：
进而能够直接根据该等效理想试件的底面的填充率与顶面填充率计算得到填充均匀增长率：
由此可见，根据该等效理想试件的底面的填充率与顶面填充率计算得到填充均匀增长率，与根据沉浆指标计算得到的填充均匀增长率相同，证明了本方法的正确性。
Claims (4)
1.一种基于沉浆指标的透水混凝土透水效率分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)试件截面准备与图像获取
获取透水混凝土沉浆分析标准试件，垂直顶面切开试件，清洁切开后的断面，在整个截面涂抹单一颜色，使截面上空隙区域和密实区域有明显的色差，通过拍摄或扫描获取截面的数字图像，
(2)逐层填充率获取
将沉浆分析标准试件截面均匀分成n层，使试件截面形成平行顶面的n个区域，通过图像分析逐层获取从顶面到底面各个区域的填充率c1至cn，
(3)双向累计填充率分析
根据从顶面到底面各个区域的填充率c1至cn，计算试件从顶面向底面的累计填充率A1至An：
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<mn>2</mn>
<mo>,</mo>
<mn>3</mn>
<mo>,</mo>
<mo>...</mo>
<mo>,</mo>
<mi>n</mi>
</mrow>
式中，Ai表示当i取值从1至n时，从顶面向底面的累计填充率；cj表示i取值从1至n时,从1至i各个区域的填充率，n为沉浆分析标准试件填充率分析的分层数量，
根据从底面到顶面各个区域的填充率cn至c1，计算试件从底面向顶面的累计填充率B1至Bn：
<mrow>
<msub>
<mi>B</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>k</mi>
<mo>=</mo>
<mi>n</mi>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<mi>i</mi>
</mrow>
<mi>n</mi>
</munderover>
<msub>
<mi>c</mi>
<mi>k</mi>
</msub>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
<mo>,</mo>
<mn>2</mn>
<mo>,</mo>
<mn>3</mn>
<mo>,</mo>
<mo>...</mo>
<mo>,</mo>
<mi>n</mi>
</mrow>
式中，Bi表示当i取值从1至n时，从底面向顶面的累计填充率；ck表示i取值从1至n时,从n+1-i至n各个区域的填充率，n为沉浆分析标准试件填充率分析的分层数量，
(4)沉浆指标计算
根据双向累计填充率Ai和Bi，计算透水混凝土的沉浆指标α：
<mrow>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mi>n</mi>
</munderover>
<msub>
<mi>B</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mi>n</mi>
</munderover>
<msub>
<mi>A</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
式中，α为透水混凝土的沉浆指标，Bi表示当i取值从1至n时，从底面向顶面的累计填充率；Ai表示当i取值从1至n时，从顶面向底面的累计填充率；
(5)填充均匀增长率计算与透水效率分析
根据计算得到的透水混凝土沉浆指标，计算该沉浆指标对应的填充均匀增长率β，评价透水混凝土的透水效率，
<mrow>
<mi>&beta;</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>6</mn>
<mi>n</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>-</mo>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>n</mi>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>-</mo>
<mn>3</mn>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
<mo>&times;</mo>
<mn>100</mn>
<mi>%</mi>
</mrow>
式中，β为填充均匀增长率，α为透水混凝土沉浆指标，n为沉浆分析标准试件填充率分析的分层数量。
2.根据权利要求1所述的基于沉浆指标的透水混凝土透水效率分析方法，其特征在于，所述的透水混凝土沉浆分析标准试件为顶面和底面平行的、厚度为100mm的透水混凝土试件。
3.根据权利要求1所述的基于沉浆指标的透水混凝土透水效率分析方法，其特征在于，所述的沉浆分析标准试件填充率分析的分层数量n的取值范围在5至20之间。
4.根据权利要求1所述的基于沉浆指标的透水混凝土透水效率分析方法，其特征在于，所述的填充均匀增长率是将沉浆分析标准试件等效为沉浆指标相同的、填充率从顶面到底面均匀递增的理想试件，该等效理想试件的底面的填充率相对于顶面填充率的增长率为填充均匀增长率，透水混凝土的填充均匀增长率越高，表明透水混凝土底层的沉浆情况越严重、透水效率越低，反之，填充均匀增长率越低，表明透水混凝土底层的沉浆情况越不严重、透水效率越高。
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