CN109541186A - 一种基于形状参数的粗骨料密实度计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于形状参数的粗骨料密实度计算方法，包括使用多目立体视觉对骨料颗粒进行三维重建，首先将颗粒放置于置物平台上，程序控制相机从四个角度分别进行拍摄，然后对拍摄的这一组四张照片进行三维重建；对骨料样本中颗粒分批进行拍摄、模型重建，重建完成的模型保存于设置好的路径中，以便于后续计算、分析，本发明提供了一种效率高、同时考虑了颗粒级配、颗粒粒形的影响，能够对骨料的整体密实度及各个粒级的密实度进行计算，计算结果能够为骨料混配优化提供技术支持。且该发明的所使用的骨料颗粒模型，各个粒级的颗粒粒径与其实际值相同，而非整个粒级颗粒粒径的平均值，更能代表实际状况。
Description
技术领域
本发明涉及骨料检测领域，尤其是涉及一种基于形状参数的粗骨料密实度计算方法。
背景技术
密实度是粗骨料的重要质量指标。混凝土是一种多相复合材料，粗骨料作为骨架，其他材料填充粗骨料的空隙。骨料密实度越大，空隙就越小，同样的性能要求下，用于填充骨料空隙的水泥、矿粉、粉煤灰等胶材用量就越小，而同样胶材用量的情况下，性能也就越好。混凝土原材料中，水泥等胶材价格较高，而骨料价格较低，因此骨料密实度越大，需使用胶材用量越小，混凝土成本就越小。因此粗骨料密实度检测及计算对混凝土配合比设计及生产具有实际指导意义。
在《建设用碎石、卵石》(GB/T 14685-2011)中粗骨料密实度需要分别检测粗骨料的表观密度及堆积密度。表观密度一般采用液体比重天平法或广口瓶法，一般步骤为：(1)浸泡骨料、(2)测量骨料排水体积、(3)烘干骨料、(4)称量质量、计算表观密度。松散堆积密度的检测方法为，使用小铲将骨料从容量筒上方50cm处徐徐导入，让试样以自由落体落下，当容器上部试样呈堆状，且容量筒四周溢满时，即停止加料。除去凸出容量筒表面的颗粒，并以合适的颗粒填入凹陷部分。称出试样质量，与容量筒体积相比，即可得到粗骨料堆积密度。粗骨料表观密度与堆积密度相比，即为粗骨料密实度。
使用规范规定或推荐的传统方法需要分别检测表观密度、堆积密度。测量表观密度长则需要浸泡24h，短则需要浸泡2h，耗时较长；堆积密度的检测准确度受容器体积影响，容器过小会产生较大误差；同时在容器填充顶层时，使用合适颗粒填充凹陷部分，该操作受人的主观因素影响较大，因而会带来一定的人为误差。
近年来有研究人员尝试使用骨料参数对骨料密实度进行计算。李国强提出了使用骨料级配分形维数对骨料密实度进行计算的方法。该方法存在的问题是，一是仅考虑了骨料级配对密实度的影响；二是骨料各个粒级的分形维数并不相等，而该方法使用了一个分形维数值来代表骨料总体的分维值，使用该分维值反推得到的骨料级配与原骨料实际级配差别较大；三是使用这种方法计算得到骨料密实度误差较大。
对于颗粒堆积密实度，大量学者对颗粒堆积模型进行了大量的研究，比较经典模型有Furnas模型、Toufar模型、CPM模型及CIPM模型。Furnas模型适用于计算两种单一颗粒混合后、且颗粒间无相互作用的堆积密实度，这与粗骨料一般含有多个粒级的颗粒，且颗粒之间相互挤压的实际状态不符。Toufar模型适用于计算多组分混合料的堆积密实度，局限性在于计算时需两种单一颗粒依次混合，计算过程比较繁琐，且对粒径比值区间也有要求，适用于计算组分不多的颗粒堆积密实度。CPM模型考虑了颗粒间松散效应及附壁效应，计算准确度较高，但是该模型未考虑颗粒的形貌的影响。CIPM模型是CPM模型的发展，它考虑了粉体颗粒间的复杂作用力，但同样未考虑粒形的影响。目前CPM、CIPM模型是骨料混配、优化的重要理论，但在计算时都需要以颗粒整体的密实度、颗粒各个组分的密实度为输入参数，对骨料颗粒的密实度检测的不便，限值了其推广使用。
随着计算机技术的不断发展，许多研究者使用离散单元法对颗粒的堆积模拟进行了研究。离散单元法在提出以来，就在颗粒散体工程研究中发挥了重大作用。在颗粒研究方法，颗粒离散元被广泛用于颗粒在复杂物理条件作用下的复杂动力学研究。有学者使用离散单元软件PFC2D在二维对粗集料密实度进行了模拟测试(发明专利CN103914592A)，该方法首先需要对各个规格的骨料表观密度进行检测，还需要使用游标卡尺逐个测量样本颗粒粒径，以计算骨料颗粒的不均匀系数。然后使用PFC2D对骨料堆积进行模拟。《建设用碎石、卵石》(GB/T 14685-2011)规定的方法，需要分别测量表观密度和堆积密度，表观密度测量费时较长，表观密度和堆积密度测量都存在人工测量主观误差大的问题。
有研究者使用离散单元软件创建骨料堆积模型，对骨料密实度进行模拟计算。为了便于创建骨料模型，一般骨料相同粒级中的颗粒假定粒径相同(例如9.5mm粒级的颗粒为大于9.5mm小于16mm的颗粒，不同的颗粒实际粒径可能并不相同，为了便于建模，假定所有的颗粒粒径为(9.5+16)/2mm)。然后将颗粒物理模型、力学模型参数在离散单元软件中输入，并进行计算；骨料参数往往通过人工测量的方法获取，效率低。
随着环保意识的加强，优质骨料资源日渐匮乏，劣质骨料的使用日渐增多。为了保证混凝土质量，劣质骨料往往通过多种骨料混掺的方式对其进行优化。CPM、CIPM模型是计算多种混合骨料混合后密实度的有效方法，但需要前期对欲混掺的骨料密实度、骨料各个粒级密实度进行检测。而目前现有的方法中，一般仅对骨料整体密实度进行测量，而忽视了骨料各个粒级的密实度。《建设用碎石、卵石》(GB/T 14685-2011)规定的方法虽可以对骨料各个粒级颗粒的密实度进行检测，但这需要提前将骨料颗粒筛分开，然后分别对筛分出来的多组颗粒进行检测，所耗费的人力是巨大的。
综上所述，目前存在的问题主要有：传统方法效率低，易产生主观误差；CN103914592A方法仅仅在二维对颗粒堆积进行了模拟，而骨料颗粒是三维的颗粒，将三维空间的堆积转化为二维平面内的堆积，需要使用大量的假定条件；CN103914592A使用手工逐个测量骨料颗粒参数，效率低，主观误差大；在创建模型时，一般假定同一粒级的颗粒参数相同，忽视了同一粒级的颗粒之间仍有巨大差异；已有的方法均只对骨料整体密实度进行了检测或计算，而未对骨料各个粒级的颗粒的密实度进行检测。
发明内容
本发明为克服上述情况不足，旨在提供一种能解决上述问题的技术方案。
一种基于形状参数的粗骨料密实度计算方法，具体包括以下步骤：
S1、使用多目立体视觉对骨料颗粒进行三维重建，采用多目立体视觉系统对骨料颗粒进行三维重建，首先将颗粒放置于置物平台上，程序控制相机从四个角度分别进行拍摄，然后对拍摄的这一组四张照片进行三维重建；对骨料样本中颗粒分批进行拍摄、模型重建，重建完成的模型保存于设置好的路径中，以便于后续计算、分析。
S2、提取骨料几何信息，对步骤S1中获取的骨料重建模型提取骨料几何信息，包括骨料颗粒的长L、宽W、厚H、体积V；对于任一颗粒，使用一垂直于颗粒长轴的平面Pi，按照0.01mm为步距，逐步剖切颗粒模型，计算剖面Pi上点云坐标xi min、xi max，zi max、zi min，Pi平面处的宽Wi＝xi max-xi min，Hi＝zi max-zi min；对于所有的平面P，取Wi、Hi最大值作为颗粒的宽W、厚H；对于颗粒长度L，使用垂直于颗粒中轴的平面，按照0.01mm的步距，逐步切割颗粒模型；颗粒长度L计算参见宽W、厚H的计算；对于颗粒体积V，所使用的图像处理库中内置方法计算得到；
S3、骨料颗粒分级、存储，根据骨料三维尺寸，计算骨料颗粒所属粒级d，计算球度S；对于颗粒i,其颗粒长为Li，宽为Wi，厚为Hi，其球度Si计算方式如下：
将该颗粒几何信息、球度存入该粒级d对应的集合Gd中。最后将所有的Gd合并为总的集合G。
S4、颗粒堆积模拟计算。
作为本发明进一步的方案：颗粒堆积模拟计算包括以下步骤：
A1、首先创建堆积模拟容器；假定堆积容器体积V，骨料各颗粒体积为Vi，则堆积模拟容器体积与骨料样本堆积体积之比n见下式：
A2、生成等效球体集合Geq，使用步骤S3中获取的集合G或某个粒级d的集合Gd，生成等效球的集合Geq；当计算骨料整体的密实度时，使用骨料整体集合G，计算骨料某个粒级d的密实度时，使用集合Gd；等效球按照体积等效的原则来计算；假定某个颗粒体积为Vi，则该颗粒的等效球体积为Vi，球度为Si,等效半径Ri，重合系数为首先将要进行堆积模拟的G或Gd的每个颗粒转换成等效球体，将等效球体的半径、体积、球度存入集合G′中。根据A1中求得的n，将G′复制n+3倍，生成等效球体集合Geq；其中
A3、随机选取球体Bi，其半径为Ri，体积为Vi，球度为Si；
A4、随机生成放置坐标(xi,yi,zi)，其中Ri≤xi≤150，Ri≤yi≤150，Ri≤zi≤150；
A5、判断球体Bi放置于(xi,yi,zi)处，与已放置完成的球体是否全都满足重合条件，重合条件入下式：
A6、若球体满足Bi满足重合条件，则将球体Bi放置于(xi,yi,zi)，将其数据存入集合Gp，进入步骤A7，若不满足，则跳至步骤A8；
A7、判断是否达到堆积模拟停止条件，若达到停止条件，进入步骤A9，若不满足，则跳至步骤A3；
A8、判断等效球体Bi是否达到跳过条件；这里设置的条件为尝试放置2000次；若2000次生成的坐标均不能满足放置需求，则跳过该球体即跳入步骤A3，若未到达跳过条件，则跳入步骤A4；
A9、颗粒下降；对于Gp中的所有球体进行下落模拟；首先先生成一个空的球体集合G′p，给Gp中的球体Bi一个向下的方向，当其与容器底部相接触或与G′p中任一球体达到接触条件时，该球体停止下降，将该球体当前位置及球体数据存入集合G′p中；对Gp中的所有球体依次进行，生成新的球体集合G′p；此时的接触条件如下式所示：
A10、创建测量容器，容器的体积V，容器内各个球体的体积Vi，对于被Z＝100mm平面分割的球体，其位于Z＝100mm以下的体积V′i计算式如下，其中Hi为球体位于Z＝100mm以上的高度，Ri为球体半径；计算测量容器内的球体体积之和Vsum，其中对于被Z＝100mm平面分割的球体，其体积Vi取为V′i。
V′i＝Vi-πHi 2(Ri-Hi/3)；
Vsum＝∑Vi；
则密实度γ＝Vsum/V。
本发明的有益效果：本发明提供了一种效率高、同时考虑了颗粒级配、颗粒粒形的影响，能够对骨料的整体密实度及各个粒级的密实度进行计算，计算结果能够为骨料混配优化提供技术支持。且该发明的所使用的骨料颗粒模型，各个粒级的颗粒粒径与其实际值相同，而非整个粒级颗粒粒径的平均值，更能代表实际状况。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为系统示意图。
图2为拍摄的四张照片。
图3为重建模型图。
图4为球模型示意图。
图5为堆积模拟流程图。
图6为矩形容器坐标示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～6，本发明实施例中，一种基于形状参数的粗骨料密实度计算方法，具体包括以下步骤：
S1、使用多目立体视觉对骨料颗粒进行三维重建，采用多目立体视觉系统对骨料颗粒进行三维重建，首先将颗粒放置于置物平台上，程序控制相机从四个角度分别进行拍摄，然后对拍摄的这一组四张照片进行三维重建；对骨料样本中颗粒分批进行拍摄、模型重建，重建完成的模型保存于设置好的路径中，以便于后续计算、分析。
S2、提取骨料几何信息，对步骤S1中获取的骨料重建模型提取骨料几何信息，包括骨料颗粒的长L、宽W、厚H、体积V；对于任一颗粒，使用一垂直于颗粒长轴的平面Pi，按照0.01mm为步距，逐步剖切颗粒模型，计算剖面Pi上点云坐标xi min、xi max，zi max、zi min，Pi平面处的宽Wi＝xi max-xi min，Hi＝zi max-zi min；对于所有的平面P，取Wi、Hi最大值作为颗粒的宽W、厚H；对于颗粒长度L，使用垂直于颗粒中轴的平面，按照0.01mm的步距，逐步切割颗粒模型；颗粒长度L计算参见宽W、厚H的计算；对于颗粒体积V，所使用的图像处理库中内置方法计算得到；
S3、骨料颗粒分级、存储，根据骨料三维尺寸，计算骨料颗粒所属粒级d，计算球度S；对于颗粒i,其颗粒长为Li，宽为Wi，厚为Hi，其球度Si计算方式如下：
将该颗粒几何信息、球度存入该粒级d对应的集合Gd中。最后将所有的Gd合并为总的集合G。
S4、颗粒堆积模拟
4.1相关假定
按照体积相等的原则，将各个颗粒等效为圆球，同时为了考虑粒形、骨料之间相互作用的影响，允许各圆球之间能够有一定程度的重合，如图4所示。这里要求任何两圆球之间应满足如下关系：
假定圆球1半径为r1，坐标为(x1,y1,z1)，圆球2半径为r2，坐标为(x2,y2,z2)，两圆球圆心距离应满足下式：
4.2堆积模拟计算流程
堆积模拟计算流程如图5所示，包括以下步骤：
A1、首先创建堆积模拟容器，这里我们创建的是150mm×150mm×150mm的矩形体，其体积为3375000mm3；计算堆积模拟容器体积与骨料样本堆积体积之比，假定堆积容器体积V，骨料各颗粒体积为Vi，则堆积模拟容器体积与骨料样本堆积体积之比n见下式。其中2700、1500分别为骨料表观密度和堆积密度的估算值，一般粗骨料表观密度在2600～2800kg/m3，堆积密度在1400～1600kg/m3。这里取表观密度为2700，堆积密度为1500，用于估算骨料的堆积体积。为了确保能够有充足的颗粒填充容器，这里在n的基础上，再增加3倍，即n＝n+3。
n＝n+3
将步骤生成的矩形容器放置在如下坐标中，如图6所示。
A2、生成等效球体集合Geq，使用第3节中获取的集合G或某个粒级d的集合Gd，生成等效球的集合Geq。当计算骨料整体的密实度时，使用骨料整体集合G，计算骨料某个粒级d的密实度时，使用集合Gd。等效球按照体积等效的原则来计算。假定某个颗粒体积为Vi，则该颗粒的等效球体积为Vi，球度为Si,等效半径Ri，重合系数为首先将要进行堆积模拟的G或Gd的每个颗粒转换成等效球体，将等效球体的半径、体积、球度存入集合G′中。根据A1中求得的n，将G′复制n+3倍，生成等效球体集合Geq。
A3、随机选取球体Bi，其半径为Ri，体积为Vi，球度为Si。
A4、随机生成放置坐标(xi,yi,zi)，其中Ri≤xi≤150，Ri≤yi≤150，Ri≤zi≤150。
A5、判断球体Bi放置于(xi,yi,zi)处，与已放置完成的球体是否全都满足重合条件，参见4.1。
A6、若球体满足Bi满足重合条件，则将球体Bi放置于(xi,yi,zi)，将其数据存入集合Gp，进入步骤A7，若不满足，则跳至步骤A8。
A7、判断是否达到堆积模拟停止条件，若达到停止条件，进入步骤A9，若不满足，则跳至步骤A3。
A8、判断等效球体Bi是否达到跳过条件。这里设置的条件为尝试放置2000次。若2000次生成的坐标均不能满足放置需求，则跳过该球体即跳入步骤A3，若未到达跳过条件，则跳入步骤A4。
A9、颗粒下降。对于Gp中的所有球体进行下落模拟。首先先生成一个空的球体集合G′p，给Gp中的球体Bi一个向下的方向，当其与容器底部相接触或与G′p中任一球体达到接触条件时，该球体停止下降，将该球体当前位置及球体数据存入集合G′p中。对Gp中的所有球体依次进行，生成新的球体集合G′p。此时的接触条件如下所示，其中球体1坐标为(x1,y1,z1)，球度为S1，球体2坐标为(x2,y2,z2)，球度为S2：
A10、创建测量容器，这里创建的测量容器为150mm×150mm×100mm的矩形，容器的体积V，容器内各个球体的体积Vi，对于被Z＝100mm平面分割的球体，其位于Z＝100mm以下的体积V′i计算式如下，其中Hi为球体位于Z＝100mm以上的高度，Ri为球体半径。计算测量容器内的球体体积之和Vsum，其中对于被Z＝100mm平面分割的球体，其体积Vi取为V′i。
V′i＝Vi-πHi 2(Ri-Hi/3)；
Vsum＝∑Vi；
则密实度γ＝Vsum/V；
计算对比
使用该方法与《建设用碎石、卵石》(GB/T 14685-2011)规定的方法，分别对5组粗骨料的密实度进行了检测，并进行了对比，结果如表1所示。由表1可知，堆积模拟计算得到的密实度，与实测值接近，最大误差百分比仅为2.69％，满足使用要求。
表1密实度对比
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
Claims (2)
1.一种基于形状参数的粗骨料密实度计算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、使用多目立体视觉对骨料颗粒进行三维重建，采用多目立体视觉系统对骨料颗粒进行三维重建，首先将颗粒放置于置物平台上，程序控制相机从四个角度分别进行拍摄，然后对拍摄的这一组四张照片进行三维重建；对骨料样本中颗粒分批进行拍摄、模型重建，重建完成的模型保存于设置好的路径中，以便于后续计算、分析。
S2、提取骨料几何信息，对步骤S1中获取的骨料重建模型提取骨料几何信息，包括骨料颗粒的长L、宽W、厚H、体积V；对于任一颗粒，使用一垂直于颗粒长轴的平面Pi，按照0.01mm为步距，逐步剖切颗粒模型，计算剖面Pi上点云坐标xi min、xi max，zi max、zi min，Pi平面处的宽Wi＝xi max-xi min，Hi＝zi max-zi min；对于所有的平面P，取Wi、Hi最大值作为颗粒的宽W、厚H；对于颗粒长度L，使用垂直于颗粒中轴的平面，按照0.01mm的步距，逐步切割颗粒模型；颗粒长度L计算参见宽W、厚H的计算；对于颗粒体积V，所使用的图像处理库中内置方法计算得到；
S3、骨料颗粒分级、存储，根据骨料三维尺寸，计算骨料颗粒所属粒级d，计算球度S；对于颗粒i,其颗粒长为Li，宽为Wi，厚为Hi，其球度Si计算方式如下：
将该颗粒几何信息、球度存入该粒级d对应的集合Gd中。最后将所有的Gd合并为总的集合G。
S4、颗粒堆积模拟计算。
2.根据权利要求1所述的基于形状参数的粗骨料密实度计算方法，其特征在于，颗粒堆积模拟计算包括以下步骤：
A1、首先创建堆积模拟容器；假定堆积容器体积V，骨料各颗粒体积为Vi，则堆积模拟容器体积与骨料样本堆积体积之比n见下式：
A2、生成等效球体集合Geq，使用步骤S3中获取的集合G或某个粒级d的集合Gd，生成等效球的集合Geq；当计算骨料整体的密实度时，使用骨料整体集合G，计算骨料某个粒级d的密实度时，使用集合Gd；等效球按照体积等效的原则来计算；假定某个颗粒体积为Vi，则该颗粒的等效球体积为Vi，球度为Si,等效半径Ri，重合系数为首先将要进行堆积模拟的G或Gd的每个颗粒转换成等效球体，将等效球体的半径、体积、球度存入集合G′中；根据A1中求得的n，将G′复制n+3倍，生成等效球体集合Geq；其中
A3、随机选取球体Bi，其半径为Ri，体积为Vi，球度为Si；
A4、随机生成放置坐标(xi,yi,zi)，其中Ri≤xi≤150，Ri≤yi≤150，Ri≤zi≤150；
A5、判断球体Bi放置于(xi,yi,zi)处，与已放置完成的球体是否全都满足重合条件，重合条件入下式：
A6、若球体满足Bi满足重合条件，则将球体Bi放置于(xi,yi,zi)，将其数据存入集合Gp，进入步骤A7，若不满足，则跳至步骤A8；
A7、判断是否达到堆积模拟停止条件，若达到停止条件，进入步骤A9，若不满足，则跳至步骤A3；
A8、判断等效球体Bi是否达到跳过条件；这里设置的条件为尝试放置2000次；若2000次生成的坐标均不能满足放置需求，则跳过该球体即跳入步骤A3，若未到达跳过条件，则跳入步骤A4；
A9、颗粒下降；对于Gp中的所有球体进行下落模拟；首先先生成一个空的球体集合G′p，给Gp中的球体Bi一个向下的方向，当其与容器底部相接触或与G′p中任一球体达到接触条件时，该球体停止下降，将该球体当前位置及球体数据存入集合G′p中；对Gp中的所有球体依次进行，生成新的球体集合G′p；此时的接触条件如下式所示：
A10、创建测量容器，容器的体积V，容器内各个球体的体积Vi，对于被Z＝100mm平面分割的球体，其位于Z＝100mm以下的体积Vi′计算式如下，其中Hi为球体位于Z＝100mm以上的高度，Ri为球体半径；计算测量容器内的球体体积之和Vsum，其中对于被Z＝100mm平面分割的球体，其体积Vi取为Vi′。
Vsum＝∑Vi；
则密实度γ＝Vsum/V。
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