CN110349637B - 骨料周围界面过渡区体积分数预测方法、装置及终端设备 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于水泥基复合材料的微观结构技术领域，提供了一种骨料周围界面过渡区体积分数预测方法、装置及终端设备，包括：根据骨料粒子样本获取所述骨料粒子样本的球形度、骨料体积分数和骨料级配，其中所述球形度为与所述骨料粒子样本体积相等的球体表面积和骨料粒子样本本身表面积的比值；根据所述球形度、骨料体积分数和骨料级配获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度；根据所述平均等效直径、平均表面积及表面积密度预测骨料周围界面过渡区体积分数。由于用球形度对骨料的形貌特征进行了具体量化，比直接以用球形表征骨料粒子获得的界面过渡区体积分数更接近实际，也更加准确。
Description
技术领域
本发明属于水泥基复合材料的微观结构技术领域，尤其涉及一种骨料周围界面过渡区体积分数预测方法、装置及终端设备。
背景技术
界面过渡区(Interfacial transition zone，ITZ)是普通混凝土中最薄弱的区域，界面过渡区的成因主要是边界效应，在混凝土浇筑过程中，由于骨料边界的存在，水泥颗粒在骨料周围的空间排列比较松散；其次是在混凝土振捣成型过程中，泛浆所导致的水积聚在骨料周围，从而导致界面过渡区的孔隙率、水灰比和水化程度远高于远离骨料的水泥基体；界面过渡区的这种特殊结构对混凝土的传输性能以及力学性能有显著影响，其程度的大小取决于界面过渡区的梯度结构，特别是界面过渡区的体积分数。
目前，骨料周围界面过渡区体积分数或含量的计算，通常是基于计算机模拟技术，采用随机点采样的方式来计算界面过渡区体积分数；或者基于混凝土细观结构特征，结合蒙特卡洛数值积分方法，获得圆形骨料周围界面过渡区面积分数。这两种方法都比较耗时，不能直接获得界面过渡区体积分数的解析解。而当前可以直接通过数值计算得到界面过渡区体积分数的理论预测模型，大都是基于球体，用来预测多尺度球形粒子堆积的体积分数，或者将骨料假定为椭球体或者八面体、十二面体或者二十面体，通过计算机模拟方法建立骨料周围界面过渡区的预测模型，从而获得骨料周围界面过渡区体积分数。这种理论预测模型或者计算机模拟方法与实际骨料还是存在较大差距，不能将骨料的形貌具体量化，得到的骨料周围界面过渡区体积分数与实际情况也相差较大，预测结果精度较低，误差较大。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种骨料周围界面过渡区体积分数预测方法、装置及终端设备，以解决现有技术中骨料周围界面过渡区体积分数预测精度较低、误差较大的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种骨料周围界面过渡区体积分数预测方法，包括：
根据骨料粒子样本获取所述骨料粒子样本的球形度、骨料体积分数和骨料级配，其中所述球形度为与所述骨料粒子样本体积相等的球体表面积和骨料粒子样本本身表面积的比值；
根据所述球形度、骨料体积分数和骨料级配获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度；
根据所述平均等效直径、平均表面积及表面积密度预测骨料周围界面过渡区体积分数。
优选地，所述骨料级配为理想级配时，根据所述球形度、骨料体积分数和骨料级配获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度包括：
获取所述骨料粒子样本的最大等效直径和最小等效直径，所述最大等效直径由与所述骨料粒子样本中最大粒子体积相等的球体直径确定，所述最小等效直径由与所述骨料粒子样本中最小粒子体积相等的球体直径确定；
根据所述最大等效直径和最小等效直径确定所述骨料粒子样本的理想级配分布函数；
根据所述球形度、骨料体积分数及所述骨料粒子样本的理想级配分布函数获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度。
优选地，所述骨料粒子样本的理想级配分布函数上限为等体积EVF分布函数，所述骨料粒子样本的理想级配分布函数下限为Fuller分布或Bolomey分布。
优选地，所述骨料级配为实际级配时，根据所述球形度、骨料体积分数和骨料级配获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度包括：
获取用于对所述骨料粒子样本分类的筛的总量、筛直径和筛余量，其中筛余量是当前筛直径和下一筛直径之间的筛余量；
根据所述球形度、骨料体积分数、筛的总量、筛直径和筛余量获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度。
优选地，所述骨料体积分数由所述骨料粒子样本组成的水泥基复合材料的原材料的密度和配合比确定。
优选地，所述球形度由实用球形度表征，所述骨料粒子样本中每个骨料粒子的实用球形度为p＝Ds/a，其中Ds为与所述每个骨料粒子投影面积相等的圆的直径，a为所述每个骨料粒子投影的最小外接长方形的长边。
优选地，所述实用球形度通过图像处理法得到，过程为：
获取所述骨料粒子样本的彩色RGB图像；
将所述彩色RGB图像转化为灰度图，并矩阵化所述灰度图；
将所述矩阵化后的灰度图转化为二值图，并将所述二值图黑白色区域互相调换，形成反向二值图，其中所述反向二值图中的每块白色区域为所述骨料粒子样本中每个粒子的投影；
将所述反向二值图中位于每块白色区域内部的黑色区域填充为白色，得到白色填充区域；
根据所述白色填充区域确定所述骨料粒子样本中每个骨料粒子的投影面积、与每个骨料粒子投影面积相等的圆的直径以及每个骨料粒子投影的最小外接长方形的长边，其中所述每个骨料粒子的投影面积为所述白色填充区域的像素面积；
将所述白色填充区域的像素面积与预设值进行比较，剔除所述像素面积小于预设值的白色填充区域，得到剔除后的白色填充区域；
根据所述每个骨料粒子的投影面积、与每个骨料粒子投影面积相等的圆的直径以及每个骨料粒子投影的最小外接长方形的长边确定所述剔除后的每块白色填充区域所对应的每个骨料粒子的实用球型度；
对所述每个骨料粒子的实用球形度加权得到所述骨料粒子样本的实用球形度。
本发明实施例的第二方面提供了一种骨料周围界面过渡区体积分数预测装置，包括：
数据获取模块，用于根据骨料粒子样本获取所述骨料粒子样本的球形度、骨料体积分数和骨料级配；
参数确定模块，用于根据所述球形度、骨料体积分数和骨料级配获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度；
预测模块，用于根据所述平均等效直径、平均表面积及表面积密度预测骨料周围界面过渡区体积分数。
本发明实施例的第三方面提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上任一项所述骨料周围界面过渡区体积分数预测方法的步骤。
本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述骨料周围界面过渡区体积分数预测方法的步骤。
本发明实施例通过引入球形度，将骨料的形貌特征具体量化，可以直接得到骨料形貌特征的量化值，以此量化值为基准，直接通过数值计算的方法获得骨料周围界面过渡区体积分数预测值。由于用球形度对骨料的形貌特征进行了具体量化，比直接以用球形表征骨料粒子，获得的界面过渡区体积分数更接近实际，也更加准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的骨料周围界面过渡区体积分数预测方法的实现流程示意图；
图2是本发明实施例提供的利用MATLAB实现骨料实用球形度定量计算的处理流程图；
图3是本发明实施例提供的砂浆或混凝土中骨料周围界面过渡区体积分数预测流程图；
图4是本发明实施例提供的实际砂浆或混凝土中界面过渡区体积分数软件预测界面图；
图5是本发明实施例提供的骨料周围界面过渡区体积分数预测装置结构示意图；
图6是本发明实施例提供的理想级配和实际级配骨料周围界面过渡区体积分数预测装置结构示意图；
图7是本发明实施例提供的碎石骨料在理想级配下的界面过渡区体积分数趋势图；
图8是本发明实施例提供的终端设备的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
图1示出了本发明提供的一种骨料周围界面过渡区体积分数预测方法的流程示意图，参见图1，对本发明提供的骨料周围界面过渡区体积分数预测方法详述如下。
步骤S101，根据骨料粒子样本获取所述骨料粒子样本的球形度、骨料体积分数和骨料级配，其中所述球形度为与所述骨料粒子样本体积相等的球体表面积和骨料粒子样本本身表面积的比值。
基于几何统计理论，可以得到随机分布圆形骨料的最邻近表面分布函数，该函数的建立可以用来预测多尺度球形粒子堆积的体积分数，将该理论引入水泥基复合材料中，假定水泥基复合材料由球形骨料、界面过渡区和基体三部分组成，模型中认为界面过渡区之间可以任意地重叠程度，而球形骨料之间不可以重叠，这种假定比较符合实际，可以用于混凝土中界面过渡区体积分数的定量计算。然而，这种假定依托于骨料为球形粒子，而实际骨料多为卵石或者碎石，目前高强或高性能混凝土选用的骨料基本上是碎石，因此，以球形粒子定量计算得到的界面过渡区体积分数的结果与实际存在较大的差异，预测精度较低，误差较大。
具体的，本发明实施例中，引入球形度来表征骨料粒子的形貌特征，与骨料体积分数和骨料粒子的粒径分布级配共同决定骨料周围界面过渡区的体积分数。
其中，球形度s定义为与粒子体积相等的球体表面积和粒子本身表面积的比值，依据几何学和体视学原理可得骨料粒子相关公式如下所示。
式中，Deq、Seq和Veq表示与骨料粒子体积相等的球的直径、表面积和体积，<S>、<V>、Vv、Sv和
表示骨料粒子的平均表面积、平均体积、体密度、表面积密度和单位体积内的数量。
利用式(1b)和式(1c)将等效球表面积用球的体积可表示为：
据球形度定义可知，<V>＝Veq，故式(2)可表示如下：
将式(1d)、式(1e)和式(3)代入式(1a)中，结果如下所示：
由式(4)知，球形度s由骨料粒子的体密度Vv、表面积密度Sv和单位体积内骨料粒子数量
共同决定，其取值范围0～1，球形度越接近于1，则骨料的形状越接近于球形。
本发明实施例中，骨料体积分数根据实际选取的骨料粒子样本确定，一般为0.5，也可以选择极限值以预测极限情况下的骨料周围界面过渡区体积分数，本发明实施例对此不作限定；骨料级配是指骨料中各种大小不同的颗粒之间的数量比例，实际通常是根据已有的骨料粒子样本去合成一个具有新级配的骨料组合，从而得到生产过程中所需要的骨料；良好的骨料级配通常需要满足如下基本要求：①骨料的空隙率最小，可以减少水泥浆用量，配出性能好的混凝土；②骨料混合物具有适当小的表面积，从而节省水泥，改善工作性能；③尽可能采用最大数量的最大粒径骨料，这样可以大大提高密实度，减少表面积，大粒径骨料越多，骨架作用越强；本发明实施例中，骨料级配由实际的骨料粒子样本以及生产目的决定，本发明实施例不做具体限定。
步骤S102，根据所述球形度、骨料体积分数和骨料级配获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度。
具体的，根据骨料级配的不同，获取骨料粒子样本平均等效直径、平均表面积及表面积密度的方式也不同。
优选地，所述骨料级配为理想级配时，根据所述球形度、骨料体积分数和骨料级配获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度包括：
获取所述骨料粒子样本的最大等效直径和最小等效直径，所述最大等效直径由与所述骨料粒子样本中最大粒子体积相等的球体直径确定，所述最小等效直径由与所述骨料粒子样本中最小粒子体积相等的球体直径确定；
根据所述最大等效直径和最小等效直径确定所述骨料粒子样本的理想级配分布函数；
根据所述球形度、骨料体积分数及所述骨料粒子样本的理想级配分布函数获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度。
优选地，所述骨料粒子样本的理想级配分布函数上限为等体积EVF分布函数，所述骨料粒子样本的理想级配分布函数下限为Fuller分布或Bolomey分布。
具体的，依据几何概率学可知，对于满足一定尺寸分布的非球形骨料粒子的平均等效直径<Deq>、平均表面积<S>和表面密度Sv表示如下：
式中，s为非球形骨料粒子的球形度，fN(Deq)是非球形骨料粒子的数量基概率密度函数，Dmaxeq和Dmineq分别为骨料粒子样本中的最大等效直径和最小等效直径(mm)。由式(5)-(7)知，要想获得非球形骨料粒子的平均等效直径<Deq>、平均表面积<S>和表面密度Sv，需要获得非球形骨料粒子的数量基概率密度函数fN(Deq)。
其中，数量基概率密度函数可由体积基概率密度函数求导得到，对于球形骨料粒子而言，其粒径分布常用两个分布函数表征：Fuller分布和等体积EVF分布函数，这个两种尺寸分布函数分别代表了混凝土中骨料粒径级配的上下限。
式中，fv(D)为球形骨料的体积基概率密度函数，Dmax和Dmin分别为球形骨料粒子的最大直径和最小直径(mm)。
对式(8)求导，并将非球形骨料粒子的最大等效直径Dmaxeq、最小等效直径Dmineq和等效直径Deq代入，则得到非球形骨料粒子的数量基概率密度函数fN(Deq)可以表达为
需要指出的是Fuller分布曲线适合于低流动性混凝土，对大流动性混凝土，Bolomey将参数AB引入Fuller公式来修正该理想级配曲线，其非球形骨料粒子数量基概率密度表达式为：
由式(10)可知，Bolomey分布下数量基密度分布函数fN(Deq)与参数AB无关，对比式(10)和式(9),符合Bolomey与Fuller分布的非球形骨料粒子其数量基概率密度分布函数相同；则在骨料粒子样本的理想级配分布函数为等体积EVF分布、Fuller分布或Bolomey分布时，骨料粒子样本的平均等效直径<Deq>、平均表面积<S>和表面积密度Sv如下所示：
具体的，引入球形度s来可以量化的表征非球形骨料粒子的平均等效直径、平均表面积和表面积密度受其粒子本身各自形状的影响。
优选地，所述骨料级配为实际级配时，根据所述球形度、骨料体积分数和骨料级配获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度包括：
获取用于对所述骨料粒子样本分类的筛的总量、筛直径和筛余量，其中筛余量是当前筛直径和下一筛直径之间的筛余量；
根据所述球形度、骨料体积分数、筛的总量、筛直径和筛余量获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度。
具体的，Fuller、EVF和Bolomey的骨料级配分布曲线，从数学观点来讲，其体积基或数量基概率密度函数是连续的，而实际水泥基复合材料中，骨料级配是用体积基区间概率曲线或者体积基累计概率曲线来表示，这一曲线是一个离散函数形式，想要应用它获得骨料周围界面过渡区体积分数，必须对骨料粒子在每一级筛上进行合理假设。根据实际级配中球形骨料周围界面过渡区体积分数预测的理论表达式，将非球形骨料的球形度和等效直径引入，可以得到非球形骨料的粒子数量、骨料粒子平均等效直径以及平均等效直径的平方等相关参数的表达式：
优选地，所述骨料体积分数由所述骨料粒子样本组成的水泥基复合材料的原材料的密度和配合比确定。
具体的，预测水泥基复合材料中骨料周围界面过渡区体积分数时，获取其原材料的密度和配合比，可以通过模拟自动获得水泥基复合材料中骨料的含量或者体积分数。
步骤S103，根据所述平均等效直径、平均表面积及表面积密度预测骨料周围界面过渡区体积分数。
具体的，球形骨料周围界面过渡区体积分数预测可以由如下公式得出：
式中，Va是骨料粒子的体积分数，Nv代表单位体积内球形骨料粒子的数量，tITZ表示界面过渡区的厚度，c、d和g本质上是球形骨料粒子体积分数Va、骨料平均直径2<R>，骨料平均表面积π<R2>、骨料平均体积
和球形骨料粒子数量Nv的函数；系数A依据不同的模拟模型可取值为0、2或3，当A取为0时，预测结果与计算机模拟结果最接近。将非球形骨料单位体积内等效骨料粒子的数量
和骨料粒子平均直径<Deq>代入，可以得到非球形骨料周围ITZ体积分数的定量预测公式：
由式(1e)可得单位体积内非球形骨料粒子的等效骨料粒子数量
可以表达为：
将式(20)代入式(19)中，可得到非球形骨料粒子周围ITZ体积分数的另一种表达式为：
由式(21)可知，非球形骨料粒子周围ITZ体积分数的大小主要由界面过渡区厚度tITZ、非球形骨料的体积分数Va、平均表面积<S>、表面积密度SV以及非球形骨料的等效直径Deq决定；将步骤S102中得到的所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度代入式(21)可得非球形骨料周围界面过渡区体积分数。
本发明提供了一种骨料周围界面过渡区体积分数预测方法，通过引入球形度来具体量化骨料的形貌，可以得到非球形骨料粒子量化的平均表面积和表面积密度，利用非球形骨料的平均等效直径、平均表面积和表面积密度进一步求得不将骨料粒子用球形表征时的骨料周围界面过渡区体积分数预测值。
可见，本发明中，能够利用球形度直接得到骨料形貌特征的量化值，而不必用球形来表征骨料粒子，基于生产中用的骨料一般为卵石或者碎石，用球形度具体量化骨料的形貌特征比用球形表征骨料粒子更接近实际，从而能够获得更精确的预测值。
在上述实施例的基础上，
作为一种优选的实施例，所述球形度由实用球形度表征，所述骨料粒子样本中每个骨料粒子的实用球形度为p＝Ds/a，其中Ds为与所述每个骨料粒子投影面积相等的圆的直径，a为所述每个骨料粒子投影的最小外接长方形的长边。
具体的，实用球形度p的定义为与粒子体积相等的球体体积和粒子外接最小球体积之比的三次开方之比，如式(22)所示：
式中，Veqc表示骨料粒子体积，其值等于
Deq表示与粒子体积相等的等效球体直径，又称为与粒子投影面积相等的等效圆直径。Vminc表示粒子外接最小球的体积，其值等于
Dmin c表示粒子投影最小外接圆的直径；具体多面体骨料体积最小的粒子外接长方体的长a、宽b和高c可用于描述粒子的外形轮廓，可以用来定义其大小，其中a、b和c称为三轴径，三者之间两两相互垂直，根据粒子投影最小外接圆定义，取粒子最小外接长方体的长a为粒子投影最小外接圆直径，即Dmin c＝a。代入式(23)，则实用球形度p进一步表达为
由式(23)可知，利用与粒子投影面积相等圆的直径和粒子投影最小外接长方体的长之比来获得实用球形度p，显然有p≤1，粒子的p值越接近于1，表示粒子越接近于球形，其投影越接近于圆形；利用与粒子投影面积相等圆的直径和粒子投影最小外接长方体的长之比来获得实用球形度p，再利用实用球形度来表征骨料粒子的球形度，这样使数据处理起来更加方便快捷。
作为一种优选的实施例，所述实用球形度通过图像处理法得到，过程为：
获取所述骨料粒子样本的彩色RGB图像；
将所述彩色RGB图像转化为灰度图，并矩阵化所述灰度图；
将所述矩阵化后的灰度图转化为二值图，并将所述二值图黑白色区域互相调换，形成反向二值图，其中所述反向二值图中的每块白色区域为所述骨料粒子样本中每个粒子的投影；
将所述反向二值图中位于每块白色区域内部的黑色区域填充为白色，得到白色填充区域；
根据所述白色填充区域确定所述骨料粒子样本中每个骨料粒子的投影面积、与每个骨料粒子投影面积相等的圆的直径以及每个骨料粒子投影的最小外接长方形的长边，其中所述每个骨料粒子的投影面积为所述白色填充区域的像素面积；
将所述白色填充区域的像素面积与预设值进行比较，剔除所述像素面积小于预设值的白色填充区域，得到剔除后的白色填充区域；
根据所述每个骨料粒子的投影面积、与每个骨料粒子投影面积相等的圆的直径以及每个骨料粒子投影的最小外接长方形的长边确定所述剔除后的每块白色填充区域所对应的每个骨料粒子的实用球型度；
对所述每个骨料粒子的实用球形度加权得到所述骨料粒子样本的实用球形度。
具体的，可以采用图像处理法来计算非球形骨料粒子的实用球形度，过程如下，拍摄一定数量的砂、石骨料的RGB图像，利用MATLAB编写图像处理程序，将RGB图像处理为二值图像，获得某骨料粒子的投影面积A和最长轴的长度a，进而由投影面积A推导得到与该骨料粒子投影面积相等圆的直径Deq，对随机选出的一组砂、石骨料的实用球形度取加权平均值，可得到该组骨料粒子的实用球形度p，利用MATLAB的图像处理来实现骨料实用球形度的定量计算的处理流程如图2所示。
其中，首先获取骨料粒子样本的照片即骨料粒子样本的彩色RGB图像；将所述彩色RGB图像转化为灰度图，并矩阵化所述灰度图；将所述矩阵化后的灰度图转化为二值图，并将所述二值图黑白色区域互相调换，形成反向二值图，其中所述反向二值图中的每块白色区域为所述骨料粒子样本中每个粒子的投影；将所述反向二值图中位于每块白色区域内部的黑色区域填充为白色，得到白色填充区域；根据所述白色填充区域确定所述骨料粒子样本中每个骨料粒子的投影面积、与每个骨料粒子投影面积相等的圆的直径以及每个骨料粒子投影的最小外接长方形的长边，其中所述每个骨料粒子的投影面积为所述白色填充区域的像素面积；将所述白色填充区域的像素面积与预设值进行比较，剔除所述像素面积小于预设值的白色填充区域，得到剔除后的白色填充区域；根据所述每个骨料粒子的投影面积、与每个骨料粒子投影面积相等的圆的直径以及每个骨料粒子投影的最小外接长方形的长边确定所述剔除后的每块白色填充区域所对应的每个骨料粒子的实用球型度；对所述每个骨料粒子的实用球形度加权得到所述骨料粒子样本的实用球形度。
由于图像处理技术是利用图像的分辨率和像素决定，由像素组成的图像称为位图，而位图化的图像可用编码数字来形成，因此每一张图像是由一组像素数字组成的，图像处理则是基于不同颜色代表的像素数字，进行分类，从而得到整个图像的储存信息，处理图像时由于一个图像所代表的数字是一个整体，不能进行分割，因此矩阵化图形可以表示图像中每个点的像素数，也可以使MATLAB处理起来更为方便快捷。
而一幅图像中含有目标物体、背景还有噪声，要想从多值的数字图像中直接提取出目标物体，常用方法是设定一个阈值，用阈值将图像的数据分成两部分：大于阈值的像素群和小于阈值的像素群，称为图像的二值化。简单通俗来讲，二值化就是将图像分成黑和白，更加有利于做图像处理判别。MATLAB在进行图像由灰度转化为二值图时，会自动将背景设为白色，而目标物体为黑色，这对后续目标物体的测量和计算造成困难，因此需要进行反向二值，将目标物体设置为白色，进而方便利用软件测算其相应的形貌参数，如面积、周长和最长轴等。
剔除像素面积小于预设值，是因为拍摄照片时，由于拍摄角度和白纸上肉眼观察不到的杂物，会有一些杂物点形成的投影，又称为噪声；部分投影面积小，像素低，但数量较多。因此为了测量结果的准确性，需要对其进行剔除，该剔除标准为像素面积小于预设值的投影点。
利用此过程可以获得不同粒径分为的碎石骨料的实用球形度如表1所示：
表1 不同粒径范围的碎石实用球形度
不同粒径范围的砂子实用球形度如表2所示：
表2 不同粒径范围的砂子实用球形度
注：表中SR和LR分别代表1.18～2.36mm和2.36～4.75mm。
对比砂子和石子的实用球形度可知，石子实用球形度低于砂子，这也符合实际，从表1中可以看出随着骨料粒径增大，实用球形度在降低，即骨料越来越不规则，但从统计的结果来看骨料最大粒径在31.5mm以下时，其球形度一般在0.75左右；从表2中可以看出1.18mm以上的砂，其球形度一般在0.85及以上，表明砂更接近于球形。
由此过程得到的实用球形度更加准确，从而使骨料粒子的球形度更加准确，相应的获得的骨料周围界面过渡区体积分数预测值也更加精确。
作为一种优选的实施例，以预测砂浆或混凝土中的界面过渡区体积分数为例验证上述骨料周围界面过渡区体积分数预测方法。如图3所示，为砂浆或混凝土中骨料周围界面过渡区体积分数预测流程图。
球形、鹅卵石或碎石骨料；
首先获取骨料粒子样本并得到骨料粒子样本的彩色RGB图像，所述骨料粒子样本可能是球形、鹅卵石或者碎石骨料。
骨料粒子球形度分析计算；
根据得到的骨料粒子样本的彩色RGB图像，利用MATLAB图像处理方法得到骨料粒子的球形度。
骨料理想级配；
假设骨料粒子粒径分布为理想级配，即可能为Fuller、EVF或者Bolomey分布，选定一种理想级配分布函数，可以得到引入球形度后，理想级配下的骨料周围界面过渡区体积分数；在骨料理想级配确定的情况下，也可以获得骨料周围界面过渡区体积分数随界面过渡区ITZ厚度、骨料体积分数或者骨料最大粒径的变化趋势图，从而分析界面过渡区ITZ厚度、骨料体积分数、骨料最大粒径以及骨料级配对骨料周围界面过渡区体积分数的影响。
骨料实际级配；
在实际情况下，预测骨料周围界面过渡区体积分数，需要根据实际原材料的密度和配合比获得骨料的体积分数，然后再将粗细骨料的筛分数据以及相应的球形度参数代入，以得到实际砂浆或混凝土中的界面过渡区体积分数。
如图4(a)所示，为实际砂浆中界面过渡区体积分数的软件预测界面图：
图中主要分为命令区、砂子筛分数据区、配合比区和预测结果区，砂浆由水、水泥和砂子组成，Mass Proportion of Mortar为配合比区，给出了水、水泥和砂子各自的配合比和密度(Density)；Sand Sieving and Sphericity为砂子筛分数据区，Size表示筛孔尺寸，单位是mm，Residue表示砂子的筛余量，单位是g，各个筛孔尺寸下的筛余量的和为骨料粒子样本总量，s表示砂子粒子的球形度；图形区域为预测结果区，通过输入数据，可以方便的得到实际砂浆中骨料周围界面过渡区体积分数预测结果；
如图4(b)所示，为实际混凝土中界面过渡区体积分数的软件预测界面图：
图中主要分为命令区、石子筛分数据区、砂子筛分数据区、配合比区和预测结果区，混凝土由水、水泥、砂子、石子、矿物掺合料和外加剂组成，Mass Proportion ofConcrete为配合比区，给出了水、水泥、砂子、石子、矿物掺合料和外加剂各自的配合比和密度(Density)；Stone Sieving and Sphericity为石子筛分数据区，Size表示筛孔尺寸，单位是mm，Proportion表示石子的比例，s表示石子粒子的球形度；Sand Sieving andSphericity为砂子筛分数据区，Size表示筛孔尺寸，单位是mm，Residue表示砂子的筛余量，单位是g，s表示砂子粒子的球形度；图形区域为预测结果区，通过输入数据，可以方便的得到实际混凝土中骨料周围界面过渡区体积分数预测结果；
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
图5是本发明一实施例提供的骨料周围界面过渡区体积分数预测装置的结构示意图，参见图5，该骨料周围界面过渡区体积分数预测装置可以包括数据获取模块50、参数确定模块51和预测模块52。
数据获取模块50用于根据骨料粒子样本获取所述骨料粒子样本的球形度、骨料体积分数和骨料级配；参数确定模块51用于根据所述球形度、骨料体积分数和骨料级配获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度；预测模块52用于根据所述平均等效直径、平均表面积及表面积密度预测骨料周围界面过渡区体积分数。
参见图6，当所述参数确定模块中骨料级配为理想级配时，所述参数确定模块还包括：
等效直径确定单元511，用于获取所述骨料粒子样本的最大等效直径和最小等效直径；
理想级配确定单元512，用于根据所述最大等效直径和最小等效直径确定所述骨料粒子样本的理想级配分布函数；
所述参数确定模块具体用于根据所述骨料粒子样本的球形度、骨料体积分数及所述骨料级配的理想级配分布函数获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度；
所述预测模块具体用于根据所述参数确定模块获得的平均等效直径、平均表面积及表面积密度预测骨料周围界面过渡区体积分数。
具体的，所述骨料的理想级配分布函数可以选择等体积(EVF)分布、Fuller分布或者Bolomey分布。
当所述参数确定模块中骨料级配为实际级配时，所述参数确定模块还包括：
分类筛确定单元513，用于获取用于对所述骨料粒子样本分类的筛的总量、筛直径和筛余量，其中筛余量是当前筛直径和下一筛直径之间的筛余量；
骨料体积分数确定单元514，根据所述骨料粒子样本组成的水泥基复合材料的原材料的密度和配合比确定骨料体积分数；
所述参数确定模块具体用于根据所述球形度、骨料体积分数、筛的总量、筛直径和筛余量获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度；
所述预测模块具体用于根据所述参数确定模块获得的平均等效直径、平均表面积及表面积密度预测骨料周围界面过渡区体积分数。
除此之外，该骨料周围界面过渡区体积分数预测装置还包括：
分析模块53，用于分析界面过渡区厚度、骨料最大粒径、骨料体积分数和骨料级配对所述预测模块得到的界面过渡区体积分数的影响。
如图7所示，为本发明一实施例中利用分析模块得到的碎石骨料在理想级配下的界面过渡区体积分数趋势图，图7(a)表示不同球形度和骨料体积分数的碎石骨料在符合Bolomey分布下的VITZ的预测结果，由图可知，骨料粒子的球形度s相同时，当骨料体积分数(Va)小于0.7时，VITZ随着Va的增大而增大；当Va大于0.7时，VITZ则随着Va的增大而减小。这一现象可以解释如下：一方面，随着Va的增大，混凝土中单位体积的骨料总表面积增大，VITZ增大；另一方面，由于Va增大，骨料之间的平均距离减小，相邻骨料界面重叠体积增大.当前一种效应大于后一种效应时，VITZ随着Va的增大而增大；当后一种效应大于前一种效应时，VITZ则随着Va的增大而减小；在曲线的峰值处，两种效应正好相等。但当Va相同时，碎石骨料周围VITZ随着s的增大而减小，当s增大至最大，即s＝1时，骨料粒子形状对应于球形粒子，这时VITZ达到最小，即球形骨料粒子周围VITZ最小；当骨料粒子形状越偏离球形粒子时，其周围VITZ也就越大，如Va＝0.6时，s＝0.3和0.8时的骨料周围VITZ分别是s＝1时的1.7和0.3倍。因此，对实际骨料粒子的若假定为球形粒子，会低估了真实骨料粒子表面周围的VITZ。当然理论预测结果也表明，为减小界面过渡区的含量，应选用球形度较高的骨料作为混凝土原材料。
图7(b)为符合EVF分布的不同形状骨料周围的VITZ的预测结果，其分布规律与图7(a)类似。在Va和s相同时，EVF级配骨料的界面体积分数总是大于Bolomey级配骨料的界面体积分数.如s＝1，Va＝0.7时，符合EVF级配的骨料周围的VITZ是Bolomey级配的2倍，相差较大。这是因为EVF级配骨料中包含更多的小骨料颗粒，在忽略相邻骨料界面之间的重叠效应时，VITZ近似等于界面层厚度和单位体积混凝土中骨料表面积的积。即界面厚度越大，单位面积混凝土的骨料比表面积越大，VITZ也越大。而EVF级配包含更多小颗粒，因此其VITZ总是大于Bolomey级配的VITZ。因此在减小VITZ方面，符合Bolomey或Fuller的骨料分布优于EVF分布。
根据分析模块，可以判断不同级配下骨料周围界面过渡区的体积分数，也可以得到相同级配下，其他三个参数变化对骨料周围界面过渡区体积分数的影响，利用分析模块的结果，可以优化骨料的实际级配，从而得到更小的界面过渡区体积分数，使实际生产中获得的水泥基复合材料更加耐用。
图8是本发明一实施例提供的终端设备的示意图。如图8所示，该实施例的终端设备8包括：处理器80、存储器81以及存储在所述存储器81中并可在所述处理器80上运行的计算机程序82。所述处理器80执行所述计算机程序82时实现上述各个骨料周围界面过渡区体积分数预测方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤。或者，所述处理器80执行所述计算机程序82时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图5所示模块50至52的功能。
示例性的，所述计算机程序82可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器81中，并由所述处理器80执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序82在所述终端设备8中的执行过程。例如，所述计算机程序82可以被分割成数据获取模块、参数确定模块和预测模块，各模块具体功能如下：
数据获取模块用于根据骨料粒子样本获取所述骨料粒子样本的球形度、骨料体积分数和骨料级配；参数确定模块用于根据所述球形度、骨料体积分数和骨料级配获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度；预测模块用于根据所述平均等效直径、平均表面积及表面积密度预测骨料周围界面过渡区体积分数。
所述终端设备8可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器80、存储器81。本领域技术人员可以理解，图8仅仅是终端设备8的示例，并不构成对终端设备8的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器80可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器81可以是所述终端设备8的内部存储单元，例如终端设备8的硬盘或内存。所述存储器81也可以是所述终端设备8的外部存储设备，例如所述终端设备8上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器81还可以既包括所述终端设备8的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器81用于存储所述计算机程序以及所述终端设备所需的其他程序和数据。所述存储器81还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种骨料周围界面过渡区体积分数预测方法，其特征在于，包括：
根据骨料粒子样本获取所述骨料粒子样本的球形度、骨料体积分数和骨料级配，其中所述球形度为与所述骨料粒子样本体积相等的球体表面积和骨料粒子样本本身表面积的比值；
根据所述球形度、骨料体积分数和骨料级配获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度；
根据所述平均等效直径、平均表面积及表面积密度预测骨料周围界面过渡区体积分数；
所述骨料级配为理想级配时，根据所述球形度、骨料体积分数和骨料级配获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度包括：
获取所述骨料粒子样本的最大等效直径和最小等效直径，所述最大等效直径由与所述骨料粒子样本中最大粒子体积相等的球体直径确定，所述最小等效直径由与所述骨料粒子样本中最小粒子体积相等的球体直径确定；
根据所述最大等效直径和最小等效直径确定所述骨料粒子样本的理想级配分布函数；
根据所述球形度、骨料体积分数及所述骨料粒子样本的理想级配分布函数获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度；
所述骨料粒子样本的理想级配分布函数上限为等体积EVF分布函数，所述骨料粒子样本的理想级配分布函数下限为Fuller分布或Bolomey分布；
在所述骨料粒子样本的理想级配分布函数为等体积EVF分布、Fuller分布或Bolomey分布时，根据所述球形度、骨料体积分数及所述骨料粒子样本的理想级配分布函数获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度，包括：
根据
获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度；
其中，<Deq>为所述骨料粒子样本的平均等效直径，q为所述骨料粒子样本的理想级配分布函数，Dmaxeq为所述骨料粒子样本中的最大等效直径，Dmineq为所述骨料粒子样本中的最小等效直径，<S>为所述骨料粒子样本的平均表面积，s为所述骨料粒子样本的球形度，SV为所述骨料粒子样本的表面积密度，Va为所述骨料粒子样本的骨料体积分数。
2.如权利要求1所述的骨料周围界面过渡区体积分数预测方法，其特征在于，所述骨料级配为实际级配时，根据所述球形度、骨料体积分数和骨料级配获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度包括：
获取用于对所述骨料粒子样本分类的筛的总量、筛直径和筛余量，其中筛余量是当前筛直径和下一筛直径之间的筛余量；
根据所述球形度、骨料体积分数、筛的总量、筛直径和筛余量获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度。
3.如权利要求2所述的骨料周围界面过渡区体积分数预测方法，其特征在于，所述骨料体积分数由所述骨料粒子样本组成的水泥基复合材料的原材料的密度和配合比确定。
4.如权利要求1至3任一项所述的骨料周围界面过渡区体积分数预测方法，其特征在于，所述球形度由实用球形度表征，所述骨料粒子样本中每个骨料粒子的实用球形度为p＝Ds/a，其中Ds为与所述每个骨料粒子投影面积相等的圆的直径，a为所述每个骨料粒子投影的最小外接长方形的长边。
5.如权利要求4所述的骨料周围界面过渡区体积分数预测方法，其特征在于，所述实用球形度通过图像处理法得到，过程为：
获取所述骨料粒子样本的彩色RGB图像；
将所述彩色RGB图像转化为灰度图，并矩阵化所述灰度图；
将所述矩阵化后的灰度图转化为二值图，并将所述二值图黑白色区域互相调换，形成反向二值图，其中所述反向二值图中的每块白色区域为所述骨料粒子样本中每个粒子的投影；
将所述反向二值图中位于每块白色区域内部的黑色区域填充为白色，得到白色填充区域；
根据所述白色填充区域确定所述骨料粒子样本中每个骨料粒子的投影面积、与每个骨料粒子投影面积相等的圆的直径以及每个骨料粒子投影的最小外接长方形的长边，其中所述每个骨料粒子的投影面积为所述白色填充区域的像素面积；
将所述白色填充区域的像素面积与预设值进行比较，剔除所述像素面积小于预设值的白色填充区域，得到剔除后的白色填充区域；
根据所述每个骨料粒子的投影面积、与每个骨料粒子投影面积相等的圆的直径以及每个骨料粒子投影的最小外接长方形的长边确定所述剔除后的每块白色填充区域所对应的每个骨料粒子的实用球型度；
对所述每个骨料粒子的实用球形度加权得到所述骨料粒子样本的实用球形度。
6.一种骨料周围界面过渡区体积分数预测装置，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于根据骨料粒子样本获取所述骨料粒子样本的球形度、骨料体积分数和骨料级配；
参数确定模块，用于根据所述球形度、骨料体积分数和骨料级配获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度；
预测模块，用于根据所述平均等效直径、平均表面积及表面积密度预测骨料周围界面过渡区体积分数；
所述参数确定模块，用于获取所述骨料粒子样本的最大等效直径和最小等效直径，所述最大等效直径由与所述骨料粒子样本中最大粒子体积相等的球体直径确定，所述最小等效直径由与所述骨料粒子样本中最小粒子体积相等的球体直径确定；
根据所述最大等效直径和最小等效直径确定所述骨料粒子样本的理想级配分布函数；
根据所述球形度、骨料体积分数及所述骨料粒子样本的理想级配分布函数获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度；
所述骨料粒子样本的理想级配分布函数上限为等体积EVF分布函数，所述骨料粒子样本的理想级配分布函数下限为Fuller分布或Bolomey分布；
在所述骨料粒子样本的理想级配分布函数为等体积EVF分布、Fuller分布或Bolomey分布时，所述参数确定模块，用于：
根据
获取所述骨料粒子样本的平均等效直径、平均表面积及表面积密度；
其中，<Deq>为所述骨料粒子样本的平均等效直径，q为所述骨料粒子样本的理想级配分布函数，Dmaxeq为所述骨料粒子样本中的最大等效直径，Dmineq为所述骨料粒子样本中的最小等效直径，<S>为所述骨料粒子样本的平均表面积，s为所述骨料粒子样本的球形度，SV为所述骨料粒子样本的表面积密度，Va为所述骨料粒子样本的骨料体积分数。
7.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任一项所述骨料周围界面过渡区体积分数预测方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述骨料周围界面过渡区体积分数预测方法的步骤。
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