CN111060440B - 用于泡沫混凝土抗压强度的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于泡沫混凝土抗压强度的检测方法，所述检测方法为先制备混凝土砌块，采集砌块图像，对图像进行预处理进行气孔结构特征分析，利用图像处理技术对孔隙率、孔径、气孔形状及分布特征进行统计、处理、分析，再用下列公示计算抗压强度。本发明提供用于泡沫混凝土抗压强度的检测方法，对试件的孔隙率、气孔孔径和孔形状进行综合考虑，检测结果精度高，大相对误差仅为0.5173％。
Description
技术领域
本发明涉及低碳建筑材料技术领域，具体涉及用于泡沫混凝土抗压强度的检测方法。
背景技术
泡沫混凝土是一种典型的宏观多孔材料，其孔结构包括孔隙率、孔尺寸和孔形状。水泥基材料的强度与孔隙率呈负相关，而且当试件气孔平均孔径越小，孔形状越圆时，材料强度越高。在孔隙率一致的情况下，大孔和小孔所占比例越小时，泡沫混凝土抗压强度越高。
泡沫混凝土的气孔特征，是气孔的形状因子随孔体积分数增大而增大，当气孔呈圆形且均匀分布时强度最高。通过实验发现硅酸盐-硫铝酸盐水泥超轻泡沫混凝土在相同干密度的情况下，平均孔径越小，抗压强度越高。
目前，国内外主要是从定性的角度去研究气孔结构对泡沫混凝土的影响，而对钢渣-矿渣泡沫混凝土试件气孔结构和抗压强度之间的定量研究仍然十分缺乏。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供用于泡沫混凝土抗压强度的检测方法，对钢渣-矿渣泡沫混凝土的孔隙率、气孔孔径和孔形状进行综合考虑，检测精度高。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种用于泡沫混凝土抗压强度的检测方法，所述检测方法为先制备混凝土砌块，采集砌块图像，对图像进行预处理后进行气孔结构特征分析，利用图像处理技术对孔隙率、孔径、气孔形状及分布特征进行统计，再用下列公示计算抗压强度：
f/f0＝0.9452e-1.419x+0.01523x+0.07249
其中，x为孔结构综合因子，f表示多孔材料的抗压强度；f0表示多孔材料孔隙率为0时的抗压强度，e为自然常数；·
所述x为孔结构综合因子的表达式为：
其中，ρ表示砌块的孔隙率，Si表示砌块中第i个气孔的形状因子，Ri表示对应的第i个气孔的等效圆直径。
作为上述技术方案的进一步改进为：
上述技术方案中，优选地，所述采集砌块图像为垂直发气方向的砌块表面照片。
上述技术方案中，优选地，所述图像预处理包括灰度化、去噪、锐化、直方均衡化、中值滤波、均值滤波处理。
上述技术方案中，优选地，所述对图像进行预处理后采集数据，具体包括以下步骤：
(1)处理后的图片进行二值化处理，得到0，1二值矩阵；
(2)将二值矩阵取反，得到一个用1和0分别表示非孔和孔的二值矩阵；
(3)对二值矩阵进行扫描，对孔隙率，孔径、气孔形状及分布特征进行统计、处理和分析。
上述技术方案中，优选地，所述气孔的形状因子计算公式为：
式中：S—形状因子，P—气孔周长，A—气孔面积，当S＝1时气孔形状为圆形，S的值越大或越小，形状就越偏离圆形。
本发明提供的用于泡沫混凝土抗压强度的检测方法，与现有技术相比有以下优点：
本发明的用于泡沫混凝土抗压强度的检测方法，利用MATLAB图像处理技术对钢渣-矿渣泡沫混凝土表面照片进行气孔结构特征分析，对试件的孔隙率，气孔孔径、气孔形状进行计算与统计，在此基础上对试件的孔隙率、气孔孔径和孔形状进行综合考虑，定义了孔结构综合因子来表征泡沫混凝土的气孔结构，并将其与抗压强度进行关联。钢渣-矿渣泡沫混凝土孔结构综合因子与抗压强度存在着良好的相关性，通过孔结构综合因子计算的结果，精度要高于孔隙率计算的抗压强度。
附图说明
图1是本发明应用实施砌块试件的图片。
图2是本发明实施例中图像预处理过程。
图3是本发明实施例中不同钢渣-矿渣配合比对泡沫混凝土抗压强度和干密度的变化图。
图4是本发明实施例中孔隙率与强度比的关系图。
图5是本发明实施例中孔形状分布图。
图6是本发明实施例中孔径分布图。
图7是本发明实施例中孔结构综合因子与抗压强度比的关系图。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明的用于泡沫混凝土抗压强度的检测方法，具体方法为：
一、砌块试件制备及数据采集
1.1原材料
采用水泥、钢渣微粉、铝膏粉、石灰、稳泡剂、脱硫石膏、减水剂、硫酸钠、水玻璃、氢氧化钠、三乙醇胺。
水泥为PO.42.5硅酸盐水泥，铝酸钙水泥，钢渣微粉为某钢渣处理公司所产，比表面积为400；S95级矿渣粉，GLS-65-05型灰加气铝膏粉，市售石灰(有效氧化钙含量96％)，稳泡剂(α-稀基磺酸钠)，YT-P2聚羧酸减水剂，工业级99％含量无水硫酸钠，水玻璃(模数1.2)。
水料比设为0.45，水温控制在55℃，钢渣35％，矿渣30％，水泥15％(硅酸盐水泥：铝酸钙水泥质量比为9:1)，石灰6％，石膏5％，水玻璃1％(钢渣活性激发剂)，减水剂1％，元明粉2％，三乙醇胺、氢氧化钠、稳泡剂4.86～5％，铝粉掺量0～0.14％。主要原材料钢渣、矿渣成分表见表1和表2。
表1钢渣的化学成分
| 材料 | SiO<sub>2</sub> | CaO | MgO | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | FeO | P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | f-CaO | 烧失量 |
| 钢渣 | 17.2％ | 42.3％ | 10.4％ | 5.6％ | 19.2％ | 13.8％ | 1.3％ | 2.3％ | 1.7％ |
表2矿渣的化学成分
| 材料 | SiO<sub>2</sub> | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | CaO | MgO | SO<sub>3</sub> | LOSS |
| 矿渣 | 31.95％ | 12.16％ | 0.53％ | 38.95％ | 7.88％ | 1.58％ | 6.94％ |
1.2钢渣-矿渣泡沫混凝土试件的制备
所采用的主要器材有101-1AB电热鼓风干燥箱、压力试验机、NJ-160A水泥净浆搅拌机、养护箱、恒温水槽、温度计。将1.1中原材料根据试验配比和下述工艺制成料浆：
step1.将钢渣微粉、矿渣、石灰、石膏、水泥按照试验配比放入净浆搅拌机中进行干混3～5min。
step2.将55℃水分成2部分，一部分占比95％，放入水玻璃和氢氧化钠，搅拌均匀，搅拌至无固体残留；另一部分占比5％备用。
step3.将铝粉、稳泡剂加入备用的水中制成悬浮液。
step4.将水玻璃和氢氧化钠的混合溶液倒入搅拌机中，搅拌1～3min。
step5.将铝粉、稳泡剂的悬浮液加入到step4的混合溶液中，料浆中搅拌15-50s，搅拌速度为：自转135～150r/min，公转55～70r/min，得到浆体。
step6.将step5中制备的浆体倒入模具中浇筑成型。
step7.将step6中模具放入温度60℃的养护箱，养护24小时，再进入干燥箱(80℃)4～6小时，进行脱模。
step8.脱模之后将试件再放入温度60℃，湿度90％的热湿养护箱进行养护至7～28天。
本实施例中，按照上述方法，脱模后养护7天，制作按8组钢渣-矿渣泡沫混凝土砌块试件，每组的铝粉掺量按照0.02％的梯度增加，第1组铝粉为0.06％，稳泡剂为0.02％，搅拌时间为15秒，制成试样尺寸为100*100*100。再通过此种配比以铝粉为0.08％，稳泡剂为0.04％，搅拌时间从15秒每组搅拌时间递增5秒，其余配比及工艺均不变，制备了另外7组尺寸为100*100*100的钢渣-矿渣泡沫混凝土砌块试件，砌块试件照片如图1。
1.3钢渣-矿渣泡沫混凝土的图像获取与处理
本实施例所采用的相机为1300万像素数码相机，检测照片获取与处理步骤如下：
(1)砌块清理：对砌块表面进行清理，将砌块表面污渍清扫干净，避免因为砌块试件表面污渍对孔的识别。根据体视学原理可知，对于组织中它的表面上的密度与它的空间体积密度相等，故认为砌块表面气孔结构与砌块整体气孔结构一致。如图1中，照片为垂直发气方向的砌块表面照片。
(2)图片预处理：利用MATLAB图像处理技术对初始图片进行灰度化、去噪、锐化、直方均衡化、均值滤波处理；。
(3)数据采集：预处理后的图片进行二值化处理，原理为：设原始图像为f(x,y)，首先用Otsu法确定一个阈值。在f(x,y)中找出一个灰度值S作为阈值，将图像分割为两部分，将大于等于该阈值的像素点的值变成1，而使小于该阈值的像素点的值等于0。通过上述处理之后图像变成了一个由0和1二值矩阵，为了便于观察最终气孔结构，将二值矩阵取反，即将0，1矩阵变成1，0矩阵，其中0像素在图像中显示为白色，1显示为黑色。最终计算后的图像为：
对二值矩阵进行扫描，对孔隙率，孔径、气孔形状及分布特征进行统计、处理和分析。即通过查找二值矩阵中0和1的个数，计算出孔隙率，通过MATLAB中regionprops，Region，Perimeter函数找出图片中的气孔数、气孔面积和气孔周长，再通过公式(4)计算出形状因子，将结果进行统计处理。最终实现的二值取反图像中，白色部分代表气孔，黑色部分表示非孔。图像处理过程如图2。
二、抗压强度检测
表3中前8组砌块试件是不同铝粉掺量下钢渣-矿渣泡沫混凝土试件的干密度和抗压强度以及气孔结构参数的测定结果。实验气孔率的计算是通过李氏瓶密度法所测得，计算公式见式(2)：
式中：ρ—孔隙率，ρ0—表观密度，ρ1—真密度
由于本实施例所采用相机的像素为1300万，水平和垂直分辨率均为72dpi，砌块试件平均边长为3602pixel，又已知照片中实际试件尺寸为100mm*100mm，可知其所能识别的最小等效孔径为100/3602＝0.02776mm，而实际上钢渣-矿渣泡沫混凝土试件中存在着27.76um以下的气孔，图像处理技术却不能识别出来27.76um以下的气孔，故导致在表3中，未修正前的图像处理气孔率均不大于李氏瓶密度法所得孔隙率。本实施例中，将实验气孔率和图像计算所得气孔率进行线性拟合，其关系式为：
y＝1.205x+0.0141 (3)
相关系数R2＝0.9533，通过此方法得出的修正后气孔率，与实际气孔率进行比较发现其相对误差在7.8％以下，因此通过图像处理技术，在进行公式拟合可以得到试件实际的气孔率，其误差也在允许范围之内。
表3中孔结构综合因子计算公式为ρ∑Di*Si，其中ρ表示图像处理所得气孔率，Di代表试件中第i个气孔的等效圆直径，Si表示其对应第i个气孔的形状因子，其计算公式为：
式中：S—形状因子，P—气孔周长，A—气孔面积，其表达的意义是，当S＝1时气孔形状为圆形，其值越大或越小，形状就越偏离圆形。
表3 7天钢渣-矿渣泡沫混凝土试件的性能与图像处理数据
由表3中的数据我们可以看出，铝粉从0到0.06％，试件孔隙率显著增加，而铝粉掺量从0.06％到0.14％，试件的孔隙率增长很慢。产生这种现象的主要原因是，铝粉在0～0.06％区间进行增加时，铝粉在料浆中进行化学反应产生氢气，产生大量气泡从而导致孔隙率快速增加；而铝粉含量在0.06％～0.14％时，这个时候尽管铝粉的含量继续增加，但由于本实施例配比中，采用铝酸钙水泥和硅酸盐水泥混合使用，使得试件的初凝速度加快，尽管铝粉一直增加，但却没有及时全部反应完，所以导致孔隙率增长缓慢。
2.1钢渣-矿渣配合比对泡沫混凝土性能的影响
图3是不同钢渣-矿渣配合比对泡沫混凝土抗压强度和干密度的变化，图中横坐标表示钢渣掺量，括号里为矿渣掺量百分数，本组试验钢渣与矿渣的总量不变，其余原材料配比均与上述试件一致。从图中我们可以看出，当钢渣的占比逐渐增多时，泡沫混凝土的抗压强度逐渐减少，在钢渣掺量超过30％时，抗压强度迅速下降，产生这种现象的主要原因是钢渣本身的胶凝性较差，在热湿养护中硅酸二钙水化较慢，较多的钢渣不利于早期强度的提高，当钢渣掺量超过35％时，钢渣和矿渣的复合反应变差，水化速度变慢，大大降低了泡沫混凝土的抗压强度。随着钢渣的增加，泡沫混凝土的强度从2.1Mpa一直降低到0.58Mpa，强度降低率为72％。其中当钢渣掺量为30％时，强度才降低11％，影响并不明显，主要下降的区域是钢渣掺量超过30％时。随着钢渣的增多，其泡沫混凝土的整体孔隙率下降，并且孔隙率急速下降的点也出现在钢渣掺量超过30％的时候，进一步说明了钢渣早期胶凝性低，早期强度低的性质。从图中当钢渣掺量超过35％时，其孔隙率下降速度开始变缓，主要原因是钢渣开始占主要部分，铝粉充分发气，钢渣胶凝很慢，所以这个时期孔隙率变化不大，而强度继续降低是钢渣-矿渣复合反应越来越差，导致强度一直下降，因此在计算孔隙率与抗压强度的关系，需要在相同的原料配比才可以用。
2.2孔隙率与抗压强度的关系
目前用于描述多孔材料和孔隙率之间的关系有以下几个经验公式：
f＝f0(1-ρ)n (5)
f＝f0e-kρ (6)
f＝f0-kρ (8)
其中f表示多孔材料的抗压强度；f0表示多孔材料孔隙率为0时的抗压强度；ρ表示孔隙率，ρ0表示抗压强度为0时的孔隙率；n，k均为经验系数，但式(5)～式(8)均未提及多孔材料中的气孔的孔径与形状因子。
由图4可以看出，当铝粉掺量为0时(即孔隙率为0时)，砌块强度最高为6.22Mpa，当铝粉掺量增加时，抗压强度开始减少，最小值出现在铝粉掺量为0.1％，当铝粉掺量一直增加时，孔隙率增加却很缓慢，强度仅为0.44Mpa，但砌块整体上仍满足孔隙率越高，抗压强度越低的趋势，这是由于加气混凝土的抗压强度不仅决定于硬化料浆的强度，很大程度上还取决于气泡的体积分数，而铝粉的增加使得胶结材料的减少和气孔的增多，从而导致砌块强度减少。孔隙率和抗压强度的表达公式为：
其相关系数R2＝0.8588。从图2中可以发现当砌块孔隙率在0.6～0.65之间，其抗压强度分布十分离散，甚至出现孔隙率在十分接近的情况下，抗压强度相差0.51Mpa，因此只采用孔隙率这一变量不能很好的描述出这一现象，因此需要加入其他的变量，如气孔形状和气孔孔径。
2.3孔形状因子及孔径与抗压强度关系
本实施例中，通过改变搅拌时间从15s到50s来改变孔径和孔形状。由图5中可以看出孔形状因子在0.8～1.2之间的占比最高也不超过30％，而其他不规则形状高达70％，相较于粉煤灰泡沫混凝土，球形孔所占比例远低于它们，主要原因是这是因为粉煤灰具有微集料填充效应可以增加圆形孔的比例，而钢渣微粉比重较大，在发气过程中钢渣微粉重力大于气泡中气体压力，造成对气泡的挤压作用使得气泡成为扁平状而非球形状。从表3抗压结果来看，砌块抗压强度搅拌时间从15～30s的抗压强度逐渐增加。产生这种原因是，当搅拌时间过短时，料浆搅拌不均匀，从而导致气泡在下部分布较多且受到钢渣微粉的挤压气泡呈扁平形状，在测试抗压强度时导致应力集中使得强度过低，当搅拌时间逐渐增长时，这种现象逐渐缓解所以导致强度增加；当搅拌时间从30～50s时，抗压强度逐渐减小，因为搅拌时间过长，叶片与气泡直接挤压导致破损率增大，圆形气泡占比太少导致应力集中现象概率增大导致强度减少，因此在实验制作中应调整好搅拌时间。
从图5中还可以看出在搅拌30s时孔形状因子0.8～1.2占比为27％，相较于搅拌15s时在孔形状因子为0.8～1.2提高4％，且形状因子在1.2以上，搅拌15s的占比为66％，而搅拌35s时其占比为29％，由上述分析可知在孔形状因子在1.2以上所占比例越大时，抗压强度则越低。
从图6中可以看出搅拌时间对钢渣-矿渣泡沫混凝土的孔径分布影响并不大，其孔径主要分布在0～200um范围之间。钢渣-矿渣泡沫混凝土平均孔径较小，搅拌时间内为15s、30s分别为强度最低及最高但在孔径分布时表现不明显，其中搅拌15s时孔径在0～400um占比91％，而搅拌时长45s却只有89％，但抗压强度却是孔径较小的反而强度小。出现这种结果可能是搅拌时间15s时气泡形状中圆形气泡占比较少，且气泡主要分布在砌块底部造成应力集中导致强度低，所以出现孔径小反而强度低的现象。
2.4综合因子与抗压强度关系
在相同的孔隙率下，抗压强度在0.44～1.44Mpa范围内变化，用孔结构综合因子来表征孔结构参数，其表达式为：
其中，x为孔结构综合因子，ρ表示砌块的孔隙率，Si表示砌块中第i个气孔的形状因子，则Ri表示对应的第i个气孔的等效圆直径。孔结构综合因子考虑了每一个气孔的孔径与形状，以及砌块整体的孔隙率，可以很好的表征钢渣-矿渣泡沫混凝土的孔结构。通过将孔结构综合因子与强度比，在孔隙率与强度比的基础上进行修正拟合。
从图7可以看出，在孔结构综合因子在0到1变化时，其强度变化曲线十分陡峭，主要原因可能是，当孔结构综合因子在0到1的范围内时，强度的主要影响因素为孔隙率，当孔结构综合因子逐渐从1到7之间增大时，抗压强度比变化不大，在这个阶段时，孔结构综合因子中孔隙率相近，孔结构综合因子的增长为孔径和孔形状综合作用，但主要还是取决于孔隙率增长，而孔径与孔形状因子只是在相近孔隙率下进行强度修正，因此会产生图7中曲线的趋势。拟合孔结构综合因子和抗压强度比，得到关系式：
f/f0＝0.9452e-1.419x+0.01523x+0.07249 (11)
相关系数R2＝0.9292，可知孔结构综合因子与抗压强度比有着十分密切的关系。若只考虑孔隙率和孔结构综合因子所得抗压强度比结果进行比较，其结果如表4：
表4孔隙率和孔结构综合因计算抗压强度结果对比
由表4中可以看出，在考虑了孔径和孔形状明显优于孔隙率下的情况，而且只考虑孔隙率会导致结果偏差较大，从表4中可知其最大的相对误差在3.1836％，而在孔结构综合因子下，最大相对误差仅为0.5173％，相差6.154倍。孔结构综合因子相较于孔隙率而言，不仅将孔隙率考虑进来，并对试件中气孔孔径和孔形状进行分析，可修正钢渣-矿渣泡沫混凝土在孔隙率相近情况下抗压强度的计算误差。
上述实施案例只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (2)
1.一种用于泡沫混凝土抗压强度的检测方法，其特征在于，所述检测方法为先制备混凝土砌块，采集砌块图像，对图像进行预处理后进行气孔结构特征分析，利用图像处理技术对孔隙率、孔径、气孔形状及分布特征进行统计，再用下列公示计算抗压强度：
f/f0＝0.9452e-1.419x+0.01523x+0.07249
其中，x为孔结构综合因子，f表示多孔材料的抗压强度；f0表示多孔材料孔隙率为0时的抗压强度，e为自然常数；
所述x为孔结构综合因子的表达式为：
其中，ρ表示砌块的孔隙率，Si表示砌块中第i个气孔的形状因子，Ri表示对应的第i个气孔的等效圆直径；
所述采集砌块图像为垂直发气方向的砌块表面照片；
所述图像预处理包括灰度化、去噪、锐化、直方均衡化、中值滤波、均值滤波处理；
所述对图像进行预处理后进行气孔结构特征分析，利用图像处理技术对孔隙率、孔径、气孔形状及分布特征进行统计，具体包括以下步骤：
(1)处理后的图片进行二值化处理，得到0，1二值矩阵；
(2)将二值矩阵取反，得到一个用1和0分别表示非孔和孔的二值矩阵；
(3)对二值矩阵进行扫描，对孔隙率，孔径、气孔形状及分布特征进行统计、处理和分析。
2.根据权利要求1所述的用于泡沫混凝土抗压强度的检测方法，其特征在于，所述气孔的形状因子计算公式为：
式中：S—形状因子，P—气孔周长，A—气孔面积，当S＝1时气孔形状为圆形，S的值越大或越小，形状就越偏离圆形。
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