CN112213247A - 一种基于随机截面的无规则骨料比表面积测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于随机截面的无规则骨料比表面积测试方法，包括步骤：1)将骨料颗粒固化于模具中，硬化后拆模，对样品进行随机切割并用砂纸打磨，直至表面平整；2)对步骤1)处理后的样品获取其切割截面的彩色图像；3)将彩色图像转化为灰度图像，并进行二值化处理，将白色处理为背景，黑色处理为骨料截面；4)读取二值化图像中代表骨料的像素点个数以及代表骨料边界的像素点个数，并确定像素点边长；5)根据代表骨料的像素点个数、代表所有骨料边界的像素点个数以及像素点边长，计算骨料的比表面积。与现有技术相比，本发明具有测试快速准确、节约成本、省时省力等优点。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其是涉及一种基于随机截面的无规则骨料比表面积测试方法。
背景技术
由于资源和环境的限制，天然骨料逐渐匮乏，机制骨料如机制砂逐渐替代天然骨料用于混凝土的配制。在骨料的各种性能中，比表面积可综合评价骨料的尺寸、形状、棱角性和表面粗糙度等特征。从配合比设计角度，骨料的比表面积影响所需拌合物的浆体量或需水量，间接影响混凝土的工作性、力学性能和耐久性。因此，骨料的比表面积对混凝土的设计及性能至关重要。
关于骨料比表面积测试方法，目前主要有以下三种方式：
规则形状假设法：该方法根据骨料的级配，将骨料假设为规则形状如球体，计算不同粒径骨料的比表面积，通过加权平均值求得骨料的比表面积。然而对于无规则骨料，其形状远非球体或其他规则形状，规则形状假设法无法快速准确测试骨料的比表面积。
氮吸附法：该方法通过测试气体在骨料表面形成紧密排列的单分子层时的吸附量计算骨料的比表面积。由于氮气分子尺寸小，其不仅能够吸附在骨料的表面，还可吸附在骨料孔隙的孔壁上，因此氮吸附法测得的比表面积实际为骨料表面与孔壁的面积之和，因此氮吸附法会大大高估骨料的比表面积，且这一影响对多孔骨料更为显著，导致比表面积测试不准确。
三维重构法：该方法通过三维扫描技术如CT等获取骨料的三维结构，通过重建的三维结构中表面和内部的体素个数计算骨料的比表面积。该方法测试较为精确，但该方法设备昂贵、操作复杂、数据处理繁琐、费时费力。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于随机截面的无规则骨料比表面积测试方法，该测试方法快速、精确，能够适用于非球体或其他规则形状，且无需昂贵的设备成本，数据处理简单、省时省力。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于随机截面的无规则骨料比表面积测试方法，该方法具体步骤包括下述内容：
步骤一、制样步骤：
将骨料颗粒固化于模具中，硬化后拆模，对样品进行随机切割并用砂纸打磨，使表面平整。
进一步地，本发明采用环氧树脂将骨料颗粒固化于模具中；且本发明还可对所述环氧树脂进行染色，以提高环氧与骨料颗粒的颜色对比度。
步骤二、图像采集：
采用图像获取设备获取样品的切割截面的彩色图像。图像获取设备可采用数码相机、手机或光学显微镜等。
步骤三、图像处理：
将彩色图像转化为灰度图像，然后进行二值化处理，白色为背景，黑色为骨料截面。
进一步地，可采用Image J软件等将图像转化为灰度图像。
步骤四、数据读取：
读取二值化图像中代表骨料的像素点个数和代表所有骨料边界的像素点个数，确定像素点边长。
步骤五、骨料的比表面积计算：
根据步骤四得到的代表骨料的像素点个数、代表所有骨料边界的像素点个数，以及像素点边长计算骨料的比表面积，计算式如下：
式中：
SSA-骨料的比表面积，mm2/mm3；
NA-代表截面上骨料的像素点个数之和；
NP-代表截面上代表所有骨料边界的像素点个数之和；
L0-每个像素点的边长，mm。
上述像素点边长可通过图像获取设备自带的标尺功能确定(如光学显微镜)，或通过在试验截面上放直尺通过图像进行测定，简单易得，可节约设备成本。
本发明提供的基于随机截面的无规则骨料比表面积测试方法，相较于现有技术至少包括如下有益效果：
1)本发明方法考虑了颗粒的无规则特征对比表面积的影响，利用制样、图像采集、图像处理、读取骨料像素点数实现了简单、快速、准确的骨料比表面积的测试方案；
2)利用环氧树脂将骨料颗粒设于模具中进行制样，并硬化后拆模，对样品进行随机切割并用砂纸打磨，得到表面平整的样品，有利于提高骨料比表面积的测试准确度；
3)通过可利用的图像获取设备获取制样后切割截面的彩色图像，无需额外过多的设备辅助，操作简单，成本低；
4)通过读取图像处理后的代表骨料的像素点个数和代表骨料边界的像素点个数确定像素点边长，进而计算骨料的比表面积，可快速、有效获取测试结果，避免因数据处理流程过多带来的不便，省时省力；
5)在制样过程中，本发明还对环氧树脂进行染色，以提高环氧与骨料颗粒的颜色对比度，进而提高图像处理步骤、数据读取步骤的数据准确性。
附图说明
图1为实施例中基于随机截面的无规则骨料比表面积测试方法的流程示意图；
图2为实施例中利用Image J软件将彩色图像转化后的灰度图像；
图3为实施例中对灰度图像进行二值化处理后的图像结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
本发明涉及一种基于随机截面的无规则骨料比表面积测试方法，该方法基于体式学原理，即颗粒的比表面积(面积和体积的比值)与颗粒随机截面的周长与面积的比值在存在统计意义上的比例关系，前者为后者的4/π倍。
下面结合粒径为0.5-1.0mm的机制砂比表面积测试过程对本发明方法进行详细说明，将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
如图1所示，本发明基于随机截面的无规则骨料比表面积测试方法具体步骤包括：
(1)制样
使用环氧树脂将骨料颗粒固化于模具中，硬化后拆模，对样品进行随机切割并用砂纸打磨，使表面平整。为提高机制砂颗粒与背景颜色的对比度，环氧树脂中使用了染料。
(2)采集图像
采用光学显微镜获取试样的切割截面的彩色图像。
(3)图像处理
采用Image J软件将图像转化为灰度图像，如图2所示，然后对图像进行二值化处理，白色为背景，黑色为骨料截面，如图3所示。
(4)数据读取
通过Image J，对二值化图像读取代表骨料的像素点个数和代表骨料边界的像素点个数，确定像素点边长，本实施例中像素点边长可通过光学显微镜读取，为0.004mm。
(5)按照下式计算骨料的比表面积
为证明本发明方法对骨料的比表面积测试的准确性，本实施例对本发明方法与其他现有测试方法的进行了相同骨料的测试对比。
通过本发明方法测得的该机制砂比表面积与传统方法获得的比表面积对比如表1所示，可见，规则形状假设由于没有考虑颗粒的无规则特征对比表面积的影响，其比表面积值偏小；而氮吸附法由于同时测试机制砂表面积与孔隙面积，因此其比表面积结果相比其他结果高出一个数量级；相比之下，本发明方法的比表面积结果与三维重构法结果较为接近，误差仅为3.1％，但可以解决三维重构法设备昂贵、操作复杂、数据处理繁琐、费时费力等问题。
表1不同方法测试的机制砂比表面积结果(mm2/mm3)
本发明方法考虑了颗粒的无规则特征对比表面积的影响，利用制样、图像采集、图像处理、读取骨料像素点数实现了简单、快速、准确的骨料比表面积的测试方案，此外，本发明方法无需额外的设备成本，操作更加简单、省时省力，适用范围更加广泛。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种基于随机截面的无规则骨料比表面积测试方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)将骨料颗粒固化于模具中，硬化后拆模，对样品进行随机切割并用砂纸打磨，直至表面平整；
2)对步骤1)处理后的样品获取其切割截面的彩色图像；
3)将彩色图像转化为灰度图像，并进行二值化处理，将白色处理为背景，黑色处理为骨料截面；
4)读取二值化图像中代表骨料的像素点个数以及代表骨料边界的像素点个数，并确定像素点边长；
5)根据步骤4)获取的代表骨料的像素点个数、代表所有骨料边界的像素点个数以及像素点边长，计算骨料的比表面积，完成测试。
2.根据权利要求1所述的基于随机截面的无规则骨料比表面积测试方法，其特征在于，步骤1)中，采用环氧树脂将骨料颗粒固化于模具中。
3.根据权利要求1所述的基于随机截面的无规则骨料比表面积测试方法，其特征在于，步骤2)中，采用图像获取设备获取步骤1)处理后的样品的切割截面的彩色图像，所述图像获取设备包括数码相机、手机或光学显微镜。
4.根据权利要求3所述的基于随机截面的无规则骨料比表面积测试方法，其特征在于，骨料的比表面积的计算为：
式中：SSA为骨料的比表面积；NA为截面上代表骨料的像素点个数之和；NP为截面上代表所有骨料边界的像素点个数之和；L0为每个像素点的边长。
5.根据权利要求3所述的基于随机截面的无规则骨料比表面积测试方法，其特征在于，所述像素点边长通过图像获取设备自带的标尺功能确定，或通过在试验截面上进行直尺测定。
6.根据权利要求1所述的基于随机截面的无规则骨料比表面积测试方法，其特征在于，采用Image J软件将彩色图像转化为灰度图像。
7.根据权利要求2所述的基于随机截面的无规则骨料比表面积测试方法，其特征在于，在将骨料颗粒固化于模具中之前，还包括步骤：对所述环氧树脂进行染色。
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