CN114441566A - 一种建筑固体废弃物路用再生骨料形态特征评价方法 - Google Patents

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Abstract

一种建筑固体废弃物路用再生骨料形态特征评价方法，属于建筑固体废弃物再生应用技术领域。本发明解决了建筑固废低值化利用的问题，所述方法为：将建筑固废路用再生骨料根据粒径大小进行分档处理；对于各档建筑固废路用再生骨料，随机挑选适宜数量的再生骨料颗粒进行扫描，然后进行二值化处理，并输出全部的再生骨料切片图像；将图像导入Mimics软件中，通过参数设置、方向定位等，重构再生骨料的三维可视化模型；获取每个再生骨料颗粒体的体积、表面积、外接长方体，计算再生骨料颗粒的球形度、粗糙度、形状因子等，将上述测试结果取平均值。本发明提高了再生骨料形态特征测试的效率，保证了再生骨料形态特征测试结果的准确性与可靠度。

Description

一种建筑固体废弃物路用再生骨料形态特征评价方法
技术领域
本发明属于建筑固体废弃物再生应用技术领域，具体涉及一种建筑固体废弃物路用再生骨料形态特征评价方法。
背景技术
传统的建筑固废处理方式一般采用都是填埋法，然而填埋法不仅会占用面积巨大的土地资源、影响城市市容，而且对填埋位置的土壤和地下水等都会造成较为严重的污染，破坏生态环境。建筑固废通常是指拆除或建造建筑物过程中产生的固体废弃物，主要包括有废弃混凝土与废砖石等。已有研究表明，建筑固废材料的物理化学性质稳定，资源化再生利用前景广阔，尤其是在道路工程领域。基于建筑固废材料制备路用再生骨料，一方面有效缓解了当前建筑固废处理难题，另一方面减少了公路建设对优质石料等不可再生资源的消耗。
众所周知，在沥青混合料中，集料的质量占混合料总质量的90％以上，其体积也占据混合料总体积的75％以上，因此，集料的性质往往是沥青混合料路用性能优劣的决定性因素之一。而集料的形态特性又是评价集料性质不可或缺的技术指标，其对集料与沥青的粘附性、沥青混合料的高温性能、疲劳特性等路用性能都会产生较大影响。所以，建筑固废路用再生骨料形态特征分析与评价是建筑固废资源化利用技术中必不可少的关键。因此，有必要发明一种建筑固体废弃物路用再生骨料形态特征评价方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有建筑固废低值化利用的难题，实现建筑固废在道路工程领域的高效再生应用的目标，提供一种建筑固体废弃物路用再生骨料形态特征评价方法。使用球形度、粗糙度、形状因子等指标评价建筑固废路用再生骨料的形态特征，从而为建筑固废再生骨料高值化应用于道路工程领域奠定技术与理论基础。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种建筑固体废弃物路用再生骨料形态特征评价方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一：将建筑固废路用再生骨料根据粒径大小进行分档处理；
步骤二：对于各档建筑固废路用再生骨料，随机挑选适宜数量的再生骨料颗粒；
步骤三：采用X-ray CT设备对不同粒径的建筑固废路用再生骨料进行扫描；
步骤四：对CT扫描图像进行二值化处理，并输出全部的再生骨料切片图像；
步骤五：将再生骨料切片图像导入Mimics软件中，通过参数设置、方向定位、阈值分割后，重构生成了再生骨料的三维可视化模型；
步骤六：通过Mimics软件中3-matic模块内的Measure功能获取每个再生骨料颗粒体的体积、表面积、外接长方体；
步骤七：基于上述尺寸参数计算再生骨料颗粒的球形度、粗糙度、形状因子形态特征评价指标；
步骤八：将上述测试结果取平均值，以此作为各档再生骨料球形度、粗糙度、形状因子指标的最终结果。
进一步地，步骤一中，所述建筑固废路用再生骨料由建筑废弃混凝土、废弃砖石或洗砂余泥固化土经过破碎分选工艺而来。
进一步地，步骤一中，所述分档处理按照公称粒径进行细分档处理，如4.75～9.5mm、9.5～13.2mm、13.2～16mm、16～19mm，具体地，分成几档是根据破碎后的骨料最大尺寸来定的，细分档粒径的尺寸是根据道路工程中路用集料的级配来定的。
进一步地，步骤一中，所述分档处理按照工程粒径进行粗分档处理，如5-10mm、10-15mm、10-20mm，根据实际工程划分粒径范围。
进一步地，步骤二中，所述的再生骨料颗粒测试数量不少于60颗。
进一步地，步骤三中，所述CT扫描过程借助密度较小的轻质软粘土进行，一方面轻质软粘土与再生骨料颗粒密度相差较大，不会影响最终再生骨料的重构结果；另一方面可以使多颗再生骨料同时进行扫描，以提高测试效率。
进一步地，步骤四中，所述再生骨料切片图像为bmp格式文件，以便导入Mimics软件中进行再生骨料的重构。
进一步地，步骤五中，所述参数设置中分辨率值与X-ray CT扫描测试时的分辨率应该对应一致，以使Mimics中重构出的再生骨料模型尺寸与实际相一致；步骤六中，所述的尺寸参数分别为体积V1，表面积S1，外接长方体的长宽厚DL、Dm、Ds(分别对应最长尺寸、次长尺寸和最短尺寸)。
进一步地，步骤七中，所述再生骨料颗粒的球形度通过式(1)计算得到
Figure BDA0003456866070000021
其中，S为各再生骨料颗粒的球形度，S2为各再生骨料颗粒同体积球体的表面积(mm2)，S1为各再生骨料颗粒的表面积(mm2)；
所述再生骨料颗粒的粗糙度通过式(2)计算得到
Figure BDA0003456866070000031
其中，R为各再生骨料颗粒的粗糙度，V2为各再生骨料颗粒同表面积球体的体积(mm3)，V1为各再生骨料颗粒的体积(mm3)；
所述再生骨料颗粒的形状因子通过式(3)计算得到
Figure BDA0003456866070000032
其中，SF为各再生骨料颗粒的形状因子，DL为各再生骨料颗粒外接长方体的最长尺寸(mm)，Dm为各再生骨料颗粒外接长方体的次长尺寸(mm)，Ds为各再生骨料颗粒外接长方体的最短尺寸(mm)。
进一步地，步骤八中，通过式(4)计算各档不同粒径再生骨料的球形度、粗糙度、形状因子评价指标测试结果；
Figure BDA0003456866070000033
式(4)中，xi为第i档再生骨料形态特征评价指标(即S、R、或SF)的测试结果的平均值，xij为第i档第j颗再生骨料形态特征评价指标(即S、R、或SF)的测试结果，ni为第i档再生骨料测试的颗粒数量。
本发明相对于现有技术的有益效果为：本发明通过X-ray CT扫描设备获取建筑固废路用再生骨料相关尺寸参数，进而计算出路用再生骨料的球形度、粗糙度和形状因子指标，并以此评价建筑固废再生骨料的形态特征。本发明与传统游标卡尺法测量路用集料的针片状含量相比具有显著优势，一方面提高了再生骨料形态特征测试的效率，另一方面保证了再生骨料形态特征测试结果的准确性与可靠度。
本发明通过球形度、粗糙度和形状因子指标评价路用再生骨料的形态特征。一般而言，球形度反映的是再生骨料接近于球体的程度，其值介于0～1之间，其值越大表明集料与球体越相似；粗糙度表征了集料的棱角性，其值越大表明集料的棱角性越好；形状因子则可用于评价集料的轮廓形状，其值介于0～1之间，其值越小表明集料颗粒形状越接近于盘状，越大则越接近于立方状。本发明提供了一种建筑固体废弃物路用再生骨料形态特征的评价方法，为建筑固体废弃物在道路工程领域的高效再生利用提供参考。
附图说明
图1为紧密排列(互不接触)的路用再生骨料示意图；
图2为路用再生骨料切片示意图；
图3为路用再生骨料颗粒堆积体三维可视化模型图；
图4为单个路用再生骨料颗粒三维可视化模型图；
图5为单个路用再生骨料颗粒及其相关尺寸参数示意图。
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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种建筑固体废弃物路用再生骨料形态特征评价方法，包括如下步骤：
步骤1：将建筑固废路用再生骨料根据再生骨料的公称粒径大小进行细分档处理，粒径由小到达依次为4.75～9.5mm、9.5～13.2mm、13.2～16mm、16～19mm等。
本实施例中采用的再生骨料为建筑固废渣土洗砂余泥经拌和、粘结、固化、脱水、破碎等工艺后形成的类似天然石质骨料的固化土材料。
步骤2：对于各档建筑固废路用再生骨料，随机挑选适宜数量的再生骨料颗粒进行测试；具体地，采用四分法选择适宜数量的再生骨料进行测试，为提高测试效率，可借助密度较小的轻质粘土，将相同粒径范围的再生骨料颗粒紧密排列(不能接触)，如图1，后续同时一次完成扫描过程。
步骤3：采用X-ray CT设备对不同粒径的建筑固废路用再生骨料进行扫描；
本实施例中将准备好的多层再生骨料颗粒放入CT扫描设备舱体，舱门闭合后设置主要的工作参数，其中电压不超过200V(一般设置为180V)，电流不超过120μA(一般设置为100μA)。
步骤4：对CT扫描图像进行二值化处理，并输出全部的再生骨料切片图像；
本实施例中导出的再生骨料切片图像为bmp格式文件，其示意图如图2。
步骤5：将再生骨料的切片图像导入Mimics软件中，通过参数设置、方向定位、阈值分割等处理后，生成再生骨料的三维可视化模型；
本实施例中分辨率的设置应与CT设备保持一致，最终再生骨料的三维可视化模型，包括路用再生骨料堆积体以及单个路用再生骨料颗粒的三维可视化模型，分别如图3、图4。
步骤6：通过Mimics软件中3-matic模块内的Measure功能获取各再生骨料颗粒的体积、表面积、外接长方体等尺寸参数；
本实施例中所得的该再生骨料颗粒体的体积为716.7441mm3，表面积为473.3046mm2，外接长方体的长宽厚分别为14.2100mm、13.7505mm、10.4009mm，如图5。
步骤7：基于上述尺寸参数计算再生骨料的球形度、粗糙度、形状因子等形态特征评价指标。
本实施例中该再生骨料颗粒体的球形度、粗糙度、形状因子根据计算分别为0.818、1.351、0.744。
步骤8：将上述测试结果取平均值，以此作为各档再生骨料球形度、粗糙度、形状因子指标的最终结果。
本实施例中各档不同粒径再生骨料形态特征评价指标的测试结果如表1。
表1各档不同粒径再生骨料形态特征评价指标测试结果
骨料粒径(mm) 球形度S 粗糙度R 形状因子SF
16.0～19.0 0.748±0.048 1.559±0.185 0.735±0.113
13.2～16.0 0.753±0.045 1.542±0.142 0.696±0.111
9.5～13.2 0.754±0.052 1.545±0.198 0.678±0.117
4.75～9.5 0.774±0.034 1.474±0.100 0.737±0.104
实施例2：
本实施例与实施例1不同的是，步骤1中，再生骨料根据工程粒径大小进行粗分档处理，具体为5-10mm、10-15mm、10-20mm三档。其测试结果过如表2所示。
表2各档不同工程粒径再生骨料形态特征评价指标测试结果
骨料粒径(mm) 球形度S 粗糙度R 形状因子SF
5-10mm 0.806±0.038 1.389±0.100 0.722±0.112
10-15mm 0.764±0.042 1.505±0.130 0.745±0.081
10-20mm 0.739±0.056 1.593±0.183 0.771±0.099
实施例3：
本实施例与实施例1和2不同的是，步骤1中，再生骨料为建筑固废中废弃混凝凝土或废弃砖石破碎而来。

Claims (10)

1.一种建筑固体废弃物路用再生骨料形态特征评价方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一：将建筑固废路用再生骨料根据粒径大小进行分档处理；
步骤二：对于各档建筑固废路用再生骨料，随机挑选适宜数量的再生骨料颗粒；
步骤三：采用X-ray CT设备对不同粒径的建筑固废路用再生骨料进行扫描；
步骤四：对CT扫描图像进行二值化处理，并输出全部的再生骨料切片图像；
步骤五：将再生骨料切片图像导入Mimics软件中，通过参数设置、方向定位、阈值分割后，重构生成了再生骨料的三维可视化模型；
步骤六：通过Mimics软件中3-matic模块内的Measure功能获取每个再生骨料颗粒体的体积、表面积、外接长方体；
步骤七：基于上述尺寸参数计算再生骨料颗粒的球形度、粗糙度、形状因子形态特征评价指标；
步骤八：将上述测试结果取平均值，以此作为各档再生骨料球形度、粗糙度、形状因子指标的最终结果。
2.根据权利要求1所述的一种建筑固体废弃物路用再生骨料形态特征评价方法，其特征在于：步骤一中，所述建筑固废路用再生骨料由建筑废弃混凝土、废弃砖石或洗砂余泥固化土经过破碎分选工艺而来。
3.根据权利要求1所述的一种建筑固体废弃物路用再生骨料形态特征评价方法，其特征在于：步骤一中，所述分档处理按照公称粒径进行细分档处理。
4.根据权利要求1所述的一种建筑固体废弃物路用再生骨料形态特征评价方法，其特征在于：步骤一中，所述分档处理按照工程粒径进行粗分档处理。
5.根据权利要求1所述的一种建筑固体废弃物路用再生骨料形态特征评价方法，其特征在于：步骤二中，所述的再生骨料颗粒测试数量不少于60颗。
6.根据权利要求1所述的一种建筑固体废弃物路用再生骨料形态特征评价方法，其特征在于：步骤三中，所述CT扫描过程借助轻质软粘土进行。
7.根据权利要求1所述的一种建筑固体废弃物路用再生骨料形态特征评价方法，其特征在于：步骤四中，所述再生骨料切片图像为bmp格式文件。
8.根据权利要求1所述的一种建筑固体废弃物路用再生骨料形态特征评价方法，其特征在于：步骤五中，所述参数设置中分辨率值与X-ray CT扫描测试时的分辨率应该对应一致，以使Mimics中重构出的再生骨料模型尺寸与实际相一致；步骤六中，所述的尺寸参数分别为体积V1，表面积S1，外接长方体的长宽厚DL、Dm、Ds。
9.根据权利要求1所述的一种建筑固体废弃物路用再生骨料形态特征评价方法，其特征在于：步骤七中，所述再生骨料颗粒的球形度通过式(1)计算得到
Figure FDA0003456866060000021
其中，S为各再生骨料颗粒的球形度，S2为各再生骨料颗粒同体积球体的表面积，S1为各再生骨料颗粒的表面积；
所述再生骨料颗粒的粗糙度通过式(2)计算得到
Figure FDA0003456866060000022
其中，R为各再生骨料颗粒的粗糙度，V2为各再生骨料颗粒同表面积球体的体积，V1为各再生骨料颗粒的体积；
所述再生骨料颗粒的形状因子通过式(3)计算得到
Figure FDA0003456866060000023
其中，SF为各再生骨料颗粒的形状因子，DL为各再生骨料颗粒外接长方体的最长尺寸，Dm为各再生骨料颗粒外接长方体的次长尺寸，Ds为各再生骨料颗粒外接长方体的最短尺寸。
10.根据权利要求1所述的一种建筑固体废弃物路用再生骨料形态特征评价方法，其特征在于：步骤八中，通过式(4)计算各档不同粒径再生骨料的球形度、粗糙度、形状因子评价指标测试结果；
Figure FDA0003456866060000024
式(4)中，xi为第i档再生骨料形态特征评价指标的测试结果的平均值，xij为第i档第j颗再生骨料形态特征评价指标的测试结果，ni为第i档再生骨料测试的颗粒数量。
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