CN115598017B - 一种透水混凝土用粗骨料形态识别及骨架评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种透水混凝土用粗骨料形态识别及骨架评价方法，包括步骤：(1)利用工业CT对粗骨料进行扫描，获取粗骨料的各层图像数据进行存储；(2)将各层图像数据导入三维可视化软件中，计算粗骨料颗粒的三维模型；(3)从三维模型中，提取粗骨料的轮廓信息并计算粗骨料的球度，根据球度对粗骨料颗粒形态进行分类；(4)计算粗骨料颗粒的平均球度值，并拟合平均球度值与捣实堆积密度的关系，从而得到粗骨料间隙率与平均球度值的关系式；(5)对粗骨料进行贯入试验，获取在贯入深度0‑10mm内骨架所承受的最大贯入荷载，并拟合得到最大贯入荷载与平均球度值的关系式。本发明的方法能全面准确反映粗骨料形态，对骨架密实特性及强度特性进行评价。

Description

一种透水混凝土用粗骨料形态识别及骨架评价方法
技术领域
本发明涉及混凝土粗骨料技术领域，具体涉及一种透水混凝土用粗骨料形态识别及骨架评价方法。
背景技术
近年来，粗骨料作为道路铺装的重要材料，使用量越来越多，尤其在透水混凝土路面上，粗骨料用量占到80％以上。但是粗骨料颗粒形态不均匀，其形态差异会严重影响路面的使用性能，而且粗骨料颗粒形态选择不合理或者粗骨料级配不合理还会造成粗骨料骨架强度减弱，不仅造成了材料浪费，甚至还削弱了面层及路面结构的整体强度。
目前，对粗骨料颗粒形态识别及骨架评价还没有统一的规范，粗骨料颗粒形态识别主要是通过目测或基于二维图像获取颗粒轮廓信息进行粗骨料颗粒形状评价，如圆度指标。其中，目测法主要受到测试人的主观影响较大且误差也较大，而圆度指标评价也存在一定的瑕疵，不能详细的表征出粗骨料颗粒的全部特征，进而造成粗骨料颗粒形态选择不合理或者粗骨料级配不合理。因此，亟需一种能够更全面、准确地反映透水混凝土粗骨料形态的识别方法及骨架的评价方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种透水混凝土用粗骨料形态识别及骨架评价方法，能够更全面、准确地反映透水混凝土粗骨料形态，并对骨架特性进行评价。
本发明具体采用如下技术方案：
一种透水混凝土用粗骨料形态识别及骨架评价方法，包括如下步骤：
(1)取粗骨料清洗干净并烘干备用，利用工业CT对清洗烘干后的粗骨料进行扫描，获取粗骨料颗粒的各层图像数据，并进行存储；
(2)将存储的粗骨料颗粒的各层图像数据导入三维可视化软件中，对图像进行预处理，并计算得出粗骨料颗粒的三维模型；
(3)从所得到的粗骨料颗粒的三维模型中，提取所测粗骨料颗粒的轮廓信息及骨料体积，并计算每个粗骨料颗粒的球度值并根据球度值对粗骨料颗粒形态进行分类，得到不同类型的粗骨料；
(4)计算粗骨料颗粒的平均球度值，并拟合粗骨料颗粒的平均球度值与粗骨料捣实堆积密度的关系，从而得到粗骨料间隙率与粗骨料平均球度值的关系式，进而通过粗骨料间隙率评价骨架的密实特性；
(5)对粗骨料进行贯入试验，获取在贯入深度0-10mm内骨架所承受的最大贯入荷载，并拟合得到粗骨料的最大贯入荷载与粗骨料的平均球度值的关系式，进而通过最大贯入荷载评价骨架的强度特性。
进一步地，所述步骤(3)中粗骨料颗粒的轮廓信息包括粗骨料的长轴、粗骨料的中轴及粗骨料的短轴，根据粗骨料颗粒的轮廓信息计算粗骨料的球度S，公式如下：
其中，L为粗骨料的长轴，W为粗骨料的中轴，T为粗骨料的短轴。
进一步地，所述步骤(3)中通过球度对粗骨料颗粒形态进行分类的具体方法为：
当0.3≤S＜0.6时，粗骨料为针片状型粗骨料；
当0.6≤S＜0.8范围时，粗骨料为棱角丰富型粗骨料；
当0.8≤S≤0.95范围时，粗骨料为圆滑型粗骨料。
进一步地，所述步骤(4)中粗骨料颗粒的平均球度值采用体积加权方式计算，公式如下：
其中，Si为粗骨料颗粒中的第i个骨料的球度；n为粗骨料颗粒的总颗粒数量；Vi为粗骨料颗粒中第i个骨料的体积。
进一步地，所述步骤(4)中粗骨料间隙率VCA的计算公式为：
其中，为粗骨料颗粒的平均球度值，ρ表观为表观密度。
进一步地，所述步骤(5)中粗骨料的最大贯入荷载F的计算公式为：
其中，为粗骨料颗粒的平均球度值。
本发明的有益效果为：
(1)本发明利用工业CT对粗骨料进行扫描及三维模型重建，在相同的实验时间里，本发明的方法可以完成多种骨料颗粒的数据采集、处理，能够快速地从三维角度获取粗骨料颗粒的真实数据，从而能够更全面、更完整、更精确地进行测量与分类，保证粗骨料颗粒形态选择的合理性及骨架强度计算准确性；
(2)本发明根据粗骨料颗粒形态三维指标球度值对粗骨料颗粒进行分类，并研究了粗骨料颗粒的球度与骨料间隙率及最大贯入荷载之间的关系，从而获取不同种类的粗骨料颗粒的密实特性及骨架强度特性，能为混凝土级配提供初步参考，有助于指导和优化透水混凝土骨料级配设计。
附图说明
图1为本发明实施例的粗骨料颗粒经CT扫描后重构的粗骨料三维模型；
图2为本发明实施例中经CT扫描的粗骨料颗粒的球度指标概率分布图；
图3为本发明实施例中根据球度对粗骨料颗粒形态进行分类的图片；
图4为本发明中实施例中平均球度值与骨料堆积密度的相关关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
本实施例提供一种透水混凝土用粗骨料形态识别及骨架评价方法，包括如下步骤：
(1)取4.75-9.5mm的玄武岩碎石清洗干净并烘干备用，利用工业CT对清洗烘干后的粗骨料进行扫描，获取粗骨料颗粒的各层图像数据，并将CT扫描后的各层图像数据以DICOM格式存储；
在上述步骤(1)中，需要注意将粗骨料放入工业CT中时，保证粗骨料之间分散不聚集，可分多次放入。
(2)将步骤(1)存储的DICOM数据导入到AVIZO软件中，首先对图像进行预处理，然后利用Volume Rendering指令计算得出粗骨料颗粒的三维模型，部分粗骨料颗粒的三维模型如图1所示。
(3)利用AVIZO软件对所得到的粗骨料颗粒的三维模型进行图像分析与处理，提取所测粗骨料颗粒的三维轮廓信息，并计算用于表征粗骨料形态的参数，即球度，并根据球度对粗骨料颗粒形态进行分类；
具体地，上述步骤(3)中获取的粗骨料颗粒的三维轮廓信息包括粗骨料的长轴L、粗骨料的中轴W及粗骨料的短轴T，然后根据如下公式计算粗骨料的球度S：
从而得到玄武岩碎石粗骨料试样的球度，该粗骨料试样的球度值分布概率如图2所示，能够从三维空间层面反映出粗骨料颗粒的真实情况，然后根据球度值对粗骨料颗粒进行分类，完成分类的粗骨料颗粒如图3所示，具体为：
当0.3≤S＜0.6时，粗骨料为针片状型粗骨料；
当0.6≤S＜0.8范围时，粗骨料为棱角丰富型粗骨料；
当0.8≤S≤0.95范围时，粗骨料为圆滑型粗骨料。
(4)按照步骤(3)中的分类方法对粗骨料进行分类，分别计算针片状型、棱角丰富型、圆滑型的粗骨料颗粒的平均球度值，利用粗骨料颗粒的平均球度值与粗骨料堆积密度的关系，获取不同类型的粗骨料间隙率用于评价骨架密实特性。
具体地，上述步骤(4)中不同类型的粗骨料颗粒的平均球度值采用体积加权方式计算，公式如下：
其中，Si—某一类型的粗骨料颗粒中的第i个骨料的球度；n—某一类型的粗骨料颗粒的总颗粒数量；Vi—某一类型的总粗骨料颗粒中第i个骨料的体积，每个骨料的体积可通过CT数据直接得到；
通过上述计算公式得到针片状型粗骨料的平均球度值为0.443，棱角丰富型粗骨料的平均球度值为0.718，圆滑型粗骨料的平均球度值为0.837。
通过得到的不同粗骨料形状的平均球度值以及通过对该不同平均球度值的粗骨料进行捣实试验得出其捣实堆积密度，进而通过origin软件得到平均球度值与捣实堆积密度的相关关系，如图4所示，并进一步依据粗骨料表观密度ρ表观计算得到捣实状态粗骨料间隙率VCA，从而确定粗骨料颗粒的平均球度值与粗骨料捣实状态的间隙率VCA的关系式如下：
上述表观密度是指材料的质量与表观体积之比，即材料在自然状态下，单位体积的干质量，通过计算，本实施例中不同类型的粗骨料的表观密度均约等于2.802g/cm3。
则，上述三种类型的粗骨料间隙率分别为：
针片状型：
棱角丰富型：
圆滑型：
通过上述间隙率计算结果，可以看出：圆滑型粗骨料的密实性最优，棱角丰富型粗骨料的密实性次之，针片状型粗骨料的密实性最差。通过对不同类型的粗骨料的密实性进行研究，可以为混凝土级配提供参考。
在实际混凝土级配过程中，通常为多种不同类型的粗骨料按比例进行混合，因此，在了解不同类型的粗骨料的密实性基础上，可预先根据需求选择合适类型的粗骨料进行级配，然后再计算不同类型的粗骨料混合后的间隙率，上述间隙率计算公式也适用于混合粗骨料的间隙率计算。具体到本实施例，本实施例所取的玄武岩碎石总颗粒的平均球度值为：
上式中，m为粗骨料颗粒的总数量，Sj为总粗骨料颗粒中的第j个骨料的球度；Vj为总粗骨料颗粒中第j个骨料的体积。
进而根据公式(3)得到本实施例所取的玄武岩碎石总颗粒在捣实状态下的间隙率为38.8％。
另外，对上述混合的粗骨料进行捣实试验得出其捣实堆积密度为1.715g/cm3，并从图4中可以得到拟合堆积密度为1.721g/cm3，两者误差不足0.5％，也进一步验证了本发明所拟合得到的平均球度值与堆积密度的相关关系的准确性，从而保证了粗骨料捣实状态下的间隙率计算公式的准确性。
(5)对粗骨料进行贯入试验，获取在贯入深度0-10mm内骨架所承受的最大贯入荷载，并拟合得到粗骨料的最大贯入荷载与粗骨料的平均球度值的关系式，进而通过最大贯入荷载评价骨架的强度特性。
具体地，上述步骤(5)中，不同的粗骨料形态有不同的球度值，且具有不同的骨架强度，骨架强度由骨架所承受的最大贯入荷载计算得到，详细步骤：贯入试验是在干粗骨料上面放一个圆柱体贯入压头(贯入试验的压头为圆形，直径为42mm)，利用万能压力机压在圆柱体贯入压头上，并使圆柱体贯入压头按照设定的位移速度逐渐压入到骨料内部，同时运用压力机的记录系统将圆柱体压头贯入到骨料内部所需的荷载大小与贯入深度记录下来，绘出贯入试验的曲线，从而得出不同球度值的粗骨料所对应的最大贯入荷载。其不同球度值情况下的0-10mm深度的贯入荷载如下表1所示。
表1
该最大贯入荷载是通过贯入试验分析得出的在贯入深度0～10mm内不同球度值的骨料骨架所承受的最大贯入荷载，通过origin软件将不同类型的粗骨料颗粒的最大贯入荷载与平均球度值进行拟合得出最大贯入荷载与平均球度值的关系，即：
通过上述最大贯入荷载即可评价不同球度值的粗骨料的骨架强度，骨料骨架所承受的最大贯入荷载越大，说明其骨架强度越大。
本实施例中，三种不同类型的粗骨料的最大贯入荷载F分别为：
针片状型：F1＝-68.13×0.4432+85.82×0.443-21＝3.91kN；
棱角丰富型：F2＝-68.13×0.7182+85.82×0.718-21＝5.5kN；
圆滑型：F3＝-68.13×0.8372+85.82×0.837-21＝3.1kN。
通过上述最大贯入荷载的计算结果，可以看出：棱角丰富型粗骨料的骨架强度最优，针片状型粗骨料的骨架强度次之，圆滑型粗骨料的骨架强度最差，可以为透水混凝土级配提供初步参考。
另外，在实际透水混凝土级配过程中，通常为多种不同类型的粗骨料按比例进行混合，因此，在了解不同类型的粗骨料的骨架强度基础上，可预先根据需求选择合适类型的粗骨料进行级配，然后再计算不同类型的粗骨料混合后的最大贯入荷载，上述最大贯入荷载计算公式也适用于混合粗骨料的最大贯入荷载计算。具体到本实施例，对本实施例所取的玄武岩碎石混合试样进行贯入试验，得到其实际最大贯入荷载为5.42kN。
另外，本实施例所取的玄武岩碎石混合后在步骤(4)中所计算得到的平均球度值为0.732，将该平均球度值代入上述公式(4)中，得到拟合最大贯入荷载为5.31kN，两者误差仅为1.66％，也进一步说明了本发明公式(4)的准确性。
本实施例中，通过计算粗骨料的球度，能够对骨料形态进行识别，并对不同类型的骨料形态进行分类；另外，通过计算不同类型的粗骨料的间隙率及不同类型的粗骨料的最大贯入荷载，能够对骨架的密实特性及强度进行评价，从而指导透水混凝土骨料级配设计。
在实际混凝土骨料级配过程中，可直接取部分粗骨料试样采用CT扫描获取骨料形态数据，并利用所获取的骨料形态数据计算粗骨料的球度值、不同类型的粗骨料的平均球度值对粗骨料试样进行分类，并计算不同类型的粗骨料在捣实状态的间隙率及不同类型的粗骨料的最大贯入荷载，进而评价不同类型的骨架的密实特性及强度特性，为透水混凝土骨料级配提供初步参考；然后对初步级配设计的混合粗骨料试样进行CT扫描获取骨料形态数据，并利用所获取的骨料形态数据计算混合粗骨料的平均球度值，进而计算得到混合粗骨料在捣实状态的间隙率及混合粗骨料的最大贯入荷载，进而评价该级配设计的骨架的密实特性及强度特性，并根据需求进行调整。
需要说明的是，本申请中未述及的部分可通过现有技术实现。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种透水混凝土用粗骨料形态识别及骨架评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)取粗骨料清洗干净并烘干备用，利用工业CT对清洗烘干后的粗骨料进行扫描，获取粗骨料颗粒的各层图像数据，并进行存储；
(2)将存储的粗骨料颗粒的各层图像数据导入三维可视化软件中，对图像进行预处理，并计算得出粗骨料颗粒的三维模型；
(3)从所得到的粗骨料颗粒的三维模型中，提取所测粗骨料颗粒的轮廓信息及骨料体积，并计算每个粗骨料颗粒的球度值并根据球度值对粗骨料颗粒形态进行分类；
(4)计算粗骨料颗粒的平均球度值，并拟合粗骨料颗粒的平均球度值与粗骨料捣实堆积密度的关系，从而得到粗骨料间隙率与粗骨料平均球度值的关系式，通过粗骨料间隙率评价骨架的密实特性；
(5)对粗骨料进行贯入试验，获取在贯入深度0-10mm内骨架所承受的最大贯入荷载，并拟合得到粗骨料的最大贯入荷载与粗骨料的平均球度值的关系式，通过最大贯入荷载评价骨架的强度特性。
2.根据权利要求1所述的一种透水混凝土用粗骨料形态识别及骨架评价方法，其特征在于，所述步骤(3)中粗骨料颗粒的轮廓信息包括粗骨料的长轴、粗骨料的中轴及粗骨料的短轴，根据粗骨料颗粒的轮廓信息计算粗骨料的球度S，公式如下：
其中，L为粗骨料的长轴，W为粗骨料的中轴，T为粗骨料的短轴。
3.根据权利要求1所述的一种透水混凝土用粗骨料形态识别及骨架评价方法，其特征在于，所述步骤(3)中通过球度对粗骨料颗粒形态进行分类的具体方法为：
当0.3≤S＜0.6时，粗骨料为针片状型粗骨料；
当0.6≤S＜0.8范围时，粗骨料为棱角丰富型粗骨料；
当0.8≤S≤0.95范围时，粗骨料为圆滑型粗骨料。
4.根据权利要求1所述的一种透水混凝土用粗骨料形态识别及骨架评价方法，其特征在于，所述步骤(4)中粗骨料颗粒的平均球度值采用体积加权方式计算，公式如下：
其中，Si为粗骨料颗粒中的第i个骨料的球度；n为粗骨料颗粒的总颗粒数量；Vi为粗骨料颗粒中第i个骨料的体积。
5.根据权利要求4所述的一种透水混凝土用粗骨料形态识别及骨架评价方法，其特征在于，所述步骤(4)中粗骨料间隙率VCA的计算公式为：
其中，为粗骨料颗粒的平均球度值，ρ表观为表观密度。
6.根据权利要求1所述的一种透水混凝土用粗骨料形态识别及骨架评价方法，其特征在于，所述步骤(5)中粗骨料为玄武岩碎石时，其最大贯入荷载F的计算公式为：
其中，为粗骨料颗粒的平均球度值。
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