JP5992188B2 - Extraction method of coal ash particles, and estimation method and production method of constituent phase ratio of cement using the extraction method - Google Patents
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Description
この発明は、反射電子像から石炭灰粒子を抽出する方法、並びにセメントの構成相比率の推定方法および製造方法に関する。 The present invention relates to a method for extracting coal ash particles from a reflected electron image, a method for estimating a constituent phase ratio of cement, and a manufacturing method.
現在、石炭灰を含む複数種類の粒子を含有するセメントの構成相比率の推定は、「セメント協会標準試験方法Ｉ−６０−１９８２ 普通ポルトランドセメント中の高炉スラグ、シリカ質混合材、フライアッシュ及び石灰石の含有率の推定方法」、ＸＲＤ／Ｒｉｅｔｖｅｌｄ法、選択溶解法等により行われている。しかしながら、これらの方法では、測定者の熟練度が推定結果に影響を与えるため、測定者の熟練度に影響されることなく、各構成相を分離・定量することができる構成相比率の推定方法が望まれている。 At present, the estimation of the constituent phase ratio of cement containing multiple types of particles including coal ash is “Cement Association Standard Test Method I-60-1982 Blast Furnace Slag, Siliceous Mixture, Fly Ash and Limestone in Normal Portland Cement” The estimation method of the content ratio ", XRD / Rietveld method, selective dissolution method and the like. However, in these methods, since the level of proficiency of the measurer affects the estimation result, the method of estimating the constituent phase ratio that can separate and quantify each constituent phase without being affected by the measurer's proficiency level Is desired.
非特許文献１には、電子顕微鏡によってセメント試料の反射電子像をグレイレベル画像として取得し、当該グレイレベル画像中の各粒子の輝度値が粒子の構成相に依存してそれぞれ異なることを利用して、セメントの構成相比率を推定する方法が記載されている。詳細には、反射電子像中の各画素をその輝度値に基づいて各構成相のいずれかに分類し、各構成相に分類された画素数をそれぞれカウントすることによって、セメントの構成相比率を推定する。この方法では、測定者の熟練度が推定結果に影響を与えることなく、各構成相を分離・定量することができる。 Non-Patent Document 1 utilizes the fact that a reflected electron image of a cement sample is obtained as a gray level image by an electron microscope, and that the luminance value of each particle in the gray level image differs depending on the constituent phase of the particle. A method for estimating the constituent phase ratio of cement is described. Specifically, each pixel in the backscattered electron image is classified into one of the constituent phases based on its luminance value, and the number of pixels classified into each constituent phase is counted, thereby determining the constituent phase ratio of the cement. presume. In this method, each constituent phase can be separated and quantified without the skill level of the measurer affecting the estimation result.
しかしながら、非特許文献１に記載されている方法では、反射電子像を取得するための試料調製の際に試料表面が損傷すると、損傷部分の輝度値が本来の値から変化してしまい、反射電子像中の各画素を輝度値に基づいて各構成相に分類する際に、損傷部分の画素が当該領域における本来の構成相とは異なる構成相に分類されてしまう場合がある。これは言うなれば反射電子像中に混入したノイズであり、上記画素数のカウント処理に影響を及ぼすため、試料の構成相比率の推定精度が低下する原因となる。また、試料中に石炭灰以外にも石膏やカルサイトが含まれる場合、反射電子像中におけるこれらの輝度値はほぼ等しいため、輝度値に基づいてこれらを分離・定量することはできない。 However, in the method described in Non-Patent Document 1, when the sample surface is damaged during the preparation of the sample for acquiring the reflected electron image, the luminance value of the damaged part changes from the original value, and the reflected electron When each pixel in the image is classified into each constituent phase based on the luminance value, the damaged part of the pixel may be classified into a constituent phase different from the original constituent phase in the region. In other words, this is noise mixed in the reflected electron image, which affects the count processing of the number of pixels and causes a decrease in the estimation accuracy of the constituent phase ratio of the sample. Further, when gypsum and calcite are contained in the sample other than coal ash, these luminance values in the reflected electron image are almost equal, and therefore, they cannot be separated and quantified based on the luminance value.
この発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、石炭灰を含む複数種類の粒子を含有する試料の反射電子像から石炭灰粒子を抽出する方法であって、反射電子像中の各画素の輝度値のみに基づくことなく、石炭灰粒子を分離・定量することができる方法を提供することを目的とする。また、この発明は、当該抽出方法を使用して石炭灰を含む複数種類の粒子を含有するセメントの構成相比率を推定する方法、および当該推定方法を使用するセメントの製造方法を提供することも目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and is a method for extracting coal ash particles from a reflected electron image of a sample containing a plurality of types of particles including coal ash, and the reflected electron image An object of the present invention is to provide a method capable of separating and quantifying coal ash particles without being based only on the luminance value of each pixel therein. The present invention also provides a method for estimating the constituent phase ratio of a cement containing a plurality of types of particles containing coal ash using the extraction method, and a method for producing a cement using the estimation method. Objective.
上記の課題を解決するために、この発明に係る石炭灰を含む複数種類の粒子を含有する試料の反射電子像から石炭灰粒子を抽出する方法では、反射電子像中の各粒子の形状に基づいて石炭灰粒子を抽出し、当該各粒子の形状として、粒子の内部の空隙の有無、並びに当該空隙の大きさおよび円形度を考慮することを特徴とする。 In order to solve the above problems, in the method of extracting coal ash particles from a reflected electron image of a sample containing a plurality of types of particles containing coal ash according to the present invention, the method is based on the shape of each particle in the reflected electron image. Then, coal ash particles are extracted, and the shape of each particle takes into account the presence or absence of voids inside the particles, the size of the voids, and the circularity .
各粒子の形状として、粒子の外形の大きさおよび円形度を考慮してもよい。 As the shape of each particle, the size of the outer shape of the particle and the circularity may be considered.
また、この発明に係る石炭灰を含む複数種類の粒子を含有する試料の反射電子像から石炭灰粒子を抽出する方法では、反射電子像中の各粒子について、当該粒子の外形の大きさおよび円形度に基づいて第１の粒子群を抽出すると共に、当該粒子の内部の空隙の有無、並びに空隙の大きさおよび円形度に基づいて第２の粒子群を抽出し、第１、第２の粒子群を併合することによって、石炭灰粒子を抽出することを特徴とする。
好適には、反射電子像中の各粒子について、外形の大きさが０−１．３μｍの範囲内であり、かつ外形の円形度が０．９０−１．００の範囲内である粒子、および外形の大きさが１．３−１３μｍの範囲内であり、かつ外形の円形度が０．８０−１．００の範囲内である粒子、および外形の大きさが１３−１３０μｍの範囲内であり、かつ外形の円形度が０．７５−１．００の範囲内である粒子、および外形の大きさが１３０−１３００μｍの範囲内であり、かつ外形の円形度が０．７０−１．００の範囲内である粒子、および外形の大きさが１３００μｍ以上であり、かつ外形の円形度が０．６５−１．００の範囲内である粒子を第１の粒子群として抽出し、空隙の大きさが３μｍ以上であり、かつ空隙の円形度が０．８５−１．００の範囲内である粒子を第２の粒子群として抽出する。
Further, in the method for extracting coal ash particles from a reflected electron image of a sample containing a plurality of types of particles containing coal ash according to the present invention, for each particle in the reflected electron image, the size and the circular shape of the particle. The first particle group is extracted based on the degree, the second particle group is extracted based on the presence / absence of voids inside the particle, the size and circularity of the voids, and the first and second particles The coal ash particles are extracted by merging groups.
Preferably, for each particle in the backscattered electron image, a particle whose outer size is in the range of 0-1.3 μm and whose outer circularity is in the range of 0.90-1.00, and Particles whose outer size is in the range of 1.3-13 μm and whose circularity is in the range of 0.80-1.00, and whose outer size is in the range of 13-130 μm And the circularity of the outer shape is in the range of 0.75-1.00, and the size of the outer shape is in the range of 130-1300 μm, and the circularity of the outer shape is 0.70-1.00. Particles within the range and particles whose outer shape is 1300 μm or more and whose outer circularity is in the range of 0.65-1.00 are extracted as the first particle group, and the size of the voids Is 3 μm or more, and the circularity of the gap is in the range of 0.85-1.00 Extracting a certain particle as the second particle group.
また、上記抽出方法を使用して、石炭灰を含む複数種類の粒子を含有するセメントの構成相比率を推定することができる。 Moreover, the constituent phase ratio of the cement containing a plurality of types of particles including coal ash can be estimated using the above extraction method.
また、上記推定方法を使用して、混合材の添加率を調整するセメントの製造方法を得ることができる。 Moreover, the manufacturing method of the cement which adjusts the addition rate of a mixed material can be obtained using the said estimation method.
この発明に係る石炭灰を含む複数種類の粒子を含有する試料の反射電子像から石炭灰粒子を抽出する方法によれば、反射電子像中の各画素の輝度値のみに基づくことなく、粒子の形状に基づいて、石炭灰粒子を正確に分離・定量することができる。また、当該抽出方法を使用して、石炭灰を含む複数種類の粒子を含有するセメントの構成相比率を推定することができる。また、当該推定方法を使用して、混合材の添加率を調整するセメントの製造方法を得ることができる。 According to the method for extracting coal ash particles from a reflected electron image of a sample containing a plurality of types of particles containing coal ash according to the present invention, the particle suffices without being based only on the luminance value of each pixel in the reflected electron image. Based on the shape, coal ash particles can be accurately separated and quantified. Moreover, the constituent phase ratio of the cement containing a plurality of types of particles including coal ash can be estimated using the extraction method. Moreover, the manufacturing method of the cement which adjusts the addition rate of a mixed material can be obtained using the said estimation method.
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係る石炭灰粒子の抽出方法を使用してセメントの構成相比率を推定する方法について詳細に説明する。なお、以降の説明では、具体的にするために、石炭灰とＮクリンカの２種類の粒子を含有するセメント試料の構成相比率を推定する場合を例にとって説明するが、この発明はこのような実施例に限定されるものではなく、その他の種類の粒子を含有する試料に対しても適用することができる。
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, a method for estimating the constituent phase ratio of cement using the method for extracting coal ash particles according to Embodiment 1 of the present invention will be described in detail. In the following description, in order to be specific, a case where the constituent phase ratio of a cement sample containing two kinds of particles of coal ash and N clinker is estimated will be described as an example. The present invention is not limited to the examples, and can be applied to a sample containing other types of particles.
［試料の調製］
まず、石炭灰とＮクリンカの２種類の粒子を含有するセメント試料と所定の樹脂とを混合し、硬化した試験片を作成する。樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、アクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、メタクリル系樹脂等が挙げられ、当該樹脂の硬化に際して低収縮であり、ひび割れの生じないものが好ましい。樹脂の混合割合は、特に限定されるものではないが、試料に対して重量比で０．８〜４．０とするのが好ましい。この範囲であれば、複数の粒子が接触することなく分散し、かつ次に述べる研磨実施後に多くの粒子の切断面を取得することができる。
[Sample preparation]
First, a cement sample containing two kinds of particles of coal ash and N clinker and a predetermined resin are mixed to prepare a cured test piece. Examples of the resin include an epoxy resin, an acrylic resin, a polyester resin, and a methacrylic resin. A resin that has low shrinkage and does not crack when the resin is cured is preferable. The mixing ratio of the resin is not particularly limited, but is preferably 0.8 to 4.0 by weight with respect to the sample. If it is this range, a some particle | grain will disperse | distribute without contacting, and the cut surface of many particles | grains can be acquired after implementation of grinding | polishing described below.
次に、硬化した試験片の撮像面を研磨する。像面に凹凸ができていたり、あるいは粒子の切断面が十分に現れていなかったりすると、粒子の粒径、形状等の測定を正確に行うことができず、後述する画像解析の精度が低下してしまう。試験片の撮像面の研磨方法は、特に限定されるものではなく、通常使用される研磨装置によって行えばよい。また、研磨工程において使用可能な研磨材としては、シリコンカーバイト研磨材、ボロンカーバイト研磨材、ダイヤモンドペースト、アルミナ粉末等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。さらに、研磨材として粒径０．３〜３．０μｍのアルミナ粉末等を用いたバフ研磨加工を施すのが好ましく、さらに、アルゴンイオンビームを用いたクロスセクションポリッシャによる研磨を施すのが像面に凹凸が少なく好ましい。 Next, the imaging surface of the cured test piece is polished. If the image surface is uneven or the cut surface of the particles does not appear sufficiently, the particle size, shape, etc. of the particles cannot be measured accurately, and the accuracy of image analysis described later will be reduced. End up. The method for polishing the imaging surface of the test piece is not particularly limited, and may be performed by a commonly used polishing apparatus. Examples of the abrasive that can be used in the polishing process include, but are not limited to, silicon carbide abrasive, boron carbide abrasive, diamond paste, alumina powder, and the like. Further, it is preferable to perform buffing using an alumina powder having a particle size of 0.3 to 3.0 μm as an abrasive, and further, polishing with a cross section polisher using an argon ion beam is applied to the image plane. Less unevenness is preferable.
次に、撮像面を研磨した試験片の表面に蒸着膜を形成し、試験片に導電性を付与する。次に述べる電子顕微鏡による反射電子像の取得に際しては、試験片に電子線を照射することになるが、試料および樹脂は導電性を有していないため、試験片に蒸着膜を形成せずに反射電子像を取得しようとすると試験片の表面が帯電し、正確な反射電子像を取得することができない。そこで、試験片の表面に導電性を有する蒸着膜を形成することによって、正確な反射電子像を取得することが可能となる。上記蒸着膜としては、試験片の表面に導電性を付与できるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、炭素、白金パラジウム、金等が挙げられる。また、蒸着膜を形成する方法は、特に限定されるものではなく、従来公知の方法により行うことができる。 Next, a vapor deposition film is formed on the surface of the test piece whose imaging surface has been polished, and conductivity is imparted to the test piece. When acquiring a backscattered electron image by the electron microscope described below, the test piece is irradiated with an electron beam. However, since the sample and the resin do not have conductivity, a vapor deposition film is not formed on the test piece. If an attempt is made to acquire a reflected electron image, the surface of the test piece is charged and an accurate reflected electron image cannot be acquired. Therefore, an accurate backscattered electron image can be obtained by forming a vapor-deposited film having conductivity on the surface of the test piece. Although it will not specifically limit as said vapor deposition film if electroconductivity can be provided to the surface of a test piece, For example, carbon, platinum palladium, gold | metal | money etc. are mentioned. Moreover, the method of forming a vapor deposition film is not specifically limited, It can carry out by a conventionally well-known method.
［反射電子像の取得］
上記のようにして調製された試験片を電子顕微鏡によって観察し、試験片の反射電子像（ＢＳＥ）を取得する。反射電子像は図１に示されるようなグレイレベル画像として取得され、グレイレベル画像中の各画素は当該領域を構成する元素の平均原子番号が大きいほど高い輝度値を有し、明るく表示される。なお、電子顕微鏡としては、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）等を用いることができる。
[Acquisition of reflected electron image]
The test piece prepared as described above is observed with an electron microscope, and a reflected electron image (BSE) of the test piece is obtained. The backscattered electron image is acquired as a gray level image as shown in FIG. 1, and each pixel in the gray level image has a higher luminance value and becomes brighter as the average atomic number of the elements constituting the region increases. . In addition, as an electron microscope, a scanning electron microscope (SEM), an electron beam microanalyzer (EPMA), etc. can be used.
反射電子像を取得する際には、加速電圧を１０〜１５ｋｅＶ程度、照射電流を２００〜２，０００ｐＡ程度、観察倍率を２５０〜２，０００倍程度に設定するのが好ましい。この範囲であれば、解像度の高い反射電子像を取得することができる。 When acquiring a reflected electron image, it is preferable to set the acceleration voltage to about 10 to 15 keV, the irradiation current to about 200 to 2,000 pA, and the observation magnification to about 250 to 2,000 times. Within this range, a reflected electron image with high resolution can be acquired.
［画像の解析］
電子顕微鏡によって取得された反射電子像に対して画像処理を施すことによって、反射電子像中から石炭灰粒子とＮクリンカ粒子を抽出し、セメント試料の構成相比率を推定する。この際、石炭灰粒子の抽出には、主に以下の２つの形態的特徴を利用する。
１．外形が円形の粒子は石炭灰粒子である。
２．外形が円形でなくても内部に円形の空隙を有する粒子は石炭灰粒子である。
以下、この画像処理の詳細について、図２に示されるフローチャートを参照して説明する。
[Image analysis]
By applying image processing to the reflected electron image acquired by the electron microscope, coal ash particles and N clinker particles are extracted from the reflected electron image, and the constituent phase ratio of the cement sample is estimated. At this time, the following two morphological features are mainly used for extraction of coal ash particles.
1. Particles with a circular outer shape are coal ash particles.
2. Even if the outer shape is not circular, particles having a circular void inside are coal ash particles.
The details of this image processing will be described below with reference to the flowchart shown in FIG.
ステップＳ１において、図３に示されるような反射電子像中の輝度値のヒストグラムを作成し、当該ヒストグラムに基づいて、反射電子像中において粒子領域（石炭灰、Ｎクリンカ）とそれ以外の領域（樹脂部および不明瞭部）とを分離することのできる閾値Ｔｈを決定する。 In step S1, a histogram of luminance values in the reflected electron image as shown in FIG. 3 is created, and based on the histogram, the particle region (coal ash, N clinker) and other regions ( A threshold value Th that can separate the resin portion and the unclear portion) is determined.
ステップＳ２において、反射電子像に対して上記閾値Ｔｈを用いて２値化処理を行い、図４にその一部が示されるような粒子領域のみを抽出した２値画像を作成する。 In step S2, binarization processing is performed on the reflected electron image using the threshold value Th, and a binary image in which only a particle region whose part is shown in FIG. 4 is extracted is created.
ステップＳ３において、上記２値画像に対して穴埋め処理を行い、図５にその一部が示されるような粒子画像を作成する。図５を参照すると、粒子画像では、粒子内の空隙に相当する閉領域が埋められている。 In step S3, a hole filling process is performed on the binary image to create a particle image partially shown in FIG. Referring to FIG. 5, in the particle image, a closed region corresponding to a void in the particle is filled.
ステップＳ４において、「１．外形が円形の粒子は石炭灰粒子である」という特徴を利用して、粒子画像中から粒子の外形の大きさおよび円形度に基づいて、外形が円形の石炭灰粒子を抽出する。詳細には、まず、粒子画像中の各粒子について、その外形の大きさ（直径）および以下の式によって定義される円形度を算出する。 In step S4, a coal ash particle having a circular outer shape is utilized on the basis of the size and circularity of the particle shape from the particle image using the feature that “1. The particles having a circular outer shape are coal ash particles”. To extract. Specifically, first, for each particle in the particle image, the size (diameter) of the outer shape and the circularity defined by the following equation are calculated.
円形度＝４π（画素数／周囲長２） Circularity = 4π (number of pixels / perimeter 2 )
そして、算出された大きさと円形度が表１に示される閾値の範囲内にある粒子を抽出する。図６は、このようにして抽出された外形が円形の石炭灰粒子のみを示した図である。なお、表１では、粒子の大きさ（直径）に応じて各閾値の範囲が定められているが、各閾値の範囲はこれらに限定されるものではなく、石炭灰の産出元あるいはロットに応じて適宜調整して設定することが好ましい。 Then, particles having the calculated size and circularity within the threshold range shown in Table 1 are extracted. FIG. 6 is a diagram showing only coal ash particles having a circular outer shape extracted in this way. In Table 1, the range of each threshold is determined according to the size (diameter) of the particle, but the range of each threshold is not limited to these, and depends on the coal ash producer or lot. It is preferable to adjust and set appropriately.
ステップＳ５において、「２．外形が円形でなくても内部に円形の空隙を有する粒子は石炭灰粒子である」という特徴を利用して、粒子画像中から粒子の内部の空隙の有無、並びに当該空隙の大きさおよび円形度に基づいて、内部に円形の空隙を有する石炭灰粒子を抽出する。詳細には、粒子画像と２値画像との間で排他的論理和をとることによって、図７にその一部が示されるような粒子内の空隙のみを抽出した画像を作成し、当該画像中から大きさ（直径）が３μｍ以上かつ円形度が０．８５〜１．０の範囲内にある空隙のみを抽出する。そして、これらの抽出された空隙の位置に存在する粒子を粒子画像中から抽出する。図８は、このようにして抽出された内部に円形の空隙を有する石炭灰粒子のみを示した図である。なお、本ステップにおいて、空隙の大きさ（直径）および円形度の閾値を定めているが、閾値の値はこれらに限定されるものではなく、石炭灰の産出元あるいはロットに応じて適宜調整して設定することが好ましい。 In step S5, using the feature that “2. particles having a circular void inside even if the outer shape is not circular is a coal ash particle”, the presence or absence of voids inside the particle from the particle image, and Based on the size and circularity of the void, coal ash particles having a circular void inside are extracted. Specifically, by taking an exclusive OR between the particle image and the binary image, an image in which only the voids in the particle are extracted as shown in FIG. 7 is created. Only the voids having a size (diameter) of 3 μm or more and a circularity in the range of 0.85 to 1.0 are extracted. And the particle | grains which exist in the position of these extracted space | gap are extracted from a particle image. FIG. 8 is a diagram showing only coal ash particles having a circular void inside extracted as described above. In this step, the gap size (diameter) and circularity threshold values are defined, but the threshold values are not limited to these, and may be adjusted as appropriate according to the coal ash source or lot. Is preferably set.
ステップＳ６において、上記ステップＳ４で抽出された外形が円形の石炭灰粒子（第１の粒子群）と上記ステップＳ５で抽出された内部に円形の空隙を有する石炭灰粒子（第２の粒子群）とを併合する。なお、外形が円形でかつ内部に円形の空隙を有する石炭灰粒子はステップＳ４とＳ５の両方で抽出されることになるが、各粒子の位置を比較することによって、重複して抽出された粒子は１つの粒子として併合する。図９には、石炭灰粒子の併合結果が示されている。 In step S6, the coal ash particles (first particle group) whose outer shape extracted in step S4 is circular and the coal ash particles (second particle group) having a circular void inside extracted in step S5. And merge. Coal ash particles having a circular outer shape and a circular void inside are extracted in both steps S4 and S5. By comparing the positions of the particles, the particles extracted redundantly are extracted. Merge as one particle. FIG. 9 shows the result of coal ash particle merging.
ステップＳ７において、粒子画像中から上記ステップＳ１〜Ｓ６で抽出された石炭灰粒子を除外し、残った粒子をＮクリンカ粒子として抽出する。図１０には、このようにして抽出されたＮクリンカ粒子が示されている。 In step S7, the coal ash particles extracted in steps S1 to S6 are excluded from the particle image, and the remaining particles are extracted as N clinker particles. FIG. 10 shows the N clinker particles extracted in this way.
ステップＳ８において、上記ステップＳ１〜Ｓ７における石炭灰粒子とＮクリンカ粒子の抽出結果に基づいて、反射電子像中における各粒子領域の割合（％）を算出する。詳細には、まず、各石炭灰粒子に含まれる画素数の総和を求め、これを反射電子像中の全画素数で割ることによって、反射電子像中おける石炭灰粒子領域の割合（％）を算出し、同様に、各Ｎクリンカ粒子に含まれる画素数の総和から、Ｎクリンカ粒子領域の割合（％）を算出する。 In step S8, the ratio (%) of each particle region in the reflected electron image is calculated based on the extraction results of the coal ash particles and N clinker particles in steps S1 to S7. Specifically, first, the sum of the number of pixels contained in each coal ash particle is obtained, and this is divided by the total number of pixels in the reflected electron image to obtain the ratio (%) of the coal ash particle region in the reflected electron image. Similarly, the ratio (%) of the N clinker particle region is calculated from the total number of pixels included in each N clinker particle.
ステップＳ９において、石炭灰粒子領域とＮクリンカ粒子領域の割合に基づいて、セメント試料の構成相比率（重量比率）を推定する。詳細には、まず、石炭灰粒子領域の割合（％）は、試験片の単位体積中に含まれる石炭灰粒子の割合（％）と見なすことができるため、これに一般的に知られている石炭灰の密度（ｇ／ｃｍ３）を乗じることによって、試験片の単位体積中に含まれる石炭灰の重量（ｇ／ｃｍ３）を推定する。同様に、Ｎクリンカ粒子領域の割合（％）から、試験片の単位体積中に含まれるＮクリンカの重量（ｇ／ｃｍ３）を推定する。そして、これらの推定値に基づいて、セメント試料中における石炭灰とＮクリンカの重量比率を算出する。 In step S9, the constituent phase ratio (weight ratio) of the cement sample is estimated based on the ratio of the coal ash particle region and the N clinker particle region. Specifically, first, the percentage of coal ash particle area is generally known because it can be regarded as the percentage of coal ash particles contained in the unit volume of the specimen. By multiplying the density (g / cm 3 ) of the coal ash, the weight (g / cm 3 ) of the coal ash contained in the unit volume of the test piece is estimated. Similarly, the weight (g / cm 3 ) of N clinker contained in the unit volume of the test piece is estimated from the ratio (%) of the N clinker particle region. And based on these estimated values, the weight ratio of coal ash and N clinker in a cement sample is calculated.
以上のような処理を行うことによって、セメント試料中の石炭灰とＮクリンカの重量比率を推定することができる。なお、上記において、輝度値のヒストグラムの作成、２値化、穴埋め、円形度の算出、粒子の抽出、画素数のカウント等の各処理は、市販あるいはフリーの一般的な画像解析ソフトによって行うことができる。また、解析する粒子数は、解析誤差を低減するために１，０００以上に設定することが好ましい。また、上記ステップＳ４とＳ５の順番は入れ替えてもよいし、２つのステップを並列に実行してもよい。 By performing the above treatment, the weight ratio of coal ash and N clinker in the cement sample can be estimated. In addition, in the above, each process such as creation of a histogram of luminance values, binarization, hole filling, circularity calculation, particle extraction, pixel count, etc. is performed by commercially available or free general image analysis software. Can do. Further, the number of particles to be analyzed is preferably set to 1,000 or more in order to reduce analysis errors. Moreover, the order of the steps S4 and S5 may be switched, and the two steps may be executed in parallel.
［実験結果］
次に、この発明の実施の形態１に係る石炭灰粒子の抽出方法を使用してセメントの構成相比率を推定した実験結果の一例を諸元と共に以下に示す。
［試料の調製］
セメント試料の材料として、石炭灰（ＪＩＳ フライアッシュＩＩ種）と普通ポルトランドセメントクリンカ（以降、Ｎクリンカ）(太平洋セメント社製)の２種類の粒子を使用し、配合比を、石炭灰：Ｎクリンカ＝３０：７０(重量％)とした。また、電子顕微鏡による観察に用いる試験片は、試料と低粘性エポキシ樹脂とを重量比で３：８の割合で練り混ぜ、１インチの円筒形リングに注ぎ入れて成型した。樹脂の硬化後、５×５×２ｍｍ程度に試験片をカットし、クロスセクションポリッシャ（日本電子製ＳＭ−０９０２０）を用いて、加速電圧６ＫｅＶで１０時間に渡って研磨を実施した。その後、試験片に導電性を付与するためにカーボンを２０ｎｍ程度の厚さで蒸着した。
[Experimental result]
Next, an example of the experimental result of estimating the constituent phase ratio of cement using the coal ash particle extraction method according to Embodiment 1 of the present invention will be described below together with specifications.
[Sample preparation]
Two kinds of particles, coal ash (JIS fly ash type II) and ordinary Portland cement clinker (hereinafter referred to as N clinker) (manufactured by Taiheiyo Cement Co., Ltd.) are used as materials for cement samples. = 30:70 (% by weight). A test piece used for observation with an electron microscope was molded by mixing a sample and a low-viscosity epoxy resin at a weight ratio of 3: 8 and pouring it into a 1-inch cylindrical ring. After the resin was cured, a test piece was cut to about 5 × 5 × 2 mm and polished for 10 hours at an acceleration voltage of 6 KeV using a cross section polisher (SM-09020 manufactured by JEOL). Thereafter, carbon was deposited to a thickness of about 20 nm in order to impart conductivity to the test piece.
［反射電子像の取得］
上記のようにして得られた試験片を、反射電子検出器を備えた走査型電子顕微鏡（日本電子社製ＪＳＭ−７００１Ｆ）によって観察し、反射電子像を取得した。観察条件は、加速電圧１５ｋｅＶ、照射電流２，０００ｐＡ、ワーキングディスタンス１０ｍｍ、観察倍率５００倍とし、解析粒子数は５，０００とした。
[Acquisition of reflected electron image]
The test piece obtained as described above was observed with a scanning electron microscope (JSM-7001F manufactured by JEOL Ltd.) equipped with a backscattered electron detector to obtain a backscattered electron image. The observation conditions were an acceleration voltage of 15 keV, an irradiation current of 2,000 pA, a working distance of 10 mm, an observation magnification of 500 times, and an analysis particle number of 5,000.
［画像の解析］
電子顕微鏡によって取得された反射電子像に対して、図２のフローチャートに示されるステップＳ１〜Ｓ９の画像処理を施すことによって、反射電子像中に含まれる各粒子を分離・定量して試料の構成相比率を推定し、図１１に示されるような結果を得た。なお、ステップＳ９で使用する石炭灰とＮクリンカの密度はそれぞれ２．３９（ｇ／ｃｍ３）、３．１５（ｇ／ｃｍ３）とした。図１１を参照すると、この発明による石炭灰粒子の抽出方法を使用したセメントの構成相比率の推定方法では、非特許文献１に記載の従来方法に比べて各構成相をより正確に分離・定量することができており、構成相比率の推定精度が向上していることが分かる。
[Image analysis]
The sample structure is obtained by separating and quantifying each particle contained in the reflected electron image by performing the image processing of steps S1 to S9 shown in the flowchart of FIG. 2 on the reflected electron image acquired by the electron microscope. The phase ratio was estimated and the results as shown in FIG. 11 were obtained. The densities of coal ash and N clinker used in step S9 were 2.39 (g / cm 3) and 3.15 (g / cm 3), respectively. Referring to FIG. 11, in the estimation method of the constituent phase ratio of cement using the method for extracting coal ash particles according to the present invention, each constituent phase is more accurately separated and quantified as compared with the conventional method described in Non-Patent Document 1. It can be seen that the estimation accuracy of the constituent phase ratio is improved.
以上説明したように、この発明の実施の形態１に係る石炭灰粒子の抽出方法を使用してセメントの構成相比率を推定する方法では、反射電子像中の各粒子の外形の大きさおよび円形度、内部の空隙の有無、空隙の大きさおよび円形度に基づいて、石炭灰粒子を抽出する。これにより、反射電子像中の各画素の輝度値のみに基づくことなく、粒子の形状に基づいて石炭灰粒子を正確に分離・定量することができるため、セメントの構成相比率の推定精度が向上する。 As described above, in the method of estimating the constituent phase ratio of cement using the coal ash particle extraction method according to Embodiment 1 of the present invention, the size of the outer shape of each particle and the circular shape in the reflected electron image The coal ash particles are extracted based on the degree, the presence or absence of internal voids, the size of the voids, and the circularity. This makes it possible to accurately separate and quantify the coal ash particles based on the shape of the particles without relying solely on the luminance value of each pixel in the reflected electron image, thus improving the estimation accuracy of the constituent phase ratio of cement. To do.
また、この発明に係る方法を使用してセメント工場あるいは粉体混合設備で製造されたセメントの混合材の添加率を推定し、セメントの品質管理を行うことができる。また、推定結果を元にして混合材が所望の添加率になるように調整することもできる。さらに、この発明に係る方法を使用して混合材の添加率を正確に調整することができるため、予め混合材の添加率と強度との関係を調査しておけば、所望の強度のセメントを製造することができる。 In addition, the method according to the present invention can be used to estimate the addition rate of a cement mixture produced in a cement factory or powder mixing facility, and to perform cement quality control. Moreover, it can also adjust so that a mixing material may become a desired addition rate based on an estimation result. Furthermore, since the addition rate of the mixed material can be accurately adjusted using the method according to the present invention, if the relationship between the addition rate of the mixed material and the strength is investigated in advance, a cement having a desired strength can be obtained. Can be manufactured.
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る石炭灰粒子の抽出方法を使用してセメントの構成相比率を推定する方法について説明する。実施の形態１では、反射電子像中の各粒子の形状のみに基づいて石炭灰粒子を抽出した。これだけでも大部分の石炭灰粒子を抽出することができるが、実施の形態２では、各粒子の形状以外の特徴も併せて利用することによって、実施の形態１のステップＳ１〜Ｓ６で抽出されなかった石炭灰粒子を抽出する。
Next, a method for estimating the constituent phase ratio of cement using the method for extracting coal ash particles according to
以下、この発明の実施の形態２における画像処理の詳細について、図１２に示されるフローチャートを参照して説明する。ただし、図１２におけるステップＳ１〜Ｓ６、Ｓ７〜Ｓ９の各処理は実施の形態１と同一であるため、実施の形態１との相違点であるステップＳ２１０、Ｓ２１１、Ｓ２１２の処理についてのみ詳述する。 The details of the image processing in the second embodiment of the present invention will be described below with reference to the flowchart shown in FIG. However, since the processes in steps S1 to S6 and S7 to S9 in FIG. 12 are the same as those in the first embodiment, only the processes in steps S210, S211 and S212 that are different from the first embodiment will be described in detail. .
ステップＳ２１０において、反射電子像中の各粒子の輝度値が粒子の種類に依存して異なることを利用して、粒子画像中から石炭灰粒子を抽出する。詳細には、まず、ステップＳ１で作成した反射電子像中の輝度値のヒストグラムに基づいて、反射電子像中において石炭灰粒子とＮクリンカ粒子とを分離することのできる閾値Ｔｈ’を決定する（図１３参照）。そして、粒子画像中の各粒子について、反射電子像を参照して粒子内の平均輝度値を算出し、当該平均輝度値が閾値Ｔｈ’以下の粒子を抽出してステップＳ１〜Ｓ６で抽出された石炭灰粒子に併合する。 In step S210, coal ash particles are extracted from the particle image using the fact that the luminance value of each particle in the reflected electron image differs depending on the type of particle. Specifically, first, based on the histogram of luminance values in the reflected electron image created in step S1, a threshold Th ′ that can separate coal ash particles and N clinker particles in the reflected electron image is determined ( (See FIG. 13). Then, for each particle in the particle image, the average luminance value in the particle is calculated with reference to the reflected electron image, and the particles whose average luminance value is equal to or less than the threshold Th ′ are extracted in steps S1 to S6. Merge with coal ash particles.
ステップＳ２１１において、粒子画像中からヘマタイト粒子を抽出して石炭灰粒子に併合する。詳細には、まず、図１３のヒストグラムに基づいて、赤鉄鉱粒子を抽出するための閾値Ｔｈ”（＞Ｔｈ’）を決定し、粒子画像中から平均輝度値が閾値Ｔｈ”以上でかつ円形度が０．６０以上の粒子を抽出して併合する。 In step S211, hematite particles are extracted from the particle image and merged with coal ash particles. Specifically, first, a threshold value Th ″ (> Th ′) for extracting hematite particles is determined based on the histogram of FIG. 13, and the average luminance value is equal to or greater than the threshold value Th ″ from the particle image and the circularity is determined. Are extracted and merged.
ステップＳ２１２において、粒子画像中からガラスと混じり合っているヘマタイト粒子を抽出して石炭灰粒子に併合する。詳細には、粒子画像中から平均輝度値がＴｈ’以上でかつ円形度が０．８０以上の粒子を抽出して併合する。 In step S212, hematite particles mixed with glass are extracted from the particle image and merged with coal ash particles. Specifically, particles having an average luminance value of Th ′ or higher and a circularity of 0.80 or higher are extracted from the particle image and merged.
上記ステップＳ２１０〜Ｓ２１２の処理によって、ステップＳ１〜Ｓ６で抽出されなかった石炭灰粒子、特にヘマタイト等の鉄分を多く含む石炭灰粒子を抽出することができ、セメントの構成相比率の推定精度がさらに向上する。なお、上記ステップＳ２１１とＳ２１２で使用した各閾値の値は一例であり、石炭灰の産出元あるいはロットに応じて適宜調整して設定することが好ましい。 Through the processing of steps S210 to S212, coal ash particles not extracted in steps S1 to S6, particularly coal ash particles containing a large amount of iron such as hematite, can be extracted, and the estimation accuracy of the constituent phase ratio of cement is further increased. improves. Note that the threshold values used in steps S211 and S212 are examples, and are preferably adjusted and set as appropriate according to the coal ash source or lot.
その他の実施の形態．
上記の実施の形態１，２では、セメント試料中に含まれているのは石炭灰とＮクリンカの２種類の粒子のみであったが、試料中にその他の種類の粒子も含まれている場合には、まず、上記ステップＳ１〜Ｓ６，Ｓ２１０〜Ｓ２１２によって石炭灰粒子を抽出した後、反射電子像中の各粒子の輝度値が粒子の種類に依存してそれぞれ異なることを利用して、残った各粒子を分類することができる。例えば、試料中にＮクリンカ、高炉スラグ微粉末、シリカヒューム、石膏等の粒子が含まれている場合には、それらの粒子は反射電子像中の輝度値に基づいて分類することができる。この発明を適用可能なセメントの種類の一例を表２に示す。また、その際に使用する各構成相の密度の一例を表３に示す。ただし、これらはこの発明の適用可能な範囲を限定するものではない。
Other embodiments.
In
また、反射電子像中の各粒子を輝度値に基づいて分類する際には、非特許文献１のように反射電子像中の各画素を単位として分類を行うのではなく、反射電子像中の各粒子について、粒子内に含まれる各構成相の面積率に基づいて当該粒子の構成相を単一の構成相に置き換えることによって、粒子単位で分類を行うことにより、上記背景技術の説明で述べた反射電子像中のノイズを効果的に除去することができる。 Further, when classifying each particle in the reflected electron image based on the luminance value, classification is not performed by using each pixel in the reflected electron image as a unit as in Non-Patent Document 1, but in the reflected electron image. As described in the background art above, each particle is classified on a particle basis by replacing the constituent phase of the particle with a single constituent phase based on the area ratio of each constituent phase contained in the particle. The noise in the reflected electron image can be effectively removed.
また、セメント試料中に石膏と石灰石が共に含まれている場合、反射電子像中におけるそれらの輝度値はほぼ等しいため、それらを輝度値に基づいて分離することは困難である。そのため、試料中に石膏と石灰石が共に含まれている場合には、それらの化学組成を事前に測定して両者を分離することのできる閾値を決定した後、エネルギー分散法（ＥＤＳ）によって試料の各位置における化学組成を取得し、当該各位置の化学組成と上記閾値とに基づいて石膏と石灰石を分離することが有効である。そのような閾値の一例を表４に示す。 Further, when gypsum and limestone are both contained in the cement sample, their luminance values in the backscattered electron image are almost equal, so it is difficult to separate them based on the luminance values. Therefore, when both gypsum and limestone are contained in the sample, the chemical composition is measured in advance to determine a threshold value that can be separated, and then the sample is analyzed by energy dispersion method (EDS). It is effective to obtain a chemical composition at each position and separate gypsum and limestone based on the chemical composition at each position and the threshold value. An example of such a threshold is shown in Table 4.
Claims (6)
前記反射電子像中の各粒子の形状に基づいて石炭灰粒子を抽出し、該各粒子の形状として、粒子の内部の空隙の有無、並びに該空隙の大きさおよび円形度を考慮することを特徴とする、石炭灰粒子を抽出する方法。 A method for extracting coal ash particles from a reflected electron image of a sample containing a plurality of types of particles containing coal ash,
Coal ash particles are extracted based on the shape of each particle in the backscattered electron image, and the shape of each particle takes into account the presence or absence of voids inside the particles, the size and circularity of the voids And a method of extracting coal ash particles.
前記反射電子像中の各粒子について、該粒子の外形の大きさおよび円形度に基づいて第１の粒子群を抽出すると共に、該粒子の内部の空隙の有無、並びに該空隙の大きさおよび円形度に基づいて第２の粒子群を抽出し、
前記第１、第２の粒子群を併合することによって、石炭灰粒子を抽出することを特徴とする、石炭灰粒子を抽出する方法。 A method for extracting coal ash particles from a reflected electron image of a sample containing a plurality of types of particles containing coal ash,
For each particle in the reflected electron image, a first particle group is extracted based on the size and circularity of the outer shape of the particle, the presence or absence of voids inside the particle, and the size and circle of the void. Extract a second group of particles based on degree,
A method for extracting coal ash particles, comprising extracting coal ash particles by merging the first and second particle groups.
外形の大きさが０−１．３μｍの範囲内であり、かつ外形の円形度が０．９０−１．００の範囲内である粒子、および
外形の大きさが１．３−１３μｍの範囲内であり、かつ外形の円形度が０．８０−１．００の範囲内である粒子、および
外形の大きさが１３−１３０μｍの範囲内であり、かつ外形の円形度が０．７５−１．００の範囲内である粒子、および
外形の大きさが１３０−１３００μｍの範囲内であり、かつ外形の円形度が０．７０−１．００の範囲内である粒子、および
外形の大きさが１３００μｍ以上であり、かつ外形の円形度が０．６５−１．００の範囲内である粒子を前記第１の粒子群として抽出し、
空隙の大きさが３μｍ以上であり、かつ空隙の円形度が０．８５−１．００の範囲内である粒子を前記第２の粒子群として抽出することを特徴とする、請求項３に記載の石炭灰粒子を抽出する方法。 For each particle in the reflected electron image,
Particles whose outer size is in the range of 0-1.3 μm and whose circularity is in the range of 0.90-1.00, and whose outer size is in the range of 1.3-13 μm And the circularity of the outer shape is in the range of 0.80 to 1.00, and the size of the outer shape is in the range of 13 to 130 μm, and the circularity of the outer shape is 0.75-1. Particles that are in the range of 00, and particles whose outer shape is in the range of 130-1300 μm and whose outer circularity is in the range of 0.70-1.00, and whose outer size is 1300 μm The particles having the above-described shape and the circularity of the outer shape within the range of 0.65-1.00 are extracted as the first particle group,
And the size of the gap is 3μm or more and roundness of voids and extracting the particles is in the range of 0.85-1.00 as the second particle group, according to claim 3 Method of extracting coal ash particles.
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