基于圖像分析方法的機制砂顆粒形貌參數研究

王振 韓自力 趙有明 黃法禮 易忠來 謝永江 李化建

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081）

鐵路跨越區域廣、河砂資源分布不均以及我國河砂限采令的頒布，致使我國鐵路建設面臨河砂資源嚴重短缺的局面，而且這個問題在以云南、貴州、四川、西藏為主的山區鐵路建設中尤為顯著［1-2］。機制砂由巖石、礦山尾礦或工業廢渣顆粒經過機械破碎、篩分制成，具有產量可控、質量可控、供應時間可控等優勢，是天然河砂的最佳替代品［3-5］。相比于在河床中經過水流長期沖刷的天然河砂，由機械破碎生產的機制砂含有較多表面粗糙、棱角尖銳、針狀或棒狀顆粒［6］。我國砂石骨料等地方材料質量不穩定、缺少機制砂質量管理標準、機制砂規模化生產廠家較少等現狀，進一步導致機制砂顆粒級配不穩定、含粉量超標等問題。由于表面粗糙、棱角尖銳的機制砂堆積密度小，石粉含量過高的機制砂比表面積大，使得配制工作性能良好的機制砂混凝土難度加大［7-8］。級配較差的骨料影響混凝土體積穩定性和耐久性［9-10］。因此，控制機制砂的顆粒形貌是提高機制砂及其混凝土質量的技術途徑之一［11］。目前的標準中還未對機制砂粒形、顆粒級配等形貌關鍵參數提出具體指標，而且機制砂粒度分布從微米級到毫米級相差幾千倍，所以還沒有成熟的機制砂形貌檢測設備。

為了在線快速測試機制砂顆粒形貌，中國鐵道科學研究院集團有限公司基于圖像分析方法自主研發了機制砂粒形粒度分析儀［12］。本文通過對比傳統測試方法與圖像分析方法的測試結果，探究用圖像分析方法快速便捷地獲取表征機制砂顆粒形貌的參數的可行性，為機制砂生產質量控制提供指導。

1 試驗概況

1.1 原材料

試驗所用細骨料為石灰巖機制砂（A）、凝灰巖機制砂（B）、花崗巖機制砂（C）和三種不同地區河砂（D，E，F），細骨料主要性能見表1，顆粒級配見圖1。

表1 細骨料主要性能

圖1 細骨料顆粒級配

1.2 圖像分析方法原理

測試設備為中國鐵道科學研究院集團有限公司自主研發的TK?1 型圖像粒形粒度分析儀。該設備測試粒徑為10～10 000 um，顆粒放大倍數為1 380 倍，顆粒識別速度不小于10 000 個/s，分析項目包括石粉含量、長徑比、圓形度和顆粒級配。顆粒粒度可選取投影顆粒的短徑、長徑或等效粒徑來表征。

長徑比RLW是投影顆粒最小外接矩形的長寬之比，即

式中：L為投影顆粒最小外接矩形的寬；W為投影顆粒最小外接矩形的長。

表征投影顆粒趨近于圓的程度的圓形度C為

式中：A為投影顆粒的面積；p為投影顆粒的周長。

通過高速相機獲得每個下落顆粒的形貌參數后，利用統計分析方法求得該樣品的形貌參數。

1.3 試驗方法

1.3.1 石粉含量的測試

采用濕法、干篩法和圖像分析方法測試試樣的石粉含量。濕法按照GB/T 14684—2011《建設用砂》中的水洗測試方法進行。干篩法是稱取烘干至恒量的試樣500 g，將試樣倒在篩孔尺寸從大到小排列的套篩上，然后置于搖篩機上篩分10 min，計算底盤中試樣重量和所稱試樣重量之比。圖像分析方法是稱取100 g烘干至恒量的試樣，加入圖像粒形粒度分析儀中進行測試，將粒徑小于0.075 mm 的顆粒含量作為圖像分析方法測得的石粉含量。

1.3.2 顆粒形貌的測試

采用間接法和圖像分析方法測試試樣的顆粒形貌。間接法是根據JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》測試試樣的流動時間和間隙率，間接表征細骨料的表面粗糙度和棱角性。圖像分析方法是稱取100 g烘干至恒量的試樣，采用圖像粒形粒度分析儀測試試樣的長徑比和圓形度。

1.3.3 顆粒級配的測試

采用篩分法和圖像分析方法測試試樣的顆粒級配。篩分法是按照GB/T 14684—2011 稱取500 g 烘干至恒量的試樣，采用搖篩機測試各粒級的百分率。圖像分析方法是稱取100 g 烘干至恒量的試樣，采用圖像粒形粒度分析儀測試試樣的粒度分布，根據粒度分布得到各粒級的分計篩余。

2 結果與討論

2.1 石粉含量測試方法的相關性

濕法是GB/T 14684—2011 中規定的石粉含量標準測試方法，但其測試時間長，不適用于實時在線監測機制砂生產質量。干篩法和圖像分析方法相對簡單方便，建立與濕法之間的相關性即可快速獲取機制砂石粉含量。干篩法和圖像分析方法測試結果與濕法測試結果的相關關系見圖2。可知：①干篩法和圖像分析方法與濕法的相關性均較高，相關系數r大于0.987，表明采用干篩法和圖像分析方法獲取機制砂石粉含量具有較好的可行性；②干篩法和圖像分析方法所測結果均小于濕法，且石灰巖機制砂測試結果差異程度大于花崗巖機制砂，這是因為不同巖性石粉對機制砂顆粒吸附能力不同，吸附作用小的石粉更容易被干篩法和圖像分析方法測得；③圖像分析方法與濕法對石粉含量的測試結果不同，可以通過提高相機分辨率、增設超聲分散裝置以及引入石粉含量修正參數來提高圖像粒形粒度分析儀的準確度。

2.2 顆粒形貌的影響因素分析

2.2.1 不同形貌參數的相關性

圖3中是采用間接法和圖像分析方法測得的原狀砂的形貌參數，由于砂的類型和制備工藝不同，各種砂的形貌參數差異較大，圓形度和長徑比的相關性不明顯，流動時間和間隙率的相關性也不明顯。

圖3 砂的形貌參數

2.2.2 顆粒粒級對形貌參數的影響

將機制砂和河砂均篩分成常用粒級進行形貌測試，顆粒粒級對砂的圓形度和長徑比的影響見圖4。可知：①當顆粒粒徑大于0.075 mm 時，砂的長徑比變化較小，當顆粒粒徑小于0.075 mm 時，砂的長徑比顯著增大；②隨著粒級的變化，砂的圓形度變化較小，當顆粒粒徑小于0.075 mm 時，D，E 和 F 三種砂的圓形度明顯減小。

圖4 顆粒粒級對形貌參數的影響

應用圖像分析方法通過投影圖像分析顆粒的長徑比和圓形度發現，當顆粒粒徑小于0.075 mm 時，投影圖像的形態特征明顯減弱，且顆粒在下落過程中有團聚現象，顆粒投影形狀的隨機性較高，使圓形度和長徑比的測試結果變化較大。為保證用圖像分析方法獲取機制砂形貌參數具有可靠性，可不考慮粒徑小于0.075 mm 顆粒的形貌特征，并建議測試細骨料的圓形度和長徑比時適當提高試樣粒徑的下限；在測試時采用超聲分散儀器等充分分散機制砂，減少細小顆粒團聚現象發生。

2.2.3 石粉含量對形貌參數的影響

石粉含量對機制砂形貌參數的影響見圖5。可知：隨著石粉含量增加，長徑比增大，圓形度減小，機制砂的形貌隨著石粉含量增大逐漸變差；石粉含量大于15%時，機制砂顆粒的長徑比和圓形度變化程度減小。結合粒級對機制砂形貌參數的影響可知，隨著石粉含量增大機制砂中細顆粒數目顯著增加，粒徑小于0.075 mm 的細顆粒的形貌參數逐漸主導機制砂的形貌參數。石粉含量增大到一定程度后，機制砂的形貌參數完全由細顆粒主導，繼續增大石粉含量對機制砂形貌參數的影響變小。

2.3 顆粒級配測試方法

圖5 石粉含量對形貌參數的影響

采用篩分法和圖像分析方法測得的機制砂和河砂的級配曲線見圖6。可知：采用等效粒徑計算得到的級配曲線與采用短徑計算得到的級配曲線存在偏差，這是圖像分析方法中等效粒徑和短徑的計算原理不同導致的。

圖6 砂的級配曲線

顆粒等效粒徑與短徑的計算原理見圖7。當相機獲得顆粒投影后，軟件通過計算得到投影面積S，與投影面積相等的圓的直徑d即為顆粒的等效粒徑。軟件計算得到顆粒投影的最小外接矩形時，矩形的寬a即為顆粒的短徑，矩形的長b為顆粒的長徑。定義兩條級配曲線之間同一粒級的通過率之差為D，用D評價不同計算方法得到的級配曲線之間的差異程度。

圖7 等效粒徑與短徑的計算原理

用圖像分析方法獲取的等效粒徑和短徑表征顆粒級配與用篩分法的差異程度見表2。可知：①采用短徑計算所得的顆粒級配，其平均值Da和標準差Ds均小于采用等效粒徑計算所得的顆粒級配，說明用短徑表征顆粒級配與篩分法的趨近程度更高；②用短徑表征顆粒級配的Da為3%～6%，偏差程度較小，圖像分析方法中采用短徑表征砂的顆粒級配具有更好的準確性。

表2 圖像分析方法與篩分法的差別

在實際篩分過程中，砂的短徑小于或等于篩孔時即可通過篩孔，相當于砂的粒徑分級是以顆粒短徑劃分的，因此應用圖像方法時選用短徑表征顆粒級配更接近實際篩分結果。

3 結論

1）采用干篩法和圖像分析方法所測石粉含量與濕法所測石粉含量均線性相關，相關系數r大于0.987，兩者可作為獲取機制砂石粉含量的便捷測試方法。

2）顆粒形貌參數的測試結果與粒徑和石粉含量有關。若粒徑較小則顆粒的形貌特征不明顯，粒徑小于0.075 mm 時，長徑比顯著增大，圓形度減小。隨著石粉含量增大，長徑比增大，圓形度減小；石粉含量大于15%時，粒徑小于0.075 mm 的細顆粒的形貌參數主導機制砂的形貌參數，若繼續增加石粉含量則機制砂的形貌參數不再發生明顯變化。

3）相比用等效粒徑表征顆粒級配，用短徑表征顆粒級配更接近實際篩分結果，圖像分析方法與篩分法通過率之差的平均值為3%～6%。

4）應用圖像分析方法獲得機制砂石粉含量、顆粒形貌和顆粒級配具有可行性。采用圖像分析方法時，須控制石粉含量對長徑比和圓形度的影響，且應選用投影圖像的短徑計算顆粒級配。