基于近景數(shù)字?jǐn)z影測量的橡膠混凝土抗沖磨深度研究

關(guān)鍵詞：橡膠混凝土；近景攝影測量；抗沖磨深度中圖分類號：TU528.36 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.13.013文章編號：1003-5168（2025）13-0066-05

Study on Erosion-Wear Depth of Rubber Concrete Based on CloseRange Digital Photogrammetry

CHENXiaoxiao1 SHAO Yufei2

（1.College of Civil Engineering and Transportation，North China Universityof Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 45Ooo0，China; 2.School of Mechanical Engineering，North China Universityof Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 45oooo， China）

Abstract： [Purposes]To further refine the evaluation method for the erosion-wear resistance of concrete and comprehensively characterize the wear condition of concrete specimens，this paper proposes the erosion-wear depth as a new evaluation indicator on the basis of traditional indicators.[Methods] Taking rubberized concrete as the research subject，this study employed close-range digital photogrammetry technology on the basis of the underwater steelball method.This involved capturing images of the eroded specimen surface to compute the 3D spatial coordinates of surface points and determine the erosionwear depth after testing.[Findings] As the rubber content increased，the erosion-wear depth of rubberized concrete gradually decreased， indicating progressively enhanced erosion-wear resistance.[Conclusion] Close-range photogrammetry enables effcient and rapid acquisition of 3D spatial models for eroded specimens， significantly improving the quantitative assessment of wear conditions. Keywords： rubber concrete; close-range photogrammetry; erosion-wear depth

0 引言

我國河流眾多且部分區(qū)域含沙量較大，泄水流速較快，在下泄過程中，夾帶懸移質(zhì)或推移質(zhì)的高速水流會對下游河床及泄水建筑物造成嚴(yán)重的沖磨破壞[2]。而傳統(tǒng)的混凝土普遍存在抗拉強(qiáng)度低、脆性大等缺陷，抗沖磨性能較差，已無法滿足日漸增高的水工建筑的需求3，因此合理完善的抗沖磨性能試驗(yàn)方法及磨損評價(jià)方法對于推動抗沖磨性能混凝土的發(fā)展具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要通過水下鋼球法和圓環(huán)法進(jìn)行混凝土抗沖磨性能試驗(yàn)。水下鋼球法借助旋轉(zhuǎn)葉輪帶動水與鋼球用于模擬混凝土在推移質(zhì)下的破壞過程4。圓環(huán)法則是利用含沙水流對試件的沖刷作用來模擬混凝土在懸移質(zhì)下的破壞過程[5]。這兩種混凝土抗沖磨性能試驗(yàn)已被納入《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL/T352—2020），并使用抗沖磨強(qiáng)度與磨損率兩個(gè)指標(biāo)來表征橡膠混凝土的抗沖磨性能。抗沖磨強(qiáng)度是指單位面積上被磨損單位質(zhì)量所需的時(shí)間，磨損率是在一定時(shí)間內(nèi)混凝土試件磨損質(zhì)量與原質(zhì)量之比。然而混凝土試件一般是由水泥、砂及石子組成的非均勻復(fù)雜材料，其內(nèi)部組分的粒徑尺寸各不相同，使得磨損后的混凝土損傷面呈現(xiàn)不規(guī)則且粗糙的狀態(tài)，而使用抗沖磨強(qiáng)度及磨損率這兩個(gè)評價(jià)指標(biāo)只是對混凝土沖磨表面全局磨損程度的整體描述，無法表征局部詳盡的破損程度。對于此，汪武威首先對混凝土試件進(jìn)行網(wǎng)格化，然后使用目視觀測法統(tǒng)計(jì)被沖磨掉部分的網(wǎng)格數(shù)目，并應(yīng)用盒計(jì)數(shù)法計(jì)算分形維數(shù)，通過分形維數(shù)的大小來描述混凝土試件磨損后的粗糙程度，進(jìn)而對混凝土試件抗沖磨性能進(jìn)行定量化評價(jià)。然而其在劃分網(wǎng)格的過程中，需要對網(wǎng)格的大小進(jìn)行設(shè)定，所以網(wǎng)格的大小對描述試件破損詳盡程度至關(guān)重要，若格網(wǎng)設(shè)置過大，則無法進(jìn)行細(xì)微評價(jià)；若過小，則會導(dǎo)致測量工作繁重。其次，該方法通過目視的方法來判定沖磨部分，存在較大的人為誤差。因此如何快速準(zhǔn)確獲取試件各部位破損信息，對于精準(zhǔn)掌握混凝土試件抗沖磨性能至關(guān)重要。

近景攝影測量技術(shù)是一種非接觸性測量手段[8，具有影像信息量豐富、測量精度高、速度快、外業(yè)勞動強(qiáng)度小等特點(diǎn)，已普遍應(yīng)用于鋼桁-混凝土組合梁的加載形變監(jiān)測9，以及汽車構(gòu)件的細(xì)微檢測中[10]

本研究采用近景攝影測量的方法，利用高清數(shù)碼相機(jī)對沖磨試件表面進(jìn)行影像采集，并將采集的影像信息導(dǎo)人Lensphoto解析軟件，解算出混凝土試件沖磨后的磨損面表面點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，最后利用空間坐標(biāo)，建立三維空間模型，旨在進(jìn)一步完善混凝土抗沖磨性能的評價(jià)方法，以全方位體現(xiàn)混凝土試件的磨損情況，更加精準(zhǔn)、直觀、全面地評估混凝土的抗沖磨性能。

1混凝土試件的制作與養(yǎng)護(hù)

1.1 試驗(yàn)原材料

該試驗(yàn)采用的膠凝材料為 P?O42.5 普通硅酸鹽水泥，采用天然河砂，細(xì)度模數(shù)為3.2，表觀密度為 2590kg/m³ 。粗骨料采用粒徑為 5～20mm 連續(xù)二級配的石灰?guī)r碎石，其中小石子粒徑為 5～10mm ，大石子粒徑為 10～20mm ，兩者質(zhì)量之比為1：2。試驗(yàn)用水采用鄭州市自來水，且采用粒徑 2～4mm 的橡膠顆粒，經(jīng)過水洗處理，表觀密度為 1243kg/m³ 。

1.2 試驗(yàn)配合比

依據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（DL/T5330—2015），以強(qiáng)度等級為C40的普通混凝土為基準(zhǔn)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)[\"]，基準(zhǔn)混凝土配合比為水：水泥：砂：石子 =180：380：644：1196 ，選取粒徑為 2～ 4mm 的橡膠顆粒，按 5%.10%.15% 等3種摻量等體積取代細(xì)骨料配制成改性橡膠混凝土，配合比見表1。

表1混凝土配合比設(shè)計(jì)

注：其中編號JZ和RC分別代表基準(zhǔn)混凝土和橡膠混凝土。

1.3試件的制作與養(yǎng)護(hù)

該試驗(yàn)依據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（DL/T5330—2015），沖磨試件為高 100mm 、直徑300mm 的扁圓柱體。試件成型并養(yǎng)護(hù)28d后，便可進(jìn)行混凝土的抗沖磨試驗(yàn)。

2抗沖磨試驗(yàn)

該試驗(yàn)依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL/T352—2020），采用水下鋼球法，試驗(yàn)時(shí)將試件放人沖磨儀器中，在鋼筒內(nèi)放入70個(gè)大小不等的研磨鋼球，并加水至水面高出試件表面 165mm 。試驗(yàn)時(shí)，沖磨儀轉(zhuǎn)速為 1200r/min ，鋼球和水流在攪拌槳帶動下模擬推移質(zhì)對混凝土的沖磨破壞過程，沖磨 72h 后取出試件，并將其表面清理干凈。

3抗沖磨深度的測量

該試驗(yàn)采用近景攝影測量的方法，利用高清數(shù)碼相機(jī)對沖磨試件表面進(jìn)行影像采集，并將采集的影像信息導(dǎo)入Lensphoto解析軟件中，解算出混凝土沖磨試件表面所有點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，最后利用三維空間坐標(biāo)計(jì)算該試件的平均沖磨深度。

3.1 試驗(yàn)原理

近景攝影測量技術(shù)主要是通過直接線性變換解法構(gòu)建三維模型[13-14]。該解法由Abdel-Aziz等[15]首次提出，特別適用于非量測相機(jī)的攝影測量處理。根據(jù)二維直接線性變換解法得到物方坐標(biāo)解算公式，見式（1）。

（L₁+xL₇）X+（L₂+xL₈）Y+（L₃+x）=0

（L₄+yL₇）X+（L₅+yL₈）Y+（L₆+y）=0

式中： X 和 Y 為物方坐標(biāo)值； x 和 y 為對應(yīng)點(diǎn)的像方坐標(biāo)值； L₁，L₂，…，L₈ 為待定系數(shù)，待定系數(shù)可以根據(jù)二維直接線性變換解法的數(shù)學(xué)模型解算。

3.2 試驗(yàn)方法

相較于傳統(tǒng)測量方法，采用近景攝影測量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)間更短，數(shù)據(jù)更加精確[，此外還能夠利用空間坐標(biāo)還原物體表面形態(tài)，繪制沖磨模型，以更加直觀地展示混凝土的抗沖磨深度。試驗(yàn)步驟如下： ① 拍攝設(shè)備和時(shí)間的選擇。本次影像采集選用尼康D750全畫幅相機(jī)，其參數(shù)為傳感器尺寸35.9mm×24mm ，最大像素?cái)?shù)2493萬，有效像素2432萬，最高分辨率 6016×4016 。在采集過程中，關(guān)閉單反相機(jī)的數(shù)碼變焦、閃光燈、防抖動等輔助功能。為保證拍攝過程中光線穩(wěn)定，該試驗(yàn)在多云陰天的10：00—14：00之間進(jìn)行。 ② 標(biāo)靶的布設(shè)。準(zhǔn)備一面邊長為 50cm 的標(biāo)靶基準(zhǔn)面，在中間切出一個(gè)直徑大于沖磨試件的圓，并在其周圍布設(shè)標(biāo)靶，在影像采集之前，使用水準(zhǔn)儀將標(biāo)靶調(diào)至水平，并以標(biāo)靶所在平面為基準(zhǔn)面[]，試驗(yàn)裝置如圖1（a）所示。 ③ 影像采集。采用中間過渡的拍攝方法，相鄰兩張影像的重疊度為 75% ，利用優(yōu)選法理論[18]，將對比度、色彩飽和度、曝光度、明暗程度差異過大的照片剔除，保留質(zhì)量較好的影像。 ④ 數(shù)據(jù)處理。影像篩選完成后，按照圖1（b）所示步驟建立抗沖磨試件的三維模型。圖1（c）為表面構(gòu)建、模型紋理映射過程。

圖1基于近景攝影測量的混凝土抗沖磨深度測量3.3三維影像結(jié)果與分析根據(jù)影像資料建立基準(zhǔn)混凝土試件沖磨后的

TIN模型，為更好地進(jìn)行分析，將沖磨試件表面進(jìn)行分區(qū)，如圖2所示。

圖2基準(zhǔn)混凝土試件沖磨后的TIN模型及表面分區(qū)

圖2（a）中 x，y 軸表示距離定義坐標(biāo)原點(diǎn)的距離， z 軸表示沖磨表面相對于標(biāo)靶的相對深度。圖2（b）為按照水流速度劃分的不同水速區(qū)域，區(qū)域1位于旋槳葉片的正下方，水速較小；在旋槳周邊的區(qū)域2內(nèi)，葉片帶動水流，水速最大；在區(qū)域3內(nèi)，沿試件半徑向外，水速逐漸降低。從圖2（a）可以看出，基準(zhǔn)混凝土表面沖磨嚴(yán)重，沿水流旋轉(zhuǎn)方向形成了明顯的“外淺內(nèi)深中間平”的沖磨痕跡，較為規(guī)律，且混凝土中各集料沖磨程度相同，沖磨表面相對光滑。

水洗處理橡膠顆粒在不同摻量下橡膠混凝土沖磨后的TIN模型如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)橡膠摻量為 5% 時(shí)，試件表面沖磨規(guī)律與基準(zhǔn)混凝土較為相似，但是沖磨程度沒有基準(zhǔn)混凝土嚴(yán)重，可以看出在邊緣區(qū)域，沖磨深度明顯減小，沖磨深度多集中在 -2.2～1.8cm ，試件中間區(qū)域沖磨依舊嚴(yán)重，但最大沖磨深度較基準(zhǔn)混凝土稍有減小；當(dāng)摻量為 10% 時(shí)，試件中間區(qū)域的沖磨程度有了明顯改善，最大沖磨深度值與 5% 摻量時(shí)相近，但最大沖磨深度數(shù)量明顯減少，沖磨深度降低了很多。沖磨表面不再光滑，呈現(xiàn)凹凸不平的狀態(tài)，“外淺內(nèi)深中間平”的沖磨規(guī)律不再明顯。隨著橡膠摻量的持續(xù)增加，試件表面沖磨深度逐漸降低，各區(qū)域表面形態(tài)逐漸統(tǒng)一化，沖磨規(guī)律大致相同，且表面不再光滑。

從圖3還可以看出摻量對混凝土抗沖磨深度的影響，為了更加精確地描述沖磨深度與橡膠摻量間的關(guān)系，精確對比不同摻量和改性方式對抗沖磨深度的影響，現(xiàn)將沖磨試件表面一點(diǎn) z 軸坐標(biāo)絕對值記為 z₁ ，其對應(yīng)地面一點(diǎn) z 軸坐標(biāo)絕對值記為 z₀ ，則該點(diǎn)沖磨深度 h 按照式（2）計(jì)算，而后求出該試件表面的平均深度。

圖3不同橡膠混凝土試件沖磨后的TIN模型

h=100-10（z₀-z₁）

3.4抗沖磨深度結(jié)果與分析

本研究將試件表面各點(diǎn)沖磨深度的平均值作為該試件的平均沖磨深度，橡膠混凝土平均沖磨深度試驗(yàn)結(jié)果見表2。橡膠混凝土沖磨深度隨橡膠摻量變化的規(guī)律如圖4所示。

表2橡膠混凝土平均沖磨深度試驗(yàn)結(jié)果

圖4橡膠混凝土沖磨深度與橡膠摻量的關(guān)系

分析表2和圖4可知，采用水下鋼球法沖磨 ^72h 后，基準(zhǔn)混凝土所受沖磨破壞最為嚴(yán)重，沖磨平均深度為 18.9mm 。摻入橡膠顆粒后，能夠改善混凝土的抗沖磨性能，所有橡膠混凝土沖磨深度均低于基準(zhǔn)混凝土。當(dāng)橡膠摻量從 0% 增加到 15% 時(shí)，橡膠混凝土沖磨深度較基準(zhǔn)組分別減小了 8.47% /22.22%.46.56% ；當(dāng)摻量為 5% 時(shí)，試件表面沖磨深度多集中在 15～17mm ；當(dāng)摻量為 10% 時(shí)，試件表面沖磨深度多集中在 12～15mm ；當(dāng)摻量為 15% 時(shí)，試件表面沖磨深度多集在中 8～10mm 。由此可知，隨著橡膠顆粒摻量的增加，混凝土抗沖磨深度逐漸減小，抗沖磨性能逐漸增強(qiáng)。

4結(jié)論

本研究提出了“抗沖磨深度\"這一新型混凝土抗沖磨性能的評價(jià)指標(biāo)，并利用普通數(shù)碼相機(jī)，采用近景攝影測量技術(shù)提取了橡膠混凝土抗沖磨深度，得出以下結(jié)論： ① 基于近景攝影測量技術(shù)可以高效快速地獲取沖磨試件三維空間模型，更加有利于定量化掌握試件的磨損狀況； ② 橡膠混凝土隨著橡膠顆粒摻量的增加，抗沖磨深度逐漸減小，抗沖磨性能逐漸增強(qiáng)。

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