混凝土細(xì)骨料中云母含量快速檢測(cè)方法

劉煥強(qiáng)，楊雪青，陳淵召

（1.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.華北水利水電大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450046）

0 引言

云母是造巖礦物的主要成分之一[1]，在大多數(shù)巖石中都有一定的含量。隨著工程建設(shè)體量的不斷增大，以及國家對(duì)自然資源保護(hù)力度的持續(xù)增強(qiáng)，可用于混凝土中的天然細(xì)骨料越來越少，機(jī)制砂在混凝土工程中應(yīng)用的比重越來越高。機(jī)制砂主要由開采的巖石破碎獲得，由于母巖中的云母在破碎后從母體剝離并裸露出來，云母顆粒呈薄片狀，表面光滑有節(jié)理，與水泥膠凝材料間的粘結(jié)力低，是混凝土原生裂縫及缺陷產(chǎn)生的原因之一，是混凝土細(xì)骨料中的有害物質(zhì)[2]。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》等對(duì)混凝土用細(xì)骨料中云母含量提出了具體的限值要求。現(xiàn)行云母含量檢測(cè)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法是基于一定量的樣本，在3～5 倍的放大鏡下人工挑選進(jìn)行的定量檢測(cè)。這種方法既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還存在人為誤差，尤其是長時(shí)間在放大鏡下挑選云母，對(duì)操作者的眼睛傷害過大。對(duì)于現(xiàn)階段，以機(jī)制砂為主要細(xì)骨料的混凝土工程，由于云母在自然界中大面積、大范圍的存在，若誤用，可能產(chǎn)生工程質(zhì)量問題。生產(chǎn)與施工企業(yè)對(duì)細(xì)骨料中云母含量的檢測(cè)是控制工程質(zhì)量的必要手段。為此，開發(fā)新的云母含量快速、高效的檢測(cè)方法是適應(yīng)新時(shí)期工程建設(shè)和工程質(zhì)量控制的必然需要。沈玉等[3]的發(fā)明專利中，使用X-射線衍射技術(shù)對(duì)機(jī)制砂云母含量進(jìn)行定量檢測(cè)，該方法需要X-射線衍射儀，成本高，操作難度大，X-射線存在輻射風(fēng)險(xiǎn)，不宜長期操作使用。潘迪等[4]的專利中使用數(shù)碼照相與模式識(shí)別技術(shù)對(duì)機(jī)制砂中云母含量進(jìn)行定量檢測(cè)，但該檢測(cè)方法中需通過軟件人工挑選出云母部分的圖片，這種提取云母圖片的操作很難將云母與砂完全區(qū)分開，所得結(jié)果存在人為誤差。本研究借鑒文獻(xiàn)[4]的檢測(cè)方法，參考吉增寶[5]使用數(shù)碼相片與Photoshop 軟件計(jì)算植被覆蓋度的處理技巧，結(jié)合云母與砂之間的物性差異實(shí)現(xiàn)云母含量定量檢測(cè)，是一種新的云母含量檢測(cè)方法（A new method for mica content detection），以下簡稱NMM 法。

1 檢測(cè)原理

數(shù)碼照片是數(shù)字化的攝影作品，常指以數(shù)碼相機(jī)所創(chuàng)作的攝影作品。數(shù)碼照片所占內(nèi)存大小與照片內(nèi)容、顏色有關(guān)，還與照片的壓縮比率及照片的尺寸大小有關(guān)。云母與砂在顆粒形態(tài)、顏色上均存在一定的差異，因此，在同樣的壓縮比率、相同的尺寸條件下，所成像的內(nèi)存占位大小就與細(xì)骨料中的云母與砂的比例變化有關(guān)。因此，基于這種差別，借助現(xiàn)代數(shù)碼照相技術(shù)和專業(yè)數(shù)碼照片軟件處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)細(xì)骨料中云母含量的定量測(cè)試。

NMM 法、GB/T 14684—2011 或SL352—2006、文獻(xiàn)[4]專利CN206132638U 法、文獻(xiàn)[3]專利CN110441339A 法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)等對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 云母定量檢測(cè)方法對(duì)比

2 檢測(cè)技術(shù)路線與試驗(yàn)程序

為保證NMM 法的可行性，建立如圖1所示的技術(shù)路線，檢測(cè)系統(tǒng)示意如圖2所示。

圖1 NMM 法檢測(cè)的技術(shù)路線

圖2 NMM 法檢測(cè)裝置示意

為實(shí)現(xiàn)NMM 法可操作性，建立的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)流程如下：

（1）依據(jù)隨機(jī)取樣原則，取樣量不少于1000 g。

（2）將試樣在（105±5）℃下烘干至恒重，置于干燥器中冷卻至室溫備用。

（3）使用帶支架的漏斗，下料口直徑為15 mm，漏斗容積不小于200 cm3，漏斗口下方放置試樣盒，試樣盒為直徑不小于10 cm，深不小于2 cm 的圓形容器，漏斗口距試樣盒上表面距離為5 cm，將冷卻至室溫的試樣倒入漏斗中，打開漏斗開關(guān)，試樣自由落入試樣盒中并填滿整個(gè)試樣盒。

（4）用鋼直尺沿試樣盒口刮平，并將刮平后的試樣盒置于試樣臺(tái)上。

（5）打開橫托板上放置的數(shù)碼照相機(jī)，使攝像頭正對(duì)下方試樣臺(tái)上的試樣盒的中心，調(diào)節(jié)橫托板的高度并開啟兩端的光源，確保相機(jī)成像清晰后，固定橫托板及相機(jī)的位置，后續(xù)測(cè)量不再調(diào)整相機(jī)位置、攝像頭位置，橫拖板位置，確保后續(xù)所拍攝照片不因拍攝條件改變產(chǎn)生數(shù)碼照片質(zhì)量的改變。

（6）手動(dòng)拍照。重復(fù)過程（3）和（4），依次取樣拍照數(shù)不少于5 次。

（7）導(dǎo)出所拍數(shù)碼照片，并依次編號(hào)。然后使用Photoshop軟件將所有數(shù)碼照片沿試樣盒內(nèi)邊緣截取最大內(nèi)接正方形所包圍部分的試樣照片，并生成新的試樣照片重新編號(hào)后保存，查看照片屬性，獲得新照片的內(nèi)存占位值。在截取時(shí)，為消除處理過程時(shí)帶來的試驗(yàn)結(jié)果誤差，需截取處理時(shí)保證所有數(shù)碼照片按照同樣的過程處理。

（8）取所有同一云母含量截取后的數(shù)碼照片所占內(nèi)存空間大小的平均值為最終結(jié)果試樣數(shù)碼照片的內(nèi)存占位值的結(jié)果。若其中一張數(shù)碼照片所占內(nèi)存空間大小與平均值之差超過平均值的5%，則剔除所有數(shù)碼照片內(nèi)存空間占位值中的最大值和最小值，取余下數(shù)碼照片的內(nèi)存占位值的平均值作為最終結(jié)果，若有2 張或2 張以上數(shù)碼照片所占內(nèi)存空間值與平均值之差超過平均值的5%，則本組測(cè)結(jié)果無效，需重新取樣測(cè)試。

（9）NMM 法首先需要建立標(biāo)準(zhǔn)曲線圖或基準(zhǔn)數(shù)據(jù)表。標(biāo)準(zhǔn)曲線建立方法是，從細(xì)骨料料源中提取的純?cè)颇割w粒，按照云母含量以a%為遞進(jìn)關(guān)系，從0 增加到N%，其中N%為細(xì)骨料料源可能云母含量最大值+1%，a 取0.5 或1.0，重復(fù)試驗(yàn)過程（1）～（8）獲得的若干組測(cè)試數(shù)據(jù)，使用Origin 建立云母含量與數(shù)碼照片內(nèi)存空間占位值間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線或基準(zhǔn)數(shù)據(jù)表，即為該細(xì)骨料的云母含量與內(nèi)存占位值間的標(biāo)準(zhǔn)曲線或基準(zhǔn)數(shù)據(jù)表。

（10）對(duì)同一細(xì)骨料料源中不知云母含量的試樣，依照試驗(yàn)程序（1）～（8），得到待測(cè)試樣數(shù)碼照片內(nèi)存占位值，并與（9）建立的標(biāo)準(zhǔn)曲線比對(duì)，采用作圖法即可得到待測(cè)試樣云母含量。也可以通過步驟（9）所獲得的測(cè)試基準(zhǔn)數(shù)據(jù)表以內(nèi)差法求得待測(cè)試樣云母含量。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證NMM 檢測(cè)方法的可行性，分別采用機(jī)制砂和天然砂進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。試樣1 為市售機(jī)制砂（記為JZS），Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.8，表觀密度2.65 g/cm3，按SL 352—2006 方法檢測(cè)JZS 中不含云母。試樣2 為河砂（記為HS），Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.6，表觀密度2.62 g/cm3，按SL 352—2006 方法檢測(cè)HS 中云母含量為0.3%。因JZS 中不含云母，因此所有試驗(yàn)云母均來自于HS 水洗分選后再使用3～5 倍放大鏡人工挑選獲取。為減少云母數(shù)量，在建立標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)，云母含量從0 開始，依次按照1%的梯度在上一試樣中添加云母的辦法遞增，測(cè)試過程中部分原圖與截圖見圖3。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)曲線建立部分代表圖片

所用數(shù)碼相機(jī)為手機(jī)，攝像頭像素值為3200 萬，所用光源為3 W 暖色日光燈，色溫為3000～5000 K。同一含量試樣每次拍照數(shù)量為5 次，HS 和JZS 測(cè)試樣品處理后的數(shù)碼圖像內(nèi)存占位值及結(jié)果分別見表2、表3。

表2 HS 中云母含量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果

表3 JZS 中云母含量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果

分別在HS 和JZS 試樣中隨機(jī)添加未知含量的云母，采用NMM 法和SL 352—2006 云母含量檢測(cè)方法進(jìn)行云母含量檢測(cè)，對(duì)比結(jié)果見表4。

表4 驗(yàn)證及比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果

由表4 可知，通過NMM 法與SL 352—2006 中的檢測(cè)方法相比，在低云母含量下所檢測(cè)的結(jié)果相對(duì)誤差為0；在云母含量增多時(shí)，2種方法的檢測(cè)結(jié)果存在一定相對(duì)誤差，且SL 352—2006 中云母檢測(cè)方法的檢測(cè)結(jié)果比NMM 法檢測(cè)的結(jié)果偏小。產(chǎn)生的原因可能是人工挑選時(shí)存在部分云母顆粒漏撿；也可能因?yàn)闃颖緮?shù)量不一致產(chǎn)生的。在SL 352—2006 中沒有云母含量平行檢測(cè)結(jié)果誤差規(guī)定，GB/T 14684—2011 中也沒有云母含量平行檢測(cè)結(jié)果誤差規(guī)定。對(duì)于采用NMM 法檢測(cè)云母含量與規(guī)范規(guī)定方法檢測(cè)結(jié)果間的相對(duì)誤差是可以接受的，因?yàn)镹MM 法的結(jié)果比SL 352—2006 規(guī)范方法規(guī)定的檢測(cè)結(jié)果大，不會(huì)產(chǎn)生因云母含量高而誤檢合格的可能。對(duì)于工程質(zhì)量監(jiān)控來說，這種方法檢測(cè)的結(jié)果是偏于安全的，且相對(duì)誤差不超過5%，檢測(cè)結(jié)果可以接受。

4 結(jié)論

（1）以數(shù)碼照相技術(shù)為依托所建立的NMM 法檢測(cè)云母的試驗(yàn)程序合理，可操作性強(qiáng)，重現(xiàn)性高，是一種可行的細(xì)骨料云母檢測(cè)方法。

（2）通過試驗(yàn)驗(yàn)證，NMM 法與SL 352—2006 中規(guī)定的云母含量檢測(cè)方法相比，相對(duì)誤差不超過5%，NMM 法的檢測(cè)結(jié)果對(duì)工程質(zhì)量控制來說是安全的。

（3）NMM 法作為生產(chǎn)或施工企業(yè)中來源穩(wěn)定的細(xì)骨料云母含量快速檢測(cè)方法，可節(jié)約時(shí)間、節(jié)省人力，節(jié)約成本。