基于近景數字攝影測量的橡膠混凝土抗沖磨深度研究

關鍵詞：橡膠混凝土；近景攝影測量；抗沖磨深度中圖分類號：TU528.36 文獻標志碼：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域含沙量較大，泄水流速較快，在下泄過程中，夾帶懸移質或推移質的高速水流會對下游河床及泄水建筑物造成嚴重的沖磨破壞[2]。而傳統的混凝土普遍存在抗拉強度低、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方法及磨損評價方法對于推動抗沖磨性能混凝土的發展具有重要意義。

目前，國內外學者主要通過水下鋼球法和圓環法進行混凝土抗沖磨性能試驗。水下鋼球法借助旋轉葉輪帶動水與鋼球用于模擬混凝土在推移質下的破壞過程4。圓環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下的破壞過程[5]。這兩種混凝土抗沖磨性能試驗已被納入《水工混凝土試驗規程》（SL/T352—2020），并使用抗沖磨強度與磨損率兩個指標來表征橡膠混凝土的抗沖磨性能。抗沖磨強度是指單位面積上被磨損單位質量所需的時間，磨損率是在一定時間內混凝土試件磨損質量與原質量之比。然而混凝土試件一般是由水泥、砂及石子組成的非均勻復雜材料，其內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不規則且粗糙的狀態，而使用抗沖磨強度及磨損率這兩個評價指標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行網格化，然后使用目視觀測法統計被沖磨掉部分的網格數目，并應用盒計數法計算分形維數，通過分形維數的大小來描述混凝土試件磨損后的粗糙程度，進而對混凝土試件抗沖磨性能進行定量化評價。然而其在劃分網格的過程中，需要對網格的大小進行設定，所以網格的大小對描述試件破損詳盡程度至關重要，若格網設置過大，則無法進行細微評價；若過小，則會導致測量工作繁重。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。因此如何快速準確獲取試件各部位破損信息，對于精準掌握混凝土試件抗沖磨性能至關重要。

近景攝影測量技術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、外業勞動強度小等特點，已普遍應用于鋼桁-混凝土組合梁的加載形變監測9，以及汽車構件的細微檢測中[10]

本研究采用近景攝影測量的方法，利用高清數碼相機對沖磨試件表面進行影像采集，并將采集的影像信息導人Lensphoto解析軟件，解算出混凝土試件沖磨后的磨損面表面點的三維空間坐標，最后利用空間坐標，建立三維空間模型，旨在進一步完善混凝土抗沖磨性能的評價方法，以全方位體現混凝土試件的磨損情況，更加精準、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護

1.1 試驗原材料

該試驗采用的膠凝材料為 P?O42.5 普通硅酸鹽水泥，采用天然河砂，細度模數為3.2，表觀密度為 2590kg/m³ 。粗骨料采用粒徑為 5～20mm 連續二級配的石灰巖碎石，其中小石子粒徑為 5～10mm ，大石子粒徑為 10～20mm ，兩者質量之比為1：2。試驗用水采用鄭州市自來水，且采用粒徑 2～4mm 的橡膠顆粒，經過水洗處理，表觀密度為 1243kg/m³ 。

1.2 試驗配合比

依據《水工混凝土配合比設計規程》（DL/T5330—2015），以強度等級為C40的普通混凝土為基準進行配合比設計[\"]，基準混凝土配合比為水：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混凝土配合比設計

注：其中編號JZ和RC分別代表基準混凝土和橡膠混凝土。

1.3試件的制作與養護

該試驗依據《水工混凝土配合比設計規程》（DL/T5330—2015），沖磨試件為高 100mm 、直徑300mm 的扁圓柱體。試件成型并養護28d后，便可進行混凝土的抗沖磨試驗。

2抗沖磨試驗

該試驗依據《水工混凝土試驗規程》（SL/T352—2020），采用水下鋼球法，試驗時將試件放人沖磨儀器中，在鋼筒內放入70個大小不等的研磨鋼球，并加水至水面高出試件表面 165mm 。試驗時，沖磨儀轉速為 1200r/min ，鋼球和水流在攪拌槳帶動下模擬推移質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

該試驗采用近景攝影測量的方法，利用高清數碼相機對沖磨試件表面進行影像采集，并將采集的影像信息導入Lensphoto解析軟件中，解算出混凝土沖磨試件表面所有點的三維空間坐標，最后利用三維空間坐標計算該試件的平均沖磨深度。

3.1 試驗原理

近景攝影測量技術主要是通過直接線性變換解法構建三維模型[13-14]。該解法由Abdel-Aziz等[15]首次提出，特別適用于非量測相機的攝影測量處理。根據二維直接線性變換解法得到物方坐標解算公式，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 為物方坐標值； x 和 y 為對應點的像方坐標值； L₁，L₂，…，L₈ 為待定系數，待定系數可以根據二維直接線性變換解法的數學模型解算。

3.2 試驗方法

相較于傳統測量方法，采用近景攝影測量進行數據采集時間更短，數據更加精確[，此外還能夠利用空間坐標還原物體表面形態，繪制沖磨模型，以更加直觀地展示混凝土的抗沖磨深度。試驗步驟如下： ① 拍攝設備和時間的選擇。本次影像采集選用尼康D750全畫幅相機，其參數為傳感器尺寸35.9mm×24mm ，最大像素數2493萬，有效像素2432萬，最高分辨率 6016×4016 。在采集過程中，關閉單反相機的數碼變焦、閃光燈、防抖動等輔助功能。為保證拍攝過程中光線穩定，該試驗在多云陰天的10：00—14：00之間進行。 ② 標靶的布設。準備一面邊長為 50cm 的標靶基準面，在中間切出一個直徑大于沖磨試件的圓，并在其周圍布設標靶，在影像采集之前，使用水準儀將標靶調至水平，并以標靶所在平面為基準面[]，試驗裝置如圖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，保留質量較好的影像。 ④ 數據處理。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3.3三維影像結果與分析根據影像資料建立基準混凝土試件沖磨后的

TIN模型，為更好地進行分析，將沖磨試件表面進行分區，如圖2所示。

圖2基準混凝土試件沖磨后的TIN模型及表面分區

圖2（a）中 x，y 軸表示距離定義坐標原點的距離， z 軸表示沖磨表面相對于標靶的相對深度。圖2（b）為按照水流速度劃分的不同水速區域，區域1位于旋槳葉片的正下方，水速較小；在旋槳周邊的區域2內，葉片帶動水流，水速最大；在區域3內，沿試件半徑向外，水速逐漸降低。從圖2（a）可以看出，基準混凝土表面沖磨嚴重，沿水流旋轉方向形成了明顯的“外淺內深中間平”的沖磨痕跡，較為規律，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，當橡膠摻量為 5% 時，試件表面沖磨規律與基準混凝土較為相似，但是沖磨程度沒有基準混凝土嚴重，可以看出在邊緣區域，沖磨深度明顯減小，沖磨深度多集中在 -2.2～1.8cm ，試件中間區域沖磨依舊嚴重，但最大沖磨深度較基準混凝土稍有減小；當摻量為 10% 時，試件中間區域的沖磨程度有了明顯改善，最大沖磨深度值與 5% 摻量時相近，但最大沖磨深度數量明顯減少，沖磨深度降低了很多。沖磨表面不再光滑，呈現凹凸不平的狀態，“外淺內深中間平”的沖磨規律不再明顯。隨著橡膠摻量的持續增加，試件表面沖磨深度逐漸降低，各區域表面形態逐漸統一化，沖磨規律大致相同，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系，精確對比不同摻量和改性方式對抗沖磨深度的影響，現將沖磨試件表面一點 z 軸坐標絕對值記為 z₁ ，其對應地面一點 z 軸坐標絕對值記為 z₀ ，則該點沖磨深度 h 按照式（2）計算，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抗沖磨深度結果與分析

本研究將試件表面各點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結果見表2。橡膠混凝土沖磨深度隨橡膠摻量變化的規律如圖4所示。

表2橡膠混凝土平均沖磨深度試驗結果

圖4橡膠混凝土沖磨深度與橡膠摻量的關系

分析表2和圖4可知，采用水下鋼球法沖磨 ^72h 后，基準混凝土所受沖磨破壞最為嚴重，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混凝土。當橡膠摻量從 0% 增加到 15% 時，橡膠混凝土沖磨深度較基準組分別減小了 8.47% /22.22%.46.56% ；當摻量為 5% 時，試件表面沖磨深度多集中在 15～17mm ；當摻量為 10% 時，試件表面沖磨深度多集中在 12～15mm ；當摻量為 15% 時，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。

4結論

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指標，并利用普通數碼相機，采用近景攝影測量技術提取了橡膠混凝土抗沖磨深度，得出以下結論： ① 基于近景攝影測量技術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。

參考文獻：

[1]羅福生，郝二峰，歷從實，等.高抗沖磨橡膠混凝土在前坪水庫導流洞的應用J.治淮，2018（4）：97-98.

[2]袁群，李曉旭，馮凌云，等.橡膠混凝土抗沖磨性能試驗研究[J.長江科學院院報，2018，35（7）：124-130.

[3胡宏峽.黃河上游水電站抗沖磨混凝土試驗研究[J].人民黃河，2020，42（10）：142-147.

[4陳笑笑.改性橡膠混凝土的力學及抗沖磨性能研究[D].鄭州：華北水利水電大學，2022.

[5]謝李，婁宗科.橡膠混凝土抗沖磨性能的研究[J].水資源與水工程學報，2014，25（2）：188-191.

[6中華人民共和國水利部.水工混凝土試驗規程：SL/T352—2020[S].北京：中國水利水電出版社，2020.

[7汪武威.橡膠混凝土抗沖磨、抗沖擊性能的研究[D].鄭州：鄭州大學，2017.

[8]李江濤，潘春強，劉偉，等.關于數字近景工業攝影測量的關鍵技術及其應用[J].電子元器件與信息技術，2021，5（9）：164-165.

[9]姜騰蛟，唐亮，周志祥，等.近景攝影三維重建在結構試驗中的應用[J].實驗室研究與探索，2016，35（11）：26-29.

[10]陶俊.汽車及其零件的三維重建與模型檢測[C]//國務院學位委員會，教育部學位管理與研究生教育司.可持續發展的中國交通：2005全國博士生學術論壇（交通運輸工程學科）論文集（下冊）.武漢大學遙感信息工程學院，2005：854-858.

[11]續玉倩.數字近景攝影測量在鋼桁架節點試驗中的研究與應用[D].邯鄲：河北工程大學，2018.

[12]宋月君，黃炎和，楊潔，等.近景攝影測量在土壤侵蝕監測中的應用[J].測繪科學，2016，41（6）：80-83，96.

[13]鄧俊.近景攝影測量相對控制算法研究與應用[J].城市道橋與防洪，2021（11）：212-214，24.

[14]何樂平，鐘林，胡啟軍，等.基于多樣本容量近景攝影測量的基坑穩定性評價[J].安全與環境學報，2020，20（6）：2180-2186.

[15]ABDEL-AZIZYI，KARARAHM.Accuracy aspectsof non-metric imageries[J].University of Illinois Urbana，1974，61801：1107-1117.

[16]龔小強，鄒進貴，孟麗媛.基于目標檢測和角點檢測的近景攝影測量控制點自動提取[J].測繪通報，2020（S1）：173-175，180.

[17]高旭光，劉輝.建筑裂縫近景攝影測量法觀測與空間模型建立[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2020，43（5）：646-652.

[18]KERSTENT，MAASHG.Photogrammetric 3-D point determination for dam monitoring[J].Optical 3-D Measurement Techniques，1995，14（10）：161-168.