一種建築垃圾再生骨料物理強化的評價及工藝優選方法與流程
2023-06-08 08:51:01
本發明屬於建築垃圾資源化利用領域，具體涉及一種建築垃圾再生骨料物理強化的評價及工藝優選方法。
背景技術：
建築垃圾是指在工程建設及拆除過程中直接或間接產生的非工程需要材料的總稱，主要成分包括：磚塊、混凝凝土、砂漿、渣土、鋼筋鐵絲、塑料、紡織物、木屑等。隨著我國經濟發展和城市化進程的加工，城市基礎設施建設、公路改擴建產生的建築垃圾總量與日俱增，嚴重影響了城市市容環境。另一方面，城市基礎設施建設、公路、鐵路等工程建設對砂石材料的需求居高不下，長期的開採造成資源枯竭、地材日漸短缺。而道路工程建設是消納產量巨大建築垃圾的有效方式之一，常規通過破碎、磁選、風選、篩分方式無法獲得高品質的再生骨料，限制了再生骨料在道路工程應用領域。由於建築垃圾本身料源特性和鄂式破碎機、反擊式破碎機的處理，建築垃圾再生骨料的顆粒形狀特性普遍較差，特別是顆粒的針狀率和圓度特性。
集料的形狀特性對路面基層及面層混合料的工程性質有重要的影響，再生集料表面裹覆的砂漿和再次破碎帶來的稜角性對混合料施工、路用性能均帶來不利的影響。圖像處理技術是目前評價集料稜角性的有效方法之一，主要採用的有侵蝕-膨脹法和輪廓半徑傅立葉法，集料稜角性越強，侵蝕-溶脹後圖像的邊界信息損失就越嚴重。汪海年採用自主研製的粗集料形態特性表徵系統、顆粒周長法和分形幾何法，評價了集料的稜角性。裴建中研究在歐式幾何體系下集料的形態特徵及對混合料性質的影響。唐伯明藉助動態顆粒圖像分析儀研究了瀝青混凝土再生集料稜角性變化規律以及對瀝青混合料高溫性能的影響。
改善再生骨料顆粒形狀特性的工藝也成為顆粒整形技術，國內外尚沒有針對建築垃圾再生骨料顆粒整形的專門技術。在混凝土再生骨料強化領域，有採用立式偏心裝置研磨法、臥式迴轉研磨法、球研磨法、棒磨研磨法、加熱研磨法等方式提高再生骨料的品質，採用臥式迴轉研磨法可以將物料沿著一定的角速度，運動到最頂部時自由落體，豎向下落與底部物料相撞擊，碰撞能量的自擊與摩擦作用使得骨料薄弱的稜角或表面裹覆的弱粘附力材料剝離。通過這種自擊強化方法可以較為經濟、顯著的提高骨料的形狀特徵，形狀特性對骨料在道路工程中應用的工程價值具有重要的影響，目前採用的《公路工程集料試驗規程》jtge42-2005中的t0311-2005針片狀含量試驗(規準儀法)和t0312-2005粗集料針片狀顆粒含量試驗(遊標卡尺法)測試方法較慢，而且採用人工找到每個顆粒放在平面上的最大長度l和側面厚度的最大尺寸l，將針片狀定義為l/l≥3的顆粒，挑選出來並稱重，計算出針片狀顆粒含量。通過此方法並不能全面、準確的評價骨料的形狀特性。
再生骨料的物理強化工藝方面，對於不同工藝、不同參數下的再生骨料，通常僅通過骨料的強度、吸水率、針片狀含量等指標進行再生骨料強化效果的評價。而針對再生骨料形狀特性的強化方法的優選，也往往通過以上指標和工程師經驗確定，沒有準確、系統的優選方法，影響了再生骨料強化設備的研發設計以及建築垃圾再生骨料的加工品質。截止到目前，針對建築垃圾再生骨料形狀特性的強化工藝、準確全面的評價指標、系統的形狀特性強化優選方法，尚沒有進行過研究，因此，針對建築垃圾再生骨料形狀特性的強化和評價方法，並在此基礎上完成再生骨料形狀特性強化的方法具有重要的工程價值，有利於建築垃圾的綜合利用，節約自然資源、保護環境。
技術實現要素：
針對現有製備技術的缺陷和不足，本發明的目的是一種建築垃圾再生骨料物理強化的評價及工藝優選方法，解決現有的評價方法並不能全面、準確的評價骨料的形狀特性，並且對骨料的物理強化方法沒有準確、系統的優選方法的問題。
為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案予以實現：
一種建築垃圾再生骨料物理強化的評價方法，包括以下步驟：
步驟1：在建築垃圾再生骨料表面裹覆高反射率材料，形成白色骨料；
步驟2：將白色骨料和未裹覆高反射率材料的骨料一起研磨，研磨完成後挑選出白色骨料；
步驟3：獲取白色骨料的圖像；
步驟4：計算圖像中每個白色骨料的針狀率n和圓度r；
r＝l2/4πa(2)
其中，sl是白色骨料的外接橢圓的長軸，sw是白色骨料的外接橢圓的長軸，l是白色骨料輪廓線的周長；a是白色骨料輪廓線內的面積。
進一步的，採用外加無光環境罩的掃描機對白色骨料進行掃描，獲取白色骨料的圖像。
進一步的，所述的計算每個白色骨料的針狀率n和圓度r，包括：
步驟4.1：對圖像中的每個白色骨料進行邊緣化處理，強化目標邊界；
步驟4.2：對邊緣強化處理後的白色骨料的邊界進行提取，過濾像素麵積小於10000的區域，即消除粉塵顆粒的汙染；
步驟4.3：提取圖像中的白色骨料輪廓線內的面積、白色骨料輪廓線的周長、白色骨料的外接橢圓的長軸和短軸，根據公式(1)和(2)計算白色骨料的針狀率n和圓度r。
一種建築垃圾再生骨料物理強化的工藝優選方法，包括以下步驟：
步驟1：在建築垃圾再生骨料表面裹覆高反射率材料，形成白色骨料；
步驟2：將白色骨料和未裹覆高反射率材料的骨料一起在迴轉研磨機中研磨，旋轉次數為c1，研磨後將挑選出白色骨料；
步驟3：獲取白色骨料的圖像；
步驟4：計算圖像中每個白色骨料的針狀率n和圓度r；
r＝l2/4πa(2)
其中，sl是白色骨料的外接橢圓的長軸，sw是白色骨料的外接橢圓的長軸，l是白色骨料輪廓線的周長；a是白色骨料輪廓線內的面積。
步驟5：將步驟4獲得的白色骨料重複上述步驟2～步驟4，每次重複過程中改變迴轉研磨機的旋轉次數，最終得到旋轉次數ci下白色骨料的針狀率ni和圓度ri，其中，i＝1,2,…,n，n為白色骨料研磨的次數；
步驟6：根據對再生骨料針狀率和圓度的要求，選擇步驟5中對應的旋轉次數。
進一步的，採用外加無光環境罩的掃描機對白色骨料進行掃描，獲取白色骨料的圖像。
進一步的，所述的計算每個白色骨料的針狀率n和圓度r，包括：
對圖像中的每個白色骨料進行邊緣化處理，強化目標邊界；
對邊緣強化處理後的白色骨料的邊界進行提取，過濾像素麵積小於10000的區域，即消除粉塵顆粒的汙染；
提取圖像中的白色骨料輪廓線內的面積、白色骨料輪廓線的周長、白色骨料的外接橢圓的長軸和短軸，根據公式(1)和(2)計算白色骨料的針狀率n和圓度r。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
本發明可以準確、快速的測定再生骨料形狀特性強化後的針狀率和圓度，並且可以優選建築垃圾再生骨料強化工藝，為建築垃圾再生骨料形狀特性強化設備的設計、再生骨料的評價提供量化依據，有利於提高建築垃圾再生骨料在道路工程中的應用領域，提高綜合利用率，並節約自然資源、保護環境。
附圖說明
圖1為圖像處理後的白色骨料輪廓圖；
圖2為c30混凝土強化工藝與形狀特性指標的關係；
圖3為砂漿顆粒強化工藝與形狀特性指標的關係；
圖4為磚塊顆粒強化工藝與形狀特性指標的關係；
以下結合實施例對本發明的具體內容作進一步詳細解釋說明。
具體實施方式
本發明的建築垃圾再生骨料物理強化的評價方法，包括：
步驟1：在建築垃圾再生骨料表面裹覆高反射率材料，形成白色骨料。骨料邊緣與背景的灰度差是影響輪廓界限劃分的主要因素，為了增強集料邊緣與背景的灰度差，在研究中使用光線反射率高、裹覆能力強、顆粒細小的高聚物對集料進行裹覆處理，以增加骨料圖像的對比度，使輪廓更加清晰，計算結果更加準確。建築垃圾再生骨料包括顆磚塊、混凝土、砂漿顆粒等，分別挑選不同的種類的骨料裹覆高反射率材料。
步驟2：將白色骨料和未裹覆高反射率材料的骨料一起研磨，研磨完成後挑選出白色骨料；此處利用臥式迴轉研磨機進行研磨，用部分骨料的強化效果來評價不同的旋轉研磨工藝。
步驟3：獲取白色骨料的圖像；
採用外加無光環境罩的掃描機，在掃描板放置一層薄透光玻璃板，在玻璃板上有序擺放白色骨料顆粒，將無光環境罩加蓋於掃描機之上，關閉室內光源進行掃描。挑揀出的白色骨料有序排放在透光玻璃板之上，圖像採用彩色掃描的方式，單張照片像素在1200萬以上。
步驟4：計算圖像中每個白色骨料的針狀率n和圓度r；本發明採用針狀率n和圓度r評價集料的形狀特性，評價物理強化效果；
對圖像中的每個白色骨料進行邊緣化處理，強化目標邊界；
對邊緣強化處理後的白色骨料的邊界進行提取，過濾像素麵積小於10000的區域，即消除粉塵顆粒的汙染；
提取圖像中的白色骨料輪廓線內的面積、白色骨料輪廓線的周長、白色骨料的外接橢圓的長軸和短軸，根據公式(1)和(2)計算白色骨料的針狀率n和圓度r；
r＝l2/4πa(2)
其中，sl是白色骨料的外接橢圓的長軸，sw是白色骨料的外接橢圓的長軸，l是白色骨料輪廓線的周長；a是白色骨料輪廓線內的面積。
另外，本發明給出了一種建築垃圾再生骨料物理強化的工藝優選方法，包括：
步驟1：在建築垃圾再生骨料表面裹覆高反射率材料，形成白色骨料；
步驟2：將白色骨料和未裹覆高反射率材料的骨料一起在迴轉研磨機中研磨，旋轉次數為c1，旋轉研磨完成後將挑選出白色骨料；
步驟3：獲取白色骨料的圖像；
採用外加無光環境罩的掃描機，在掃描板放置一層薄透光玻璃板，在玻璃板上有序擺放白色骨料顆粒，將無光環境罩加蓋於掃描機之上，關閉室內光源進行掃描。挑揀出的白色骨料有序排放在透光玻璃板之上，擺放過程中注意將骨料最大面接觸掃描板。圖像採用彩色掃描的方式，單張照片像素在1200萬以上。
步驟4：計算圖像中每個白色骨料的針狀率n和圓度r，包括：
對圖像中的每個白色骨料進行邊緣化處理，強化目標邊界；
對邊緣強化處理後的白色骨料的邊界進行提取，過濾像素麵積小於10000的區域，即消除粉塵顆粒的汙染；
提取圖像中的白色骨料輪廓線內的面積、白色骨料輪廓線的周長、白色骨料的外接橢圓的長軸和短軸，根據公式(1)和(2)計算白色骨料的針狀率n和圓度r；
r＝l2/4πa(2)
其中，sl是白色骨料的外接橢圓的長軸，sw是白色骨料的外接橢圓的長軸，l是白色骨料輪廓線的周長；a是白色骨料輪廓線內的面積。
以下是強化工藝的優選：
步驟5：將步驟4獲得的白色骨料再次投入到轉筒內，重複上述步驟2～步驟4，每次重複過程中改變迴轉研磨機的旋轉次數，最終得到不同的旋轉次數ci下白色骨料的針狀率ni和圓度ri，其中，i＝1,2,…,n，n為白色骨料研磨的次數；
步驟6：將不同的旋轉次數下獲得的白色骨料的針狀率n和圓度r分別按序第排列，繪製再生骨料針狀率ni和圓度ri與旋轉次數ci的關係圖；根據實際對再生骨料針狀率和圓度的要求，選擇步驟5中對應的旋轉次數。
以下給出本發明的具體實施例，需要說明的是本發明並不局限於以下具體實施例，凡在本申請技術方案基礎上做的等同變換均落入本發明的保護範圍。
實施例1
本實施例給出一種建築垃圾再生骨料物理強化的評價方法，以加工後的建築垃圾再生骨料20～30mm粒徑範圍為對象進行處理。分別挑選50顆磚塊、混凝土、砂漿顆粒。分別以三者對測試對象，將三種類型顆粒採用高反射率的高聚物漿體進行裹覆，採用的高聚物型號為c03-1白醇酸調和漆，顆粒細度小於15μm。經對比發現，採用高聚物漿體的方法可顯著的提高集料邊緣與背景的灰度差。
將裹覆後的骨料與建築垃圾再生骨料混合達到1250±25g，投入臥式迴轉研磨機中，設置旋轉次數，達到旋轉次數之後將白色的再生骨料挑揀出來備用。
採用hptmg4010型掃描機外加自製無光環境密閉腔室的方式進行白色骨料的掃描，白色骨料最大面接觸掃描板。
對獲得的圖像進行處理，主要包括：使用matlab中的濾鏡功能3*3重複運行三次將周圍像素替換中心像素，邊緣化處理，強化和完善目標邊界；對邊緣強化後的集料進行邊界的提取，在測量參數中過濾像素麵積小於10000的區域，即消除粉塵顆粒的汙染，如圖1所示；提取圖像中的白色骨料輪廓線內的面積、白色骨料輪廓線的周長、白色骨料的外接橢圓的長軸和短軸，根據公式(1)和(2)計算白色骨料的針狀率n和圓度r；
r＝l2/4πa(2)
其中，sl是白色骨料的外接橢圓的長軸，sw是白色骨料的外接橢圓的長軸，l是白色骨料輪廓線的周長；a是白色骨料輪廓線內的面積。
實施例2
本實施例給出一種建築垃圾再生骨料物理強化的工藝優選方法，其中，骨料強化過程同實施例1，經過實施例1後獲得一種旋轉次數下的白色骨料的針狀率和圓度，然後將該白色骨料再次投入到轉筒內，重複實施例1中的步驟，每次重複過程中改變迴轉研磨機的旋轉次數，最終得到不同的旋轉次數下白色骨料的針狀率和圓度；
如圖2、圖3和圖4分別是混凝土、砂漿、磚塊顆粒經過0轉、20轉、70轉、170轉、370轉旋轉強化後的裹覆骨料針狀率n和圓度r按照次序排列數據分布情況，綜合考慮對形狀特性指標改善效果、經濟型優選合適的針對建築垃圾再生骨料形狀特性強化的臥式迴轉研磨機旋轉次數。對於同一批建築垃圾再生材料，磚塊的針狀率範圍在1.1～3.0之間，而再生混凝土針狀率分布在1.0～1.6之間。從針狀率n分布來看，三種材料的針狀特性的優劣特性排序為：再生混凝土＞砂漿＞磚塊。從強化工工藝的影響分析，本發明方法可整體上改善再生混凝土、砂漿的針狀特性；旋轉次數達到370r時反而出現不利的影響，迴轉研磨機的「自擊法」對磚塊的針狀率特性並沒有起到改善作用。「自擊法」對再生混凝土、再生砂漿集料的針狀率指標n影響較大。使用「自擊法」旋轉70r，可整體上降低針狀率5～10％。從集料類型分析，再生骨料的圓度分布在1.7～7.0，而且接近一半的再生集料圓度指標r大於2.2。三種材料的圓度特性優劣性排序為：再生混凝土＞磚塊＞砂漿。
從強化工藝的影響分析，自擊法對再生集料的圓度指標r改善效果明顯。再生集料經過70次旋轉自擊，圓度指標r普遍降低到3.0以下，並隨著旋轉次數的增加逐漸減小並趨於穩定。綜合以上分析，優選旋轉次70轉作為優選的建築垃圾再生骨料強化旋轉次數。