混凝土细骨料中云母含量快速检测方法

刘焕强，杨雪青，陈渊召

（1.华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450046；2.华北水利水电大学 信息工程学院，河南 郑州 450046）

0 引言

云母是造岩矿物的主要成分之一[1]，在大多数岩石中都有一定的含量。随着工程建设体量的不断增大，以及国家对自然资源保护力度的持续增强，可用于混凝土中的天然细骨料越来越少，机制砂在混凝土工程中应用的比重越来越高。机制砂主要由开采的岩石破碎获得，由于母岩中的云母在破碎后从母体剥离并裸露出来，云母颗粒呈薄片状，表面光滑有节理，与水泥胶凝材料间的粘结力低，是混凝土原生裂缝及缺陷产生的原因之一，是混凝土细骨料中的有害物质[2]。国家标准GB/T 14684—2011《建设用砂》、行业标准SL 352—2006《水工混凝土试验规程》等对混凝土用细骨料中云母含量提出了具体的限值要求。现行云母含量检测规范、标准中的试验方法是基于一定量的样本，在3～5 倍的放大镜下人工挑选进行的定量检测。这种方法既费时费力，还存在人为误差，尤其是长时间在放大镜下挑选云母，对操作者的眼睛伤害过大。对于现阶段，以机制砂为主要细骨料的混凝土工程，由于云母在自然界中大面积、大范围的存在，若误用，可能产生工程质量问题。生产与施工企业对细骨料中云母含量的检测是控制工程质量的必要手段。为此，开发新的云母含量快速、高效的检测方法是适应新时期工程建设和工程质量控制的必然需要。沈玉等[3]的发明专利中，使用X-射线衍射技术对机制砂云母含量进行定量检测，该方法需要X-射线衍射仪，成本高，操作难度大，X-射线存在辐射风险，不宜长期操作使用。潘迪等[4]的专利中使用数码照相与模式识别技术对机制砂中云母含量进行定量检测，但该检测方法中需通过软件人工挑选出云母部分的图片，这种提取云母图片的操作很难将云母与砂完全区分开，所得结果存在人为误差。本研究借鉴文献[4]的检测方法，参考吉增宝[5]使用数码相片与Photoshop 软件计算植被覆盖度的处理技巧，结合云母与砂之间的物性差异实现云母含量定量检测，是一种新的云母含量检测方法（A new method for mica content detection），以下简称NMM 法。

1 检测原理

数码照片是数字化的摄影作品，常指以数码相机所创作的摄影作品。数码照片所占内存大小与照片内容、颜色有关，还与照片的压缩比率及照片的尺寸大小有关。云母与砂在颗粒形态、颜色上均存在一定的差异，因此，在同样的压缩比率、相同的尺寸条件下，所成像的内存占位大小就与细骨料中的云母与砂的比例变化有关。因此，基于这种差别，借助现代数码照相技术和专业数码照片软件处理技术可以实现细骨料中云母含量的定量测试。

NMM 法、GB/T 14684—2011 或SL352—2006、文献[4]专利CN206132638U 法、文献[3]专利CN110441339A 法的原理、优缺点等对比结果见表1。

表1 云母定量检测方法对比

2 检测技术路线与试验程序

为保证NMM 法的可行性，建立如图1所示的技术路线，检测系统示意如图2所示。

图1 NMM 法检测的技术路线

图2 NMM 法检测装置示意

为实现NMM 法可操作性，建立的标准试验流程如下：

（1）依据随机取样原则，取样量不少于1000 g。

（2）将试样在（105±5）℃下烘干至恒重，置于干燥器中冷却至室温备用。

（3）使用带支架的漏斗，下料口直径为15 mm，漏斗容积不小于200 cm3，漏斗口下方放置试样盒，试样盒为直径不小于10 cm，深不小于2 cm 的圆形容器，漏斗口距试样盒上表面距离为5 cm，将冷却至室温的试样倒入漏斗中，打开漏斗开关，试样自由落入试样盒中并填满整个试样盒。

（4）用钢直尺沿试样盒口刮平，并将刮平后的试样盒置于试样台上。

（5）打开横托板上放置的数码照相机，使摄像头正对下方试样台上的试样盒的中心，调节横托板的高度并开启两端的光源，确保相机成像清晰后，固定横托板及相机的位置，后续测量不再调整相机位置、摄像头位置，横拖板位置，确保后续所拍摄照片不因拍摄条件改变产生数码照片质量的改变。

（6）手动拍照。重复过程（3）和（4），依次取样拍照数不少于5 次。

（7）导出所拍数码照片，并依次编号。然后使用Photoshop软件将所有数码照片沿试样盒内边缘截取最大内接正方形所包围部分的试样照片，并生成新的试样照片重新编号后保存，查看照片属性，获得新照片的内存占位值。在截取时，为消除处理过程时带来的试验结果误差，需截取处理时保证所有数码照片按照同样的过程处理。

（8）取所有同一云母含量截取后的数码照片所占内存空间大小的平均值为最终结果试样数码照片的内存占位值的结果。若其中一张数码照片所占内存空间大小与平均值之差超过平均值的5%，则剔除所有数码照片内存空间占位值中的最大值和最小值，取余下数码照片的内存占位值的平均值作为最终结果，若有2 张或2 张以上数码照片所占内存空间值与平均值之差超过平均值的5%，则本组测结果无效，需重新取样测试。

（9）NMM 法首先需要建立标准曲线图或基准数据表。标准曲线建立方法是，从细骨料料源中提取的纯云母颗粒，按照云母含量以a%为递进关系，从0 增加到N%，其中N%为细骨料料源可能云母含量最大值+1%，a 取0.5 或1.0，重复试验过程（1）～（8）获得的若干组测试数据，使用Origin 建立云母含量与数码照片内存空间占位值间的对应关系曲线或基准数据表，即为该细骨料的云母含量与内存占位值间的标准曲线或基准数据表。

（10）对同一细骨料料源中不知云母含量的试样，依照试验程序（1）～（8），得到待测试样数码照片内存占位值，并与（9）建立的标准曲线比对，采用作图法即可得到待测试样云母含量。也可以通过步骤（9）所获得的测试基准数据表以内差法求得待测试样云母含量。

3 试验验证

为验证NMM 检测方法的可行性，分别采用机制砂和天然砂进行验证试验。试样1 为市售机制砂（记为JZS），Ⅱ区中砂，细度模数2.8，表观密度2.65 g/cm3，按SL 352—2006 方法检测JZS 中不含云母。试样2 为河砂（记为HS），Ⅱ区中砂，细度模数2.6，表观密度2.62 g/cm3，按SL 352—2006 方法检测HS 中云母含量为0.3%。因JZS 中不含云母，因此所有试验云母均来自于HS 水洗分选后再使用3～5 倍放大镜人工挑选获取。为减少云母数量，在建立标准曲线时，云母含量从0 开始，依次按照1%的梯度在上一试样中添加云母的办法递增，测试过程中部分原图与截图见图3。

图3 标准曲线建立部分代表图片

所用数码相机为手机，摄像头像素值为3200 万，所用光源为3 W 暖色日光灯，色温为3000～5000 K。同一含量试样每次拍照数量为5 次，HS 和JZS 测试样品处理后的数码图像内存占位值及结果分别见表2、表3。

表2 HS 中云母含量标准测试结果

表3 JZS 中云母含量标准测试结果

分别在HS 和JZS 试样中随机添加未知含量的云母，采用NMM 法和SL 352—2006 云母含量检测方法进行云母含量检测，对比结果见表4。

表4 验证及比对试验结果

由表4 可知，通过NMM 法与SL 352—2006 中的检测方法相比，在低云母含量下所检测的结果相对误差为0；在云母含量增多时，2种方法的检测结果存在一定相对误差，且SL 352—2006 中云母检测方法的检测结果比NMM 法检测的结果偏小。产生的原因可能是人工挑选时存在部分云母颗粒漏捡；也可能因为样本数量不一致产生的。在SL 352—2006 中没有云母含量平行检测结果误差规定，GB/T 14684—2011 中也没有云母含量平行检测结果误差规定。对于采用NMM 法检测云母含量与规范规定方法检测结果间的相对误差是可以接受的，因为NMM 法的结果比SL 352—2006 规范方法规定的检测结果大，不会产生因云母含量高而误检合格的可能。对于工程质量监控来说，这种方法检测的结果是偏于安全的，且相对误差不超过5%，检测结果可以接受。

4 结论

（1）以数码照相技术为依托所建立的NMM 法检测云母的试验程序合理，可操作性强，重现性高，是一种可行的细骨料云母检测方法。

（2）通过试验验证，NMM 法与SL 352—2006 中规定的云母含量检测方法相比，相对误差不超过5%，NMM 法的检测结果对工程质量控制来说是安全的。

（3）NMM 法作为生产或施工企业中来源稳定的细骨料云母含量快速检测方法，可节约时间、节省人力，节约成本。