一种建筑垃圾再生骨料物理强化的评价及工艺优选方法与流程

本发明属于建筑垃圾资源化利用领域，具体涉及一种建筑垃圾再生骨料物理强化的评价及工艺优选方法。

背景技术：

建筑垃圾是指在工程建设及拆除过程中直接或间接产生的非工程需要材料的总称，主要成分包括：砖块、混凝凝土、砂浆、渣土、钢筋铁丝、塑料、纺织物、木屑等。随着我国经济发展和城市化进程的加工，城市基础设施建设、公路改扩建产生的建筑垃圾总量与日俱增，严重影响了城市市容环境。另一方面，城市基础设施建设、公路、铁路等工程建设对砂石材料的需求居高不下，长期的开采造成资源枯竭、地材日渐短缺。而道路工程建设是消纳产量巨大建筑垃圾的有效方式之一，常规通过破碎、磁选、风选、筛分方式无法获得高品质的再生骨料，限制了再生骨料在道路工程应用领域。由于建筑垃圾本身料源特性和鄂式破碎机、反击式破碎机的处理，建筑垃圾再生骨料的颗粒形状特性普遍较差，特别是颗粒的针状率和圆度特性。

集料的形状特性对路面基层及面层混合料的工程性质有重要的影响，再生集料表面裹覆的砂浆和再次破碎带来的棱角性对混合料施工、路用性能均带来不利的影响。图像处理技术是目前评价集料棱角性的有效方法之一，主要采用的有侵蚀-膨胀法和轮廓半径傅里叶法，集料棱角性越强，侵蚀-溶胀后图像的边界信息损失就越严重。汪海年采用自主研制的粗集料形态特性表征系统、颗粒周长法和分形几何法，评价了集料的棱角性。裴建中研究在欧式几何体系下集料的形态特征及对混合料性质的影响。唐伯明借助动态颗粒图像分析仪研究了沥青混凝土再生集料棱角性变化规律以及对沥青混合料高温性能的影响。

改善再生骨料颗粒形状特性的工艺也成为颗粒整形技术，国内外尚没有针对建筑垃圾再生骨料颗粒整形的专门技术。在混凝土再生骨料强化领域，有采用立式偏心装置研磨法、卧式回转研磨法、球研磨法、棒磨研磨法、加热研磨法等方式提高再生骨料的品质，采用卧式回转研磨法可以将物料沿着一定的角速度，运动到最顶部时自由落体，竖向下落与底部物料相撞击，碰撞能量的自击与摩擦作用使得骨料薄弱的棱角或表面裹覆的弱粘附力材料剥离。通过这种自击强化方法可以较为经济、显著的提高骨料的形状特征，形状特性对骨料在道路工程中应用的工程价值具有重要的影响，目前采用的《公路工程集料试验规程》jtge42-2005中的t0311-2005针片状含量试验(规准仪法)和t0312-2005粗集料针片状颗粒含量试验(游标卡尺法)测试方法较慢，而且采用人工找到每个颗粒放在平面上的最大长度l和侧面厚度的最大尺寸l，将针片状定义为l/l≥3的颗粒，挑选出来并称重，计算出针片状颗粒含量。通过此方法并不能全面、准确的评价骨料的形状特性。

再生骨料的物理强化工艺方面，对于不同工艺、不同参数下的再生骨料，通常仅通过骨料的强度、吸水率、针片状含量等指标进行再生骨料强化效果的评价。而针对再生骨料形状特性的强化方法的优选，也往往通过以上指标和工程师经验确定，没有准确、系统的优选方法，影响了再生骨料强化设备的研发设计以及建筑垃圾再生骨料的加工品质。截止到目前，针对建筑垃圾再生骨料形状特性的强化工艺、准确全面的评价指标、系统的形状特性强化优选方法，尚没有进行过研究，因此，针对建筑垃圾再生骨料形状特性的强化和评价方法，并在此基础上完成再生骨料形状特性强化的方法具有重要的工程价值，有利于建筑垃圾的综合利用，节约自然资源、保护环境。

技术实现要素：

针对现有制备技术的缺陷和不足，本发明的目的是一种建筑垃圾再生骨料物理强化的评价及工艺优选方法，解决现有的评价方法并不能全面、准确的评价骨料的形状特性，并且对骨料的物理强化方法没有准确、系统的优选方法的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种建筑垃圾再生骨料物理强化的评价方法，包括以下步骤：

步骤1：在建筑垃圾再生骨料表面裹覆高反射率材料，形成白色骨料；

步骤2：将白色骨料和未裹覆高反射率材料的骨料一起研磨，研磨完成后挑选出白色骨料；

步骤3：获取白色骨料的图像；

步骤4：计算图像中每个白色骨料的针状率n和圆度r；

r＝l²/4πa(2)

其中，sl是白色骨料的外接椭圆的长轴，sw是白色骨料的外接椭圆的长轴，l是白色骨料轮廓线的周长；a是白色骨料轮廓线内的面积。

进一步的，采用外加无光环境罩的扫描机对白色骨料进行扫描，获取白色骨料的图像。

进一步的，所述的计算每个白色骨料的针状率n和圆度r，包括：

步骤4.1：对图像中的每个白色骨料进行边缘化处理，强化目标边界；

步骤4.2：对边缘强化处理后的白色骨料的边界进行提取，过滤像素面积小于10000的区域，即消除粉尘颗粒的污染；

步骤4.3：提取图像中的白色骨料轮廓线内的面积、白色骨料轮廓线的周长、白色骨料的外接椭圆的长轴和短轴，根据公式(1)和(2)计算白色骨料的针状率n和圆度r。

一种建筑垃圾再生骨料物理强化的工艺优选方法，包括以下步骤：

步骤1：在建筑垃圾再生骨料表面裹覆高反射率材料，形成白色骨料；

步骤2：将白色骨料和未裹覆高反射率材料的骨料一起在回转研磨机中研磨，旋转次数为c1，研磨后将挑选出白色骨料；

步骤3：获取白色骨料的图像；

步骤4：计算图像中每个白色骨料的针状率n和圆度r；

r＝l²/4πa(2)

其中，sl是白色骨料的外接椭圆的长轴，sw是白色骨料的外接椭圆的长轴，l是白色骨料轮廓线的周长；a是白色骨料轮廓线内的面积。

步骤5：将步骤4获得的白色骨料重复上述步骤2～步骤4，每次重复过程中改变回转研磨机的旋转次数，最终得到旋转次数ci下白色骨料的针状率ni和圆度ri，其中，i＝1,2,…,n，n为白色骨料研磨的次数；

步骤6：根据对再生骨料针状率和圆度的要求，选择步骤5中对应的旋转次数。

进一步的，采用外加无光环境罩的扫描机对白色骨料进行扫描，获取白色骨料的图像。

进一步的，所述的计算每个白色骨料的针状率n和圆度r，包括：

对图像中的每个白色骨料进行边缘化处理，强化目标边界；

对边缘强化处理后的白色骨料的边界进行提取，过滤像素面积小于10000的区域，即消除粉尘颗粒的污染；

提取图像中的白色骨料轮廓线内的面积、白色骨料轮廓线的周长、白色骨料的外接椭圆的长轴和短轴，根据公式(1)和(2)计算白色骨料的针状率n和圆度r。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可以准确、快速的测定再生骨料形状特性强化后的针状率和圆度，并且可以优选建筑垃圾再生骨料强化工艺，为建筑垃圾再生骨料形状特性强化设备的设计、再生骨料的评价提供量化依据，有利于提高建筑垃圾再生骨料在道路工程中的应用领域，提高综合利用率，并节约自然资源、保护环境。

附图说明

图1为图像处理后的白色骨料轮廓图；

图2为c30混凝土强化工艺与形状特性指标的关系；

图3为砂浆颗粒强化工艺与形状特性指标的关系；

图4为砖块颗粒强化工艺与形状特性指标的关系；

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

本发明的建筑垃圾再生骨料物理强化的评价方法，包括：

步骤1：在建筑垃圾再生骨料表面裹覆高反射率材料，形成白色骨料。骨料边缘与背景的灰度差是影响轮廓界限划分的主要因素，为了增强集料边缘与背景的灰度差，在研究中使用光线反射率高、裹覆能力强、颗粒细小的高聚物对集料进行裹覆处理，以增加骨料图像的对比度，使轮廓更加清晰，计算结果更加准确。建筑垃圾再生骨料包括颗砖块、混凝土、砂浆颗粒等，分别挑选不同的种类的骨料裹覆高反射率材料。

步骤2：将白色骨料和未裹覆高反射率材料的骨料一起研磨，研磨完成后挑选出白色骨料；此处利用卧式回转研磨机进行研磨，用部分骨料的强化效果来评价不同的旋转研磨工艺。

步骤3：获取白色骨料的图像；

采用外加无光环境罩的扫描机，在扫描板放置一层薄透光玻璃板，在玻璃板上有序摆放白色骨料颗粒，将无光环境罩加盖于扫描机之上，关闭室内光源进行扫描。挑拣出的白色骨料有序排放在透光玻璃板之上，图像采用彩色扫描的方式，单张照片像素在1200万以上。

步骤4：计算图像中每个白色骨料的针状率n和圆度r；本发明采用针状率n和圆度r评价集料的形状特性，评价物理强化效果；

对图像中的每个白色骨料进行边缘化处理，强化目标边界；

对边缘强化处理后的白色骨料的边界进行提取，过滤像素面积小于10000的区域，即消除粉尘颗粒的污染；

提取图像中的白色骨料轮廓线内的面积、白色骨料轮廓线的周长、白色骨料的外接椭圆的长轴和短轴，根据公式(1)和(2)计算白色骨料的针状率n和圆度r；

r＝l²/4πa(2)

其中，sl是白色骨料的外接椭圆的长轴，sw是白色骨料的外接椭圆的长轴，l是白色骨料轮廓线的周长；a是白色骨料轮廓线内的面积。

另外，本发明给出了一种建筑垃圾再生骨料物理强化的工艺优选方法，包括：

步骤1：在建筑垃圾再生骨料表面裹覆高反射率材料，形成白色骨料；

步骤2：将白色骨料和未裹覆高反射率材料的骨料一起在回转研磨机中研磨，旋转次数为c1，旋转研磨完成后将挑选出白色骨料；

步骤3：获取白色骨料的图像；

采用外加无光环境罩的扫描机，在扫描板放置一层薄透光玻璃板，在玻璃板上有序摆放白色骨料颗粒，将无光环境罩加盖于扫描机之上，关闭室内光源进行扫描。挑拣出的白色骨料有序排放在透光玻璃板之上，摆放过程中注意将骨料最大面接触扫描板。图像采用彩色扫描的方式，单张照片像素在1200万以上。

步骤4：计算图像中每个白色骨料的针状率n和圆度r，包括：

对图像中的每个白色骨料进行边缘化处理，强化目标边界；

对边缘强化处理后的白色骨料的边界进行提取，过滤像素面积小于10000的区域，即消除粉尘颗粒的污染；

提取图像中的白色骨料轮廓线内的面积、白色骨料轮廓线的周长、白色骨料的外接椭圆的长轴和短轴，根据公式(1)和(2)计算白色骨料的针状率n和圆度r；

r＝l²/4πa(2)

其中，sl是白色骨料的外接椭圆的长轴，sw是白色骨料的外接椭圆的长轴，l是白色骨料轮廓线的周长；a是白色骨料轮廓线内的面积。

以下是强化工艺的优选：

步骤5：将步骤4获得的白色骨料再次投入到转筒内，重复上述步骤2～步骤4，每次重复过程中改变回转研磨机的旋转次数，最终得到不同的旋转次数ci下白色骨料的针状率ni和圆度ri，其中，i＝1,2,…,n，n为白色骨料研磨的次数；

步骤6：将不同的旋转次数下获得的白色骨料的针状率n和圆度r分别按序第排列，绘制再生骨料针状率ni和圆度ri与旋转次数ci的关系图；根据实际对再生骨料针状率和圆度的要求，选择步骤5中对应的旋转次数。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1

本实施例给出一种建筑垃圾再生骨料物理强化的评价方法，以加工后的建筑垃圾再生骨料20～30mm粒径范围为对象进行处理。分别挑选50颗砖块、混凝土、砂浆颗粒。分别以三者对测试对象，将三种类型颗粒采用高反射率的高聚物浆体进行裹覆，采用的高聚物型号为c03-1白醇酸调和漆，颗粒细度小于15μm。经对比发现，采用高聚物浆体的方法可显著的提高集料边缘与背景的灰度差。

将裹覆后的骨料与建筑垃圾再生骨料混合达到1250±25g，投入卧式回转研磨机中，设置旋转次数，达到旋转次数之后将白色的再生骨料挑拣出来备用。

采用hp^tmg4010型扫描机外加自制无光环境密闭腔室的方式进行白色骨料的扫描，白色骨料最大面接触扫描板。

对获得的图像进行处理，主要包括：使用matlab中的滤镜功能3*3重复运行三次将周围像素替换中心像素，边缘化处理，强化和完善目标边界；对边缘强化后的集料进行边界的提取，在测量参数中过滤像素面积小于10000的区域，即消除粉尘颗粒的污染，如图1所示；提取图像中的白色骨料轮廓线内的面积、白色骨料轮廓线的周长、白色骨料的外接椭圆的长轴和短轴，根据公式(1)和(2)计算白色骨料的针状率n和圆度r；

r＝l²/4πa(2)

其中，sl是白色骨料的外接椭圆的长轴，sw是白色骨料的外接椭圆的长轴，l是白色骨料轮廓线的周长；a是白色骨料轮廓线内的面积。

实施例2

本实施例给出一种建筑垃圾再生骨料物理强化的工艺优选方法，其中，骨料强化过程同实施例1，经过实施例1后获得一种旋转次数下的白色骨料的针状率和圆度，然后将该白色骨料再次投入到转筒内，重复实施例1中的步骤，每次重复过程中改变回转研磨机的旋转次数，最终得到不同的旋转次数下白色骨料的针状率和圆度；

如图2、图3和图4分别是混凝土、砂浆、砖块颗粒经过0转、20转、70转、170转、370转旋转强化后的裹覆骨料针状率n和圆度r按照次序排列数据分布情况，综合考虑对形状特性指标改善效果、经济型优选合适的针对建筑垃圾再生骨料形状特性强化的卧式回转研磨机旋转次数。对于同一批建筑垃圾再生材料，砖块的针状率范围在1.1～3.0之间，而再生混凝土针状率分布在1.0～1.6之间。从针状率n分布来看，三种材料的针状特性的优劣特性排序为：再生混凝土＞砂浆＞砖块。从强化工工艺的影响分析，本发明方法可整体上改善再生混凝土、砂浆的针状特性；旋转次数达到370r时反而出现不利的影响，回转研磨机的“自击法”对砖块的针状率特性并没有起到改善作用。“自击法”对再生混凝土、再生砂浆集料的针状率指标n影响较大。使用“自击法”旋转70r，可整体上降低针状率5～10％。从集料类型分析，再生骨料的圆度分布在1.7～7.0，而且接近一半的再生集料圆度指标r大于2.2。三种材料的圆度特性优劣性排序为：再生混凝土＞砖块＞砂浆。

从强化工艺的影响分析，自击法对再生集料的圆度指标r改善效果明显。再生集料经过70次旋转自击，圆度指标r普遍降低到3.0以下，并随着旋转次数的增加逐渐减小并趋于稳定。综合以上分析，优选旋转次70转作为优选的建筑垃圾再生骨料强化旋转次数。