本发明涉及混凝土粗骨料颗粒的评价，具体涉及混凝土粗骨料颗粒三维形态特征的定量评价。
背景技术：
1、混凝土是目前最大的建筑材料，它是一种多相复合材料，其强度取决于水泥石、粗骨料、以及粗骨料与水泥之间的界面强度。粗骨料是混凝土的骨架，据统计，粗骨料可占混凝土体积的50％～70％，它会影响新拌混凝土的流变性以及混凝土的力学性能和耐久性。
2、国内外众多学者通过试验研究、模拟仿真等方法，论证了粗骨料颗粒的形态特征是影响喷射混凝土输送和射流特性、力学和耐久性能的重要因素。因此为了更好地探究粗骨料的尺寸参数及形状参数对混凝土性能的影响，应对粗骨料颗粒的几何形态特征加以定性、定量地分析和评价。
3、目前现有技术中有关粗骨料颗粒的研究报道有：
4、申请号202210633149.8公开了一种无需强化处理且保证再生粗骨料性能的方法，包括砂浆附着率测试和形态分析两个步骤，砂浆附着率测试运用了图像处理和分割技术，包括图像采集、灰度化、归一化处理等技术；形态包括再生粗骨料正面投影和侧面投影的图像分析，运用了图像识别和自动筛选技术，包括全局(局部)阈值分割、otsu阈值分割、迭代式阈值分割、分水岭分割等的一种或多种方法。该方法不采用任何化学方法，只通过数字图像方法就能自动识别和自动分拣。
5、申请号202210006232.2公开了一种建筑固体废弃物路用再生骨料形态特征评价方法，其方法包括：将建筑固废路用再生骨料根据粒径大小进行分档处理；对于各档建筑固废路用再生骨料，随机挑选适宜数量的再生骨料颗粒进行扫描，然后进行二值化处理，并输出全部的再生骨料切片图像；将图像导入mimics软件中，通过参数设置、方向定位等，重构再生骨料的三维可视化模型；获取每个再生骨料颗粒体的体积、表面积、外接长方体，计算再生骨料颗粒的球形度、粗糙度、形状因子等，将上述测试结果取平均值。
6、上述现有技术均可以对粗骨料颗粒的形态特征进行评价，但是还存在以下技术问题：对于不同粒径大小及不同轴比指标区域颗粒的综合研究分析未有体现，而综合分析考虑不同粒径及不同轴比指标颗粒的尺寸、形状参数对于再生粗骨料颗粒形态特征评价的准确性十分重要。
7、由此可见，现有技术还有待于进一步改进。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态特征的定量评价方法，该方法可以准确描述颗粒的三维形态特征，通过粗骨料颗粒形态参数之间的对应关系分析可以为构建喷射不同粒径范围内粗骨料颗粒的典型非球形离散元物理模型提供参数支持。
2、为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
3、喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态特征的定量评价方法，包括以下步骤：
4、a、采用随机抽样法明确四种粒径范围下喷射混凝土粗骨料颗粒的最优坐标点数量，包括以下子步骤：
5、a1、构建喷射混凝土粗骨料颗粒表面的三维数据坐标集，标记为c(x,y,z)；
6、a2、采用球谐函数分析法在球坐标系上构造真实喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态；
7、a3、确定喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态的评价参数；
8、a4、采用随机抽样法及对照组法明确粒径范围下喷射混凝土粗骨料颗粒的最优坐标点数量；
9、b、按轴比指标参数将喷射混凝土粗骨料颗粒进行区域划分及形状分类；
10、c、系统评价和分析，包括以下子步骤：
11、c1、评价轴比指标区域内喷射混凝土粗骨料颗粒的尺寸参数，所述的尺寸参数包括喷射混凝土粗骨料颗粒的3d尺寸、体积以及表面积；
12、c2、评价轴比指标区域内喷射混凝土粗骨料颗粒的形状参数，所述的形状参数包括喷射混凝土粗骨料颗粒的球形度、棱角度以及凹凸度；
13、c3、系统分析喷射混凝土粗骨料颗粒的球形度、棱角度、凹凸度以及不同区域内喷射混凝土粗骨料颗粒各形状参数的对应关系。
14、上述的喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态特征的定量评价方法，步骤a1具体为：
15、步骤一、利用激光扫描仪对喷射混凝土粗骨料颗粒进行3d测量，捕获喷射混凝土粗骨料颗粒的三维空间信息；
16、步骤二、运用三维处理软件提取喷射混凝土粗骨料颗粒的坐标位置信息，并将其建立为三维曲面模型，识别并删除喷射混凝土粗骨料颗粒周围非连接项和孤立点；
17、步骤三、将喷射混凝土粗骨料颗粒中心移至坐标原点，并依次确定喷射混凝土粗骨料颗粒与三维笛卡尔坐标系中的x、y和z轴，输出喷射混凝土粗骨料颗粒表面的三维数据坐标集。
18、上述的喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态特征的定量评价方法，步骤a2具体为：
19、步骤一、将喷射混凝土粗骨料颗粒表面的三维数据坐标集c(x,y,z)表示为相应的仰角与方位角函数，建立喷射混凝土粗骨料颗粒表面到单位球体的一对一映射，实现球面参数化，其表达式如式(1)所示：
20、c(θ,φ)＝(x(θ,φ),y(θ,φ)z(θ,φ)) (1)；
21、式(1)中：θ表示r与z轴的夹角，即球坐标系中的仰角，θ∈(0,π)；
22、φ表示r在x-y平面上的投影与x轴夹角，即球坐标系中的方位角，φ∈(0,2π)；
23、r为喷射混凝土粗骨料颗粒表面任一点到三维数据坐标集原点的距离；
24、步骤二、对r球谐展开，其表达式如式(2)所示：
25、
26、式(2)中：为球谐函数系数，由实部和虚部构成；为球谐函数的级数形式，其表达式如式(3)所示：
27、
28、式(3)中，m和n为的阶数，均为整数，且n∈(0,+∞)，m∈(-n,n)；为伴随勒德让函数。
29、上述的喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态特征的定量评价方法，其特征在于，的表达式如式(4)、(5)所示：
30、
31、
32、将参数化的坐标点集c(θ，φ)代入对r的球谐展开式中可以得到一个未知数为(n+1)2的矩阵，表达式如式(6)所示：
33、
34、式(6)中：行向量为第i个点的球谐函数系列，采用最小二乘法可求得球谐函数系数，该组球谐函数系数可以表征喷射混凝土粗骨料颗粒于复杂多尺度分布下的形态特征。
35、上述的喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态特征的定量评价方法，步骤b中，利用轴比指标参数，对喷射混凝土粗骨料颗粒进行区域划分，进而确定各尺寸颗粒的数量及占比。通过对喷射混凝土粗骨料颗粒伸长率指数、平整度指数的计算，对喷射混凝土粗骨料颗粒形状划分。
36、上述的喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态特征的定量评价方法，步骤c1中，利用不同粒径范围内喷射混凝土粗骨料颗粒的尺寸参数制作喷射混凝土粗骨料颗粒尺寸参数直方图和正态分布图，进而确定喷射混凝土粗骨料颗粒尺寸参数的离散程度，找出粒径与尺寸分布的关系。
37、上述的喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态特征的定量评价方法，步骤c2中，利用不同粒径范围内喷射混凝土粗骨料颗粒形状参数统计结果，制作喷射混凝土粗骨料颗粒尺寸参数箱线图和分布曲线图，对不同粒径范围、不同轴比指标区域中喷射混凝土粗骨料颗粒的形状参数深入分析，对不同轴比指标区域内喷射混凝土粗骨料颗粒形状参数存在明显差异的，根据统计数据的差异性将轴比指标区域合并后再对比分析。
38、上述的喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态特征的定量评价方法，不同轴比指标区域中喷射混凝土粗骨料颗粒的形状参数包括：平均值、中位数、偏度、峰度、标准差、95％置信区间、变异系数。
39、上述的喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态特征的定量评价方法，步骤c3中，利用对喷射混凝土粗骨料颗粒尺寸参数，形状参数的评价结果，以及金格提出的颗粒轴比指标参数，建立不同粒径范围内颗粒的球形度、棱角度、凹凸度的三维平面散点分布图，进而分析不同区域内喷射混凝土粗骨料颗粒各形状参数的对应关系；采用平均值及三角函数，定量分析不同粒径范围内喷射混凝土粗骨料颗粒于不同区域内形状参数的集中性和分散性，其表达式如式(7)、(8)、(9)、(10)所示：
40、
41、
42、
43、
44、式(7)中，为形状参数si，ai，ci的平均值，i为样本次序，n为样本数目，xi为第i个si的数值；yi为第i个ai的数值；zi为第i个ci的数值；
45、式(8)中：τi(x,y)为si和ci的三角函数值；σ(x,y)为si和ai三角函数的平均值；为si的平均值；为ai的平均值；
46、式(9)中：τi(y,z)为ai和ci的三角函数值；σ(y,z)为ai和ci的三角函数平均值；为ci的平均值；
47、式(10)中：τi(x,z)为si和ci三角函数值；σ(x,z)为si和ci三角函数平均值；。
48、上述的喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态特征的定量评价方法，步骤a中所指的四种粒径分别为5～7mm、7～9mm、9～11mm、11～13mm。
49、与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
50、本发明提出了喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态特征的定量评价方法，利用三维扫描技术和球谐函数分析法研究喷射混凝土粗骨料颗粒的三维形态特征，将不同粒径的喷射混凝土粗骨料颗粒按轴比指标参数进行区域划分及形状分类，通过对比不同粒径及不同轴比指标区域内粗骨料颗粒的相关参数，对喷射混凝土粗骨料颗粒进行系统评价。
51、本发明利用此种考虑喷射混凝土粗骨料颗粒尺寸参数及形状参数的定量评价方法可以准确描述喷射混凝土粗骨料颗粒的三维形态特征，通过喷射混凝土粗骨料颗粒形态参数之间的对应关系分析可以为构建喷射不同粒径范围内粗骨料颗粒的典型非球形离散元物理模型提供参数支持。
52、与现有技术相比，本发明提出的评价方法技术思路清楚，应用简单，与以往方法相比具有更好的操作性，具有创新性、实用性，利于推广。
1.喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态特征的定量评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态特征的定量评价方法，其特征在于，步骤a1具体为：
3.根据权利要求1所述的喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态特征的定量评价方法，其特征在于，步骤a2具体为：
4.根据权利要求3所述的喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态特征的定量评价方法，其特征在于，的表达式如式(4)、(5)所示：
5.根据权利要求1所述的喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态特征的定量评价方法，其特征在于：步骤b中，利用轴比指标参数，对喷射混凝土粗骨料颗粒进行区域划分，进而确定各尺寸颗粒的数量及占比；通过对喷射混凝土粗骨料颗粒伸长率指数、平整度指数的计算，对喷射混凝土粗骨料颗粒形状划分。
6.根据权利要求1所述的喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态特征的定量评价方法，其特征在于：步骤c1中，利用不同粒径范围内喷射混凝土粗骨料颗粒的尺寸参数制作喷射混凝土粗骨料颗粒尺寸参数直方图和正态分布图，进而确定喷射混凝土粗骨料颗粒尺寸参数的离散程度，找出粒径与尺寸分布的关系。
7.根据权利要求1所述的喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态特征的定量评价方法，其特征在于：步骤c2中，利用不同粒径范围内喷射混凝土粗骨料颗粒形状参数统计结果，制作喷射混凝土粗骨料颗粒尺寸参数箱线图和分布曲线图，对不同粒径范围、不同轴比指标区域中喷射混凝土粗骨料颗粒的形状参数深入分析，对不同轴比指标区域内喷射混凝土粗骨料颗粒形状参数存在明显差异的，根据统计数据的差异性将轴比指标区域合并后再对比分析。
8.根据权利要求7所述的喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态特征的定量评价方法，其特征在于：不同轴比指标区域中喷射混凝土粗骨料颗粒的形状参数包括：平均值、中位数、偏度、峰度、标准差、95％置信区间、变异系数。
9.根据权利要求1所述的喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态特征的定量评价方法，其特征在于：步骤c3中，利用对喷射混凝土粗骨料颗粒尺寸参数，形状参数的评价结果，以及金格提出的颗粒轴比指标参数，建立不同粒径范围内颗粒的球形度、棱角度、凹凸度的三维平面散点分布图，进而分析不同区域内喷射混凝土粗骨料颗粒各形状参数的对应关系；采用平均值及三角函数，定量分析不同粒径范围内喷射混凝土粗骨料颗粒于不同区域内形状参数的集中性和分散性，其表达式如式(7)、(8)、(9)、(10)所示：
10.根据权利要求1所述的喷射混凝土粗骨料颗粒三维形态特征的定量评价方法，其特征在于，步骤a中所指的四种粒径分别为5～7mm、7～9mm、9～11mm、11～13mm。
