·12· 工程科学学报，第40卷，第1期 形图片.再使用“模式”功能将裁剪的图像转换为灰 形成宏观的力学强度.与此同时，充填体内依旧含 度图.对图像进行增益去噪处理，使裂隙与非裂隙 有水分，并且养护在室内有持续的氧气供应，硫化矿 区域充分分离，同时将明显的“残缺”区域进行 物在存在水分和氧气的条件下持续氧化，氧化新生 “修补”[-20】 成的硫酸盐将与水化产物C-S-H凝胶等发生脱钙 2.2二元位图转换 反应-2]，形成石音、钙矾石等膨胀晶体，初步形成 位图是区别于矢量图的图形格式，由独立的像 强度的充填体内部便产生内应力，从而引胀致裂 素点排列组成，像素点具备不同的颜色，并按不同的 (a b 顺序排列构成图像.二元图既是只有黑白两种颜色 的图像，二元图转换过程在MATLAB软件中进行， 转换方法采用OTSU自适应阈值分割法，既以类间 方差最大的灰度值为阈值.二元处理后，黑色像素 的pixles值被设为0，白色像素值（裂隙）被设为1， 这样这个图像就是一个有0和1组成的矩阵，之后 便可以进行裂隙分形维数计算. 2.3分形维数计算 图3对照组充填体试件.(a)养护28d:(b)养护56d 分形是非线性科学的一个重要分支，成为研究 Fig.3 Specimen of blank group:(a)28 d:(b)56d 不规则事物规律性的有效工具.对于充填体膨胀裂 养护至28d,配制尾砂制备的含硫充填体表面 隙分析很难用传统的欧几里德理论描述.分形理论 出现了裂隙，裂隙结构具有一定随机性，很难定量 能够更加深刻地描述、研究和分析杂乱无章、不规则 化.随着养护龄期延长至56d,裂隙长度和宽度不 和随机的自然现象[4，在实际的研究中一般采用盒 断变大，如图4所示. 子维数计算法[2] 通过上述盒子分形维数计算方法，算得裂隙充 MATLAB软件中构造盒子，用边长为6的方盒 填体a、b和c三个试件养护28d到56d表面裂隙的 遍历覆盖图像，盒子值为覆盖区域中裂隙“1”值的 分形维数：D.28=0.9585,D.6=1.2099,D.28= 和.其实质就是将二元处理后得到的二维矩阵看作 1.0709,D.6=1.1330,D.28=0.8177,D.6= 1×1像素依次排列组成的图像，然后分别用尺寸为 0.9795,见图5.从直观分析，(al)~(c1)三个试件 2×2、3×3、4×4、5×5、6×6、7×7、8×8、9×9和10 的表观裂隙发育程度并不相同，显然膨胀裂隙越多， ×10的“盒子”进行覆盖并求和计算.将不同边长 分形维数越大，说明分形维数表征膨胀裂隙的发育 的“盒子”所得到的N值取自然对数，绘制出lδ~ 程度是有效的.同时，同组试件虽然配比与养护龄 N的散点图并对撒点进行线性拟合，拟合直线的 期一致，但表面裂隙的分形维数相差较大，分析原 斜率即为该充填体表面裂隙发育特性的分形维数. 因：试件在养护箱中，保持了严格的湿度和温度，但 3结果分析与讨论 c试件放置位置靠近养护箱壁面，a和b试件放置 位置靠近养护箱箱门，试验中试件取放不免会开关 3.1不同养护龄期充填体裂隙分形维数分析 箱门，养护箱温度和湿度感应元件处于箱体内部，使 养护至28d及56d,对照组试件表面并没有出 得不能高精度的保证养护环境，温度和湿度会存在 现明显的裂隙，如图3所示.分析认为，含硫充填体 微小差异，影响了含硫充填体试件表面裂隙的“生 的膨胀行为受含硫组分形式的直接影响.直接取自 长”.该现象也说明膨胀裂隙的出现和演化的具有 尾矿库的含硫尾砂，原本选矿后残留的硫化矿物已 很强的随机性、无序性和敏感性，所以在试验过程中 被氧化成硫酸盐，以此材料制备的充填体会起到加 要严格控制试验条件，保证试验环境的一致性. 速硬化的作用，拌合后硫酸盐便与水泥水化体系中 3.2抗压强度与分形维数关联分析 的Ca(0H)2反应生成石膏等]，加速了充填体硬 以56d的试件为研究对象进行单轴抗压强度 化，这与添加硫酸盐类早强剂作用机理类似[3-2]. 测试，对照组试件强度平均值为1.63MPa,实验组 为此，养护后期充填体并未发生明显的膨胀开裂. 试件强度测试结果明显低于对照组，且十分离散，最 而配制尾矿中含有黄铁矿，短期内不能迅速氧化完 高可达到为1.19MPa,最低的仅为0.30MPa.与此 全，还将以硫化矿物的形式赋存在充填体内.充填 同时，充填体试件由于明显裂隙的存在，无法获得完 体内水泥水化作用持续进行，逐步凝结硬化，最后便 整的应力-应变曲线，不能有效地计算充填体弹性工程科学学报,第 40 卷,第 1 期 形图片. 再使用“模式冶功能将裁剪的图像转换为灰 度图. 对图像进行增益去噪处理,使裂隙与非裂隙 区域充分分离, 同时将明显的 “ 残缺冶 区域进行 “修补冶 [17鄄鄄20] . 2郾 2 二元位图转换 位图是区别于矢量图的图形格式,由独立的像 素点排列组成,像素点具备不同的颜色,并按不同的 顺序排列构成图像. 二元图既是只有黑白两种颜色 的图像,二元图转换过程在 MATLAB 软件中进行, 转换方法采用 OTSU 自适应阈值分割法,既以类间 方差最大的灰度值为阈值. 二元处理后,黑色像素 的 pixles 值被设为 0,白色像素值(裂隙)被设为 1, 这样这个图像就是一个有 0 和 1 组成的矩阵,之后 便可以进行裂隙分形维数计算. 2郾 3 分形维数计算 分形是非线性科学的一个重要分支,成为研究 不规则事物规律性的有效工具. 对于充填体膨胀裂 隙分析很难用传统的欧几里德理论描述. 分形理论 能够更加深刻地描述、研究和分析杂乱无章、不规则 和随机的自然现象[14] ,在实际的研究中一般采用盒 子维数计算法[21] . MATLAB 软件中构造盒子,用边长为 啄 的方盒 遍历覆盖图像,盒子值为覆盖区域中裂隙“1冶 值的 和. 其实质就是将二元处理后得到的二维矩阵看作 1 伊 1 像素依次排列组成的图像,然后分别用尺寸为 2 伊 2、3 伊 3、4 伊 4、5 伊 5、6 伊 6、7 伊 7、8 伊 8、9 伊 9 和 10 伊 10 的“盒子冶进行覆盖并求和计算. 将不同边长 的“盒子冶所得到的 N 值取自然对数,绘制出 ln啄 ~ lnN 的散点图并对散点进行线性拟合,拟合直线的 斜率即为该充填体表面裂隙发育特性的分形维数. 3 结果分析与讨论 3郾 1 不同养护龄期充填体裂隙分形维数分析 养护至 28 d 及 56 d,对照组试件表面并没有出 现明显的裂隙,如图 3 所示. 分析认为,含硫充填体 的膨胀行为受含硫组分形式的直接影响. 直接取自 尾矿库的含硫尾砂,原本选矿后残留的硫化矿物已 被氧化成硫酸盐,以此材料制备的充填体会起到加 速硬化的作用,拌合后硫酸盐便与水泥水化体系中 的 Ca(OH)2 反应生成石膏等[22] ,加速了充填体硬 化,这与添加硫酸盐类早强剂作用机理类似[23鄄鄄25] . 为此,养护后期充填体并未发生明显的膨胀开裂. 而配制尾矿中含有黄铁矿,短期内不能迅速氧化完 全,还将以硫化矿物的形式赋存在充填体内. 充填 体内水泥水化作用持续进行,逐步凝结硬化,最后便 形成宏观的力学强度. 与此同时,充填体内依旧含 有水分,并且养护在室内有持续的氧气供应,硫化矿 物在存在水分和氧气的条件下持续氧化,氧化新生 成的硫酸盐将与水化产物 C鄄鄄 S鄄鄄 H 凝胶等发生脱钙 反应[26鄄鄄28] ,形成石膏、钙矾石等膨胀晶体,初步形成 强度的充填体内部便产生内应力,从而引胀致裂. 图 3 对照组充填体试件. (a) 养护 28 d; (b) 养护 56 d Fig. 3 Specimen of blank group:(a) 28 d; (b) 56 d 养护至 28 d,配制尾砂制备的含硫充填体表面 出现了裂隙,裂隙结构具有一定随机性,很难定量 化. 随着养护龄期延长至 56 d,裂隙长度和宽度不 断变大,如图 4 所示. 通过上述盒子分形维数计算方法,算得裂隙充 填体 a、b 和 c 三个试件养护28 d 到56 d 表面裂隙的 分形 维 数: Da,28 = 0郾 9585, Da,56 = 1郾 2099, Db,28 = 1郾 0709, Db,56 = 1郾 1330, Dc,28 = 0郾 8177, Dc,56 = 0郾 9795,见图 5. 从直观分析,(a1) ~ (c1)三个试件 的表观裂隙发育程度并不相同,显然膨胀裂隙越多, 分形维数越大,说明分形维数表征膨胀裂隙的发育 程度是有效的. 同时,同组试件虽然配比与养护龄 期一致,但表面裂隙的分形维数相差较大,分析原 因:试件在养护箱中,保持了严格的湿度和温度,但 c #试件放置位置靠近养护箱壁面,a #和 b #试件放置 位置靠近养护箱箱门,试验中试件取放不免会开关 箱门,养护箱温度和湿度感应元件处于箱体内部,使 得不能高精度的保证养护环境,温度和湿度会存在 微小差异,影响了含硫充填体试件表面裂隙的“生 长冶. 该现象也说明膨胀裂隙的出现和演化的具有 很强的随机性、无序性和敏感性,所以在试验过程中 要严格控制试验条件,保证试验环境的一致性. 3郾 2 抗压强度与分形维数关联分析 以 56 d 的试件为研究对象进行单轴抗压强度 测试,对照组试件强度平均值为 1郾 63 MPa,实验组 试件强度测试结果明显低于对照组,且十分离散,最 高可达到为 1郾 19 MPa,最低的仅为 0郾 30 MPa. 与此 同时,充填体试件由于明显裂隙的存在,无法获得完 整的应力鄄鄄应变曲线,不能有效地计算充填体弹性 ·12·