(57)【要約】【課題】  含水状態が表面水量等に大きな影響を与える粒径区分において、正確かつ容易に含水比を評価する。【解決手段】  建設材料に含まれる土粒子に対して、特定の粒径区分における形状に関するパラメータと含水比との関係とを事前に取得する。評価対象となる建設材料を均一に拡散した状態で流下させ、均一に拡散した状態で流下する建設材料を撮像し、撮像した画像データを画像解析することにより、特定の粒径区分の土粒子１粒の形状に関するパラメータを算出し、形状に関するパラメータと含水比との関係に基づいて、評価対象となる建設材料における特定の粒径区分における含水比を評価する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
建設材料に含まれる土粒子に対して、特定の粒径区分における形状に関するパラメータと含水比との関係とを事前に取得し、
評価対象となる建設材料を均一に拡散した状態で流下させ、
均一に拡散した状態で流下する建設材料を撮像し、
撮像した画像データを画像解析することにより、特定の粒径区分の土粒子１粒の形状に関するパラメータを算出し、
前記形状に関するパラメータと含水比との関係に基づいて、前記評価対象となる建設材料における特定の粒径区分における含水比を評価する、
ことを特徴とする建設材料の含水比評価方法。
【請求項２】
前記特定の粒径区分における形状に関するパラメータは、土粒子の平均面積、土粒子の長径、土粒子の短径、土粒子の数のうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項１に記載の建設材料の含水比評価方法。
【請求項３】
前記特定の粒径区分は、５ｍｍ未満の土粒子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の建設材料の含水比評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建設材料の含水比評価方法に関するものであり、詳しくは、評価対象となる建設材料を均一に分散して流下させ、流下する建設材料を撮像して画像処理を行うことにより土粒子の形状を評価し、特定の粒径区分に含まれる土粒子について、その形状に基づき含水比を評価する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的な建設工事はもちろんのこと、特にＣＳＧ（Cemented Sand and Gravel）ダムやコンクリートダム工事等では、施工品質を向上させるために、使用する建設材料の含水比を適切に把握することが重要である。一般的に実施されている含水比の評価方法には、測定環境に適した種々の方法が用いられている。例えば、乾燥炉や電子レンジを使用して水分を含んだ試料を乾燥させ、乾燥前と乾燥後の重量の差分に基づいて試料の水分量を求める方法や、水分計（ＲＩ水分計、マイクロ波水分計、近赤外線水分計等）を用いて水分量を求める方法である。
【０００３】
しかし、乾燥炉を用いて水分量を計測する方法では、試料の乾燥に長時間（例えば２４時間）を要するため、結果が判明するまでに時間を要するという問題があった。また、電子レンジを用いて試料を乾燥させる方法では、炉乾燥による計測方法と比較して短時間で結果が出るという利点があるが、人手による作業であるため、労力が必要であるという問題があった。
【０００４】
また、水分計を用いて水分量を計測する方法では、試料の表面に存在する水分しか検知できず、計測時における試料の密度に計測結果が影響を受けるという問題があった。さらに、粒度が均一でない試料の場合には、分級（篩い分け）しない状態の試料に対して、水分計を用いて水分量を計測したとしても、分級毎の水分量を把握することはできなかった。そこで、建設材料の含水比を評価するための技術が種々提案されている（特許文献１〜特許文献４参照）。
【０００５】
特許文献１に記載された技術は、地盤材料の表面水量をリアルタイムで管理する方法及びシステムに関するものであり、工事現場に継続的に供給される様々な粒径の混在する地盤材料の含水比を連続的に計測し、供給される地盤材料の一部を所定時間おきに抜き取って粒度分布を検出し、地盤材料の含水比から粒度分布に応じて所定粒径別の含水比を算出し、その粒径別の含水比に基づき地盤材料の表面水量をリアルタイムで推定するようになっている。この技術において、地盤材料の含水比は、地盤材料に近赤外光を照射したときの所定波長の反射率または透過率に基づいて計測する。
【０００６】
特許文献２に記載された技術は、多様な粒径の粒状材が混在する地盤材料の粒度を計測するためのものであり、地盤材料の所定量を蓋なし容器内に積載し、当該容器を加振して地盤材料の所定量を容器の底面全体に分散させ、容器の上方から容器内の地盤材料の分散画像を撮像する。そして、撮像した分散画像から地盤材料の粒度を測定するようになっている。
【０００７】
特許文献３に記載された技術は、粒状材料の画像から各粒状材の全体に対する含有率を把握して粒度を管理するためのものであり、所定採取場で採取して継続的に供給される粒状材料の粒度品質を管理するために、粒状材料の撒き出し画像を入力する入力手段と、撒き出し画像中の粒状材の輪郭を検出する検出手段と、各粒状材の輪郭からその粒状材の面積を求め、かつ撒き出し画像の対象材料全体の面積に対する所定粒径以上の粒状材の面積割合を粒度インデックスとして算出する算出手段と、粒状材料の最粗粒試料及び最細粒試料の粒度インデックスを記憶する記憶手段と、継続的に供給される粒状材料の粒度インデックスと最粗粒試料及び最細粒試料の粒度インデックスとを比較して供給材料の粒度品質を判定する判定手段とを備えている。
【０００８】
特許文献４に記載された技術は、多様な寸法、形状を呈してなる粒状材料が混在した試料において、その粒度を特定するための粒状材料の粒度特定方法であり、試料を光学系手段にて撮像し、入力画像を作成するステップと、入力画像に対してラプラシアンガウシアン関数を適用してウェーブレット変換を実施し、ウェーブレット画像を作成するステップと、ウェーブレット画像に対して予め設定されている閾値を適用して二値化処理を実施し、二値化画像を作成するステップと、二値化画像を使用して、少なくとも粒状材料の寸法および形状からなる粒状材料情報を算出するステップと、粒状材料情報を使用して、試料の粒度分布曲線を作成するステップとからなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１５−１０５８９８号公報
【特許文献２】特開２０１５−１７９０４４号公報
【特許文献３】特開２０１０−２４９５５３号公報
【特許文献４】特開２０１１−１０６９２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、土粒子を分級して含まれる水の割合（以下、含水比というが、本発明では含水比と含水率とを明確に区別していない）を測定する場合に、特に細粒分において、含まれる水の割合が少なければ、土粒子同士が均一にばらけるので、上述した画像処理を用いた技術であっても、適切に含水量を求めることができる。しかし、含まれる水の割合が多い細粒分の場合には、土粒子同士がくっついて団粒化が生じる可能性が高く、正確な含水比を求めることができない場合がある。
【００１１】
特に、コンクリートの単位水量を求める際に、実機プラントまたは現場における粒度測定結果に基づく補正を行っていないのが現状である。このため、例えばダム工事などの現場において、細粒分を多く含む材料の場合には、単位水量のばらつきが大きくなり、施工品質が低下するおそれがある。
【００１２】
この点、上述した各特許文献に記載した技術では、正確な含水比を測定できるとは言い難かった。近赤外光等を用いて含水比を連続的に計測する技術では、測定物の表面から数百マイクロメートル以下の含水比しか測定できず、また、測定物の色彩が変化すると、その色彩変化により測定結果が影響を受けることが多々あり、表面水量推定の精度が低下する。
【００１３】
また、粒度測定の対象となる材料を加振して、容器底面に均質に分散させる手法により撮像すると、表面に存在する材料のみしか撮像できない。さらに、材料の含水状態によっては、粒子同士が付着して近接するため、土粒子の輪郭を把握することが難しくなり、画像処理の精度が低下する。この場合にも、測定対象となる材料の粒度分布を正確に把握できないため、施工品質が低下するおそれがある。
【００１４】
本発明に係る建設材料の含水比評価方法は、上述した事情に鑑み提案されたもので、評価対象となる建設材料を均一に分散して流下させ、流下する建設材料を撮像して画像処理を行うことにより土粒子の形状を評価し、粒径区分毎に含水比を評価することを前提として、特に含水状態が表面水量等に大きな影響を与える粒径区分において、正確かつ容易に含水比を評価することが可能な建設材料の含水比評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る建設材料の含水比評価方法は、上述した目的を達成するため、以下の特徴点を有している。すなわち、本発明に係る建設材料の含水比評価方法は、評価対象となる建設材料を均一に分散して流下させ、流下する建設材料を撮像して画像処理を行うことにより粒径を測定し、土粒子の粒径区分に基づいて含水比を評価することを前提として、以下の手順により含水比を評価する。
【００１６】
含水比の評価に先立ち、建設材料に含まれる土粒子に対して、特定の粒径区分における形状に関するパラメータと含水比との関係とを事前に取得する。そして、評価対象となる建設材料を均一に拡散した状態で流下させ、均一に拡散した状態で流下する建設材料を撮像し、撮像した画像データを画像解析することにより、特定の粒径区分の土粒子１粒の形状に関するパラメータを算出し、形状に関するパラメータと含水比との関係に基づいて、評価対象となる建設材料における特定の粒径区分における含水比を評価することを特徴とするものである。
【００１７】
この建設材料の含水比評価方法において、特定の粒径区分における形状に関するパラメータは、土粒子の平均面積、土粒子の長径、土粒子の短径、土粒子の数のうちの少なくとも一つとすることが可能である。
【００１８】
また、特定の粒径区分は、５ｍｍ未満の土粒子とすることが可能である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る建設材料の含水比評価方法によれば、評価対象となる建設材料を均一に分散して流下させ、流下する建設材料を撮像して画像処理を行うことにより土粒子の形状を評価し、粒径区分毎に含水比を評価することを前提としているため、建設材料が重なり合うことを防止して、粒度解析の精度を高めることが可能となる。
【００２０】
特に、含水状態が表面水量等に大きな影響を与える特定の粒径区分に対して、形状に関するパラメータと含水比との関係とを事前に取得しておき、当該パラメータと含水比との関係に基づいて、評価対象となる建設材料における特定の粒径区分における含水比を評価することにより、建設材料の含水比を正確に評価することができる。そして、このように建設材料の含水状態を正確に評価することにより、施工品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】含水比評価装置のブロック図。
【図２】建設材料を拡散流下させて撮像するための装置群の概略構成を示す模式図。
【図３】土粒子の含水比と団粒化との関係を示す説明図。
【図４】土粒子の平均面積と含水比の相関関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明に係る建設材料の含水比評価方法の実施形態を説明する。図１〜図４は、本発明の実施形態に係る建設材料の含水比評価方法を説明するもので、図１は含水比評価装置のブロック図、図２は建設材料を拡散流下させて撮像するための装置群の概略構成を示す模式図、図３は土粒子の含水比と団粒化との関係を示す説明図、図４は土粒子の平均面積と含水比の相関関係を示すグラフである。
【００２３】
＜建設材料の含水比評価方法の概要＞
本発明の実施形態に係る建設材料の含水比評価方法は、評価対象となる建設材料を均一に分散して流下させ、流下する建設材料を撮像して画像処理を行うことにより土粒子の形状を評価し、粒径区分毎に含水比を評価することを前提として、例えば、団粒化が懸念される特定の粒径区分に対して、団粒化を考慮して含水比を評価するものである。すなわち、図３に示すように、土粒子の含水比が小さければ土粒子は分散しており、土粒子の含水比が高ければ土粒子は団粒化する傾向にある。なお、図３（ａ）は含水比が低い場合、図３（ｂ）は含水比が高い場合の土粒子の状態を示している。
【００２４】
＜含水比評価装置＞
含水比評価装置１００は、建設材料の含水比を測定するとともに、当該建設材料を均一に分散して鉛直方向に流下させ、当該流下する建設材料を撮像することにより土粒子の形状を評価するための装置であって、図１に示すように、供給手段１０と、拡散流下手段２０と、撮像手段３０と、粒径区分解析手段４０と、特定粒径区分含水比評価手段５０とを備えている。
【００２５】
なお、各手段は、それぞれの機能を発揮するための単一または複数の部材、あるいはＣＰＵ等のハードウェアで実行されることにより、その機能を発揮するソフトウェアまたは同等の機能を有する論理回路から構成される。
【００２６】
＜供給手段＞
供給手段１０は、建設材料を供給するための手段である。供給手段１０は、図２に示すように、搬送路（図示せず）から分流したＣＳＧ材を受け入れるホッパー１１と、ホッパー１１で受け入れたＣＳＧ材を搬送するベルトフィーダー１２と、ベルトフィーダー１２で搬送するＣＳＧ材を薄く敷き均す振動装置（図示せず）とを備えている。
【００２７】
拡散流下手段２０は、供給手段１０から供給される建設材料を均一に拡散させて鉛直方向に流下させるための手段である。拡散流下手段２０は、図２に示すように、板状のスクリーン部材２１を備えている。
【００２８】
なお、拡散流下手段２０は、図２に示すような部材構成に限られず、供給手段１０から供給される建設材料を均一に拡散して流下させることができれば、どのような装置であってもよく、例えば、筒状の収容体及び当該収容体の内部に収容された円筒状、三角錐状、四角錐状、円錐状、あるいはこれらを組み合わせた拡散部を有する装置と、拡散部を振動させる振動装置とから構成してもよい。
【００２９】
＜撮像手段＞
撮像手段３０は、図２に示すように、拡散流下手段２０により均一に拡散された建設材料を撮像するための手段である。また、図示しないが、撮像手段３０は、撮像レンズ系、撮像素子、画像データの送信インターフェース等を備えたデジタルカメラにより構成する。撮像手段３０の構成要素として、撮像対象となる建設材料を照明するための照明装置を含んでいてもよい。
【００３０】
本実施形態では、拡散流下手段２０を構成するスクリーン部材２１を背景として撮像を行うため、デジタルカメラは、拡散流下手段２０の下部近傍であって、流下する建設材料が接触（衝突）しない位置に設置してある。また、粒径区分解析の精度を上げるために、撮像手段３０（デジタルカメラ）を複数箇所に設置してもよい。また、スクリーン部材２１は、撮像する建設材料の色調とのコントラストが明確になる色の材料を用いることが好ましい。
【００３１】
＜粒径区分解析手段＞
粒径区分解析手段４０は、撮像手段３０で撮像した画像データを画像解析することにより、建設材料に含まれる土粒子の形状に応じた粒径区分を解析するための手段である。例えば、粒径区分解析手段４０は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）及び画像解析ソフトウェアからなり、パーソナルコンピュータにインストールされた画像解析ソフトウェアの機能により、撮像手段３０から受信した画像データに基づいて画像解析を行って、解析対象となる建設材料に含まれる土粒子の粒径区分を解析する。
【００３２】
＜土粒子の形状の解析＞
画像解析は、公知のどのような手法を用いてもよいが、基本的には、画像データに基づいて、建設材料に含まれる土粒子の輪郭認識を行って、建設材料の平均面積を解析する手法が用いられる。なお、建設材料に含まれる土粒子の形状を解析するためのパラメータとして平均面積を用いるのではなく、土粒子の長径、土粒子の短径、土粒子の数、及びこれらから算出されるパラメータを用いてもよい。建設材料に含まれる土粒子の形状を解析することにより、粒径区分を求めることができる。
【００３３】
＜特定粒径区分含水比評価手段＞
特定粒径区分含水比評価手段５０は、形状に関するパラメータと含水比との関係に基づいて、評価対象となる建設材料における特定の粒径区分における含水比を評価するための手段である。すなわち、図４に示すように、特定の粒径区分（例えば５ｍｍ未満）の土粒子の含水比と、土粒子の平均面積との間には相関関係があり、相関式が成立する。特定粒径区分含水比評価手段５０は、この相関式を用いて特定粒径区分の土粒子の含水比を算出（評価）する。なお、下記相関式は、特定の粒径区分（例えば５ｍｍ未満）の土粒子の含水比を算出するための相関式の一例であり、他の相関式を用いてもよい。
【００３４】
Ｗ5＝Ａ×Ｓ5＋Ｂ・・・相関式
ただし、
Ｗ5：５ｍｍ未満の区分の土粒子の含水比
Ｓ5：５ｍｍ未満の区分の土粒子の平均面積
Ａ，Ｂ：キャリブレーションにより算出した係数
【００３５】
＜建設材料全体の含水比＞
本発明に係る建設材料の含水比評価方法では、特定の粒径区分（例えば５ｍｍ未満）の土粒子に対して含水比を評価している。これは、当該粒径区分の土粒子では団粒化が生じる可能性があり、団粒化の影響を土粒子の形状として評価することにより、特定の粒径区分における土粒子の含水比を評価できるためである。
【００３６】
したがって、建設材料全体の含水比を求めるには、特定の粒径区分（例えば５ｍｍ未満）の土粒子については本発明に係る含水比評価方法を用いるとともに、それ以外の粒径区分の土粒子については、適切な方法で含水比を評価すればよい。
【００３７】
＜粒径区分の解析＞
以下、建設材料に対する粒径区分の解析手順を説明する。粒径区分の解析は、粒径区分解析手段４０の機能により実現される。具体的には、粒度分布が既知である建設材料を用いて重回帰分析を行うことにより粒径区分毎に回帰式を作成し、作成した回帰式に、解析対象となる建設材料の画像解析結果から算出される説明変数を代入して、粒径区分毎の解析対象質量率を算出し、算出した各粒度の解析対象質量率を用いて、解析対象である建設材料の粒径区分を解析する。
【００３８】
この粒径区分の解析は、大別して６つの工程からなる。第１工程は、粒度分布が既知である建設材料を用いて、当該建設材料における粒径区分毎の土粒子平均短径（Ｄｉ）と合計投影面積（Ｓｉ）とを算出する工程である。第２工程は、粒度毎の合計投影面積（Ｓｉ）を、各粒度の合計投影面積（Ｓｉ）の総和である全投影面積（ΣＳｉ）で除して無次元化することにより、投影面積率（Ｓｉ／ΣＳｉ）を算出する工程である。第３工程は、粒度分布が既知である建設材料を用いて、粒径区分毎の合計質量（Ｍｉ）を、各粒径区分の合計質量（Ｍｉ）の総和である全質量（ΣＭｉ）で除して無次元化することにより、質量率（Ｍｉ／ΣＭｉ）を算出する工程である。第４工程は、目的変数を質量率（Ｍｉ／ΣＭｉ）とし、説明変数を土粒子平均短径（Ｄｉ）及び投影面積率（Ｓｉ／ΣＳｉ）として重回帰分析を行い、粒径区分毎に回帰式を作成する工程である。第１工程、第２工程、第３工程、第４工程により、粒径区分解析の基本となる粒径区分毎の回帰式を作成する。
【００３９】
第５工程は、作成された回帰式に、解析対象となる建設材料の画像解析結果から算出される解析対象土粒子平均短径（Ｄｉ）及び解析対象投影面積率（Ｓｉ／ΣＳｉ）を代入して、粒径区分毎の解析対象質量率（Ｍｉ／ΣＭｉ）を算出する工程である。第６工程は、第５工程で算出した各粒度の解析対象質量率（Ｍｉ／ΣＭｉ）を用いて、解析対象である建設材料の粒径区分を解析する工程である。この第６工程により、解析対象である建設材料の粒径区分を解析することができる。
【００４０】
また、第４工程において、説明変数として投影面積絶対量の逆数（１／Ｓｉ）を加えることにより、より一層正確に粒径を解析することができる。この場合、解析対象質量率（Ｍｉ／ΣＭｉ）を算出する工程（第５工程）において、回帰式に代入する値として、解析対象となる建設材料の画像解析結果から算出される投影面積絶対量の逆数（１／Ｓｉ）を加えて演算を行う。
【００４１】
＜粒径区分の解析アルゴリズム＞
また、粒径区分の解析に用いる回帰式は、施工進捗に応じて、データ更新を行うことが好ましい。具体的な粒径解析アルゴリズムについて説明する。本実施形態で用いる回帰式は、解析対象となる建設材料の粒径区分を解析するための式であり、粒径区分毎に、それぞれ目的変数と、説明変数と、相関係数とからなる。
【００４２】
上述したように、本実施形態で用いる回帰式の目的変数は、質量率Ｙ＝Ｍｉ／ΣＭｉであり、説明変数は、Ｘ１＝土粒子平均短径Ｄｉと、Ｘ２＝投影面積率Ｓｉ／ΣＳｉである。また、説明変数として投影面積絶対量の逆数（１／Ｓｉ）を加えてもよい。例えば、粒度Ｄ８０（ｍｍ）、粒度Ｄ４０（ｍｍ）、粒度Ｄ２０（ｍｍ）、粒度Ｄ１０（ｍｍ）、粒度Ｄ５（ｍｍ）について、それぞれ回帰式を作成して、当該回帰式に対して、解析対象となる建設材料の画像解析結果から算出される説明変数を代入することにより、解析対象である建設材料の粒径区分を解析する。なお、上述した回帰式は一例であり、変数を変更した回帰式により粒径区分を解析してもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１００  含水比評価装置
１０  供給手段
１１  ホッパー
１２  ベルトフィーダー
２０  拡散流下手段
２１  スクリーン部材
３０  撮像手段
４０  粒径区分解析手段
５０  特定粒径区分含水比評価手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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