聶志紅，陳星臣，Ashiru Mohammed, 2，Mohamud Saidhussein

道砟劣化的二維圖像分析及形狀特性研究

聶志紅1，陳星臣1，Ashiru Mohammed1, 2，Mohamud Saidhussein1

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2. Ahmadu Bello University, Zaria 810107, Nigeria)

道砟劣化導(dǎo)致顆粒形態(tài)的變化，從而影響道砟使用性能。為探究道砟劣化機理及其表現(xiàn)形式，采用洛杉磯磨耗試驗研究道砟劣化過程，通過AIMS集料圖像測量系統(tǒng)獲得道砟磨耗前后的顆粒圖像以及形狀指標(biāo)，結(jié)合污染指數(shù)()來討論道砟劣化時的形狀特性變化。研究結(jié)果表明：道砟劣化主要表現(xiàn)為大粒徑顆粒尖角破裂和邊緣磨損，使得表面和邊緣紋理整體更平滑圓潤。隨著磨耗試驗轉(zhuǎn)動圈數(shù)的增加，值增加的速率逐漸變慢，長扁度、棱角度及粗糙度指數(shù)減小的速率也降低。研究結(jié)果對道砟劣化評估及養(yǎng)護(hù)維修具有參考意義。

道砟；劣化；洛杉磯磨耗試驗；圖像分析；形狀特性

道砟是用作承托路軌枕木的一種碎石骨料，它起到結(jié)構(gòu)支撐以及快速排水的作用。道砟劣化通常是指道床在列車循環(huán)荷載作用下，顆粒之間產(chǎn)生相對滑動并且重新排列導(dǎo)致道砟磨損與破碎，所產(chǎn)生細(xì)小顆粒和粉末堵塞到集料空隙中污染的情況。道砟劣化會降低道床結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和排水性能，最終影響鐵軌使用穩(wěn)定性與壽命[1-2]。為了更好地了解道砟劣化機理及其表現(xiàn)形式，許多國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量試驗與分析。主要通過一系列大型直剪試驗及三軸試驗，進(jìn)行道砟劣化機理及相關(guān)特性研究，包括研究搗固維修對道砟的劣化影響等[3-9]。但是有研究結(jié)果表明[9-12]，磨耗試驗的劣化模擬與路軌道砟實際劣化過程基本一致。與此同時，為了進(jìn)一步探究道砟劣化過程的表現(xiàn)形式，圖像分析開始被廣泛應(yīng)用于顆粒形狀測量中，比如CT和三維激光掃描技術(shù)等。張家發(fā)等[13]采用數(shù)字測量儀獲得碎石顆粒指標(biāo)。秦雪[14]通過相機得到顆粒圖像參數(shù)信息來進(jìn)行評估?，F(xiàn)有研究取得了許多有價值的成果，然而在分析道砟顆粒細(xì)觀參數(shù)上存在著一定局限性，比如難以量化分析道砟表面粗糙程度與微觀紋理等問題。因此本文通過洛杉磯磨耗試驗及AIMS集料圖像測量系統(tǒng)，同時結(jié)合污染指數(shù)()[15]來細(xì)觀分析道砟劣化過程中的級配和形狀特性變化，為進(jìn)一步研究有砟道床劣化機理以及影響規(guī)律提供 參考。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

本試驗所用道砟為花崗巖，取材于湖南省湘鄉(xiāng)市某采石場。試驗前需要將道砟顆粒表面塵土徹底洗凈且烘干后進(jìn)行篩分，篩分結(jié)果符合一級道砟級配標(biāo)準(zhǔn)[16]，如圖1所示。道砟試樣最大粒徑不大于80 mm，顆粒主要集中在16～63 mm，小于10 mm顆粒含量僅為0.5%。

1.2 試驗設(shè)備

采用AIMS集料圖像測量系統(tǒng)進(jìn)行顆粒形狀掃描，試驗儀器如圖2所示。該儀器可通過掃描儀自動采集顆粒的尺寸、棱角、微觀紋理和顆粒形狀等特征，其中幾何尺寸包括長度、寬度、周長、面積、等效直徑等，并將其性能通過各種特征指標(biāo)進(jìn)行客觀描述。

圖1 道砟級配特征曲線

圖2 AIMS圖像測量系統(tǒng)裝置

為了對道砟顆粒進(jìn)行定量描述，選取AIMS集料圖像測量系統(tǒng)自動獲取的相應(yīng)形狀指標(biāo)[17]進(jìn)行研究。具體形狀指標(biāo)如下：

1) 長扁度()：描述了顆粒的伸長特征，顆粒越接近球形，其值越接近1。

其中：d為顆粒投影外輪廓點間距離最大值，d表示以d為長軸得出與顆粒投影面積相等的橢圓 短軸。

2) 棱角度()：對顆粒邊界進(jìn)行梯度角度的量化，參見圖3(a)，首先確定粒子邊緣點從圖形水平軸梯度向量的傾向，梯度在該點發(fā)生傾斜的平均變化。棱角度反映顆粒邊界輪廓的不規(guī)則程度，顆粒輪廓越復(fù)雜多變，其值越大。

其中：為總點數(shù)；為邊緣點的角度；表示顆粒邊緣的第點。

3) 粗糙度()：主要通過使用小波方法來量化紋理，小波分析在3個單獨圖像的水平、垂直和對角線方向給出了紋理細(xì)節(jié)。任何3個方向的小波系數(shù)平方值的算術(shù)平均，即為某個給定的水平分解位置的紋理指數(shù)。粗糙度描述顆粒表面的相對平滑度，顆粒表面越光滑，粗糙度越接近0。

其中：為分解函數(shù)；為圖像中的系數(shù)總數(shù)；為小波系數(shù)；，為變換域中系數(shù)的位置。以上指標(biāo)可參見圖3(b)。

1.3 試驗方法

我國道砟的洛杉磯磨耗試驗轉(zhuǎn)速為31～33 r/min，滾筒內(nèi)填料由直徑為46.0～47.6 mm、質(zhì)量為390～445 g的鋼球組成[16]。試驗前按規(guī)定制備試樣，選取粒徑范圍為16～63 mm且混合均勻的道砟，稱取10 kg，再進(jìn)行篩分、稱重、標(biāo)號、拍照和AIMS圖形采集。將道砟試樣與12枚鋼球一起放入料筒中，轉(zhuǎn)動圈數(shù)為250圈/次，每次轉(zhuǎn)動完成后靜置10 min使灰塵沉淀，保證樣品損失最小化。收集試驗后樣品，繼續(xù)篩分、稱重、拍照及圖形掃描。重復(fù)上述步驟數(shù)次并記錄數(shù)據(jù)，試驗過程如圖4所示。

(a) 平滑與角形顆粒的梯度向量；(b) 各形狀指標(biāo)描述

(a) 洛杉磯磨耗試驗機；(b) 試樣道砟磨耗前；(c) 試樣道砟磨耗后；(d) 道砟AIMS掃描

2 結(jié)果分析

2.1 試驗數(shù)據(jù)分析

試驗結(jié)合我國鐵路道砟的粒徑范圍要求與污染指數(shù)來細(xì)觀分析道砟劣化過程中的級配和形狀特性變化，計算公式如下，其中0.075與12.5分別是道砟顆粒通過篩網(wǎng)尺寸為0.075 mm和12.5 mm的質(zhì)量百分比。道砟洛杉磯磨耗率計算公式中，1為試樣磨耗前質(zhì)量，2為試樣磨耗后粒徑大于1.7 mm顆粒的質(zhì)量，單位均為g。

由于小于9.5 mm的顆粒過于細(xì)小且數(shù)量繁多，故只統(tǒng)計大于9.5 mm的顆粒數(shù)量。道砟顆粒經(jīng)過磨耗試驗后的劣化趨勢變化如表1所示，可知原始潔凈試樣起初只能通過4個尺寸的方孔篩，經(jīng)過250圈磨耗轉(zhuǎn)動后值達(dá)到8的污染狀態(tài)，此時顆?？赏ㄟ^更多個尺寸的方孔篩，說明大粒徑顆粒被分解成更多小粒徑顆粒。經(jīng)過2 000圈以上的磨耗轉(zhuǎn)動值達(dá)到40，細(xì)小顆粒從底部累積填滿所有空隙直至頂部高度，這與Selig等[1]所提出的臟污限制結(jié)果基本一致。

表1 磨耗試驗過程中不同粒徑的顆粒數(shù)量變化

圖5表示道砟經(jīng)過洛杉磯磨耗試驗多次轉(zhuǎn)動后的篩分結(jié)果級配曲線，同時計算出每個級配曲線的值。隨著磨耗試驗轉(zhuǎn)動圈數(shù)增加，同一粒徑范圍的道砟樣品初始數(shù)量基本為由多變少的趨勢發(fā)展，顆粒從大粒徑逐漸趨近于小粒徑，值不斷增大，增大的速率也逐漸變慢。這是由于道砟尖角被磨損以及顆粒邊緣發(fā)生破碎，而大尺寸顆粒的破壞主要發(fā)生在試驗的早期階段[7-8]，后期階段相比早期變化不大，破壞形式相對穩(wěn)定。

洛杉磯磨耗試驗中道砟樣品的磨耗率變化如圖6所示。磨耗率曲線越陡，表示道砟磨耗程度越大，試樣質(zhì)量損失速率越快。由此可知，試驗早期階段磨耗最明顯，顆粒邊角破碎成細(xì)小顆粒和粉末所損失的質(zhì)量較多，其劣化形式以磨耗為主。

圖5 洛杉磯磨耗試驗中道砟樣品的級配變化

2.2 顆粒圖形分析

磨耗率試驗常規(guī)數(shù)據(jù)只能宏觀分析道砟試樣變化的大致趨勢，為了更加直觀地分析磨耗試驗過程中顆粒形狀的變化，進(jìn)行了單個特定顆粒形態(tài)特性的觀察，如圖7所示。除了不同角度的三視圖，還展現(xiàn)了基于AIMS掃描成像后的形態(tài)指標(biāo)，包括棱角度、長扁度與粗糙度。由于本文采用二維圖像分析，形狀指標(biāo)分析結(jié)果受顆粒擺放位置或照片拍攝角度和效果的影響顯著，故各形狀指數(shù)值取三視圖的平均結(jié)果?？梢郧逦乜吹剑跏紶顟B(tài)的顆粒邊緣棱角分明且表面粗糙。隨著磨耗次數(shù)增加，形態(tài)指數(shù)均有所降低，試樣表面和邊緣也表現(xiàn)出更光滑更圓潤的紋理。另外從肉眼判斷，圖中1 000圈、1 500圈和2 000圈的顆粒照片變化較小，且所計算的形狀指標(biāo)結(jié)果也無明顯變化，該現(xiàn)象可能為圖像處理誤差形成。

圖6 洛杉磯磨耗試驗中道砟樣品的磨耗率變化

圖7 基于洛杉磯磨耗試驗劣化過程中特定單個顆粒的照片及形態(tài)特性

每轉(zhuǎn)動250圈后，由AIMS系統(tǒng)掃描并自動獲取相應(yīng)的形狀指標(biāo)參數(shù)，再對磨耗試驗不同轉(zhuǎn)動圈數(shù)時的道砟樣品形態(tài)特性變化進(jìn)行比較，如表2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)各項形狀指標(biāo)基本表現(xiàn)出降低的變化趨勢，大粒徑顆粒的值不斷減小，在試驗前期更容易破碎，產(chǎn)生的小粒徑顆粒數(shù)量與值變化逐漸趨于穩(wěn)定，說明顆粒更耐磨。其表現(xiàn)與上述磨耗率試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析基本一致，并且磨耗程度越大，各項形狀指標(biāo)變化也越大。

表2 洛杉磯磨耗試驗過程中道砟試樣形態(tài)特性變化值

不同轉(zhuǎn)動次數(shù)下，各形狀指標(biāo)與顆粒累積數(shù)量百分比的變化趨勢見圖8。隨著轉(zhuǎn)動圈數(shù)增加，各形態(tài)指數(shù)曲線的分布范圍由寬逐漸變窄，數(shù)值均減小且減小速率降低。結(jié)合表2的平均值不斷趨近于1來分析，當(dāng)初始扁平和細(xì)長的顆粒受到磨損和破碎而發(fā)生劣化時，其幾何形態(tài)通常由不規(guī)則形狀逐漸趨近于球形。

3 結(jié)論

1) 相比現(xiàn)行規(guī)范中已有的根據(jù)質(zhì)量計算磨耗率方法，圖形分析方法能夠更加細(xì)觀地分析道砟劣化過程中的級配和形狀特性變化。

2) 道砟粒徑越大，顆粒邊角越容易發(fā)生破碎和磨耗劣化，而且磨耗的損失也越大。試驗早期磨耗最明顯，劣化形式以磨耗為主。

3) 在洛杉磯磨耗試驗中，道砟尖角破碎以及顆粒邊緣發(fā)生磨損而呈現(xiàn)出新的粗糙面與尖角，結(jié)果表明試樣表面和邊緣整體表現(xiàn)出趨近于更光滑更圓潤的紋理。

4) 隨著磨耗試驗轉(zhuǎn)動圈數(shù)增加，值增加的速率逐漸變慢，各形態(tài)指數(shù)(、和值)減小的速率降低，說明破壞形式逐漸穩(wěn)定。

(a) 棱角度變化；(b) 粗糙度變化；(c) 長扁度變化

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2D image analysis and shape characteristics of ballast degradation

NIE Zhihong1, CHEN Xingchen1, Ashiru Mohammed1, 2, Mohamud Saidhussein1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. Ahmadu Bello University, Zaria 810107, Nigeria)

Deterioration of the ballast causes changes in the morphology of the particles, which affects the performance of the ballast. In order to investigate the degradation mechanism and its manifestation of the ballast, this paper used the Los Angeles abrasion test to study the ballast degradation process. The particle image and shape index before and after the ballast wear through the AIMS aggregate image measurement system was obtained. The shape characteristics changes of the ballast with the fouling index () was discussed. The results show that the degradation of ballast is mainly caused by the sharp corner crack and edge wear of the large particle size, which makes the surface and edge texture overall smoother and rounder. As the number of turns of the abrasion test increases, the rate at which thevalue increases gradually becomes slower, and the rate of decrease in flat & elongated value, angularity, and surface texture index also decreases. The results have reference significance for the evaluation of ballast degradation and maintenance.

ballast; degradation; Los Angeles abrasion test; image analysis; shape characteristics

TU411

A

1672 - 7029(2020)11 - 2774 - 08

10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20200011

2020-01-02

國家自然科學(xué)基金資助項目(51478481)

聶志紅(1973-)，男，湖南婁底人，教授，博士，從事動力荷載下路基長期穩(wěn)定性等方面的研究；E-mail：niezhih@126.com

(編輯 涂鵬)