CN106018441A - 一种高铁路基用水泥级配碎石内部结构检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高铁路基用水泥级配碎石内部结构检测方法，其采用X射线断层扫描技术对水泥级配碎石空间分布进行三维重构与分析。先按照碎石级配曲线，筛分并配比各粒径的碎石集料，将级配碎石、水泥、水等均匀混合成型后标准养护，然后采用钻芯取样的方法进行扫描试样的制取。调节扫描设备相关参数。结合CT图像分析处理软件根据灰度值不同，得到水泥级配碎石内部不同相的分布，进而对水泥级配碎石内部结构进行三维重构。本发明提供一种更高效实用更准确的高铁路基水泥级配碎石内部结构分析的方法，与其他方法相比，方法新颖、空间分辨率高(可达1微米以内)、实用性强、精确度高且能够较准确地进行结构三维重构等。

Description

一种高铁路基用水泥级配碎石内部结构检测方法
技术领域
本发明涉及一种高铁路基用水泥级配碎石内部结构检测方法，属于高速铁路路基用水泥碎石级配性能研究领域。
背景技术
随着我国改革开发步伐的不断加快以及经济和科技的跨越，我国的铁路技术持续快速，尤其是是高铁技术快速发展，集中体现了中国铁路交通实现跨越式发展的进程，使中国铁路基础设施总体水平实现历史跨越式。目前我国东北地区进入大规模的高速铁路建设时期，已开通运营的哈大、长吉客专，正在建设中的盘营、沈丹、哈齐、哈牡等客专，高速铁路里程超过2000km。
高速铁路工程系统中路基是承受轨道结构和列车荷载的基础，是铁路工程的重要组成部分，除应具备基本功能外，还应额外满足列车高速运行时冲击荷载的要求。控制变形是路基设计的关键，而路基材料变形是轨道变形的主要来源，目前我国严寒地区高铁路基材料大部分使用水泥级配碎石。
水泥稳定碎石是目前广泛用于高铁路基的半刚性材料，是在级配碎石中掺加少量的水泥和水，经过均匀搅拌、压实等而形成的一种路基材料。加入级配碎石中的水泥和水发生反应后，形成胶凝材料能够凝结在骨料之间，增加了一定的密实度。然而，为了保证路基材料的透水性和稳定性，水泥掺量一般很少(3％～7％)，水泥稳定碎石内部有较多的孔隙结构。孔隙结构一般对路基材料的稳定性和耐久性有很大的影响，因此研究水泥稳定碎石的内部结构特点及影响因素具有很大的意义。
目前，现有的高铁路基用水泥级配碎石内部结构检测方法，存在精度差、误差范围大、无法准确地进行结构三维重构等缺陷。
发明内容
发明目的：本发明是对现行高铁路基用水泥级配碎石内部结构分析方法的革新，提供一种更高效实用更准确的高铁路基水泥级配碎石内部结构分析的方法，与其他方法相比，具有方法新颖、空间分辨率高(可达1μm以内)、实用性强、能较准确地进行三维重构等优点。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明公开了一种高铁路基用水泥级配碎石内部结构检测方法，包括以下步骤：
a：用标准砂石方孔筛进行碎石集料的筛分；将筛分好的碎石按路基施工级配曲线称取配比，将级配碎石、水泥、水均匀拌合成型，脱模后标准养护，作为待测样品；
b：将养护好的试样取出，钻芯取样，钻取圆柱体样品，作为待扫描样品；
c：将圆柱体样品粘牢在样品架上，放入扫描设备样品台位置，调节好试样与X射线发射源之间的距离，设置参数信息。
作为优选，步骤a中所述级配碎石掺量为85％～95％，水泥掺量3％～7％，水掺量为2％～8％。
作为另一种优选，步骤a中所述级配碎石符合《高速铁路路基工程施工质量验收标准》的要求，水泥为P.I.52.5硅酸盐水泥，水为自来水。
作为另一种优选，步骤a中所述标准方孔筛的筛孔尺寸为0.075mm～31.5mm连续尺寸。
作为另一种优选，步骤a中所述拌合成型，试样大小为100mm×100mm×100mm立方体；所述脱模后标准养护时间为28天。
作为另一种优选，步骤b中圆柱体样品直径为48mm，高度为57mm。
作为另一种优选，所述设置参数信息包括电压电流、样品台旋转角度、扫描时间等，运行X射线断层扫描仪，记录数据图像信息。
本发明采用X射线断层扫描技术对水泥级配碎石空间分布进行三维重构与分析。先按照碎石级配曲线，筛分并配比各粒径的碎石集料，将级配碎石、水泥、水等均匀混合成型后标准养护，然后采用钻芯取样的方法进行扫描试样的制取，这种方法能够保证待测样品更具有代表性，能较真实准确地反映水泥级配碎石的特性，使试验结果更加准确。调节扫描设备相关参数，每个样品得到1014张图片，图片尺寸为1024×1024像素。水泥级配碎石内各组分物理密度不同，对X射线的吸收或穿透效果不同，反映在CT图像上各部位的CT数不同，从而形成骨料、砂浆、孔隙等灰度不同的影像图。结合CT图像分析处理软件根据灰度值不同，得到水泥级配碎石内部不同相的分布，进而对水泥级配碎石内部结构进行三维重构。本发明方法新颖，测量精度高(空间分辨率＜1μm)，三维重构效果明显，能较准确地反映水泥级配碎石的内部结构，同时实现水泥级配碎石内部水分分布和冰的结晶、融化过程的可视化监测，为分析其性能提供较好的指导意义和理论依据。
技术效果：本发明提供一种更高效实用更准确的高铁路基水泥级配碎石内部结构分析的方法，与其他方法相比，方法新颖、空间分辨率高(可达1微米以内)、实用性强、精确度高且能够较准确地进行结构三维重构等。
附图说明
图1：CT图像。其中，a为水泥稳定级配碎石试样某一横截面俯视图；b为a中横截面对应测试样品左视图；c为a中横截面对应测试样品右视图；d为水泥级配碎石样品的三维重构立体图像。
图2：X-CT扫描下水泥级配碎石内部水分形成冰晶的图像。其中1为孔隙、2为冰晶，左上角是对图中红色框内局部放大的图像。
图3：不同水泥掺量的水泥级配碎石孔隙率的变化规律。
图4：不同水灰比的水泥级配碎石孔隙率的变化规律。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明的技术解决方案。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明涉及高速铁路路基用水泥级配碎石性能研究领域，是一种基于X-CT分析高铁路基用水泥级配碎石内部结构的方法。以满足《高速铁路路基工程施工质量验收标准》和《高速铁路设计规范》要求的水泥碎石为实验对象，以X射线断层扫描(简称X-CT)的方法分析水泥级配碎石内部结构特征，如孔隙率、孔隙分布等，而且该方法能够对水泥级配碎石结构进行三维重构，同时也能够实现对级配碎石内部水分的迁移、冰的结晶融化过程进行可视化监测，对分析结构影响因素具有较大的指导意义。本发明方法新颖，具有测试准确度高、空间分辨率好(可达1μm以内)、能较准确地进行三维重构等优点。
本发明以高铁路基用水泥级配碎石作为研究对象，采用高分辨3D X射线显微镜/CT作为主要测试设备，结合相关图像数据处理软件，分析水泥级配碎石内部结构特征。试验中为了保证试验结果的准确性，采用钻芯取样的方法从100×100×100mm的试块中，取大小约为φ48×57mm的圆柱体样品作为X-CT扫描对象，采用钻芯取样方法的原因在于既能保证所测试样具有代表性，又能是扫描结果分辨率尽可能提高。通过实验，确定了水泥掺量(3％、5％、7％)、水灰比(0.5:1、1:1、1.5:1)等因素对水泥级配碎石内部孔隙率等性能的影响，对于含水试样研究内部水分迁移、结冰融化等过程能够进行准确监测，从而对水泥级配碎石的内部结构及其影响因素能更好地研究。
本发明提供一种基于X-CT分析高铁路基用水泥级配碎石内部结构的方法，其机理如下：X射线断层扫描(X-CT)技术是借助于计算机X射线断层扫描装置的断面的一种全新X射线成像技术。在X射线穿透物质的过程中，其强度呈指数关系衰减，物质的密度由物质对于射线的衰减系数来体现，且不同物质对射线的吸收系数不同。水泥基材料中各组分物理密度不同，对X射线的吸收或穿透能力不同，反映在CT图像上各部位的CT数不同，从而形成骨料、砂浆、孔洞等灰度不同的成像图。同时，根据各断层的二维图像，可以利用图像重构技术得到3D立体图像，能较好的观测材料内部的立体结构。试验中，不同水泥掺量和水灰比的水泥级配碎石，其内部结构是不同的，主要表现在孔隙率和孔隙分布不同。实验组通过控制变量对比实验，结合X-CT图像处理分析软件，得到水泥级配碎石内部结构特征，得出水泥掺量和水灰比对水泥级配碎石的内部结构的影响规律。
其中水泥级配碎石的配比特征为：按其质量分数，级配碎石掺量为85％～95％，水泥掺量3％～7％，拌合水掺量为2％～8％。
其中级配碎石符合《高速铁路路基工程施工质量验收标准》的要求，水泥为P·Ⅰ52.5硅酸盐水泥，水为自来水；扫描设备为型号MicroXCT-400高分辨3D X射线显微镜，空间分辨率<1μm。
分析高铁路基用水泥级配碎石内部结构的方法，包括以下步骤：
a：用标准砂石方孔筛进行碎石集料的筛分；将筛分好的碎石按路基施工级配曲线称取配比，按照权利要求1中的原材料掺量，将级配碎石、水泥、水均匀拌合成型，试样大小为100mm×100mm×100mm立方体，脱模后标准养护28天，作为待测样品；
b:将养护好的试样取出，用钻孔机钻芯取样，钻取直径约为48mm、高度约为57mm的圆柱体样品，作为待扫描样品；
c：将圆柱体试样粘牢在样品架上，放入扫描设备的样品台位置，调节好试样与X射线发射源之间的距离，设置参数信息。
步骤a中，筛孔尺寸为0.075～31.5mm连续尺寸。
步骤c中，设置参数信息包括电压电流、样品台旋转角度、扫描时间等，运行X射线断层扫描仪，记录数据图像信息。
实施例1
按质量分数称取原料，取级配碎石90％，水泥5％，水灰比1:1(水5％)，充分混合后浇筑成型100×100×100mm立方体试样，养护温度为20±2℃，养护湿度90％以上，养护28d。钻芯取样大小为φ48×57mm的圆柱体作为扫描试样。实验结果为水泥级配碎石孔隙率为4.53％。
实施例2
按质量分数称取原料，取级配碎石86％，水泥7％，水灰比1:1(水7％)，充分混合后浇筑成型100×100×100mm立方体试样，养护温度为20±2℃，养护湿度90％以上，养护28d。钻芯取样大小为φ48×57mm的圆柱体作为扫描试样。实验结果为水泥级配碎石孔隙率为2.58％。
实施例3
按质量分数称取原料，取级配碎石94％，水泥3％，水灰比1:1(水3％)，充分混合后浇筑成型100×100×100mm立方体试样，养护温度为20±2℃，养护湿度90％以上，养护28d。钻芯取样大小为φ48×57mm的圆柱体作为扫描试样。实验结果为水泥级配碎石孔隙率为15.7％。
实施例4
按质量分数称取原料，取级配碎石92.5％，水泥5％，水2.5％(水灰比0.5)，充分混合后浇筑成型100×100×100mm立方体试样，养护温度为20±2℃，养护湿度90％以上，养护28d。钻芯取样大小为φ48×57mm的圆柱体作为扫描试样。实验结果为水泥级配碎石孔隙率为11.2％。
实施例5
按质量分数称取原料，取级配碎石87.5％，水泥5％，水7.5％(水灰比1:1.5)，充分混合后浇筑成型100×100×100mm立方体试样，养护温度为20±2℃，养护湿度90％以上，养护28d。钻芯取样大小为φ48×57mm的圆柱体作为扫描试样。实验结果为水泥级配碎石孔隙率为6.14％。
说明书附图1的CT图像中：
a为水泥级配碎石试样某一横截面俯视图。由图可以看出，CT图像中黑色部分为孔隙，亮度最大的是骨料(级配碎石)，中间亮度的为砂浆。
b为a中横截面对应测试样品左视图。由图可以看出，CT图像中黑色部分为孔隙，亮度最大的是骨料(级配碎石)，中间亮度的为砂浆。
c为a中横截面对应测试样品右视图。由图可以看出，CT图像中黑色部分为孔隙，亮度最大的是骨料(级配碎石)，中间亮度的为砂浆。
d为水泥级配碎石样品的三维重构立体图像。由图可以看出，三维重构的方法能够较好的反应水泥级配碎石中碎石的空间分布情况。
附图2为X-CT扫描下水泥级配碎石内部水分形成冰晶的图像。水泥级配碎石内部孔隙水分在低温下结冰，X-CT技术能较准确地检测水和冰的存在状态及形式。由图可以看出，孔隙内水分部分结冰，形成和水(孔隙)不同灰度值的CT图像，图中1为孔隙、2为冰晶，左上角是对图中右上角框内局部放大的图像。因此能够较准确地检测到冰的结晶过程，对水分及冰的分布、结冰融化过程实现可视化监测。
附图3为不同水泥掺量的水泥级配碎石孔隙率的变化规律。由图可以看出，水泥掺量较低(3％)时，水泥级配碎石孔隙率达15.7％；当水泥掺量为5％时，孔隙率为4.53％；当水泥掺量为7％时，孔隙率为2.58％。主要原因是，随着水泥掺量增加，水泥水化产物不断填充级配碎石之间的孔隙，浆体使得级配碎石之间互相粘结，孔隙率降低。
附图4为不同水灰比的水泥级配碎石孔隙率的变化规律。图中水泥掺量均为5％，由图可以看出，水灰比较低(0.5:1)时，水泥级配碎石孔隙率达11.2％；当水灰比较高(1.5:1)时，孔隙率为6.14％。主要原因是，水泥级配碎石中水泥掺量一定(5％)，水灰比较低时没有足够的水分使水泥完全水化，造成孔隙率增加；而但水灰比较高时，水泥水化后多余的水分产生挥发形成孔隙，导致内部孔隙率增大。

Claims (7)

1.一种高铁路基用水泥级配碎石内部结构检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
a：用标准砂石方孔筛进行碎石集料的筛分；将筛分好的碎石按路基施工级配曲线称取配比，将级配碎石、水泥、水均匀拌合成型，脱模后标准养护，作为待测样品；
b：将养护好的试样取出，钻芯取样，钻取圆柱体样品，作为待扫描样品；
c：将圆柱体样品粘牢在样品架上，放入扫描设备样品台位置，调节好试样与X射线发射源之间的距离，设置参数信息。
2.根据权利要求1所述的高铁路基用水泥级配碎石内部结构检测方法，其特征在于，步骤a中所述级配碎石掺量为85％～95％，水泥掺量3％～7％，水掺量为2％～8％。
3.根据权利要求1所述的高铁路基用水泥级配碎石内部结构检测方法，其特征在于，步骤a中所述级配碎石符合《高速铁路路基工程施工质量验收标准》的要求，水泥为P.I.52.5硅酸盐水泥，水为自来水。
4.根据权利要求1所述的高铁路基用水泥级配碎石内部结构检测方法，其特征在于，步骤a中所述标准方孔筛的筛孔尺寸为0.075mm～31.5mm连续尺寸。
5.根据权利要求1所述的高铁路基用水泥级配碎石内部结构检测方法，其特征在于，步骤a中所述拌合成型，试样大小为100mm×100mm×100mm立方体；所述脱模后标准养护时间为28天。
6.根据权利要求1所述的高铁路基用水泥级配碎石内部结构检测方法，其特征在于，步骤b中圆柱体样品直径为48mm，高度为57mm。
7.根据权利要求1所述的高铁路基用水泥级配碎石内部结构检测方法，其特征在于，所述设置参数信息包括电压电流、样品台旋转角度、扫描时间等，运行X射线断层扫描仪，记录数据图像信息。
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