1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

粗集料二维形态特征的图像描述

摘要：粗集料的形态特征对于沥青混合料的骨架组成和力学性能起关键作用。本文的研究目的在于通过对粗集料的形状、棱角性、纹理等方面的探索研究找出合适的指标对形态特征进行评价。文章主要采用图像处理技术，对粗集料的二维形态特征进行描述，根据选择的指标对相应粗集料的高温抗剪强度、压实性能等进行研究找出其相关性。

关键词：粗集料、轮廓形状、棱角性、纹理特征、力学特性

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、研究背景与意义

随着我国铁路建设的不断发展，铁路里程也在飞速增长。截至2016年底，我国铁路运营里程达到124万公里，其中高铁里程达到2.2万公里。砟是指作路基的小石头。传统铁路钢轨固定放在枕木之下，枕木之下就是道砟。道砟和枕木共同起着增大受力面积，分散火车压力的作用，防止铁轨因压力产生过大沉降。另外道砟还起着减噪、吸热、透水等作用。有砟轨道相比无砟轨道有着建设周期短、成本低、收效快的特点。因而在铁路工程中必将长期使用。

道砟的表面形态直接影响了铁轨的受力方式，决定了道砟能否继续合格完成目标任务，因而道砟的表面形态研究具有重要意义。

二、研究内容

1、图像采集与形态指标确立

由于道砟总体体积大于粗集料体积，同时考虑成本因素选择利用数码相机进行图像采集后利用图像处理软件可以达到很好的效果。同时进行图像的周长、面积、长短轴等信息的采集。由于二维指标中，近似多边形周长比APPR计算较为复杂，考虑计算难度和形态指标的代表性，综合选用轴向系数与圆度作为图像评价指标。

2、磨耗实验对形态指标的影响

由于目前并没有规范对集料形态进行评价，为了尽可能模拟列车对道砟的力学影响，本实验选用《铁路道砟试验规范》中的洛杉矶磨耗试验进行磨耗，分集配磨耗后采样进行数据分析，最后通过质量加权平均得出最终的轴向系数与圆度。建立磨耗次数与轴向系数与圆度的关系，得出其中的相关性。

三、研究方法与过程

本文选取石英砂岩作为实验对象，通过筛分试验选取符合一级铁路道砟规范的具有明显轮廓的石英砂岩进行道砟形态采集。在白纸上等间距放置道砟颗粒，在拍摄范围的边缘垂直放置两把直尺，利用数码相机采集集料图像，利用直尺的刻度对比集料的形状大小对图像进行图像修正，运用ImagePro-Plus软件进行集料的面积、周长、主轴长度等参数计算。为了更加合理全面的选用合适的指标对集料的二维形态进行评价，需要对一次参数进行计算。在综合比较后选取轴向系数和圆度两个指标对集料的二维图像进行评价。对进行图像采集后的集料进行洛杉矶磨耗实验，分别计算50次、100次、150次、200次磨耗后的轴向系数和圆度系数，分别建立磨耗次数与轴向系数、磨耗次数与圆度的关系，力求找出其中的相关性。

1、原材料筛分试验

本次选取材料为石英砂岩，为更好的符合实际工程情况，本实验选用新建铁路用一级碎石道砟粒径集配。根据铁路道砟规范TB/T2140-2008新建铁路用一级碎石道砟粒径级配应满足如下规定：

表1 新建铁路用一级碎石道砟粒径级配

同时应一级碎石道砟应满足针状指数不大于20％，片状指数不大于20％。一级碎石道砟还应满足风化颗粒和其他杂石含量不大于5％。

2、图像采集方法设计、调试

在白纸上等间距放置道砟颗粒，在图像长、宽边缘放置两把刻度清晰的直尺用于后期的图像矫正，利用数码相机拍摄道砟图像，调整相机高度、光圈，直到得到清晰合适的图像。

3、图像分析

由于数码相机的拍摄是采用光线由面到点的形式，因而在图像边缘区域会出现一定程度的图像变形，利用photoshop软件以放置的直尺刻度为标准进行图像矫正。用ImagePro-Plus软件打开矫正后的图像，量得主轴长度、次轴长度、周长、面积、等效直径、费雷特直径等。

4、形态指标建立

通过图像处理软件，可以直接得到主、次轴长度、周长、面积、等效直径、费雷特直径等一次参数信息。然而一次参数由于其测量的片面性，很难综合衡量二维图像的形态信息，因此我们采用一次参数处理后的二次参数来更全面客观的衡量粗集料的形态特征。从宏观来分析，道砟的表面形态特征可以用形状、棱角性、表面纹理来描述。集料的轮廓二次参数指标包括：轴向系数（长细比）K_A、圆度R、矩形度R、偏心率E；棱角性二次参数指标包括：等效椭圆周长比A_I、凹凸度C_R；颗粒纹理二次参数指标包括：纹理指数S_T等。根据一次参数获得的难易性以及磨耗对其影响程度，本文综合选用轴向系数（长细比）以及圆度来表征道砟颗粒的二维形态。

轴向系数（长细比）K_A定义为K_A=L_A，MAX/L_A，MIN，式中L_A，MAX，L_A，MIN分别为道砟颗粒等效椭圆的主轴与次轴长度。该参数表征的是道砟的针片状，与铁路道砟规范中针、片状指数分别不大于20％相对应。圆度R定义为R=l²/4πA，式中：l为颗粒边界周长，A为颗粒的面积。该参数表征的是图像接近圆的程度。当图像是圆时圆度为1。

5、磨耗试验及图像采集

铁路碎石道砟标准实验方法中，洛杉矶磨耗实验用来表示碎石道砟抵抗冲击、磨耗、边缘剪切等联合作用能力。洛杉矶磨耗机在道砟质量为5000g#177;25时选用12个钢球直径为46.0mm-47.6mm，质量为390g-450g。试样选用粒径20-25mm的道砟质量为5000#177;25g，粒径25-40mm的道砟质量为5000#177;25g；粒径为10-16mm的级配碎石、底砟质量为2500#177;10g，粒径为16-20mm的级配碎石、底砟质量为2500g#177;10g。在磨耗机转动200转后算作一次磨耗，记录磨耗次数，取样本进行图像采集与形态研究。

6、数据分析

利用SPSS统计软件进行磨耗次数与轴向系数（长细比）、磨耗次数与圆度之间相关度的分析，找出其所服从的分布。比较两者优缺点以及与现实情况之间的差异性。

三、研究计划

第五周 进行铁路道砟筛分实验，确定道砟合理级配

第六周 进行图像采集方法设计、调试，学习图像矫正方法

第七周 学习分析软件

第八周 阅读相关文献，确定具体形态指标

第九周 进行洛杉矶磨耗实验以及图像的采集

第十周 进行图像的采集，解决图像处理问题

第十一周 数据分析

第十二周 数据分析以及查漏补缺

第十三周 综合上述资料，撰写毕业论文

第十四周 完善修改毕业论文并制作PPT

第十五周 准备答辩