Behavior of ballast-sub ballast interface: a preliminary study of 3D morphological parameters of ballast abrasion

Abstract

At present, the railway transportation system has become an important role in the development of transportation systems in Thailand. Ballast is an important component of the railway structure. After a period of use, ballast will deteriorate, affecting its distribution, subsidence, and contamination of small particle materials. Previous research has tried to find ways to extend the life of the ballast layer by using various materials such as Under Sleeper Pad (USP), Geotextile, and polyurethane. In particular, USP is the most popular because it helps reduce ballast deterioration by making the connection between the sleeper and the ballast more flexible, increasing the contact area, and helping to distribute weight effectively. Although these materials are highly effective, their high cost remains a limitation. Therefore, the approach of using alternative materials with lower cost, such as mixing scrap tyres into the ballast layer, is an interesting idea. Scrap tyres can help increase flexibility, absorb shock, and reduce ballast breakage. In addition, it is a way to reuse waste from the automotive industry, which helps reduce environmental impact in another way. This research presents a study on the deterioration of ballast mixed with scrap tyres by analyzing the wear resistance of ballast with different proportions and sizes of tyres under dry conditions and analyzing the micro scale morphology from 3D scanning images. In addition, this study will focus on solving the problem by using scrap tyres as a mixed material in ballast by testing the angle of repose of the ballast, which reflects the angle of internal friction, an important indicator of the shear resistance ability of ballast. The experiment used 3 types of tyre scraps: cube, rod and disk. The stone samples were scanned with a 3D scanner and tested for wear resistance at 100, 500 and 1,000 rotations by mixing 5%, 13% and 20% tyres scraps by volume. The same samples were used for each rotation and scanned after the Los Angeles Abrasion Test. The study found that increasing the proportion of tyre scraps reduced the wear of ballasts. The cube tyre scraps had the best effect on reducing wear, followed by rod and disk shapes. When the proportion of tyre scraps increased more than 13%, the reduction in wear depth was not significantly different. The spherical harmonics function (SHF) morphology study found that the shape of the tyre scraps had a significant effect on the change in the physical characteristics of the stone particles, especially the angularity index (AI3D) and the surface texture index (MT3D), where the cube tyre scraps had the least change compared to the other shapes. In addition, the asperity radius of the cube tyre scraps was the lowest in all mixing ratios, indicating that the tyre scraps could effectively reduce the wear of the stones, especially when using 13% tyre scraps, which resulted in the least reduction in wear rate. In the study of angle of repose, the angle of repose test was conducted using plastic vinyl chloride (PVC) pipes with 30 cm inner diameter and 90 cm height. The pipes were lifted by crane and the angle of repose were scanned using FARO Focus 3D scanner. The results showed that the angle of repose of the fresh ballast was higher than that of the ballast that had undergone LAA testing in all mixes. In addition, the cube-shaped tyre waste resulted in the highest angle of repose, followed by the rod and disk-shaped ones, respectively. When the tyre ratio was more than 13%, the angle of repose of the ballast was significantly reduced.

ในปัจจุบันระบบการขนส่งทางรางเริ่มมีบทบาทสำคัญต่อการพัฒนาระบบคมนาคมขนส่งในประเทศไทย หินโรยทางรถไฟเป็นองค์ประกอบสำคัญของโครงสร้างทางรถไฟ เมื่อผ่านการใช้งานช่วงเวลาหนึ่ง หินโรยทางรถไฟ (ballast) จะเสื่อมสภาพ ส่งผลต่อการกระจายตัว การทรุดตัว และการปนเปื้อนของวัสดุอนุภาคเล็ก งานวิจัยที่ผ่านมาได้พยายามหาแนวทางในการยืดอายุการใช้งานของชั้นหินโรยทาง โดยใช้วัสดุต่าง ๆ เช่น แผ่นรองใต้ราง (Under Sleeper Pad, USP) แผ่นใยสังเคราะห์ และโพลียูรีเทน โดยเฉพาะ USP ที่ได้รับความนิยมสูงสุด เนื่องจากช่วยลดการเสื่อมสภาพของหินโรยทางโดยทำให้การเชื่อมต่อระหว่างหมอนรองกับหินโรยทางมีความยืดหยุ่นมากขึ้น เพิ่มพื้นที่สัมผัสและช่วยกระจายน้ำหนักได้อย่างมีประสิทธิภาพ แม้ว่าวัสดุเหล่านี้จะมีประสิทธิภาพสูง แต่ก็มีข้อจำกัดด้านต้นทุนที่สูงขึ้นเช่นกัน แนวทางในการใช้วัสดุทางเลือกที่มีต้นทุนต่ำกว่า เช่น การผสมเศษยางรถยนต์ลงในชั้นหินโรยทาง จึงเป็นแนวคิดที่น่าสนใจ เศษยางสามารถช่วยเพิ่มความยืดหยุ่น ลดแรงกระแทก และลดการแตกหักของหินโรยทาง นอกจากนี้ยังเป็นการนำของเสียจากอุตสาหกรรมยานยนต์กลับมาใช้ใหม่ ซึ่งช่วยลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมได้อีกทางหนึ่ง งานวิจัยนี้จึงได้นำเสนอการศึกษาการเสื่อมสภาพของหินโรยทางที่ผสมเศษยางรถยนต์ โดยวิเคราะห์ความทนทานต่อการสึกหรอในสัดส่วนและขนาดยางที่ต่างกัน ภายใต้สภาวะแห้ง และการวิเคราะห์สัณฐานวิทยาระดับจุลภาคจากภาพการสแกน 3 มิติ อีกทั้งการศึกษานี้จะมุ่งเน้นการแก้ไขปัญหาด้วยการนำเศษยางรถยนต์มาเป็นวัสดุผสมในหินโรยทาง โดยการทดสอบมุมการกองของหินโรยทางซึ่งสะท้อนถึงมุมเสียดทานภายใน (angle of repose) เป็นตัวบ่งชี้สำคัญที่แสดงถึงความสามารถในการต้านแรงเฉือนของหินโรยทาง การทดลองใช้เศษยางรถยนต์ 3 รูปแบบ ได้แก่ ยางทรงลูกบาศก์ ทรงแท่ง และทรงแผ่น ตัวอย่างหินจะถูกสแกนด้วยเครื่องมือสแกน 3D และทดสอบความทนทานต่อการสึกหรอในรอบ การหมุน 100, 500 และ 1,000 รอบ โดยผสมเศษยางในสัดส่วน 5%, 13% และ 20% โดยปริมาตร ในแต่ละรอบการหมุนจะใช้ตัวอย่างเดิม ในการทดสอบสลับกับการสแกนหลังการทดสอบ LAA (Los Angeles Abrasion Test) จากการศึกษาพบว่า การเพิ่มสัดส่วนของเศษยางช่วยลด การสึกหรอของหินโรยทางได้ โดยเศษยางทรงลูกบาศก์มีผลในการลดการสึกหรอได้ดีที่สุด รองลงมาคือทรงแท่ง และทรงแผ่น เมื่อเพิ่มสัดส่วนเศษยางมากกว่า 13% การลดลงของความลึกการสึกหรอกลับไม่แตกต่างมากนัก การศึกษาสัณฐานวิทยาด้วยฟังก์ชันฮาร์มอนิกทรงกลม (Spherical Harmonics Function, SHF) พบว่ารูปทรงของเศษยางมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงของลักษณะทางกายภาพของอนุภาคหินอย่างชัดเจน โดยเฉพาะดัชนีความเป็นมุม (AI3D) และดัชนีพื้นผิว (MT3D) ซึ่งเศษยางทรงลูกบาศก์มีการเปลี่ยนแปลงน้อยที่สุดเมื่อเทียบกับทรงอื่น ๆ นอกจากนี้ รัศมีความขรุขระของเศษยางทรงลูกบาศก์ก็มีค่าต่ำที่สุดในทุกอัตราส่วนผสม ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเศษยางสามารถลดการสึกหรอของหินได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยเฉพาะเมื่อใช้เศษยางในอัตราส่วน 13% ที่ส่งผลให้อัตราการสึกหรอลดลงน้อยที่สุด ในส่วนของการศึกษามุมการกอง ดำเนินการทดสอบมุมการกองโดยใช้ท่อ PVC (Plastic Vinyl Chloride) ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 30 เซนติเมตร และเติมหินลงไปด้วยความสูง 90 เซนติเมตร ท่อดังกล่าวถูกยกขึ้นด้วยเครน และสแกนกองหิน โดยใช้เครื่องสแกน FARO Focus 3D ผลการศึกษาพบว่า มุมการกองของหินโรยทางใหม่ มีค่ามากกว่าหินโรยทางที่ผ่าน LAA ในทุกส่วนผสม นอกจากนี้ เศษยางรถยนต์ทรงลูกบาศก์ส่งผลให้มุมลาดเอียงมีค่ามากที่สุด รองลงมาคือทรงแท่ง และทรงแผ่นตามลำดับ และเมื่ออัตราส่วนผสมของยางมากกว่า 13% มุมการกองของหินโรยทางจะลดลงอย่างเห็นได้ชัด