CN104458432B - 一种沥青混合料颗粒性区域确定及影响因素评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种沥青混合料颗粒性区域确定及影响因素评价方法，其是通过在车辙试验试件断面上画等值线，在不同荷载、不同时间条件进行车辙试验，记录试验完成时各个断面等值线开始出现折断的位置，采集折断位置的深度，即为颗粒性区域深度，取多个断面的颗粒性区域深度平均值，从而确定出该沥青混合料颗粒性区域，再利用灰色关联度分析方法对不同荷载、温度对沥青混合料颗粒性区域深度的影响程度进行分析，得出颗粒性区域范围与荷载、温度的关联度，即得出温度、荷载对沥青混合料的颗粒性区域的影响，本发明具有实验方案简单易行，可重复性强，结论清晰明确，有助于沥青路面的力学分析和计算。

Description

一种沥青混合料颗粒性区域确定及影响因素评价方法

技术领域

本发明属于沥青混合料结构的力学响应评价技术领域，具体涉及到一种采用等值线法并基于车辙试验确定出温度和荷载对沥青混合料颗粒性的影响的沥青混合料颗粒性区域确定及影响因素评价方法。

背景技术

沥青混合料是由沥青、集料、空隙等组成的一种多相混合材料，通过沥青胶的粘结能力将松散的颗粒材料联接成一个整体，其中集料的质量占混合料总质量的90％以上，体积约占70％以上。因此，沥青混合料实际上是一种非均质，不连续材料，颗粒性特征显著。但是，目前我国现行的《公路沥青路面设计规范》中规定在沥青路面设计时所采用的力学分析基础是弹性层状体系，弹性层状体系理论假设沥青混合料为各向同性的均质材料。目前针对沥青混合料颗粒性特征的研究多集中采用图像处理和数值模拟的方法，如运用数字化图像、光弹镜像技术、X-ray CT等对混合料内部的集料取向、接触状况、离析、沥青砂胶分布、空隙分布等进行识别，然后对沥青混合料的内部结构进行三维数字重建，对混合料的强度机理和宏观力学行为进行数值模拟，这些方法和手段对于模拟和分析沥青混合料的微细观结构和宏观性能是一种有效的方法，但也存在明显的不足：(1)实验过程和数据处理繁琐复杂，耗时费力，推广比较困难；(2)目前的研究方法侧重于沥青混合料颗粒性的物理特征而忽视了在应力场及温度场中颗粒性表现出的力学特征。(3)评价指标不能真正反映混合料的颗粒性特征与其宏观力学响应的关系。一些研究人员采用离散元方法模拟分析沥青混合料的力学行为，但是由于混合料复杂的内部结构和环境，这种方法很难准确模拟和分析混合料的力学行为。因此目前的方法还无法全面的分析混合料的颗粒性特征，更无法利用其颗粒性特征来准确的评价和预测混合料宏观的力学行为，迫切需要新方法和新思路对混合料的颗粒性行为予以描述、分析和评价，确定出在一定的温度场和应力场 中沥青混合料颗粒性区域与连续性区域，以对混合料设计、路面结构设计以及力学分析提供更为真实可靠的信息。

发明内容

为了克服现有技术所存在的不足，本发明提供了一种实验过程简单、实验结果准确，能够真实反映混合料的颗粒性特征与宏观力学响应关系的沥青混合料颗粒性区域确定方法。

本发明还提供了一种方法简单、能够真实反映混合料的颗粒性特征与宏观力学响应关系，为沥青路面设计提供参考依据的沥青混合料颗粒性区域影响因素评价方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

沥青混合料颗粒性区域确定方法由以下步骤组成：

(1)将成型好的车辙试验试件等分切割，并在每段试件的断面上画等值线，自上而下第一条等值线距试件顶面10～15mm，之后每隔3～5mm标注一条等值线；

(2)在荷载为0.7～1.1MPa，温度为0～60℃，时间为20～60min的条件下进行车辙试验，记录试验完成时不同荷载、温度下所对应的各个断面等值线开始出现折断的位置，测量出折断位置的深度；

(3)取多个断面的折断位置深度的平均值，即为相应荷载、温度条件下该沥青混合料颗粒性区域深度，从而划分出沥青混合料的颗粒性区域。

沥青混合料颗粒性区域影响因素评价方法由以下步骤组成：

(1)将成型好的车辙试验试件等分切割，并在每段试件的断面上画等值线，自上而下第一条等值线距试件顶面10～15mm，之后每隔3～5mm标注一条等值线；

(2)在荷载为0.7～1.1MPa，温度为0～60℃，时间为20～60min的条件下进行车辙试验，记录试验完成时不同荷载、温度下所对应的各个断面等值线开始出现折断的位置，测量出折断位置的深度；

(3)取多个断面的折断位置深度的平均值，即为相应荷载、温度条件下该沥青混合料颗粒性区域深度，利用灰色关联度分析方法对步骤2)的荷载和温度两个影响因素对沥青混合料颗粒性区域深度的影响程度进行分析，得出 该沥青混合料的颗粒性区域范围与荷载、温度的关联度，关联度表达式为：

式(1)中：

γ_i表示不同因素对颗粒性区域深度的关联度；

表示第i种因素关联关系；

生成的新的参考数列；

生成的新的比较序列；

X₀＝{X₀(k)|k＝1，2，…，n}记为参考数列X₀，表示不同温度、荷载条件下沥青混合料颗粒性区域深度；

X_i＝{Xi(k)|k＝1，2，…，n}，表示不同颗粒性区域深度对应的温度和荷载条件；

i＝1,2,代表温度和荷载两种影响因素；

N＝数列的列数；

k表示数列的第k项；

所得关联度越大说明该影响因素对沥青混合料的颗粒性区域范围的影响程度越大，从而评价出温度、荷载对沥青混合料的颗粒性区域的影响。

本发明所提供的沥青混合料颗粒性区域确定及影响因素评价方法是采用等值法和灰色关联度分析法在不同温度场和应力场条件下通过车辙实验的模拟，确定出基于力学响应的沥青混合料颗粒性区域，能够真实反映混合料的颗粒性特征与宏观力学响应关系，有助于沥青路面的力学分析和计算，更加客观准确地认识和把握沥青混合料的非均质、不连续、颗粒性显著的特征， 利于在沥青路面设计过程中在确定不同路面结构组合、混合料类型时准确地把握温度场和应力场对设计方案的影响，本发明的实验方法简单易行，可重复性强，结论清晰明确。

附图说明

图1是试件切割处理示意图。

图2是位移等值线标注图。

图3是图2的局部放大图。

图4是30℃条件下SMA20加载60min断面图。

图5是图4的局部放大图。

具体实施方式

现结合试验数据和实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但是本发明不仅限于下述的实施情形。

实施例1

现以AC20和SMA20的沥青混合料试件为例，确定该沥青混合料的颗粒性区域及影响因素的方法是：

(1)按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)分别制备两种沥青混合料，AC20和SMA20，集料为陕西咸阳生产的石灰石碎石集料，矿粉为石灰石矿粉，沥青采用SK70#基质沥青。粗集料，细集料，填料和SK70#基质沥青的技术性质见表1～4；采用的两种混合料的级配设计见表5；最终采用两种混合料的最佳油石比是：AC20混合料的最佳油石比是4.0％，SMA20混合料的最佳油石比是4.5％。

表1粗集料技术性质

表2细集料技术性质

技术指标	试验值	要求值
			表观相对密度	2.905	≥2.50
砂当量，％	83	≥60
			棱角性，s	48.1	≥30
坚固性，％	0.6	≤12
			亚甲蓝，g/kg	0.9	≤25
＜0.075mm含量，％	11.4	≤15

表3填料基本性质

表4 SK70#基质沥青基本性质

表5.沥青混合料设计级配表(单位：％)

按照交通部颁布的《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中T0703—2011用碾压成型法制作AC20和SMA20热拌沥青混合料的试验试块，试件尺寸均采用长300mm×宽300mm×厚100mm，并将车辙板横向切割成3等分进而得到4个断面如图1所示，在所得断面上标记等值线，以方便观察实验过程中断面内部颗粒变化的规律，其中第一条线距试件顶面10mm，以下每隔5mm标注一条直线段如图2、3所示。

(2)按照T 0719—2011的要求，实验的荷载条件是0.7MPa，在30℃、40℃、50℃、60℃四种不同温度下进行车辙实验60分钟，并在车辙实验完成时记录下断面等值线开始出现折断的位置即测量颗粒性区域的范围，利用相机对试验后试件断面进行图像采集，以便进行数据采集和分析，所得数据见表6；按照T 0719—2011的要求，在实验温度为50℃，在荷载条件分别为0.7MPa、0.9MPa和1.1MPa下对两种混合料进行车辙实验，实验进行60分钟后记录下断面等值线开始出现折断的位置即测量折断位置的深度，即为颗粒性区域深度，参见图4和5，该颗粒性区域是指在外荷载作用下产生不均匀力学响应的区域，断面等值线开始出现折断的位置所代表的深度即为沥青混合 料的颗粒性区域的深度；利用相机对试验后试件断面进行图像采集，以便进行数据采集和分析，所得数据见表7。

表6.在荷载为0.7MPa不同温度下混合料的颗粒性区域深度记录

试验温度	SMA20	AC20
			30℃	3.75cm	1.5cm
40℃	4.5cm	1.875cm
			50℃	5.125cm	3.125cm
60℃	7.125cm	5.25cm

表7.在50℃不同荷载大小作用下混合料的颗粒性区域深度记录

(3)取多个断面的折断位置深度的平均值，即为相应荷载、温度条件下该沥青混合料颗粒性区域深度，从而划分出沥青混合料的颗粒性区域。

在沥青混合料的颗粒性区域确定后，根据其颗粒性区域深度利用灰色关联度分析，即可评价出沥青混合料的颗粒性区域的影响因素，具体为：

采用灰色系统理论对数据进行分析，该方法是以因素之间发展态势的相似或相异程序作为标准，进而衡量因素间的关联程度，它通过计算目标值(参考数列)与影响因素(比较数列)关联度，再对关联度进行排序，根据关联度的排序进而寻求影响目标值的主要因素。

根据上述步骤(3)所确定出的相应荷载、温度条件下该沥青混合料颗粒性区域深度，利用灰色关联度分析方法对步骤(2)的荷载和温度两个影响因素对沥青混合料颗粒性区域深度的影响程度进行分析，得出该沥青混合料的颗粒性区域范围与荷载、温度的关联度，关联分析中参考数列和比较数列的 概率如下：

设：X₀＝{X₀(k)|k＝1，2，…，n}记为参考数列X₀；

X_i＝{X_i(k)|k＝1，2，…，n}记为比较数列X_i(i＝1，2)。

将上述每个数列去除其平均值，即对数列作均值化处理，得到如下一个新的序列：

$Y_0=\left\{Y_0\left(k\right)\right\}=\{X_0\left(k\right)/\stackrel{\‾}{X_0}|k=1,2,...,n\}$

其中，

其中，

Y₀：新的参考数列，Y_i：新的比较数列。

将曲线与参考曲线在k时刻(指标和空间)的关联关系进行比较，具体计算公式如下：

其中：k＝1，2，…，n；i＝1，2。

式中：ζ——分辨系数，其值在0～1之间；

关联度的表达式为：

γ_i即曲线X_i(Y_i)对参考曲线X₀(Y₀)的关联度，γ_i越大，即表示X_i与X₀的发展趋势越接近，从而说明X_i对X₀的影响越大。下表8中列出了几种不同的试验 组合，表9为几种不同试验条件组合情况下沥青混合料颗粒性区域的分界深度。

表8条件组合情况

条件组合	温度(单位：℃)	荷载(单位：MPa)
			1	30	0.7
2	40	0.7
			3	50	0.7
4	60	0.7
			5	50	0.9
6	50	1.1

表9.不同混合料在不同条件组合下颗粒性区域深度

按照灰色关联原理，将前述两种混合料在各种条件组合下所得到的颗粒性区域深度界限作为参考数列X₀，以温度，荷载大小作为比较数列X₁，X₂，以此得到的灰色关联分析原始数据如下表10所示。

表10.灰色关联分析原始数据

项目

1

2

3

4

5

6

X01

1.5cm

1.875cm

3cm

5.125cm

4.5cm

5.75cm

X02

3.75cm

4.5cm

5.125cm

7.125cm

5.875cm

7cm

X1

30℃

40℃

50℃

60℃

50℃

50℃

X2

0.7MPa

0.7MPa

0.7MPa

0.7MPa

0.9MPa

1.1MPa

为进一步使数据无纲量化，下一步将对上表10中的原始数据进行均值化 处理，将每行的数据分别除以该行数列的平均值。处理之后的数据如表11所示。

表11.均值化之后的灰色关联分析数据

项目	1	2	3	4	5	6
							Y01	0.4137931	0.5172414	0.8275862	1.4137931	1.2413793	1.5862069
Y02	0.6741573	0.8089888	0.9213483	1.2808989	1.0561798	1.258427
							Y1	0.6428571	0.8571429	1.0714286	1.2857143	1.0714286	1.0714286
Y2	0.875	0.875	0.875	0.875	1.125	1.375

根据上节中所介绍的灰色关联分析方法进行计算，以温度和荷载条件两种影响因素与2种不同级配混合料的试件通过车辙试验得到的材料非均质范围分界深度的关联分析结果如下表12所示，其中ξ₁、ξ₂分别为温度和荷载条件与2种不同混合料试验结果的关联关系；γ₁、γ₂则为温度和荷载条件与2种不同混合料试验结果的关联度。

表12.灰色关联分析结果

关联度矩阵R如下:

从上表12所示的数据可知：AC20沥青混合料，温度、荷载与混合料内部非颗粒性区域范围的关联度大小为：γ₁＜γ₂；

SMA20沥青混合料，温度、荷载与混合料内部非均质区范围的关联度大小为：γ₁＞γ₂；

由上述结论分析可知：本实施例的两种不同级配混合料中，对于SMA20、 混合料进行的试验及分析可知，荷载大小对于混合料内部颗粒性区域范围的影响明显强于温度对其的影响。对于AC20混合料，温度因素与混合料内部颗粒性区域范围的关联度则略强于外加荷载与混合料内部颗粒性区域的关联度。对上述结果原因进行分析，原因在于间断级配混合料强度主要来源与内部集料之间的嵌挤作用，因此受温度影响的大小较外界荷载要弱。

Claims (2)

1.一种沥青混合料颗粒性区域确定方法，其特征在于由以下步骤组成：

(1)将成型好的车辙试验试件等分切割，并在每段试件的断面上画等值线，自上而下第一条等值线距试件顶面10～15mm，之后每隔3～5mm标注一条等值线；

(2)在荷载为0.7～1.1MPa，温度为0～60℃，时间为20～60min的条件下进行车辙试验，记录试验完成时不同荷载、温度下所对应的各个断面等值线开始出现折断的位置，测量出折断位置的深度；

(3)取多个断面的折断位置深度的平均值，即为相应荷载、温度条件下该沥青混合料颗粒性区域深度，从而划分出沥青混合料的颗粒性区域。

2.一种沥青混合料颗粒性区域影响因素评价方法，其特征在于由以下步骤组成：

(1)将成型好的车辙试验试件等分切割，并在每段试件的断面上画等值线，自上而下第一条等值线距试件顶面10～15mm，之后每隔3～5mm标注一条等值线；

(2)在荷载为0.7～1.1MPa，温度为0～60℃，时间为20～60min的条件下进行车辙试验，记录试验完成时不同荷载、温度下所对应的各个断面等值线开始出现折断的位置，测量出折断位置的深度；

(3)取多个断面的折断位置深度的平均值，即为相应荷载、温度条件下该沥青混合料颗粒性区域深度，利用灰色关联度分析方法对步骤2)的荷载和温度两个影响因素对沥青混合料颗粒性区域深度的影响程度进行分析，得出该沥青混合料的颗粒性区域范围与荷载、温度的关联度，关联度表达式为：

式(1)中：

γ_i表示不同因素对颗粒性区域深度的关联度；

表示第i种因素关联关系；

式中：ζ——分辨系数，其值在0～1之间；

生成的新的参考数列；

生成的新的比较序列；

$\stackrel{\‾}{X_i}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{X}_i\left(k\right)}{N},(i=1,2);$

X₀＝{X₀(k)|k＝1，2，…，n}记为参考数列X_0，表示不同温度、荷载条件下沥青混合料颗粒性区域深度；

X_i＝{Xi(k)|k＝1，2，…，n}，表示不同颗粒性区域深度对应的温度和荷载条件；

i＝1,2,代表温度和荷载两种影响因素；

N＝数列的列数；

k表示数列的第k项；

所得关联度越大说明该影响因素对沥青混合料的颗粒性区域范围的影响程度越大，从而评价出温度、荷载对沥青混合料的颗粒性区域的影响。