CN106950120A - 一种虚拟状态下的沥青混合料级配优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟状态下的沥青混合料级配优化方法。根据实际需要优化的级配，在三维离散元软件PFC3D中随机生成符合目标级配的沥青混合料力学试验三维离散元模型(包括单轴贯入试验、低温下的劈裂试验、单轴压缩试验和剪切疲劳试验)。符合目标级配的三维离散元模型生成过程是沥青混合料级配优化过程的基础，对多种级配的力学性能评价结果进行比较，得到力学性能最优的级配。本发明具有很强的可操作性、便捷性和代表性。

Description

一种虚拟状态下的沥青混合料级配优化方法

技术领域

本发明涉及一种虚拟状态下的沥青混合料级配优化方法，属于道路工程领域。

背景技术

沥青混合料的组成包括沥青、集料、添加剂和空隙四部分，其中集料对沥青混合料性能的影响最大。而集料的物理特性(形状、大小、棱角、扁平率、表面纹理等)、级配，以及在沥青混合料中分布状态(位置、数量、间距、方位角等)等，都对沥青混合料的力学性能、路用性能指标以及疲劳寿命等产生显著的影响。在集料众多影响沥青混合料性能因素中，集料的级配是最宏观的，也是最根本的。在某种程度上，集料级配决定了沥青混合料性能，影响着沥青混合料的路用性能和使用寿命。相对于级配优良的沥青混合料路面，级配较差的力学性能和路用性能变异性大，易发生破坏。因此，优化沥青混合料级配，对于提升沥青路面路用性能和使用寿命具有很大的意义。

传统的沥青混合料级配优化主要以连续介质力学为基础，以室内试验或试验路的大量数据积累分析为研究手段，但是存在以下缺点：(1)连续介质力学理论基于均匀、连续、各向同性和小变形的基本假设不适用于描述沥青混合料这种颗粒特征明显的材料；(2)室内试验工作量大、周期长，试验结果稳定性差，对于实验人员的依赖性高。现有的文献资料中，较为先进的是运用数字图像处理技术和二维离散元手段对沥青混合料级配优化进行探讨，相关研究如下：

2003年，王端宜等采用基于二维离散单元法的虚拟试验，对不同级配的沥青混合料路用性能(抗压性能和抗剪性能)进行模拟，借此评价沥青混合料级配类型。

2006年，谭积青基于数字图像处理技术来获取沥青混合料试件剖面中颗粒的真实信息，并用PFC2D构建主骨料形态和分布，实现颗粒形态与分布的模拟，同时对沥青混合料级配组成设计进行模拟计算。

2007年汪海年等人采用数字图像处理技术，利用自行研制的粗集料形态特征研究系统(MASCA)，对粗集料的图像级配特征进行研究，提出将二维数字图像级配转换为三维机械筛分级配的修正方法。

2007年王超凡利用Matlab在沥青混合料数字图像处理的基础上，针对检测的细集料颗粒的比例与设计值相比偏小，粗集料颗粒的比例与设计值相比偏大的情况，将细集料和粗集料的级配检测结果分别与设计级配进行分析，得出细集料级配与设计值相比偏小、粗集料颗粒级配与设计值相差不大。另外，对于检测误差的来源以及误差补偿的方法，也进行了分析与描述。

2011年，潘艳珠等人基于数字图像处理技术，直接针对混合料中集料的分布状态，将各档集料对X轴、Y轴的静矩作为离析评价指标，选择了工程中常见的6种典型级配，定量地评价了沥青混合料的离析。

2012年，蒋玮等基于离散单元(DEM)方法，建立透水性沥青混合料(PorousAsphalt Concrete,PAC)粗集料骨架力学模型，运用离散元PFC2D软件对不同级配的粗集料骨架结构进行虚拟试验，评价其结构稳定性和力学性能，根据虚拟试验结果将级配对粗集料骨架结构稳定性的影响量化为粗值指标，并通过室内试验进一步对虚拟试验的结果和粗值指标的意义进行验证。综合虚拟试验和室内试验结果，推荐了粗值指标的最佳取值区间并优化了多孔沥青混合料的级配范围，从而为PAC的级配设计与比选提供依据。

上述有关沥青混合料级配优化方法的研究，虽然是基于离散元法或数值图像处理技术来进行描述与评价，但研究中，其综合性不强，考虑不够全面，且依赖于室内试验手段，不能便捷地对沥青混合料级配进行优化。本发明通过随机生成目标级配，以及对沥青混合料路用性能的宏观考量，通过三维离散元模拟对沥青混合料级配优化进行研究。

发明内容

为了克服现有评价方法的不足，本发明提供一种虚拟状态下的沥青混合料级配优化方法，而且相比其他方法，其操作更加快捷和具有代表性，评价结果更为准确。

本发明的虚拟状态下的沥青混合料级配优化方法包括如下步骤：

1)计算需优化的级配中各档集料用量，根据实际需要优化的级配，在三维离散元软件PFC3D中随机生成符合目标级配的沥青混合料力学试验三维离散元模型；所述的沥青混合料力学试验三维离散元模型包括单轴贯入试验模型、低温下的劈裂试验模型、单轴压缩试验模型和剪切疲劳试验模型,分别计算得到四个模型相应的力学性能指标；

其中，a)所述的单轴贯入试验模型的力学性能指标的计算步骤为：

根据所选集料级配，采用三维离散元软件PFC3D，以集料为多边形的模式，随机生成3D虚拟贯入试验圆柱形试件几何模型，试件尺寸为 赋予伯格斯(Burgers)接触粘结模型，并通过实验确定模型在60℃时材料参数，参见附表1。采用直径为42mm的模拟钢压头的墙体，以加载速率为1mm/min,在虚拟试件一端中心处进行加载，记录加载过程中贯入墙体上的力-竖向位移全曲线，并根据下式计算贯入强度和抗剪强度，

R_τ＝f·σ_p (4.2)

式中：R_τ——抗剪强度(MPa)；

σ_p——贯入强度(MPa)；

F——试件破坏时的极限荷载(N)；

A——压头横截面面积(mm²)；

f——剪应力系数，对直径150mm的试件，f＝0.35；

b)所述的低温下的劈裂试验模型的力学性能指标的计算步骤为：

根据所选集料级配，采用三维离散元软件PFC3D，以集料为多边形的模式，随机生成3D虚拟贯入试验圆柱形试件几何模型，试件尺寸为标准马歇尔试件尺寸，即赋予粘聚带(Cohesive Zone)接触粘结模型,并通过实验确定模型在-10℃时的材料参数，参见附表2。采用宽度为12.7mm的模拟压条的墙体，利用墙体对试件侧面一端进行1mm/min的速率加载劈裂直至破坏，记录加载过程中的荷载—变形全曲线，并按式(2.1)计算劈裂抗拉强度。

R_T＝0.006287P_T/h (2.1)

式中:R_T——劈裂抗拉强度(MPa)；

P_T——试验荷载的最大值(N)；

h——试件高度(mm)；

c)所述的单轴压缩试验模型的力学性能指标的计算步骤为：

根据所选集料级配，采用颗粒流离散元软件PFC3D，以集料为多边形的模式，随机生成3D虚拟贯入试验圆柱形试件几何模型，试件尺寸为 赋予伯格斯(Burgers)接触粘结模型，并通过实验确定模型在30℃时的材料参数，参见附表3。分别在试件顶端和底端生成墙体，使用上墙体对试件施加荷载，下墙体固定；

抗压强度试验：以2mm/min的加载速率均匀加载直至虚拟试件破坏，读取荷载峰值P，并按式(3.1)计算抗压强度；

式中：R_c——试件的抗压强度，MPa；

P——试件破坏时的最大荷载，N；

d——试件直径，mm；

抗压回弹模量试验：以2mm/min的加载速率分别在荷载为0.1P、0.2P、0.3P、0.4P、0.5P、0.6P、0.7P时对虚拟试件进行加载并以相同速度进行卸载回零，得到各级荷载的回弹变形ΔL_i，并按式(3.2)(3.3)计算抗压回弹模量；

式中：q_i——相应于各级试验荷载P_i作用下的压强,MPa；

P_i——施加于试件的各级荷载，N；

E——抗压回弹模量，MPa；

q₅——相应于第5级荷载(0.5P)时的荷载压强，MPa；

h——试件轴心高度，mm；

ΔL₅——相应于第5级荷载(0.5P)时经原点修正后的回弹变形(mm)；

d)所述的剪切疲劳试验模型的力学性能指标的计算步骤为：

根据所选集料级配，采用颗粒流离散元软件PFC3D，以集料为多边形的模式，随机生成3D虚拟贯入试验圆柱形试件几何模型，试件尺寸为 赋予伯格斯(Burgers)接触粘结模型，并通过实验确定模型在30℃时的材料参数，参见附表3。采用直径为42mm的模拟钢制贯入压头的墙体，以加载速率为1mm/min,在虚拟试件一端中心处进行加载，设试件破坏时的极限荷载为F，取加载力为0.2F；即以一次加载即达到0.2F的瞬时速度加载卸载，反复多次，直至所建模拟试件破坏,记录整个加载过程中的加载次数N。

2)基于混合料级配应用的温域范围，对多种沥青混合料级配的力学性能评价结果进行比较，得到力学性能最优的混合料级配。

由于沥青混合料单轴贯入试验主要用于评价沥青混合料的高温稳定性能。沥青混合料低温下的劈裂试验主要用于评价沥青混合料低温抗裂性能。沥青混合料单轴压缩试验主要用于评价沥青混合料低温抗裂性能。沥青混合料剪切疲劳试验主要用于评价沥青混合料的剪切疲劳寿命。单个的试验指标在评价沥青混合料级配的合理性上均比较片面，而且不同温域范围对每个试验指标的要求也不同，因此，我们引入无量纲参数沥青混合料级配优化系数HK来表征不同温域下沥青混合料级配的合理性。沥青混合料级配优化系数HK通过对多种级配的模拟结果进行有效合理地综合考量，进而更加快捷地得到符合目标力学性能的级配。无量纲参数沥青混合料级配优化系数HK的详细表达式如下：

HK＝ax₁+bx₂+cx₃+dx₄。

其中，x₁表示x₂表示x₃表示x₄表示

——所选不同级配的抗剪强度的算数平均值，即n为所选级配的个数，MPa；

——所选不同级配的劈裂抗拉强度的算数平均值，即n为所选级配的个数，MPa；

——所选不同级配的抗压回弹模量的算数平均值，即n为所选级配的个数，MPa；

——所选不同级配的加载次数的算数平均值,即n为所选级配的个数。

参数a,b,c,d的选取如下表:

应用温域范围	a	b	c	d
					<0℃	0.1	0.6	0.1	0.2
0℃～30℃	0.2	0.2	0.2	0.4
					>30℃	0.3	0.1	0.3	0.3

沥青混合料级配优化系数HK越大，说明在此温域下该级配越适合；反之，则说明该级配越不适合。

本发明的有益效果是：计算沥青混合料级配中各档集料用量，在三维离散元软件PFC3D中随机生成符合目标级配的沥青混合料力学试验三维离散元模型，然后根据沥青混合料力学试验数值模拟结果进行级配优化，具有很强的可操作性、便捷性和代表性。

附图说明

图1是本发明中PFC3D模拟沥青混合料单轴贯入试验三维离散元模型；

图2是本发明中PFC3D模拟沥青混合料低温劈裂试验三维离散元模型；

图3是本发明中PFC3D模拟沥青混合料单轴压缩试验三维离散元模型；

图4是本发明中PFC3D模拟沥青混合料剪切疲劳试验三维离散元模型。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子对本发明做进一步的详细描述。

实施例子：

本发明提供一种基于颗粒流离散元软件PFC3D来模拟虚拟状态下的沥青混合料级配优化方法，结合附图，具体实施步骤如下：

(1)在三维离散元软件PFC3D中随机生成符合目标级配的沥青混合料力学试验三维离散元模型。

1.沥青混合料单轴贯入试验

如图1所示，通过该试验测定沥青混合料抗剪强度，评价沥青混合料的高温稳定性能。具体步骤为：

①根据所选集料级配，采用颗粒流离散元软件PFC3D，以集料为多边形的模式，随机生成3D虚拟贯入试验圆柱形试件几何模型，试件尺寸为 赋予伯格斯(Burgers)接触粘结模型，并通过实验确定模型在60℃时材料参数，参见附表1。

②采用直径为42mm的模拟钢压头的墙体，以加载速率为1mm/min,在虚拟试件一端中心处进行加载，记录加载过程中贯入墙体上的力-竖向位移全曲线，并根据下式计算贯入强度和抗剪强度。

R_τ＝f.σ_p (4.2)

式中：R_τ——抗剪强度(MPa)；

σ_p——贯入强度(MPa)；

F——试件破坏时的极限荷载(N)；

A——压头横截面面积(mm²)；

f——剪应力系数，对直径150mm的试件,f＝0.35。

2.沥青混合料低温下的劈裂试验

如图2所示，通过该试验计算沥青混合料劈裂抗拉强度，评价沥青混合料低温抗裂性能。具体步骤为：

①根据所选集料级配，采用颗粒流离散元软件PFC3D，以集料为多边形的模式，随机生成3D虚拟贯入试验圆柱形试件几何模型，试件尺寸为标准马歇尔试件尺寸，即赋予粘聚带(Cohesive Zone)接触粘结模型,并通过实验确定模型在-10℃时的材料参数，参见附表2。采用宽度为12.7mm的模拟压条的墙体。

②利用墙体对试件侧面一端进行1mm/min的速率加载劈裂直至破坏。记录加载过程中的荷载—变形全曲线，并按式(2.1)计算劈裂抗拉强度。

R_T＝0.006287P_T/h (2.1)式中:R_T——劈裂抗拉强度，MPa；

P_T——试验荷载的最大值，N；

h——试件高度，mm。

3.沥青混合料单轴压缩试验

如图3所示，通过该试验计算沥青混合料的抗压强度和回弹模量，评价沥青混合料低温抗裂性能。具体步骤为：

①根据所选集料级配，采用颗粒流离散元软件PFC3D，以集料为多边形的模式，随机生成3D虚拟贯入试验圆柱形试件几何模型，试件尺寸为 赋予伯格斯(Burgers)接触粘结模型，并通过实验确定模型在30℃时的材料参数，参见附表3。

②分别在试件顶端和底端生成墙体，使用上墙体对试件施加荷载，下墙体固定。

抗压强度试验：分别在温度为20℃和40℃时以2mm/min的加载速率均匀加载直至虚拟试件破坏，读取荷载峰值P，并按式(3.1)计算抗压强度。

式中：R_C——试件的抗压强度，MPa；

P——试件破坏时的最大荷载，N；

d——试件直径，mm。

抗压回弹模量试验：分别在20℃和40℃时，以2mm/min的加载速率分别在荷载为0.1P、0.2P、0.3P、0.4P、0.5P、0.6P、0.7P时对虚拟试件进行加载并以相同速度进行卸载回零，得到各级荷载的回弹变形ΔL_i，并按式(3.2)

(3.3)计算抗压回弹模量。

式中：q_i——相应于各级试验荷载P_i作用下的压强,MPa；

P_i——施加于试件的各级荷载，N；

E——抗压回弹模量，MPa；

q₅——相应于第5级荷载(0.5P)时的荷载压强，MPa；

h——试件轴心高度，mm；

ΔL₅——相应于第5级荷载(0.5P)时经原点修正后的回弹变形(mm)。

4.沥青混合料剪切疲劳试验

如图4所示，通过该试验测定沥青混合料在剪应力作用下的作用次数N，评价沥青混合料的剪切疲劳寿命。具体步骤为：

①根据所选集料级配，采用颗粒流离散元软件PFC3D，以集料为多边形的模式，随机生成3D虚拟贯入试验圆柱形试件几何模型，试件尺寸为 赋予伯格斯(Burgers)接触粘结模型，并通过实验确定模型在30℃时材料参数，参见附表3。

②采用直径为42mm的模拟钢制贯入压头的墙体，以加载速率为1mm/min,在虚拟试件一端中心处进行加载，设试件破坏时的极限荷载为F，取加载力为0.2F；即以一次加载即达到0.2F的瞬时速度加载卸载，反复多次，直至所建模拟试件破坏,记录整个加载过程中的加载次数N。

(2)基于混合料级配应用的温域范围，对多种沥青混合料级配的力学性能评价结果进行比较，得到力学性能最优的混合料级配。

利用沥青混合料级配优化系数HK来表征不同温度下沥青混合料级配的合理性。将上述计算得到的各力学性能指标(即R_τ,R_T,E,N)带入下式：

HK＝ax₁+bx₂+cx₃+dx₄。

其中，x₁表示x₂表示x₃表示x₄表示

——所选不同级配的抗剪强度的算数平均值，即n为所选级配的个数，MPa；

——所选不同级配的劈裂抗拉强度的算数平均值，即n为所选级配的个数，MPa；

——所选不同级配的抗压回弹模量的算数平均值，即n为所选级配的个数，MPa；

——所选不同级配的加载次数的算数平均值,即n为所选级配的个数。

参数a,b,c,d的选取如下表:

沥青混合料级配优化系数HK越大，说明在此温域下该级配越适合；反之，则说明该级配越不适合。从而实现了不同级配的综合评价，进一步实现了沥青混合料的多级配的优化。

附表1 60℃沥青胶浆粘弹性参数

附表2沥青混合料劈裂试验材料参数

附表3 30℃沥青胶浆粘弹性参数

Claims (2)

1.一种虚拟状态下的沥青混合料级配优化方法，其特征在于包括如下步骤：

1)根据实际需要优化的级配，在三维离散元软件PFC3D中随机生成符合目标级配的沥青混合料力学试验三维离散元模型；所述的沥青混合料力学试验三维离散元模型包括单轴贯入试验模型、低温下的劈裂试验模型、单轴压缩试验模型和剪切疲劳试验模型,分别计算得到四个模型相应的力学性能指标；

其中，a)所述的单轴贯入试验模型的力学性能指标的计算步骤为：

根据所选集料级配，采用三维离散元软件PFC3D，以集料为多边形的模式，随机生成3D虚拟贯入试验圆柱形试件几何模型，试件尺寸为赋予伯格斯接触粘结模型，并通过实验确定模型在60℃时材料参数，采用直径为42mm的模拟钢压头的墙体，以加载速率为1mm/min,在虚拟试件一端中心处进行加载，记录加载过程中贯入墙体上的力-竖向位移全曲线，并根据下式计算贯入强度和抗剪强度，

${\mathrm{\σ}}_p=\frac{F}{A}---\left(4.1\right)$

R_τ＝f·σ_p (4.2)

式中：R_τ——抗剪强度(MPa)；

σ_p——贯入强度(MPa)；

F——试件破坏时的极限荷载(N)；

A——压头横截面面积(mm²)；

f——剪应力系数，对直径150mm的试件，f＝0.35；

b)所述的低温下的劈裂试验模型的力学性能指标的计算步骤为：

根据所选集料级配，采用三维离散元软件PFC3D，以集料为多边形的模式，随机生成3D虚拟贯入试验圆柱形试件几何模型，试件尺寸为标准马歇尔试件尺寸，即 赋予粘聚带接触粘结模型,并通过实验确定模型在-10℃时的材料参数，采用宽度为12.7mm的模拟压条的墙体，利用墙体对试件侧面一端进行1mm/min的速率加载劈裂直至破坏，记录加载过程中的荷载—变形全曲线，并按式(2.1)计算劈裂抗拉强度。

R_T＝0.006287P_T/h (2.1)

式中:R_T——劈裂抗拉强度(MPa)；

P_T——试验荷载的最大值(N)；

h——试件高度(mm)；

c)所述的单轴压缩试验模型的力学性能指标的计算步骤为：

根据所选集料级配，采用颗粒流离散元软件PFC3D，以集料为多边形的模式，随机生成3D虚拟贯入试验圆柱形试件几何模型，试件尺寸为赋予伯格斯接触粘结模型，并通过实验确定模型在30℃时的材料参数，分别在试件顶端和底端生成墙体，使用上墙体对试件施加荷载，下墙体固定；

抗压强度试验：以2mm/min的加载速率均匀加载直至虚拟试件破坏，读取荷载峰值P，并按式(3.1)计算抗压强度；

$R_c=\frac{4P}{{\mathrm{\πd}}^2}---\left(2.1\right)$

式中：R_c——试件的抗压强度，MPa；

P——试件破坏时的最大荷载，N；

d——试件直径，mm；

抗压回弹模量试验：以2mm/min的加载速率分别在荷载为0.1P、0.2P、0.3P、0.4P、0.5P、0.6P、0.7P时对虚拟试件进行加载并以相同速度进行卸载回零，得到各级荷载的回弹变形ΔL_i，并按式(3.2)(3.3)计算抗压回弹模量；

$q_i=\frac{4P_i}{{\mathrm{\πd}}^2}---\left(3.2\right)$

$E=\frac{q_5\×h}{{\mathrm{\ΔL}}_5}---\left(3.3\right)$

式中：q_i——相应于各级试验荷载P_i作用下的压强,MPa；

P_i——施加于试件的各级荷载，N；

E——抗压回弹模量，MPa；

q₅——相应于第5级荷载(0.5P)时的荷载压强，MPa；

h——试件轴心高度，mm；

ΔL₅——相应于第5级荷载(0.5P)时经原点修正后的回弹变形(mm)；

d)所述的剪切疲劳试验模型的力学性能指标的计算步骤为：

根据所选集料级配，采用颗粒流离散元软件PFC3D，以集料为多边形的模式，随机生成3D虚拟贯入试验圆柱形试件几何模型，试件尺寸为赋予伯格斯接触粘结模型，并通过实验确定模型在30℃时的材料参数，采用直径为42mm的模拟钢制贯入压头的墙体，以加载速率为1mm/min,在虚拟试件一端中心处进行加载，设试件破坏时的极限荷载为F，取加载力为0.2F；即以一次加载即达到0.2F的瞬时速度加载卸载，反复多次，直至所建模拟试件破坏,记录整个加载过程中的加载次数N；

2)对多种级配的力学性能评价结果进行比较，得到力学性能最优的级配。

2.根据权利要求1所述的虚拟状态下的沥青混合料级配优化方法，其特征在于所述的步骤2)具体为：引入无量纲参数沥青混合料级配优化系数HK来表征不同温域下沥青混合料级配的合理性，得到力学性能最优的级配；无量纲参数沥青混合料级配优化系数HK的详细表达式如下：

HK＝ax₁+bx₂+cx₃+dx₄

其中，x₁表示x₂表示x₃表示x₄表示

——所选不同级配的抗剪强度的算数平均值，即n为所选级配的个数，MPa；

——所选不同级配的劈裂抗拉强度的算数平均值，即n为所选级配的个数，MPa；

——所选不同级配的抗压回弹模量的算数平均值，即n为所选级配的个数，MPa；

——所选不同级配的加载次数的算数平均值,即n为所选级配的个数。