浅析沥青混合料压实的数值模拟.docx

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浅析沥青混合料压实的数值模拟

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安徽省城乡规划设计研究院安徽省合肥市230022

摘要:沥青混合料的压实关系沥青路面的使用寿命。因此,在级配和混合料中沥青的含量已知的情况下,本文通过数值模拟技术测量沥青混合料试件横断面内部颗粒间的距离来预估其压实度。用混合料的级配、空隙率、油石比模拟出沥青混合料试件的二维断面。应用三角划分法来研究沥青混合料压实过程中颗粒的距离和面积分布的变化,并且数值模拟的统计参数的分布与室内试件呈现相似的趋势。

关键词:数值模拟,沥青混合料,颗粒间距,图像分析

1.前言

在我国越来越多的道路面层结构采用沥青混合料。沥青混合料是由骨料与沥青胶结料及空隙率组成。各种材料及组成部分具有不同的物理和力学特性,对沥青混合料的性能有重大影响。

压实是通过压力和搓揉来减少混合料内部空气的同时将骨料粘结在一起。沥青混合料的内部结构对其力学特性和铺筑的道路抵抗道路损害的能力起重要作用。压实在道路施工中至为重要,一般是通过空隙率或密度的百分比来定义。

对颗粒间的距离的研究可以测定不同方向处的压实状况,通过对不同的压实技术进行比较,甚至可能测出沥青混合料内部的非均质部分。

本文依据试件的颗粒间距离,采用数值模拟技术来研究压实对沥青混合料内部结构的影响。

2.数值模拟沥青混合料的优点

在数值模拟的过程中将沥青混合料的级配输入计算机,计算机将集料颗粒组装成压缩模式,并用数学描述法表述颗粒形状和表面纹理,从而有利于研究它们对沥青混合料性能的影响。

数值模拟可以通过编程找出最佳的级配,并且与传统的实验室试验相比数值模拟的成本低耗力少。此外,数值模拟技术获得的性能的变异性要低很多,抗干扰性更好且通过多次模拟更能减小变异系数。

3.数值模拟沥青混合料的压实

用计算机程序设计语言编写三维压缩程序,通过沥青混合料的配合比信息模拟沥青混合料的内部结构。将骨料随机的放置在被分析的区域,从最大的骨料开始,直到粒径小于2.36mm的小粒径骨料,沥青胶结料和空隙率被认为是基质。随机的改变颗粒尺寸以使得两种筛分粒径的颗粒面积和用该筛孔所得的重量一致,从而模拟出与所获得的沥青混凝土的横截面上相似的连续的尺寸范围。

图1沥青混合料断面的数值模拟图

图2室内试件代表性切片图

在模拟的过程中用空隙率来控制压实度,空隙率的增加增大了基质的相对面积并且使骨料颗粒更加远离,4%的空隙率导致模拟所得面积增加了4%,由于宽度保持不变,故而高度增加了4%。在每次模拟中骨料的面积保持不变,即每次模拟采用符合级配要求但随机的尺寸,骨料颗粒的数量在改变但每种筛分粒径的总面积保持不变。

4.颗粒间的距离

在模拟的沥青混合料试件的二维横断面中,颗粒在X-Y坐标中的位置定义为颗粒的图心。在三角划分中这些三角形的边缘为颗粒图心间的连线(D1)。D2为位于基质中的长度,变化更为敏感。A1为被三角形封闭的那部分的面积,在三角形内部A2为位于基质上的区域,A2对压实比较敏感。

用上面的统计参数来量化压实过程中沥青混合料内部结构的变化,分别计算出不同孔隙率、不同级配模拟试件的统计参数D1,D2,A1,A2及其比率。

图3统计参数

图4沥青混合料的骨料颗粒图心连线

5结论

由于在模拟过程中骨料是随机放置的,因此我们观察到的是一系列的分布。随着试件的压实,面积和长度的分布逐渐变窄,趋于较短的距离或面积。对压实而言,参数A2,D2分别比A1,D1更为敏感。

D1和D2具有广泛的分布,在半对数图中近似高斯形分布。

由于空隙率降低,D2的分布移向较短的距离。这种变化在D2中比在D1中更明显。同样地,A1和A2的分布也表现出相似的趋势。当压实混合料时,分布趋向于较小的面积。

可以获得这些参数分布的算数均值与空隙率的点构成的线性方程的系数(斜率和截距)。从混合料试件的二维横截面模拟图中可以计算出斜率和截距,从而估算出空隙率和压实度。

根据距离和面积的分布的变化测出由空隙率引起的显著差异。结果显示,不管选取哪个参数,其值的分布都相当广泛。

均值或距离参数与空隙率(压实度)呈线性关系。这些曲线的相关系数R2都比较高(大于0.97)。基于R2的值,测定压实度的最佳参数是算法或颗粒距离的几何平均数。

将模拟结果和实验室压实试件所得结果做比较,实验室试件(基于图像分析)的颗粒距离分布的统计参数显示出与数值模拟所得结果相类似的趋势。

不断地努力用数值模拟来量化由压实导致混合料的内部结构的变化。通过测定近邻颗粒图心间距离的均值,当已知混合料配合比时,通过数值模拟生成的校正曲线来预估压实度,而在试件中用空隙率代表压实度。数值模拟技术是将颗粒近似为球体,在体积上等于骨料、沥青、空隙的总体积。模拟结果与实验室试件的图像分析的结果做比较,二者的结果非常一致。因此用数值模拟技术对我们更进一步了解沥青混合料的内部结

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