[发明专利]一种虚拟状态下的沥青混合料级配优化方法

说明书

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。

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