[发明专利]一种虚拟状态下的沥青混合料级配优化方法

摘要

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。

主权项

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，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；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；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。