一种沥青路面就地热再生加热效果评价方法

摘要

本发明是一种基于离散元方法准确评价沥青路面就地热再生加热效果的方法，属于沥青路面热再生技术领域，解决沥青路面就地热再生加热效果评价不准确的问题。先路面取芯，明确路面结构组合和各层级配类型，采集各层集料分布数字图像，经处理后转化成CAD图像格式；再导入离散元软件，根据各结构层集料块体和沥青砂浆位置，分别生成不规则集料和沥青砂浆；根据就地热再生加热方式和温度场分布特点，设置边界条件、集料与沥青砂浆热物性参数、单元内接触热阻和层间接触参数，建立路面结构离散元模型；在模型表面施加一定温度恒定热流，记录路面结构各层在不同时刻温度变化情况，并结合温度场、热流分布云图分析路面结构温度场，评价就地热再生加热效果。

说明书

技术领域

本发明是一种基于离散元方法准确评价沥青路面就地热再生加热效果的方法，尤其是一种解决就地热再生沥青路面结构内部加热效果评价不准确的方法，属于沥青路面热再生技术领域。

背景技术

随着我国社会经济的发展，公路建设事业也在蓬勃发展，截至2014年底，高速公路的通车总里程已达11.2万公里，到“一二五”末，国家高速公路网将基本完成。但是，与此同时交通量也在不断增长，给沥青路面带来了车辙、裂缝、松散等早期损坏，这些损坏路面如不能得到及时的维护，将影响路面的使用性能。随着沥青路面的大规模建成，我国公路基础设施己由建设为主，转为建设、养护并重，公路的养护技术和养护管理获得了人们越来越多的关注。

沥青路面热再生是将需要翻修或废弃的沥青路面，通过铣刨、回收、粉碎、筛分、并添加适当新集料、新沥青，重新拌和，制备满足路用性能要求的再生沥青混合料，用于铺筑路面面层或基层的整套技术，它基本适用于各种沥青路面维修、养护。与发达国家相比，我国回收沥青路面材料无论从再生利用方式、还是实用技术的研究均处于起步阶段。目前沥青路面热再生主要包括就地热再生和厂拌热再生，其中沥青路面就地热再生技术具有环保、节约投资、有利于沥青路面层间联接等优点，是一种经济和社会效益良好热再生技术。

国外对沥青路面热再生技术研究及应用较早，并制定了一套适合本国的沥青路面热再生技术规范。虽然我国在热再生技术应用方面跟国外相差较大，但是我国在生产实践体系、理论体系和设计体系方面仍有所欠缺。从目前我国公路建设事业的发展情况和公路网规划来看，我国公路的养护维修事业是任重而道远。因此，深入研究沥青路面热再生有关技术日益显得迫切。

在沥青路面就地热再生的过程中，开始阶段的沥青路面加热效果是其中最为关键环节。由于沥青路面就地热再生过程中的加热、耙松、铣铇等施工工艺的连续性，目前沥青路面加热效果主要采用非接触式红外热成像仪和红外温枪进行测试，只能测试沥青路面表面上的温度，难以准确了解沥青路面结构内部温度变化情况，不能全面评价沥青路面就地热再生过程路面内部加热效果，对就地热再生后的沥青路面质量产生不利影响。况且，红外热成像仪靠温差成像，图像对比度低，分辨细节能力较差，价格昂贵，受施工现场风速、光照、环境温度等自然因素影响严重。因此，研发一种沥青路面就地热再生加热效果数值模拟方法对准确评价沥青路面加热效果、为改进就地热再生加热工艺具有重要意义，目前鲜有这方面的研究。

随着计算机技术的快速发展，有限元法和离散元法逐渐应用于沥青路面微观研究。但是，由于沥青路面材料组成中颗粒的大小、形状、性质各不相同，是一种典型的复合材料系统。有限元法是基于连续介质力学原理，所以模拟沥青路面这样复杂的非连续、离散性材料具有一定局限性，导致计算结果与实际偏差较大。离散元法可以较好的反映沥青路面的非连续介质体的实际情况，考虑了路面实际颗粒细观组成结构，研究颗粒接触处力学、热力学现象，并据此分析单个颗粒及整个路面性状具有明显优势。沥青路面颗粒系统的细观结构对温度场有明显影响，因此正确的解决颗粒系统的温度场问题需要考虑沥青路面细观结构组成。

研究者假设沥青路面结构层组成材料均质、连续，且各向同性，采用有限元法建立起沥青混合料的数值计算模型，对-10℃～60℃范围内的温度场进行模拟。还有研究在利用有限元法建立沥青路面温度场热分析模型时，选择热分析单元，并假设忽略接触热阻，对沥青路面非线性瞬态温度场进行数值研究模拟研究。还有学者通过CST和ANSYS对某公司162YHB001#路面养护车的路面加热设备建立了磁控管阵列的仿真模型，研究实际加热过程中的特性；也有研究者对沥青路面现场热再生微波加热深度进行研究，建立了微波辐射方向沥青混凝土的非稳态热传导模型，并对其求解，对不同频率下和不同介电属性的微波加热深度进行了分析，对不同频率微波加热沥青混凝土的热传导模型进行了数值模拟。

有学者依托卡罗泰康就地热再生机组，借助有限元软件ABAQUS对加热温度场进行了数值模拟。分析了加热方式、环境因素、加热机的操作参数及加热功率对沥青路面加热温度场的影响程度，提出了卡罗泰康就地热再生机组的理想加热方式；也有研究依托中联的加热机与复拌机机组，从理论上建立了沥青路面加热的温度计算模型，确定了沥青路面内部温度与加热时间的关系，并计算出了沥青路面内部各点的温度值与沥青路面总的吸热量。

然而，利用有限元方法来研究沥青路面温度场存在不足：①它不能改变集料的接触几何特性；②建模单元统一，无法模拟沥青混合料复杂的内部结构；③将沥青路面各层间视为连续，忽略接触热阻，不能真实反应沥青路面内部热流传导情况。

基于离散元的沥青路面研究方面，国外学者利用离散元法对沥青混合料的永久变形进行了研究，通过CT成像技术获得了沥青混合料的微观结构，并使用MATLAB编制算法来处理获得的图像。还有学者基于离散元法对沥青混合料的粘弹性模型做了更为深入的研究，详细的解释了沥青砂浆、粗细集料间的接触模型。国内也有研究从沥青混合料不连续特征角度研究其永久变形行为，采用离散元方法模拟沥青混合料虚拟车辙试验，并利用基于时温等效原理的计算方法以减少虚拟车辙试验的计算时间。可见，当前的离散元方法主要用于分析沥青混合料或其它散体材料的级配组成、微观结构变形、力学性能，并基于离散元方法模拟沥青混合料的疲劳、单轴压缩、车辙等试验，从而研究沥青混合料的各种路用性能，鲜有采用离散元方法分析加热后沥青混合料内部温度场的变化规律。目前离散元方法主要是通过时温等效原理间接考虑温度对沥青混合料各项性能影响，与实际情况存在较大偏差，很少采用直接施加热流的方法分析沥青混合料的性能。

综上所述，随着我国公路建设的高速发展，公路路面已进入大、中修期，越来越多的沥青路面需要采用就地热再生技术，其中加热效果是影响就地热再生质量的关键工艺，因此准确评价沥青路面就地热再生加热效果十分重要。但是，目前对于沥青路面就地热再生的加热效果评价方法主要采用有限元数值模拟和非接触式温度测试仪，难以准确评价沥青路面结构内部的温度场变化情况。本申请采用离散元方法分析沥青路面就地热再生过程中路面结构温度场变化规律，更准确评价沥青路面就地热再生加热效果，提高热再生沥青路面施工质量。

发明内容

(1)技术问题

本发明的目的是提供一种准确评价沥青路面就地热再生加热效果的新方法，该方法基于离散元理论且充分考虑了沥青路面细观结构的不连续性，能较好解决就地热再生过程中路面内部加热效果评价不准确的问题。

(2)技术方案

鉴于目前采用有限元方法和温度测量仪难以准确评价沥青路面就地热再生路面内部加热效果，本发明充分考虑了沥青路面细观结构的不连续性，采用离散元方法分析沥青路面就地热再生过程中路面结构温度场变化规律，更准确评价沥青路面就地热再生加热效果。本发明技术方案如下：首先，结合实体工程构在沥青路面面层取芯，明确路面结构组合形式和各层级配类型，分别获取路面结构各层内不规则集料的数码图像，经图像处理构建路面结构层数字试件，创建路面结构组合初始模型，如图1；然后，根据路面各结构层中集料块体的位置，将块体范围内离散的圆形单元整合成独立的块状模拟不规则集料，其余离散的圆形单元按粘弹性接触模型连接模拟沥青砂浆，建立沥青路面结构离散元模型；其次，设置适当的边界条件，考虑热传导的作用，将试件上表面视为边界热源，如图1，并假设热量传导仅在热管中传播；最后，分别设置沥青砂浆与集料的热物性参数，以及离散单元内的接触热阻，进行试件加热模拟，提取沥青路面各结构层不同位置各时刻的温度数据，分析沥青路面各结构层内部温度场变化情况，评价沥青路面就地热再生加热效果。

(3)有益效果

目前我国沥青路面己由建设为主，转为建设、养护并重阶段，沥青路面就地热再生技术日益受到重视。在沥青路面就地热再生的过程路面加热效果关键控制环节，为了提高沥青路面就地热再生施工质量，有必要对准确评价沥青路面就地热再生加热效果。本发明的分析方法基于离散元基础，可以更准确模拟沥青路面各结构层材料的非连续性，考虑路面组成集料的不规则性与随机性，弥补了有限元方法建模单元统一、模型建立过于简化的缺陷；况且，利用离散元软件对模型进行直接加热模拟，对模型内不规则集料与沥青砂浆的热物性参数分别进行赋值，体现模型单元离散化的优越性，解决了施工现场温度测量设备受环境影响大、只能测试沥青路面表面温度的问题，准确分析路面结构内部各处温度场情况。采用本发明的分析方法能够较为准确评价沥青路面就地热再生温度场，里了解加热效果，并由此优化更合理的沥青路面就地热再生加热方案。

附图说明

图1沥青路面结构离散元模型示意图

1-集料；2-沥青砂浆；3-边界热源；4-上面层；5-中面层；6-下面层

具体实施方式

本发明目的是提供一种准确评价沥青路面就地热再生加热效果的方法，具体实施步骤如下：

(1)结合实体工程在沥青路面全厚度范围内钻取芯样，明确路面结构组合形式和各层级配类型，分别获取路面结构各层内不规则集料的数码图像，并进行二值化处理，并转化成二维CAD图像格式的路面结构数字试件；

(2)将CAD图像经转换格式后再导入离散元软件，根据路面各结构层集料块体的位置，将集料块体范围内圆形单元整合在一起生成独立的块状单元模拟不规则集料；将其余圆形单元按粘弹性接触模型连接在一起模拟沥青砂浆部分，构建二维沥青路面结构初始模型，如图1；

(3)根据就地热再生过程沥青路面加热方式和温度场分布特点，将试件上表面设置为热传导的边界热源，如图1，假设热量仅在竖直方向传导，不计对流及热辐射影响，假设热量仅在热管中传导；

(4)分别设置路面结构各层不规则集料和沥青砂浆的热物性参数(导热系数和比热容)及主要计算参数(初始温度、单元数量和单元直径)，并设置离散单元内的接触热阻和路面层间接触参数，建立沥青路面结构离散元模型；

(5)在沥青路面结构离散元模型上表面施加一定温度的恒定热流，模拟在表面进行加热，加热一定时间后移除路面结构模型表面的热源，数值计算继续运行一段时间使热量充分在路面结构内传导；

(6)在整个加热模拟过程中，软件自动记录沥青路面结构层内各点在不同时刻的温度变化情况，提取计算数据，导入数据处理软件，绘制比较图，并结合离散元软件生成的各种温度场、热流云图，分析沥青混合料试件温度场变化规律，评价沥青路面就地热再生加热效果。