超大粒径沥青混合料力学性能数值试验方法

摘要

本发明公开了一种超大粒径沥青混合料力学性能数值试验方法，包括以下步骤：(1)测试超大粒径沥青混合料的空隙率、毛体积密度、超大粒径沥青混合料的级配与各档超大粒径沥青混合料的密度；并计算数值试验中模型参数法向刚度k

说明书

技术领域

本发明涉及沥青性能测试技术领域，特别是涉及一种超大粒径沥青混合料力学性能数值试验方法。

背景技术

国内半刚性基层沥青路面在易产生收缩裂缝，在车辆荷载长期作用下会发生疲劳开裂，难以实现路面的长寿命。为解决半刚性基层开裂影响路面寿命得问题，美国采用采用全厚式沥青路面结构，日本采用粗级配改性沥青混合料基层。然而，这些措施虽然解决了半刚性基层开裂得问题，但是其工程造价高，难以得到大范围得推广。国内外研究者认为调整级配、采用更大公称最大粒径的集料来提高骨架的嵌挤力，可显著提高路面抵抗永久变形的能力，还可减少早期病害。另外，采用更大粒径的集料尺寸优化级配，成型后的沥青路面本身就具有较高的强度，与优选沥青、矿粉的混合料相比，强度不会因胶结料的衰变而降低。

欧美、日本和南非等国家开始了对公称最大粒径在25mm～63mm间的大粒径沥青混合料(Large Stone Asphalt Mixs，简称LSAM)的研究，工程成本低于传统沥青混合料，可解决半刚性沥青路面存在的反射裂缝问题，从而延长道路的使用寿命。因此，超大粒径沥青混合料可能是解决半刚性基层开裂并降低造价的重要方向。

现有的大粒径沥青混合料技术包括成型方法、性能评价方法、级配设计方法、施工技术等主要针对集料公称最大粒径≤37.5mm以下沥青混合料提出，而是对于最大粒径大于37.5mm沥青混合料则缺乏相关研究。因此需要对超大粒径LSAM-50沥青混合料的级配、成型方法和性能评价展开深入研究。但超大粒径LSAM-50沥青混合料集料粒径大，试件尺寸较大，在实验室成型试件并进行单轴压缩试验和劈裂试验工作量大，存在因试验工作量大而难以开展相关试验的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种超大粒径沥青混合料力学性能数值试验方法，以解决上述现有技术存在的问题，减少对超大粒径LSAM-50沥青混合料进行性能数值试验的试验工作量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种超大粒径沥青混合料力学性能数值试验方法，包括以下步骤：

(1)测试超大粒径沥青混合料的空隙率、毛体积密度、超大粒径沥青混合料的级配与各档超大粒径沥青混合料的密度；并根据公式(1)-(5)计算数值试验中模型参数法向刚度k

K

E＝2×G×(1+v) (3)

其中，A代表超大粒径沥青混合料颗粒的截面面积，单位为mm

(2)构建物理模型：在建模仿真软件中建立试件的模型和用于对所述试件进行试验的设备的模型；

(3)沥青混合料颗粒的模拟：使得所述试件的模型的材料为所述超大粒径沥青混合料，使得所述试件的模型所采用的超大粒径沥青混合料的各个参数与步骤(1)中测得的所述超大粒径沥青混合料各个参数一致；

(4)在所述建模仿真软件中构建力学模型：

1)确定接触本构模型：使得所述试件的模型所采用的超大粒径沥青混合料中粗集料与沥青砂浆之间的相互接触为线性接触刚度模型；所述沥青砂浆内部颗粒的相互接触为平行黏结模型；

2)力学参数的输入：利用建模仿真软件命令赋予试件的模型和设备的模型力学参数，包括泊松比ν、切向模量G、摩擦系数μ、法向刚度k

(5)利用所述建模仿真软件对试验过程进行仿真，并利用所述建模仿真软件记录试验过程中所需要记录的参数。

优选的，在步骤(3)中，通过编写代码控制所述试件的模型中超大粒径沥青混合料的粒径的分布与不同档超大粒径沥青混合料的分计筛余通过率，从而使所述试件的模型所采用的超大粒径沥青混合料的级配与需要试验的所述超大粒径沥青混合料的级配保持一致。

优选的，所述试件的模型所采用的超大粒径沥青混合料的级配在所述建模仿真软件中通过不同规格的超大粒径沥青混合料的质量比转变为刚性圆盘的面积比实现，每一个规格的超大粒径沥青混合料对应一个所述刚性圆盘，所述质量比与所述面积比的转化公式为：

m

式中：m

优选的，所述建模仿真软件为PFC2D软件。

优选的，在模拟单轴压缩试验过程时：在步骤(2)中，利用PFC2D软件中“wall”命令生成高为h、宽为D封闭的矩形墙体作为试件的模型；利用软件PFC2D中“wall”命令生成宽度大于所述试件的模型的墙体并与试件的模型发底面重合的矩形墙体作为底座；利用PFC2D软件中“wall”命令在试模上方生成宽度大于所述试件的模型的宽度的封闭矩形墙体作为单轴压缩试验中的压头。

优选的，在模拟单轴压缩试验过程时：在步骤(5)中，删除矩形试模墙体模拟脱模，将压头以速率v1向下试件移动；采用History命令从压头接触到试件时监测接触面的作用力，每隔50时步记录一次。

优选的，在模拟劈裂试验时：在步骤(2)中，利用PFC2D软件中的“wall”命令生成直径为L的封闭球形墙体作为试件；首先在AutoCAD中画出与实际劈裂条形状一致的二维图形，将所述二维图形设置在试件上、下方，以DXF格式导出；然后采用PFC2D软件中的“geometry import”命令将AutoCAD导出的图形导入PFC软件中，此时劈裂条的几何形状已在软件中生成；最后采用“wall import geometry”命令以导入的几何图形为边界生成墙体，完成劈裂条的生成。

优选的，在模拟劈裂试验时：在步骤(5)中，删除球形试模墙体模拟脱模，将上劈裂条以v2的速度向下移动，当上劈裂条与数值试件接触后，记录劈裂条与LSAM-50数值试件的接触力与位移，每隔50个计算时步记录劈裂条与LSAM-50数值试件的接触力与位移。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的超大粒径沥青混合料力学性能数值试验方法能够有效减少对超大粒径LSAM-50沥青混合料进行性能数值试验的试验工作量。本发明通过离散元软件模拟超大粒径LSAM-50混合料的室内试验，通过离散单元法构建数值试件模型，根据原材料的物理参数标定相应的模型参数，验证数值试验的可靠性，减少室内试验量，避免试件过大导致的试验进度与安全问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为超大粒径沥青混合料单轴压缩数值试验的模型的示意图

图2为超大粒径沥青混合料劈裂数值试验模型的示意图；

图3为模拟试模内粗集料颗粒生成图；

图4为单轴压缩数值试验的示意图；

图5为劈裂数值试验示意图；

图6为超大粒径LSAM-50沥青混合料抗压强度应力应变曲线；

图7为超大粒径LSAM-50沥青混合料劈裂强度应力应变曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种超大粒径沥青混合料力学性能数值试验方法，以解决上述现有技术存在的问题，减少对超大粒径LSAM-50沥青混合料进行性能数值试验的试验工作量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图6所示：本实施例提供了一种超大粒径沥青混合料力学性能数值试验方法，包括以下步骤：

(1)测试超大粒径沥青混合料的空隙率、毛体积密度、超大粒径沥青混合料的级配与各档超大粒径沥青混合料的密度；并根据公式(1)-(5)计算数值试验中模型参数法向刚度k

K

E＝2×G×(1+v) (3)

其中，A代表超大粒径沥青混合料颗粒的截面面积，单位为mm

在本实施例中超大粒径沥青混合料选用镇海重交通70#道路石油沥青，粗、细集料均为石灰岩，材料技术性质如表1和表2所示，LSAM-50混合料矿料级配如表3所示，体积参数与性能如表4所示。

表1道路石油沥青技术性质

表2集料技术性质

表3LSAM-50混合料矿料级配

表4LSAM-50混合料体积参数与性能

计算法向强度kn：k

计算切向刚度k

集料刚度比k

(2)物理模型的构建：

单轴压缩试模的模拟：软件中生成高为160mm、宽为200mm封闭的矩形墙体模拟试模。

单轴压缩试验底座的模拟：生成宽度大于试模的墙体并与试模底面重合的矩形墙体模拟试验底座。

单轴压缩试验贯入压头的模拟：在试模上方生成宽度略大于试模的封闭矩形墙体模拟单轴压缩试验中的压头，见图1。

劈裂试验试模的模拟：软件中生成直径为200mm的封闭球形墙体模拟试模。

劈裂试验劈裂条的模拟：首先在AutoCAD中画出与实际劈裂条形状一致的二维图形，将图形位置设置在试件上、下方，以DXF格式导出；然后采用“geometry import”命令将AutoCAD导出的图形导入PFC软件中，此时劈裂条的几何形状已在软件中生成；最后采用“wall import geometry”命令以导入的几何图形为边界生成墙体，完成劈裂条的生成，见图2。

(3)沥青混合料颗粒的模拟：通过编写代码控制粒径的分布与不同档集料的分计筛余通过率，从而与室内试验的级配保持一致，则集料颗粒的生成过程如下：

计算37.5～53mm集料的二维映射面积：

(4)在所述建模仿真软件中构建力学模型：

1)确定接触本构模型，如表5所示：

表5沥青混合料数值模型内部接触模型

2)力学参数的输入

利用软件中“prop”命令将表4中的力学参数以及计算的法向强度k

(5)单轴压缩试验过程模拟

删除矩形试模墙体模拟脱模，将压头以速率2mm/min向下试件移动；LSAM-50沥青混合料单轴压缩数值试验如图2所示，采用History命令从压头接触到试件时监测接触面的作用力。

(6)劈裂数值试验模拟

删除球形试模墙体模拟脱模，将上劈裂条以50mm/min的速度向下移动，当上劈裂条与数值试件接触后，记录劈裂条与LSAM-50数值试件的接触力与位移。劈裂条的宽度为25.4mm，弧面半径为100mm。

(7)LSAM-50混合料数值模型可靠性检验

用模型参数进行单轴压缩数值试验和劈裂数值试验，LSAM-50混合料模拟值与实测值见表10，由表10可知，LSAM-50混合料劈裂强度的模拟值与试验值的误差均在3％以内，抗压强度的模拟值与试验值的误差均在5％以内。

图6和图7是LSAM-50混合料数值模拟结果和室内试验结果的对比，可以看出，两者基本吻合；同时，整个模拟过程全部由计算机执行，避免了室内试验中制备试样、操作仪器的繁琐过程，提高了试验效率，节约了研究成本。证明本发明可以准确、快捷地预测级LSAM-50混合料劈裂轻度和单轴抗压强度规律。

表6LSAM-50的模拟值与误差

由表6可知，LSAM-50混合料劈裂强度的模拟值与试验值的误差均在3％以内，抗压强度的模拟值与试验值的误差均在5％以内，抗压强度与劈裂强度模拟值对应的应力应变曲线与实测应力应变曲线基本吻合，从而证明了LSAM-50混合料数值试验方法的可靠性。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。