一种基于混合料细观结构特性的沥青和集料导热系数反演方法技术

本发明专利技术涉及沥青路面材料测试相关领域，尤其是一种测量沥青和集料导热系数的方法。该方法在已知工况条件、沥青混合料材料组成条件下，可得出该工况条件下沥青混合料中沥青和集料的导热系数。首先制作两种组分相同、沥青用量和级配不同的沥青混合料试件，同时根据测试精度的要求设定不同工况下的沥青‑集料导热系数矩阵Mp，然后由两种混合料的几何模型通过有限元方法计算不同工况下两种混合料的导热系数矩阵，最后对比混合料导热系数计算值与实测值的误差反演出沥青和集料在不同工况下的导热系数。

【技术实现步骤摘要】
一种基于混合料细观结构特性的沥青和集料导热系数反演方法
本专利技术涉及沥青路面材料测试相关领域，尤其是一种测量沥青和集料导热系数的方法。
技术介绍
沥青混合料是一种温度敏感性材料，材料的力学性能受环境温度影响较大。对沥青路面所处温度环境的准确预估是力学计算和理论分析的基础。导热系数是最基本的热物理参数，显著影响沥青路面的温度场分布，温度场决定了沥青材料的本构特征(粘弹属性)，从而影响沥青混合料高温稳定性(容易导致车辙病害)以及温度应力分布(容易导致裂缝病害)，此外，导热系数还可用于分析路面散热降温特性，为减轻热岛效应提供依据。为了准确预测沥青混合料的导热系数，首先需要获得沥青和集料的导热系数。由于沥青和集料均属于复杂混合物，难以利用理论法准确预测其导热系数，通常采用实测法。在实测时，将沥青混合料试件放置在加热板和制冷板之间，建立类似以两个平行匀温平板为界的无限大平板中存在的一维恒定热流，通过测定两板温差、试件厚度、垂直热流方向的导热面积和通过平板的热流量，即可得到该试件的导热系数。目前，利用实测法确定沥青和集料的导热系数存在如下问题：(1)受温度、湿度、材料自身性质等非人为因素以及测试方法的影响，同种类型的沥青和集料的导热系数范围值差异较大，无法确定其有效导热系数。例如，对于相同类型的沥青，通过实测法得到两种导热系数范围值，分别为0.3～1W/m·℃(严作人.层状路面体系的温度场分析.同济大学学报,1984:23-26)和0.1～0.3W/m·℃(邹玲.沥青混合料热物性参数研究.西安：长安大学，2011)；对于花岗岩集料，通过实测法得到两种导热系数范围值，分别为1.60～3.5W/m·℃(邹玲.沥青混合料热物性参数研究.西安：长安大学，2011)和2.85～3.05W/m·℃(贺玉龙，赵文，张光明.温度对花岗岩和砂岩导热系数影响的试验研究.中国测试，2013,39(1)：114-116)；(2)考虑基质道路石油沥青的软化点一般在40～60℃之间，因此，当测试温度接近或高于60℃时，很难通过实测法获得沥青在该温度下的导热系数；(3)在进行集料导热系数测试时，由于集料形状具有不规则性，需根据测试设备的要求，在保证切割面平整的前提下将其切割成规则形状，这增加了集料导热系数测试的难度；(4)为了保证测试精度，需要进行大量的试件测试工作，耗时耗力。
技术实现思路
本专利技术考虑沥青混合料的细观结构特性，提出一种沥青和集料导热系数反演方法。本专利技术要解决的技术问题在于：提供一种测量沥青和集料导热系数的方法，该方法在已知工况条件、沥青混合料材料组成条件下，可得出该工况条件下沥青混合料中沥青和集料的导热系数。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种测量沥青和集料导热系数的方法，其特征在于，具体步骤如下：第1步，制作两种各组分类型相同、沥青用量和级配不同的沥青混合料试件，分别记为mix1和mix2；第2步，先确定沥青在n种工况下分别的导热系数范围I1,...,Ip,...,In，和集料在n种工况下分别的导热系数范围J1,...,Jp,...,Jn，其中1≤p≤n表示任意第p种工况；再根据沥青和集料导热系数精度要求，确定沥青导热系数采样点个数为a+1，集料导热系数采样点个数为b+1；将沥青在任意第p种工况下的导热系数范围Ip进行a等分采样，得到第p种工况下沥青的导热系数分别为其中1≤q1≤a+1，同时将集料在任意第p种工况下的导热系数范围Jp进行b等分采样，得到第p种工况下集料的导热系数分别为其中1≤q2≤b+1，随后将第p种工况下的沥青各采样点和集料各采样点按下式组合为第p种工况下的沥青-集料导热系数矩阵其中表示第p种工况下沥青导热系数和集料导热系数的组合，p∈{1,2,…,n}，q1∈{1,2,…,a+1}，q2∈{1,2,…,b+1}；第3步，利用数字图像处理技术分别识别和提取两种沥青混合料中集料的边缘轮廓，进而得到集料的细观结构；将数字图像处理技术中的像素与实际尺寸进行换算，进而生成集料和沥青的几何模型；第4步，将第3步得出的几何模型导入有限元软件ANSYS14.5中，根据几何模型选择单元类型，设定材料属性并进行网格划分；网格划分时从沥青-集料导热系数矩阵中的每一行依次选取元素进行材料属性设定并网格划分，当选取第p种工况下沥青-集料导热系数矩阵Mp中第q1行第q2列元素时，将该元素对应的第p种工况下沥青的导热系数和第p种工况下集料的导热系数Ip,q2进行材料属性设定并网格划分，构建对应的有限元模型为依次将沥青-集料导热系数矩阵Mp中所有元素对应的有限元模型组合成对应的第p种工况下有限元模型矩阵第5步，根据第4步构建的第p种工况下有限元模型矩阵Fp，在有限元软件ANSYS14.5中进行数值模拟，通过有限元软件ANSYS14.5的后处理功能，提取有限元模型矩阵Fp中每个元素对应的模拟计算结果(单元热流密度值)，形成单元热流密度矩阵，从而得到第p种工况下有限元模型矩阵Fp对应的单元热流密度矩阵Op：其中，单元热流密度矩阵Op中的每一元素包括所有的单元热流密度，oi为单元热流密度矩阵中任意元素中第i个单元热流密度，单位为W/m2；G为单元数目；第6步，；设ΔT为沥青混合料试件上下表面的温度差值，单位为℃；d为试件的厚度，单位为m；将第5步中得到的第p种工况下单元热流密度矩阵Op中每一元素按计算得到第p种工况下沥青混合料的导热系数进而得到导热系数矩阵其中，表示第p种工况下沥青的导热系数和第p种工况下集料的导热系数对应的沥青混合料导热系数计算值；在确定一组采样点q1,q2的条件下，能计算出一个沥青混合料试件所有单元热流密度；第7步，分别测量两种沥青混合料在全部n种工况下导热系数的实测值，分别记为和第8步，分别计算两种沥青混合料在全部n种工况下导热系数计算值与实测值的相对误差和并将两者相加得到第p种工况下混合料导热系数相对误差矩阵第9步，寻找第p种工况下混合料导热系数相对误差矩阵中最小的元素，若混合料导热系数相对误差矩阵中第q1行、第q2列元素取得最小值，则第p种工况下的沥青-集料导热系数矩阵Mp中对应的为最优解，即第p种工况下沥青的导热系数为第p种工况下集料的导热系数为总流程如图1所示。上述的测量沥青和集料导热系数的方法，其特征在于，所述第2步中沥青在第p种工况下的导热系数范围Ip以及集料在第p种工况下的导热系数范围Jp按照如下步骤确定：第201步，确定材料等效温度；当沥青混合料试件的上表面温度与下表面温度的差值小于等于6℃时，以有限元模型结点温度的平均值作为材料等效温度；在有限元模型结点温度未知的情况下，将沥青混合料试件的上表面温度与下表面温度的平均值作为材料等效温度。此处，我们设定沥青混合料试件的上表面温度与下表面温度的差值小于等于6℃，因为小温差的条件下，才可以将有限元模型结点温度的平均值作为材料等效温度。对于本专利而言，设定某一等效温度对应的小温差条件，是为了使有限元模型结点温度的平均值能近似看作材料等效温度，若上下表面温度差值设定太大时，则无法确定材料等效温度。因此，上下表面温度差值小于等于6℃是本专利为了减小计算误差而特设的，无需考虑大于6℃的情况。第202步，查表确定沥青和集料在不同等效温度下导热系数的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种沥青和集料导热系数的测量方法，其特征在于，具体步骤如下：第1步，制作两种各组分类型相同、沥青用量和级配不同的沥青混合料试件，分别记为mix1和mix2；第2步，先确定沥青在n种工况下分别的导热系数范围I1，...，Ip，...，In，和集料在n种工况下分别的导热系数范围J1，...，Jp，...，Jn，其中p表示任意第p种工况，1≤p≤n；再根据沥青和集料导热系数精度要求，确定沥青导热系数采样点个数为a+1，集料导热系数采样点个数为b+1；将沥青在任意第p种工况下的导热系数范围Jp进行a等分采样，得到第p种工况下沥青的导热系数分别为其中1≤q1≤s+1，同时将集料在任意第p种工况下的导热系数范围Jp进行b等分采样，得到第p种工况下集料的导热系数分别为其中1≤q2≤b+1，随后将第p种工况下的沥青各采样点和集料各采样点按下式组合为第p种工况下的沥青‑集料导热系数矩阵Mp=Ip,1Jp,1Ip,1Jp,2...Ip,1Jp,b+1Ip,2Jp,1Ip,2Jp,2...Ip,2Jp,b+1......Ip,q1Jp,q2...Ip,a+1Jp,1Ip,a+1Jp,2...Ip,a+1Jp,b+1,]]>其中表示第p种工况下沥青导热系数和集料导热系数的组合，p∈{1，2，...，n}，q1∈{1，2，...，a+1}，q2∈{1，2，...，b+1}；第3步，利用数字图像处理技术分别识别和提取两种沥青混合料中集料的边缘轮廓，进而得到集料的细观结构；将数字图像处理技术中的像素与实际尺寸进行换算，进而生成集料和沥青的几何模型；第4步，将第3步得出的几何模型导入有限元软件中，根据几何模型选择单元类型，设定材料属性并进行网格划分；网格划分时从沥青‑集料导热系数矩阵Mp=Ip,1Jp,1Ip,1Jp,2...Ip,1Jp,b+1Ip,2Jp,1Ip,2Jp,2...Ip,2Jp,b+1......Ip,q1Jp,q2...Ip,a+1Jp,1Ip,a+1Jp,2...Ip,a+1Jp,b+1]]>中的每一行依次选取元素进行材料属性设定并网格划分，当选取第p种工况下沥青‑集料导热系数矩阵Mp中第q1行第q2列元素时，将该元素对应的第p种工况下沥青的导热系数和第p种工况下集料的导热系数进行材料属性设定并网格划分，构建对应的有限元模型为依次将沥青‑集料导热系数矩阵Mp中所有元素对应的有限元模型组合成对应的第p种工况下有限元模型矩阵Fp=Fp,1,1Fp,1,2...Fp,1,(b+1)Fp,2,1Fp,2,2...Fp,2,(b+1)......Fp,q1,q2...Fp,(a+1),1Fp,(a+1),2...Fp,(a+1),(b+1);]]>第5步，根据第4步构建的第p种工况下有限元模型矩阵Fp，在有限元软件中进行数值模拟，通过软件的后处理功能得到第p种工况下有限元模型矩阵Fp对应的单元热流密度矩阵Op：Op=Op,1,1Op,1,2...Op,1,(b+1)Op,2,1Op,2,2...Op,2,(b+1)......Op,q1,q2...Op,(a+1),1Op,(a+1),2...Op,(a+1),(b+1)]]>其中，单元热流密度矩阵Op中的每一元素表示第p种工况下沥青的导热系数和第p种工况下集料的导热系数下所有的单元热流密度，oi为单元热流密度矩阵中任意元素中第i个单元热流密度，单位为W/m2；G为单元数目；第6步，设ΔT为沥青混合料试件上下表面的温度差值，单位为℃；d为试件的厚度，单位为m；将第5步中得到的第p种工况下单元热流密度矩阵Op中每一元素按计算得到第p种工况下沥青混合料的导热系数进而得到导热系数矩阵kp=kp,1,1kp,1,2...kp,1,(b+1)kp,2,1kp,2,2...kp,2,(b+1)......kp,q1,q2...kp,(a+1),1kp,(a+1),2...kp,(a+1),(b+1)]]>其中，表示第p种工况下沥青的导热系数和第p种工况下集料的导热系数对应的沥青混合料导热系数计算值；第7步，分别测量两种沥青混合料在全部n种工况下导热系数的实测值，分别记为和第8步，分别计算两种沥青混合料分别在全部n种工况下的导热系数计算值与实测值的相对误差Rpmix1=|kp,1,1mix1-k~pmix1|k~pmix1×100%|kp,1,2mix1-k~pmix1|k~pmix1×100%...|kp,1,b+1mix1-k~pmix1|k~pmix1×100%|kp,2,1mix1-k~pmix1|k~pmix1×100%|kp,2,2mix1-k~pmix1|k~pmix1×100%...|kp,2,b+1mix1-k~pmix1|k~pmi...

【技术特征摘要】
1.一种沥青和集料导热系数的测量方法，其特征在于，具体步骤如下：第1步，制作两种各组分类型相同、沥青用量和级配不同的沥青混合料试件，分别记为mix1和mix2；第2步，先确定沥青在n种工况下分别的导热系数范围I1,...,Ip,...,In，和集料在n种工况下分别的导热系数范围J1,...,Jp,...,Jn，其中p表示任意第p种工况,1≤p≤n；再根据沥青和集料导热系数精度要求，确定沥青导热系数采样点个数为a+1，集料导热系数采样点个数为b+1；将沥青在任意第p种工况下的导热系数范围Ip进行a等分采样，得到第p种工况下沥青的导热系数分别为其中1≤q1≤a+1，同时将集料在任意第p种工况下的导热系数范围Jp进行b等分采样，得到第p种工况下集料的导热系数分别为其中1≤q2≤b+1，随后将第p种工况下的沥青各采样点和集料各采样点按下式组合为第p种工况下的沥青-集料导热系数矩阵其中表示第p种工况下沥青导热系数和集料导热系数的组合，p∈{1,2,...,n}，q1∈{1,2,…,a+1}，q2∈{1,2,…,b+1}；第3步，利用数字图像处理技术分别识别和提取两种沥青混合料中集料的边缘轮廓，进而得到集料的细观结构；将数字图像处理技术中的像素与实际尺寸进行换算，进而生成集料和沥青的几何模型；第4步，将第3步得出的几何模型导入有限元软件中，根据几何模型选择单元类型，设定材料属性并进行网格划分；网格划分时从沥青-集料导热系数矩阵中的每一行依次选取元素进行网格划分，当选取第p种工况下沥青-集料导热系数矩阵Mp中第q1行第q2列元素时，将该元素对应的第p种工况下沥青的导热系数和第p种工况下集料的导热系数进行网格划分，构建对应的有限元模型为依次将沥青-集料导热系数矩阵Mp中所有元素对应的有限元模型组合成对应的第p种工况下有限元模型矩阵第5步，根据第4步构建的第p种工况下有限元模型矩阵Fp，在有限元软件中进行数值模拟，通过软件的后处理功能得到第p种工况下有限元模型矩阵Fp对应的单元热流密度矩阵Op：

【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，任仲山，张立安，于斌，张晗，单睿，朱凯轩，谌偲翔，彭攀，林雄，史超，戴鹏，王握，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32