一种基于细观模拟的沥青混合料虚拟性能试验预估方法技术

本发明专利技术公开了一种基于细观模拟的沥青混合料虚拟性能试验预估方法，步骤为：沥青混合料初始配合比设计；材料基本参数获取；沥青胶浆DSR试验；沥青砂浆虚拟蠕变试验；虚拟系统内参数转换；选择需要预估的多项室内试验；构建多种三维虚拟试件；选择材料的力学本构模型；选择虚拟试验加载条件；构建试验结果实时监测系统；各项试验最终结果预估值输出；各项指标与规范对比判断是否满足要求；若不满足要求则输出建议重选配合比；若满足要求则输出较优配合比。本发明专利技术实现了试验结果附加曲线的实时监测，得到的输出结果，对比预估混合料的多项性能指标是否满足规范要求，减少不必要的对比性室内试验，为实现沥青混合料配合比优化设计提供试验基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及沥青混合料离散元仿真技术，尤其涉及基于细观模拟的沥青混合料虚拟性能试验预估方法，属于道路工程

技术介绍
传统的沥青混合料性能预估需要进行多项室内试验，包括：弯曲试验、劈裂试验、疲劳试验、车辙试验等，这些室内试验不仅耗时而且由于试验成型、切割、搬运方式等客观条件影响，试验结果并不理想，特别是在验证性检验沥青混合料配合比设计是否符合规范要求时，若不满足要求则需要重新设计再次重复上述室内试验。因此，有必要采取措施对沥青混合料对比性性能验证试验的繁琐重复性工作进行简化。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一个在已知级配、油石比以及空隙率等基本材料参数条件下的沥青混合料虚拟性能试验预估方法，能够实现各类宏观室内试验的等效虚拟性能试验，得到各种性能试验结果预估值，对比预估混合料的多项性能指标是否满足规范要求，减少不必要的对比性室内试验，为实现沥青混合料配合比优化设计提供试验基础。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：基于细观模拟的沥青混合料虚拟性能试验预估方法，包括如下步骤：(1)沥青混合料初始配合比设计：根据沥青混合料马歇尔配合比设计方法、贝雷法、主骨料空隙填充方法、多级级配嵌挤法四种方法相结合，进行集料级配曲线设计、最佳油石比、空隙率选择，完成至少两种方案的沥青混合料初始配合比设计；(2)材料基本参数获取：根据选定的初始配合比确定沥青混合料的基本材料参数，包括：每档集料的通过百分率、油石比、空隙率、矿粉含量、集料密度、沥青密度、沥青胶浆粘弹性参数、粗集料的弹性模量、细集料的弹性模量、集料的形状参数、各个性能试验的试样大小和试验温度；(3)沥青胶浆动态剪切流变试验：通过沥青胶浆动态剪切流变试验，分析在不同温度和粉胶比条件下胶浆的高温流变特性变化规律，主要包括沥青砂浆虚拟蠕变试验和虚拟系统内参数转换两部分；根据DSR频率扫描结果，拟合了不同粉胶比沥青胶浆的主曲线；通过目标函数优化方法拟合得到Burgers模型四参数；所述的沥青砂浆虚拟蠕变试验是将沥青胶浆作为最小离散单元，建立沥青砂浆虚拟蠕变试验，获取沥青砂浆蠕变与时间的曲线，拟合得到沥青砂浆的Burgers模型四参数和粘结强度；所述的虚拟系统内参数转换是将室内试验得到的材料基本参数作为虚拟预估系统的初始输入参数，将输入参数进行两次转化换算为虚拟系统可识别参数；(4)选择需要预估的多项室内试验：根据需要选择多项室内性能试验以表征预估系统从低温到高温的性能指标，记录试样大小以及分析固有装置在试验过程中的控制作用，所述的性能指标至少包括：沥青混合料小梁弯曲断裂试验、劈裂试验、四点弯曲疲劳试验、单轴蠕变试验、三轴蠕变试验、车轴试验；(5)构建多种三维虚拟试件：根据不同的室内试验尺寸构建多种虚拟试件空间，根据粗集料级配投放虚拟三维不规则粗集料，粗集料间隙间填充规则排列的沥青砂浆试件，删除一定数量的砂浆构建空隙率即能够构建沥青混合料虚三维虚拟试件；(6)选择材料的力学本构模型：根据试验温度选择虚拟系统中颗粒材料的细观力学本构模型，包括：接触刚度模型、接触粘结模型、平行粘结模型、滑移模型、Burgers粘弹性模型；(7)选择虚拟试验加载条件：根据公路工程沥青及沥青混合料试验规程，选择各项虚拟试验的加载控制模式和室内试验装置的等效设置条件，包括压头的尺寸、位置，试验的加载模式，试验的客观控制条件在虚拟试验中的等效转化；(8)构建试验结果实时监测系统：在虚拟加载过程中，通过程序中的“HISTORY”命令记录并监测与加载时间相关变量的曲线变化，包括：弯曲断裂试验荷载与挠度曲线，劈裂试验荷载与变形曲线永久变形曲线，弯曲劲度模量与循环加载次数曲线，永久变形曲线，车辙深度曲线，从而达到监测试验结果的实时可靠性的目的；(9)各项试验最终结果预估值输出：虚拟加载停止后输出试验结果预估值，包括：试件破坏时的抗弯拉强度、最大弯拉应变、弯曲劲度模量，劈裂强度，疲劳寿命，蠕变永久变形，回弹模量，车辙深度；(10)判断各项指标是否满足规范要求：若不满足要求则输出建议重选配合比；若满足要求则输出较优配合比。所述步骤(2)中，集料密度采用有效密度pe，能反映集料在沥青混合料中的实际体积特性，采用式(1)计算，其中vs为集料实体体积，vn集料实体中闭口孔隙体积，vi为矿料表面开口孔隙中不能被沥青填充的体积，ms为烘干的集料质量； p e = m s v s + v n + v i - - - ( 1 ) . ]]>所述步骤(3)中，低温下沥青胶浆为弹性材料，剪应力与瞬时施加的剪应力相一致，两者的滞后时间为0，较高温度下剪应力与剪应变之间的滞后时间较长，采用复数剪切模量G*和变形数量相对指标δ表示沥青胶浆粘弹性性能。所述步骤(3)中，将沥青胶浆作为最小离散单元，要求沥青胶浆单元粒径≤0.075mm，细集料级配和油砂比通过比表面积法确定，试件的直径和高度均≥细集料最大粒径的10倍，沥青砂浆试件假定为无空隙试件，则由低应力水平下的沥青砂浆虚拟蠕变试验曲线拟合得到沥青砂浆的粘弹性参数，由高应力水平下的沥青砂浆虚拟蠕变试验自适应迭代得到沥青砂浆的粘结强度参数。所述步骤(3)中，材料基本参数包括集料的通过百分率、油石比、矿粉含量、细集料弹性模量、细集料形状，材料基本参数第一次转化为微分散系中细集料的体积分数、沥青胶浆体积分数、沥青胶浆密度、沥青胶浆的复数剪切模量G*和变形数量相对指标δ、沥青胶浆的粘弹性参数温度转化系数、细集料接触刚度、细集料细观不规则形状系数；材料基本参数通过第二次转化得到细分散系中粗集料的体积分数、沥青砂浆的体积分数、沥青砂浆的密度、粗集料的接触刚度、粗集料的不规则形状系数、沥青砂浆的粘弹性参数温度转化系数。所述步骤(5)中，虚拟试件空间完全等效于试样大小，粗集料以接近于实际形状的不规则多面体投放，投放后校核虚拟集料的级配是否与实际相吻合，虚拟预估系统以沥青砂浆作为最小离散单元，粒径应≤2mm，每种虚拟试样颗粒数小于10万。所述步骤(6)中，集料颗粒之间的接触选择接触刚度模型和滑移模型，沥青砂浆与集料之间的接触根据温度选择接触粘结或者Burgers粘弹性接触模型，沥青砂浆之间的接触选择接触粘结、平行粘结或者Burgers粘弹性接触模型。所述步骤(7)中，速度加载直接施加给加载墙速度进行加载，力加载通过伺服控制程序来控制墙体的速度从而达到控制墙体加载力，实时调整加载墙的速度减小监测应力σmeasured和所需施加的目标应力σrequired之差Δσ来实现加载力恒定或曲线变化，G为速度调节的最大增益参数，墙体的速度方程计算如(2)： u · 本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于细观模拟的沥青混合料虚拟性能试验预估方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)沥青混合料初始配合比设计：根据沥青混合料马歇尔配合比设计方法、贝雷法、主骨料空隙填充方法、多级级配嵌挤法四种方法相结合，进行集料级配曲线设计、最佳油石比、空隙率选择，完成至少两种方案的沥青混合料初始配合比设计；(2)材料基本参数获取：根据选定的初始配合比确定沥青混合料的基本材料参数，包括：每档集料的通过百分率、油石比、空隙率、矿粉含量、集料密度、沥青密度、沥青胶浆粘弹性参数、粗集料的弹性模量、细集料的弹性模量、集料的形状参数、各个性能试验的试样大小和试验温度；(3)沥青胶浆动态剪切流变试验：通过沥青胶浆动态剪切流变试验，分析在不同温度和粉胶比条件下胶浆的高温流变特性变化规律，主要包括沥青砂浆虚拟蠕变试验和虚拟系统内参数转换两部分；根据DSR频率扫描结果，拟合了不同粉胶比沥青胶浆的主曲线；通过目标函数优化方法拟合得到Burgers模型四参数；所述的沥青砂浆虚拟蠕变试验是将沥青胶浆作为最小离散单元，建立沥青砂浆虚拟蠕变试验，获取沥青砂浆蠕变与时间的曲线，拟合得到沥青砂浆的Burgers模型四参数和粘结强度；所述的虚拟系统内参数转换是将室内试验得到的材料基本参数作为虚拟预估系统的初始输入参数，将输入参数进行两次转化换算为虚拟系统可识别参数；(4)选择需要预估的多项室内试验：根据需要选择多项室内性能试验以表征预估系统从低温到高温的性能指标，记录试样大小以及分析固有装置在试验过程中的控制作用，所述的性能指标至少包括：沥青混合料小梁弯曲断裂试验、劈裂试验、四点弯曲疲劳试验、单轴蠕变试验、三轴蠕变试验、车轴试验；(5)构建多种三维虚拟试件：根据不同的室内试验尺寸构建多种虚拟试件空间，根据粗集料级配投放虚拟三维不规则粗集料，粗集料间隙间填充规则排列的沥青砂浆试件，删除一定数量的砂浆构建空隙率即能够构建沥青混合料虚三维虚拟试件；(6)选择材料的力学本构模型：根据试验温度选择虚拟系统中颗粒材料的细观力学本构模型，包括：接触刚度模型、接触粘结模型、平行粘结模型、滑移模型、Burgers粘弹性模型；(7)选择虚拟试验加载条件：根据公路工程沥青及沥青混合料试验规程，选择各项虚拟试验的加载控制模式和室内试验装置的等效设置条件，包括压头的尺寸、位置，试验的加载模式，试验的客观控制条件在虚拟试验中的等效转化；(8)构建试验结果实时监测系统：在虚拟加载过程中，通过程序中的“HISTORY”命令记录并监测与加载时间相关变量的曲线变化，包括：弯曲断裂试验荷载与挠度曲线，劈裂试验荷载与变形曲线永久变形曲线，弯曲劲度模量与循环加载次数曲线，永久变形曲线，车辙深度曲线，从而达到监测试验结果的实时可靠性的目的；(9)各项试验最终结果预估值输出：虚拟加载停止后输出试验结果预估值，包括：试件破坏时的抗弯拉强度、最大弯拉应变、弯曲劲度模量，劈裂强度，疲劳寿命，蠕变永久变形，回弹模量，车辙深度；(10)判断各项指标是否满足规范要求：若不满足要求则输出建议重选配合比；若满足要求则输出较优配合比。...

【技术特征摘要】
1.基于细观模拟的沥青混合料虚拟性能试验预估方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)沥青混合料初始配合比设计：根据沥青混合料马歇尔配合比设计方法、贝雷法、主骨料空隙填充方法、多级级配嵌挤法四种方法相结合，进行集料级配曲线设计、最佳油石比、空隙率选择，完成至少两种方案的沥青混合料初始配合比设计；(2)材料基本参数获取：根据选定的初始配合比确定沥青混合料的基本材料参数，包括：每档集料的通过百分率、油石比、空隙率、矿粉含量、集料密度、沥青密度、沥青胶浆粘弹性参数、粗集料的弹性模量、细集料的弹性模量、集料的形状参数、各个性能试验的试样大小和试验温度；(3)沥青胶浆动态剪切流变试验：通过沥青胶浆动态剪切流变试验，分析在不同温度和粉胶比条件下胶浆的高温流变特性变化规律，主要包括沥青砂浆虚拟蠕变试验和虚拟系统内参数转换两部分；根据DSR频率扫描结果，拟合了不同粉胶比沥青胶浆的主曲线；通过目标函数优化方法拟合得到Burgers模型四参数；所述的沥青砂浆虚拟蠕变试验是将沥青胶浆作为最小离散单元，建立沥青砂浆虚拟蠕变试验，获取沥青砂浆蠕变与时间的曲线，拟合得到沥青砂浆的Burgers模型四参数和粘结强度；所述的虚拟系统内参数转换是将室内试验得到的材料基本参数作为虚拟预估系统的初始输入参数，将输入参数进行两次转化换算为虚拟系统可识别参数；(4)选择需要预估的多项室内试验：根据需要选择多项室内性能试验以表征预估系统从低温到高温的性能指标，记录试样大小以及分析固有装置在试验过程中的控制作用，所述的性能指标至少包括：沥青混合料小梁弯曲断裂试验、劈裂试验、四点弯曲疲劳试验、单轴蠕变试验、三轴蠕变试验、车轴试验；(5)构建多种三维虚拟试件：根据不同的室内试验尺寸构建多种虚拟试件空间，根据粗集料级配投放虚拟三维不规则粗集料，粗集料间隙间填充规则排列的沥青砂浆试件，删除一定数量的砂浆构建空隙率即能够构建沥青混合料虚三维虚拟试件；(6)选择材料的力学本构模型：根据试验温度选择虚拟系统中颗粒材料的细观力学本构模型，包括：接触刚度模型、接触粘结模型、平行粘结模型、滑移模型、Burgers粘弹性模型；(7)选择虚拟试验加载条件：根据公路工程沥青及沥青混合料试验规程，选择各项虚拟试验的加载控制模式和室内试验装置的等效设置条件，包括压头的尺寸、位置，试验的加载模式，试验的客观控制条件在虚拟试验中的等效转化；(8)构建试验结果实时监测系统：在虚拟加载过程中，通过程序中的“HISTORY”命令记录并监测与加载时间相关变量的曲线变化，包括：弯曲断裂试验荷载与挠度曲线，劈裂试验荷载与变形曲线永久变形曲线，弯曲劲度模量与循环加载次数曲线，永久变形曲线，车辙深度曲线，从而达到监测试验结果的实时可靠性的目的；(9)各项试验最终结果预估值输出：虚拟加载停止后输出试验结果预估值，包括：试件破坏时的抗弯拉强度、最大弯拉应变、弯曲劲度模量，劈裂强度，疲劳寿命，蠕变永久变形，回弹模量，车辙深度；(10)判断各项指标是否满足规范要求：若不满足要求则输出建议重选配合比；若满足要求则输出较优配合比。2.根据权利要求1所述的基于细观模拟的沥青混合料虚拟性能试验预估方法，其特征在于：所述步骤(2)中，集料密度采用有效密度pe，能反映集料在沥青混合料中的实际体积特性，采用式(1)计算，其中vs为集料实体体积，vn集料实体中闭口孔隙体积，vi为矿料表面开口孔隙中不能被沥青填充的体积，ms为烘干的集料质量； p e = m s v s + v n + v i - - - ( 1 ) . ]]>3.根据权利要求1所述的基于细观模拟的沥青混合料虚拟性能试验预估方法，其特征在于：所述步骤(3)中，低温下沥青胶浆为弹性材料，剪应力与瞬时施加的剪应力相一致，两者的滞后时间为0，较高温度下剪应力与剪应变之间的滞后时间较长，采用复数剪切模量...

【专利技术属性】
技术研发人员：马涛，张垚，黄晓明，丁珣昊，赵永利，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32