集料组成对沥青混合料均匀性影响的试验分析及数值模拟

数值模拟

苏丽娜，贾晓敏，谢冰

（洛阳理工学院土木工程学院，河南洛阳471023）

摘要：为分析集料组成及其粒径分布对沥青混合料均匀性的影响，采用自制设备模拟沥青混合料生

产中集料从料仓中下落，对单一粒径和AC-13混合料的集料下落试验，采用PFC2D颗粒流程序对AC-

13集料级配范围的上限、中值及下限的数值模拟，结果表明混合料中≥9.5mm及≤2.36mm粒径级配变工程质量。

关键词：沥青混合料；集料；粒径；数值模拟中图分类号：TU528.42

文献标识码：A

文章编号：1001-7119（2017）11-0116-05

异是导致沥青混合料不均匀的关键粒径范围，在沥青路面设计及施工中，严格控制级配可提高的路面

DOI:10.13774/j.cnki.kjtb.2017.11.027

ExperimentalAnalysisandNumericalSimulationonInfluenceofAggregate

CompositiononUniformityofAsphaltMixture

SuLina，JiaXiaomin，XieBing

（DepartmentofCivilEngineering，LuoyangInstituteofScienceandTechnology，LuoyangHenan471023，China）Abstract：Foranalysistheinfluenceontheuniformityofasphaltmixtureincompositionofaggregateandparticlesizedistribution.Byusingself-madeequipmentsimulationofasphaltmixtureproductionaggregatefallingfromthehopper.ForsingleparticlediameterandAC-13aggregatedroptestusingPFC2DparticleflowprogramforAC-13gradationscopelimitset,medianandlowerlimitofthethan2.36mmparticlesizegradationvariationisleadtocriticalforasphaltmixtureandtheunevenparticlesizerange,inthedesignandconstructionofasphaltpavement,thestrictcontrolofgradationcanimprovethequalityofpavementengineering.Keywords：sphaltmixture；aggregate；particlesize；numericalsimulationnumericalsimulation.Theresultsshowthatmixtureismorethanorequalto9.5mmandequaltoorless目前，车辙、坑槽、开裂等早期破坏是我国高

等级公路沥青路面建设的主要问题[1,2]，而这些破坏大多与施工中沥青混合料不均匀性有关，集料级配组成及粒径分布对沥青混合料均匀性的影响这一问题需要深入研究。彭余华[3,4]通过调整拌和集料仓比例生产出具有代表性的7种级配类型沥青混合料，分析了混合料经碾压成型后其在横断面上不同位置的构造深度，并评价了数值特

征；Williams[5]对4种含不同成分的沥青混合料进行5个层次分离测试，同时在现场利用车辙试验对离析混合料的性能进行了分析；李想[6]等在评定沥青路面施工中集料的离析情况时采用了数字图像技术；彭勇[7]通过比较混合料截面上的集料的分布状态指标，定量地评价了混合料的离析

收稿日期：2016-12-18作者简介：苏丽娜（1978-），女，河北衡水人，汉族，硕士，讲师，洛阳理工学院，从事土木工程教学研究。E-mail：chubansv@163.com。第11期

苏丽娜等.集料组成对沥青混合料均匀性影响的试验分析及数值模拟117

状况。以上研究大多利用数字成像技术对铺筑后沥青混合料的集料分布的不均匀性进行分析,但无法反应集料级配组成及颗粒粒径分布对其的影响，本文将采用室内试验与颗粒流数值模拟相结合的方法更加精确的就此问题进行分析。

1试验分析

制作模拟实际生产中集料从料仓中下落装置如图1所示，主要由下落的料斗，接收下落集料的大盘及小盘、支架、速度控制锤等构成。采用颗粒流程序对一定级配的集料进行稳定堆积模拟，最大的滚动直径在50~70cm之间，多数集料聚集直径在30~40cm之间，采用不同级配7000g的集料进行cm随意落入外盘和外溅，，大盘直径为30040多次试验，cm，内外盘的高度设定为下落过程中为了使集料不确定小盘直径为253cm和12cm，并设防尘罩。经过理论计算和实际测量，80运料车车厢末端距离摊铺机的落料高度在80cm左右，为了方便起见，取集料的自由落距为验中要求集料质量损失率不大于cm。其下落的速度由速度控制锤来控制。试5%。对集料下落后落入大盘及小盘的集料分别进行筛分，计算每种粒径集料的分计筛余百分率及落入大盘及小盘的集料的颗粒的质量之比，综合评价集料级配组成及粒径分布对沥青混合料均匀性的影响。

图1集料下落装置Fig.1Dropdevice

图2单粒径集料

1.1单粒径集料的试验分析

Fig.2Singleparticlesizeaggregate

通过在拌合厂取料并进行筛分后获得单粒径集料，如图2所示。对单粒径集料的室内试验数据统计结果汇总如表1所示。

表1单粒径集料下落试验Table1Droptestofsingleparticlesize单粒径颗粒下落

第一组第二组第三组平均值大盘质量/g

16~19/3169小盘质量/gmm

38313244.53755.53002.53997.53138.73861.3大盘质量/小盘

质量0.830.860.750.81大盘质量/g

2855.516/mm13.2~

小盘质量/g4144.529404060300639942933.84066.2大盘质量/小盘

质量0.690.720.750.72254613.2/

9.5~大盘质量/g小盘质量/g4454249545052612438825514449mm大盘质量/小盘

质量0.570.550.60.57大盘质量/g

2231.59.5/mm4.75~

小盘质量/g

4736246745154670.523192339.64660.4大盘质量/小盘

质量

0.470.550.50.512.36~大盘质量/g2357.54.75/小盘质量/g4631.521664828228947062270.84729.2mm

大盘质量/小盘

质量0.510.450.490.48大盘质量/g2411.54586.522924706228247072328.52.36/1.1~

小盘质量/g4671.5mm

大盘质量/小盘

质量

0.53

0.49

0.480.502

根据表1绘制单粒径集料下落后稳定性分析的柱状图如图3所示。

图3单粒径集料下落稳定性分析柱状图

Fig.3Singleparticlesizeanalysishistogram综合表1及图3，stability

fallingmaterial

不同粒径颗粒在下落过程中对沥青混合料不均匀性的影响程度是不同的，根据数据显示随颗粒粒径的降低，落入大盘的集

118科技通报第33卷

表2AC-13沥青混合料集料检测数据Table2AC-13asphaltmixturetestingdata沥青混合料配比

小盘

级配中值1

大盘小盘

级配中值2

大盘小盘

级配中值3

大盘小盘

级配上限1

大盘小盘

级配上限2

大盘小盘

级配上限3

大盘小盘

级配下限1

大盘小盘

级配下限2

大盘小盘

级配下限3

大盘

质量/g百分比/%质量/g百分比/%质量/g百分比/%质量/g百分比/%质量/g百分比/%质量/g百分比/%质量/g百分比/%质量/g百分比/%质量/g百分比/%质量/g百分比/%质量/g百分比/%质量/g百分比/%质量/g百分比/%质量/g百分比/%质量/g百分比/%质量/g百分比/%质量/g百分比/%质量/g百分比/%

集料粒径/mm

1600000000000000000000000000000000000013.24.646.084.494.863.967.49000000000004202103881884502300112218802401002489363508984208464507083306303847562849.511784784.752.3616.1114.4816.6014.0916.3813.1017.0220.6316.4418.2516.3721.6214.3714.7415.2510.1614.7511.791927921568322067523808583468383808781969002328882388621.1810.739.0010.6210.0911.945.3512.4512.2713.1012.0312.4412.5110.595.7010.193.659.846.141005285655610055422065222866822664280656166568148574细料29.0820.73301556质量/g5350164453481646549514965158184250981896524217585232175454551536536816280.300.28

0.31

0.340.340.37

0.36

0.360.270.31

0.3

0.31大盘质量/小盘质量

平均值

17.5021.2916.7925.5215.4030.0813.7317.9212.3620.2514.4216.1520.0328.8520.6031.1220.9027.154421224781124506104822.0229.0821.0224.4220.0937.3015.7821.0615.3823.2114.8423.8928.0637.8628.1940.1027.8736.615961496616153866414684207784407843888145581104402124428.2721.0232.216.951041770346151241.0228.2342.7626.2741.9725.6018.923.65649904502200498218052021168.0311.927.1112.248.3813.6718.592.4718.333.9364984381014料质量与落入小盘的质量之比按照先降后升的趋势变化，由此，施工中对于沥青混合料的稳定性影响较大的为集料中相对较粗（≥9.5mm）及相对较细（≤2.36mm）粒径的颗粒。通过严格控制其中影响较大的粒径颗粒的含量，就可以降低集料级配对沥青混合料所造成的不均匀性。1.2不同级配集料试验分析试验以AC-13为研究对象，分别按照规范规定的级配范围的上限、中值及下限进行配比并进行试验。试验数据如表2所示。

根据表2绘制AC-13下落稳定性分析的柱状图如图4所示。

根据对AC-13集料的检测结果进行分析显示，当相对增加9.5mm以上颗粒的含量时及小于

第11期

苏丽娜等.集料组成对沥青混合料均匀性影响的试验分析及数值模拟119

图4AC-13集料下落稳定性分析柱状图Fig.4AC-13analysisoffallingmaterialcolumnstability

2.36量之比发生了明显的变化，mm的颗粒含量，落入大盘及小盘的集料质

级配范围中值配比落入小盘集料质量最大，对沥青混合料不均匀性的影响较小。

2数值计算模型的建立

分析程序PFC2D[8]，是由其在模拟颗粒流动和混合材料力学ITASCA咨询集团开发的颗粒流研究方面具有独特优势，这在众多研究中已经得到充分证明[9]。

2.1理论那样通过满足平衡方程、PFC2DPFC2D的计算过程不像有限元软件的计算基本计算原理

变形协调方程和本构方程进行迭代计算，其计算是通过不断对每一个颗粒应用运动定律（适用球ball），对每一个接触应用力bond-位移定律（适用球与球之间的接触，的。对于不同材料的模拟可以通过设定不同的），并不断更新刚性墙的位置进行循环迭代即参数，建立以球体和刚体为主要基本单元的颗粒模型。利用PFC2D进行数值模拟时的大致流程为建立颗粒集合体模型，赋予边界条件与初始条件，初始平衡的求解，通过改变试验条件设置工况分析不同的问题。2.2模型建立

为了分析集料下落试验的结果，利用颗粒流软件PFC2D建立了沥青混合料以及试验套筒设备如图5所示。

图5中套筒壁以一组标有数字的刚性墙体代表，其中1、2号墙体为套筒侧壁，3号墙体为套筒底封堵，进行数值试验时可在图3（a）套筒中填充

（a）（b）

图5数值模拟中试验套筒设备示意图

Fig.5Schematicdiagramofsimulation

testsocketequipmentinnumerical

沥青混合料颗粒，在删除了图5（a）所示3号墙体以后，所模拟集料颗粒在自重的作用下自由下落至底盘，如图6所示。

图6集料自由下落示意图

PFC2D数值模拟试验中套筒下所设置的托

Fig.6Freefallofaggregate

盘如图40盘由号墙体，7所示，上托盘包括图中的10号、30号及50号、其直径即60号、70号墙体组成，10号墙体长为其直径即25cm；50下托号墙体长度为80cm。

图7套筒下托盘示意图集料的生成参数

Fig.7Generationparameters参照规范规定的AC-13atlas

underthesleevematerialtrayof

集料级配范围的上限、中值及下限，确定了如表3的配比设计参数。

在进行模拟时取颗粒粒径大于13.2mm的颗粒粒径为14.6mm，取粒径在9.5~13.2mm之间的颗粒粒径为11.3mm，取粒径在4.75~9.5mm之间的颗粒粒径为7.1mm，取粒径在4.75mm以下的颗粒粒径为3.5mm。

依照表3中AC-13级配范围的上限值、级配中值及级配范围下限值各粒径集料的质量百分比生成数值模拟级配范围的上限、中值、下限的试件。详见表4。

模拟过程中通过删除3号墙体使集料在自重的作用下自由落入底部所设置的托盘内，其下落过程如图9所示。

通过PFC2D中的FISH语言，自行编制用于统计落入小盘中的颗粒数量可得表5。

120科技通报第33卷

表3试验室集料下落配比设计参数（AC-13）

Table3Designparameters(AC-13)ofthedropratioofthetestchamber沥青混合料配比

中值

粒径/mm通过百分率/%各粒径百分率/%各粒径石料用量/g通过百分率/%

上限

各粒径百分率/%各粒径石料用量/g通过百分率/%

下限

各粒径百分率/%各粒径石料用量/g

1000000001613.2955

76.512958515682218.59.54.7523.568173830532.36371650182414

1.18细料26.5

26.510.57353812159

1003501000016451120188538

1009070010

105011901260840266015

154021009806301050表4数值试件集料粒径分布表

Table4Theparticlesizedistributionofthenumericaltest沥青混合料配比

上限中值下限

粒径大小/mm

14.62652011.3135168737.13915426826433500035953.5表5落入小盘颗粒的数量及质量

图8集料下落数值模拟试验示意图

Fig.8Schematicdiagramofthenumericalsimulationofthe

whereaboutsoftheaggregate

Table5Fallintosmallparticlesofquantityandquality沥青混合料集料配比上限中值下限

04

不同粒径颗粒含量(个)

14.6mm11.3mm2023187.1mm5580

3.5mm1082779975小盘重质量/g1044.31274.81230.3通过PFC2D程序对AC-13集料级配范围的

上限、中值及下限的混合料下落的数值模拟，证实级配范围中值试件落入底部小盘颗粒质量最大。

10126[2][3][4][5]

[J].公路工程，2012，02:149-152.通出版社，2008.

梁锡三.沥青混合料设计及质量控制原理[M].人民交

3结论

通过试验室的试验结果的分析及PFC2D程

序的数值模拟，集料粒径分布与沥青混合料的不均匀性之间存在以下的相关性：对我国广泛使用的密级配沥青混合料，各种级配的集料粒径分布中对沥青混合料不均匀性影响较大的为9.5mm以上较粗颗粒及2.36mm以下的较细颗粒，因此在沥青混合料配合比设计过程中及沥青混合料的生产过程中，通过对沥青混合料均匀性影响较大的相关粒径颗粒的大小及含量的严格控制，可有效改善由于集料级配所造成的沥青混合料的不均匀性，提高沥青路面的施工质量。参考文献：

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