沥青混合料的三维数字试件生成方法   0    0

本发明公开了沥青混合料的三维数字试件生成方法，包括如下步骤：步骤一、在由“wall”构成的立方体区域内按照矩形排列方式，规则地生成若干个小球，填满整个立方体试件；步骤二、根据粗集料模型构建方法，在该立方体试件中，投放粗集料颗粒，将粗集料内部的小球识别为粗集料部分；步骤三、根据空隙模型构建方法，删除砂浆球体单元，形成具有分布特征的乳化沥青冷再生混合料空隙单元，建立的三维数字试件的空隙率大小为8%‑12%;本发明生成具有三维空间形状与级配特征的粗集料，删除沥青砂浆中的单元，获得具有大小和分布特征的空隙，从而构建乳化沥青冷再生混合料的三维Arcan数字试件。

1.沥青混合料的三维数字试件生成方法，其特征在于：所述沥青混合料的三维数字试件生成方法为：建立乳化沥青冷再生混合料Arcan试件的PFC3D模型的方法；包括如下步骤：
步骤一、
在由“wall”构成的立方体区域内按照矩形排列方式，规则地生成若干个小球，填满整个立方体试件；
步骤二、
根据粗集料模型构建方法，在该立方体试件中，投放粗集料颗粒，将粗集料内部的小球识别为粗集料部分，其余小球识别为乳化沥青砂浆部分，识别完毕后对混合料三维模型中粗集料单元的总格数所占体积与实际情况进行对比，以保证粗集料所占体积的准确性；
步骤三、
根据空隙模型构建方法，删除砂浆球体单元，形成具有分布特征的乳化沥青冷再生混合料空隙单元，建立的三维数字试件的空隙率大小为8％-12％；
步骤四、
为了获得与实际情况相同的具有切口的Arcan试件，需要在PFC3D程序中通过建立新的“wall”并且删除“wall”以外的无效单元，实现对立方体试件的虚拟切割；
选择立方体试件的一个方形表面进行切割，获得具有光滑表面的三维数字试件，然后在试件的一侧中央切割出一道切口，最终建立乳化沥青冷再生混合料Arcan试件的PFC3D模型。

2.根据权利要求1所述的沥青混合料的三维数字试件生成方法，其特征在于：所述步骤一中，在由“wall”构成的80mm×80mm×80mm立方体区域内按照矩形排列方式，规则地生成直径为2mm的小球，填满整个立方体试件。

3.根据权利要求1所述的沥青混合料的三维数字试件生成方法，其特征在于：所述步骤四中，选择立方体试件的一个方形表面进行切割，获得具有光滑表面的三维数字试件，切割后的试件尺寸为80mm×80mm×50mm，然后，在试件的一侧中央切割出一道长40mm、宽4mm的切口，最终建立CIR-20混合料Arcan试件的PFC3D模型。

4.根据权利要求1所述的沥青混合料的三维数字试件生成方法，其特征在于：所述步骤二中，粗集料模型构建方法包括粗集料三维空间形状的构建过程和粗集料级配特征的构建过程。

5.根据权利要求4所述的沥青混合料的三维数字试件生成方法，其特征在于：
所述粗集料三维空间形状的构建过程：
基于中心球扩散方法的粗集料构建模型，所有的粗集料模型均由PFC3D程序中的“sphere clump”组成；
具体构建过程包括两步：
第一步、
粗集料的扁平比和棱角性的构建：
在任意空间结构里，假设中心点向外的扩展方向只有以该点为中心的立方体的8个顶点连线以及与立方体的6个面垂直的方向，即14个可能的扩展方向；在构建粗集料模型时，首先在中心点处生成半径为R1的主球体，然后在14个可能扩展方向上随机选择一些方向生成半径为R2相对较小的球，依次类推，通过主球与所有小球构成的“sphere clump”构建出粗集料的扁平比与棱角性；
在中心主球体的14个可能扩展路径上随机选择6条路径生成新的球体，新球体中心位置距离主球体中心的距离D1为主球体半径R1的一半；而新球体的半径由两个球体切线与两个球体中心点连线之间的角度α和主球体半径R1共同确定，具体计算方法如下：
D1＝0.5R1   (5-7)
R2＝R1-0.5R1×sinα    (5-8)
然后，将已生成的球体看做主球体，参照公式(5-7)与(5-8)继续生成新的球体，在扩散过程中球的半径会逐渐变小，当新生成球体的半径小于一定值(Rctr)时扩散停止；在粗集料构建过程中，为增加粗集料形状的多样性，本发明设定Rctr的大小在0.3R1到0.6R1之间随机变动，而角度α在30到50度随机变化；
在PFC3D程序中，具体实施时，首先按照上述方法生成50种粗集料，然后对这50种粗集料的形状特征，形状特征指的是：扁平比和棱角性指数，进行分析，选出与实际测量的扁平比FER以及棱角性指数AI相近的10种粗集料，最终，通过调节不同粗集料模型的百分比来获得和实际相近的粗集料形状组合；
第二步、
粗集料的长轴倾角的确定：
在三维数字试件中，粗集料的长轴倾角是通过追踪粗集料长轴的方向来确定；在粗集料模型的长轴上附加两个小球作为追踪器，此两个小球大小大概为集料中其他小球的1％， 在建立混合料的三维离散元模型时，粗集料的投放过程实质上是将已确定的“sphere clump”取代同样质量的等效球体；当这样的等效球体被取代后，通过附加“追踪器”就可以找出这两个追踪小球，获得粗集料的长轴方向，进而获得方位角或者长轴倾角；最后，对比建立的三维数字试件中的粗集料平均长轴倾角θ与实际测量结果，挑选出相近的三维数字试件作为乳化沥青冷再生混合料的离散元模型。

6.根据权利要求4所述的沥青混合料的三维数字试件生成方法，其特征在于：
所述粗集料级配特征的构建过程：
在混合料的三维数字试件中构建出能够模拟实际级配曲线的粗集料；在PFC3D程序中，为了表征级配特征，投放粗集料的基本思路是根据乳化沥青冷再生混合料的级配曲线将一定质量的粗集料“clump”投放在一定的空间里，取代同样质量的等效球体；
CIR-20混合料是乳化沥青冷再生混合料中最常用的级配形式，采用中粒式CIR-20级配，根据CIR-20混合料中粗集料的五种不同粒径档，分别为：2.36-4.75mm、4.75-9.5mm、
9.5-13.2mm、13.2-19mm、19-26.5mm，提出了模拟粗集料级配特征的构建过程：
第一步、
根据CIR-20混合料的CT扫描图像，结合分析方法，计算CIR-20混合料中粗集料的总体积以及不同粒径档的粗集料体积；
第二步、
采用等效体积法估算各档粗集料，2.36-4.75mm、4.75-9.5mm、9.5-13.2mm、13.2-19mm、
19-26.5mm的数量，在PFC3D程序中生成等数量的球体，设定球体的大小在各档粒径上下限范围内随机分布；
第三步、
核算PFC3D中生成的不同粒径等效球体的总体积，若与实际情况相差较大，可以添加或删除等效球体；若与实际情况相差较小，可以通过缩放个别等效球体的大小，使得球体的总体积等于粗集料的总体积；
第四步、
最后，按照不同粗集料形状模型的比例，分别对应五种不同粒径档2.36-4.75mm、4.75-
9.5mm、9.5-13.2mm、13.2-19mm、19-26.5mm，将“clump”投放在等效球的位置，取代原有的等效球。

7.根据权利要求1所述的沥青混合料的三维数字试件生成方法，其特征在于：
所述空隙模型构建方法为空隙率分布特征模拟：
空隙率特征的模拟主要是根据Arcan试件中的空隙大小和分布，删除砂浆球体单元，从而确定空隙在CIR-20混合料三维数字试件中的位置与大小：
根据CIR-20混合料的CT扫描断层图像的分析结果，空隙直径分布在0.1mm到10mm的范围内，表征空隙大小分布的空隙“级配”服从分布Weibull模型；根据Arcan试件不同高度上的空隙率大小，按照比例删除对应高度上砂浆球体的数量， 根据空隙研究的结果，计算出每一层内的空隙总体积，然后除以每一个球所占立方体空间体积得到每一层需删去的小球数量，从而随机地删除该层中相应数量的小球。

8.根据权利要求7所述的沥青混合料的三维数字试件生成方法，其特征在于：所述PFC3D离散元模型中最小单元直径一般使用1mm或者2mm，远高于实际最小空隙的大小。

9.根据权利要求7所述的沥青混合料的三维数字试件生成方法，其特征在于：所述Arcan试件的高度为80mm，最小单元的直径为2mm，将Arcan三维数字试件分为40个高度为
2mm的层状试件。