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畅想 沥青混合料级配智能设计系统实现路径




发布时间:2022-07-31 15:30:01 来源:华体会体育官方 作者:华体会体育登录




  本人2006年6月4日于华南理工大学答辩的博士学位论文《用于沥青混合料的数字图像处理技术及应用研究》可能是国内首次使用CT断层扫描的方法重构沥青混合料试件中集料与空隙的三维空间分布情况。近期,参加了在西安召开的“第三届全国路面材料力学与数值仿线年的发展,相关数值仿真手段还是无法为工程实践提供有力支撑,深感遗憾。结合多年的行业实践,本文尝试讨论沥青混合料级配智能设计系统实现路径,以期数值仿真手段早日发扬光大。

  首先要厘清一个概念:沥青混合料级配设计不等于配合比设计。级配设计仅包括粗集料、细集料与填料比例的设计;而配合比设计除以上内容外还包括最佳沥青用量的设计。级配设计完成后,可通过多组马歇尔击实试验,根据体积参数的规律来确定最佳沥青用量。基于此,本文只讨论沥青混合料的级配设计。

  某沥青混合料级配设计过程如上图所示。现实中进行沥青混合料目标配合比设计直接使用经验法:首先确保合成级配在规范规定的级配范围内;合成级配尽量贴近中值;确保关键筛孔通过率符合级配范围的中值或地方经验。根据经验确定级配后,直接进行多组马歇尔试验确定最佳沥青用量。是否存在其它的级配曲线可以使沥青混合料性能更加优异,不得而知而且检验困难;因为检测时必须先通过多组马歇尔击实试验找出该级配的最佳沥青用量,再成型体积参数差异不大的试件,才能进行性能比较,因此在实践中往往省略此步骤。完全基于经验法的沥青混合料级配设计方法有很大的提升空间。

  集料形状是集料形态特征的三个层次(形状、棱角与纹理)中最为宏观的特征,也是最易获取与分析的特征。为了响应不同石场集料级配结果差异,必须收集集料的某些特定的形状指标规律来指导离散元软件中颗粒的生成。该集料形状指标应该是易于工地试验室直接测量的;后期工地试验室测量各档集料的相关集料形状指标规律上传到智能设计系统。该类指标可以指导有限元或离散元分析工具生成的颗粒具有对应的宏观规律。随着研究的深入,后期可尝试将棱角与纹理的规律作为可变参数。

  一般有限元法与离散元法均可生成。但有限元法一般用于已成型试件分析与计算;而对于用于级配智能设计的虚拟试件可通过离散元软件生成,行业内主流软件为ITASCA公司的PFC系列软件。

  为简化问题的复杂程度,虚拟沥青混合料试件可按以下三部分生成:集料、沥青胶砂与空隙。集料可以包括全部粗集料、部分或全部的细集料;沥青胶砂中可以包括沥青、填料与部分或全部细集料。集料与沥青胶砂的内部组分完全由模型的复杂程度与预期的解算时间决定,可精确可粗略,符合系统的不同研发阶段。

  依据级配的合理范围,生成虚拟试件的各档集料比例;为简化问题的复杂程度,可以设定机制砂的含量为23%或其它,填料比例为4%或其它;这样需要解算的参数只有2个。虚拟试件的空隙率一律设为4%,方便所有试件在基本统一的体积参数下进行虚拟性能试验比较。

  选择适合的试验类型,比如压缩类的单轴压缩、单轴贯入;拉伸类的直接拉伸、劈裂试验等。选定试验类型主要与解算结果是否能反应级配差异有关。虚拟试验完成,记录该级配结果。

  在合理级配范围内,改变三档集料的掺量,重复虚拟力学试验过程。由于虚拟力学试验完全为计算机数值仿线%的梯度遍历所有三档集料合理掺配比例范围,观察虚拟力学试验结果。根据最优结果确定最合理级配。

  级配智能设计系统的实现取决于以下两个方面:系统能否反应不同料场集料形状、棱角与纹理对级配解算结果带来的影响;级配差异是否会淹没于系统的计算误差中。

  系统进行的虚拟力学试验结果毋须与真实世界的结果比较,系统的功能是进行不同级配相对优劣性选择。

  未来可以使用均匀设计或神经网络减少所需虚拟力学试验的次数,加快解算速度。

  沥青混合料级配智能设计系统的算力需求是巨大的。据了解,在PFC软件中,简单尺度模型的单次虚拟力学解算时间也需要以天计算。同时,PFC软件本身不支持分布式运算,超算资源可能无法对接。经多方沟通了解,本人认为可使用“并行计算”解决算力问题。具体做法如下:如果解算某一级配虚拟力学试验结果需要1天,准备解算100组级配寻找最优结果。这时只需要使用100台云主机,同时解算100组级配组合;可以确保1天内解算出所有结果,这就是以“空间换时间”。云主机可以按实际使用时间计费,因此成本不会过度增加。

  系统实现后可设立于网络,服务各地用户。使用者仅需要将当地料场集料特有的形状等宏观规律量测后上传到系统,同时输入相应的级配要求范围等信息。系统重复生成虚拟试件,进行虚拟力学试验的过程,帮助使用者优选级配结果。这一过程是可以收取商业回报的。

  结合多年的行业实践,本文尝试讨论沥青混合料级配智能设计系统的实现路径,以期数值仿真手段早日发扬光大。本人愿与各位有识之士一起研究、开发相关系统,共同为提升行业水平做出贡献。

  全文完。徐科,江苏宜兴人,工学博士,“沥青路面”微信公众号创始人,广东晶通公路工程建设集团有限公司总工程师,专注于沥青路面施工管理领域。联系微信:drxuke1978返回搜狐,查看更多