CN111914460A - 双层排水沥青路面上下层同步摊铺过程温度损失模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种双层排水沥青路面上下层同步摊铺过程温度损失模拟方法，属于排水沥青路面技术领域。为了解决在双层排水沥青路面施工时，采用常规方法监测沥青混合料温度难度大、准确度不高，且无法对特定时间沥青混合料温度进行连续预测的问题。本发明首先使用离散元软件对双层排水沥青路面进行建模，设置上、下层材料参数及接触模型，然后使用有限元软件对该模型设置流体域和网格划分，最后对双层排水沥青路面摊铺温度损失模型进行DEM‑CFD耦合分析。本发明提供的双层排水沥青路面摊铺温度损失的分析方法对提高双层排水沥青路面摊铺时因沥青混合料混合料冷却导致的可碾压性低，预防双层排水沥青路面部分病害，延长道路使用寿命具有十分重要的现实意义。
Description
技术领域
本发明是一种双层排水沥青路面上下层同步摊铺过程温度损失模拟方法，属于排水沥青路面施工技术领域。
背景技术
双层多孔沥青路面是源于荷兰的一种沥青路面结构类型，使在原有的单层粗级配多孔结构上增设了一层较均匀的细级配多孔路面结构。相对于传统的单层多孔沥青路面结构，双层结构体系在降噪、抗滑、排水、抗冻及耐久性方面，表现了较为突出的优越性。双层排水沥青路面的施工和普通沥青路面基本相同，主要差别在于上、下层之间的粘结层施工，不仅要满足道路结构的要求，也要保证其具有足够的排水能力。国外学者认为双层排水沥青路面的施工必须注意到以下2个方面：(1)在施工上层之前，下层要尽量可能减少车辆通行；(2)上层的厚度薄，在施工期间容易冷却，不利于施工。
双层排水沥青路面传统的施工方式与普通的多层沥青路面相同，首先施工下层，洒粘层油，然后施工上层。这种施工工艺易受到气候环境的影响，在低温下施工时，上层和下层沥青混合料的粘结力变弱，特别是上层由于厚度薄而冷却快，导致碾压困难，容易引起松散破坏，缩短了双层排水沥青路面的使用寿命。在荷兰，双层排水沥青路面的施工温度规定在10℃以上，这就意味着只能在5月到10月份施工，通常情况下晚上不施工。
因此，如何减少沥青沥青混合料受环境影响而出现冷却速度过快导致碾压困难、路面松散破坏以及道路使用寿命降低等问题已经成为分析的重点之一。近年来，人们尝试了多种办法来解决不同层位混合料冷却过快的问题，有学者提出采用“热+热”摊铺的方式，一定程度上可降低下层混合料温度损失。双层排水沥青路面的质量也容易受到沥青混合料运输能力的影响，要保证上层混合料在施工时有能够的温度，有国外学者推荐了下列的施工环境：(1)当空气温度低于10℃，双层路面特别是上层不宜施工；(2)当空气温度在10-15℃时，风速不超过4m/s；(3)当空气温度大于15℃时，风速不超过8m/s。可见，双层排水沥青路面的施工对环境要求较高。为了克服上层材料在低温施工时容易冷却的问题，最好的解决方法是两层材料依次摊铺，下层摊铺完成后紧接着摊铺上层材料，上层材料被下层材料加热，冷却速度变慢。
双层排水沥青路面在施工时，间歇式沥青混合料搅拌站拌制一盘满料的重量约为3000kg，多次间歇拌和摊铺会导致沥青混合料温度损失。目前常使用温度计来判断沥青混合料温度，具备直观、便捷的特点，但费时费力，也易受到检测人员的主观影响，且使用温度计存在温度响应滞后的问题，会导致结果精确性不足，可信度较低。当前也常采用红外热像仪对双层排水沥青路面下层摊铺和碾压过程进行温度均匀性探测，但是，红外热像仪属于非接触式设备，受环境温度、湿度、风速影响较大，存在准确度较低的问题。此外，目前采用的常规温度监测方法也无法对特定时间沥青混合料温度进行连续预测。
因此，本发明根据双层排水沥青路面摊铺时出现温度损失的现象，采用离散元-计算流体动力学耦合方法(DEM-CFD)进行分析。首先使用离散元软件建立双层排水沥青路面模型，并在集料颗粒间设置热传导接触模型、比热容、热传导率、环境温度，然后将该模型导入计算流体动力学软件进行流体域设置和网格划分，最后对双层排水沥青路面上、下层摊铺时温度损失做全过程模拟，有助于施工人员及时了解实时多孔沥青混合料温度损失情况，并可对后期温度损失进行预测，提高路面施工质量，延长道路使用寿命。
发明内容
(1)技术问题
本发明是一种双层排水沥青路面上下层同步摊铺过程温度损失模拟方法，解决在双层排水沥青路面上下层同步摊铺过程采用常规测温方法难以对沥青混合料进行温度监测，存在监测难度大、准确度较差、无法对双层排水沥青路面上下层整个摊铺过程及特定时刻沥青混合料温度进行预测等问题，提高双层排水沥青路面施工质量。
(2)技术方案
为了解决目前双层排水沥青路面分层摊铺时上、下层沥青混合料对环境要求高，混合料温度损失较快、监测难度大、特定时间沥青混合料温度进行连续预测的问题。本发明首先使用离散元软件对双层排水沥青路面进行建模，设定集料颗粒温度、热传导率、比热容以及热传导接触模型，然后与计算流体动力学软件耦合，在自然条件下模拟双层排水沥青路面上、下层混合料温度传递及损失情况。本发明技术方案如下：首先，使用CAD软件建立双层排水沥青路面整体框架，如图1所示，将该框架导入离散元软件后，分别在上、下层框架生成不同厚度和空隙率的集料颗粒并添加Bond键，建立双层排水沥青路面模型，再通过接触条件设置两种集料颗粒间的热传导模型、热传导率、温度以及比热容，然后将该模型导入至有限元软件中设定流体域并划分网格，经耦合计算后，可实时查看双层排水沥青路面上、下层摊铺时温度变化，根据控制摊铺时温度，确定合适的温度损失范围后采取相应管理措施，可提高路面可碾压性，预防双层排水沥青路面部分病害，延长道路使用寿命。
(3)有益效果
双层排水沥青路面的质量受到混合料运输能力的影响，要保证上层混合料在施工时有足够的温度。在低温下施工，双层排水沥青路面上、下层的粘结效果差，特别是上层由于厚度薄而冷却快，导致碾压困难，容易引起松散破坏，缩短了双层排水沥青路面的使用寿命。本发明提供一种双层排水沥青路面上下层同步摊铺过程温度损失模拟方法。首先使用离散元方法建立双层排水沥青路面模型，并在集料颗粒间设置热传导接触模型、比热容、热传导率、环境温度，然后将该模型导入计算流体动力学软件进行流体域设置和网格划分，最后通过DEM-CFD耦合的方式对双层排水沥青路面上、下层摊铺时温度损失做全过程模拟，有助于施工人员及时了解实时混合料温度损失并进行后期温度损失预测，节省了人工和设备的投入，对提高路面施工质量，延长道路使用寿命，具有十分重要的现实意义。
附图说明
图1双层排水沥青路面结构的整体框架示意图
1-横坡，2-双层排水沥青路面上层框架，3-双层排水沥青路面下层框架
具体实施方式
本发明提供一种双层排水沥青路面上下层同步摊铺过程温度损失模拟方法，具体实施步骤如下：
(1)双层排水沥青路面的下层和上层沥青混合料的级配分别采用多孔沥青混合料(PA)-20和PA-13，基于离散元方法建立两种级配的集料组成模型，PA-20只考虑粒径为20mm、16mm、13.2mm、9.5mm及4.75mm的集料颗粒，PA-13级配只考虑粒径为13.2mm、9.5mm及4.75mm的集料颗粒，设置PA-20、PA-13两种级配集料的杨氏模量、恢复系数、黏结半径，利用离散元软件自动计算颗粒质量与密度；
(2)使用CAD软件建立长、宽、高分别为600mm、400mm、100mm且顶面中心至两侧具有2％横向坡度的几何体作为双层排水沥青路面整体框架，其中，双层排水沥青路面上层框架的长、宽、高分别为600mm、400mm、60mm，下层框架的长、宽、高分别为600mm、400mm、40mm，将该模型整体框架导入离散元软件，在离散元软件中，将双层排水沥青路面下层框架内填满PA-20级配的集料颗粒，上层框架内填满PA-13级配的集料颗粒；
(3)颗粒与颗粒之间采用Heat Conduction接触模型，并分别设置PA-13和PA-20两种级配颗粒实际摊铺温度，在颗粒体积力接触模型中，添加Temperature Updats模型，并设置比热容和热传导率，建立双层排水沥青路面摊铺温度损失模型；
(4)使用Python程序将离散元软件导出的双层排水沥青路面模型文件格式转化为.stl文件格式，将.stl文件格式导入至有限元软件中，设置流体域后划分网格，生成.msh文件；
(5)将.msh文件导入有限元软件后，设置热交换模型和能量方程，双层排水沥青路面流体域入口处空气速度分别设置为2m/s、4m/s、6m/s和8m/s，环境温度分别设置为10℃、11℃、12℃、13℃、14℃和15℃，建立双层排水沥青路面摊铺温度损失模型；
(6)运行双层排水沥青路面摊铺温度损失模型，获得不同工况下双层排水沥青路面上、下层温度分布云图以及流体相分布云图，对不同层位、不同粒径的集料温度进行分析，监控沥青混合料摊铺过程温度损失，并预测特定时刻沥青混合料温度，提高双层排水沥青路面压实效果。
Claims (1)
1.一种双层排水沥青路面上下层同步摊铺过程温度损失模拟方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：
(1)双层排水沥青路面的下层和上层沥青混合料的级配分别采用多孔沥青混合料(PA)-20和PA-13，基于离散元方法建立两种级配的集料组成模型，PA-20只考虑粒径为20mm、16mm、13.2mm、9.5mm及4.75mm的集料颗粒，PA-13级配只考虑粒径为13.2mm、9.5mm及4.75mm的集料颗粒，设置PA-20、PA-13两种级配集料的杨氏模量、恢复系数、黏结半径，利用离散元软件自动计算颗粒质量与密度；
(2)使用CAD软件建立长、宽、高分别为600mm、400mm、100mm且顶面中心至两侧具有2％横向坡度的几何体作为双层排水沥青路面整体框架，其中，双层排水沥青路面上层框架的长、宽、高分别为600mm、400mm、60mm，下层框架的长、宽、高分别为600mm、400mm、40mm，将该模型整体框架导入离散元软件，在离散元软件中，将双层排水沥青路面下层框架内填满PA-20级配的集料颗粒，上层框架内填满PA-13级配的集料颗粒；
(3)颗粒与颗粒之间采用Heat Conduction接触模型，并分别设置PA-13和PA-20两种级配颗粒实际摊铺温度，在颗粒体积力接触模型中，添加Temperature Updats模型，并设置比热容和热传导率，建立双层排水沥青路面摊铺温度损失模型；
(4)使用Python程序将离散元软件导出的双层排水沥青路面模型文件格式转化为.stl文件格式，将.stl文件格式导入至有限元软件中，设置流体域后划分网格，生成.msh文件；
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