（道路与铁道工程专业论文）基于VB的沥青混合料配合比辅助设计软件的开发及研究.pdf

摘要 沥青混合料的配合比设计在沥青路面设计中的作用至关重要，沥青路面出现的很 多病害问题都与沥青混合料的配合比设计不合理有关。目前我国沥青混合料配合比的 确定主要以马歇尔试验结果为设计依据，然而该试验的周期长，如果成型马歇尔试件 后的性能指标不符合要求又得重新调整级配进行试验，这样消耗了人力和物力资源。 因而有必要借助计算机的辅助设计一套软件，提高配合比设计的效率，降低试验资源 消耗，使设计人员在试验之前就对配合比情况有一个直观的认识。本文的研究目的为： 以v i s u a lb a s i c 6 0 为工具，开发并完善一套能够为沥青混合料设计工作提供辅助支持 作用的应用软件。 软件设计涉及了随机排列、沥青混合料强度形成机理和级配理论。并以计算机可 视化技术和计算机仿真技术为软件开发手段，设计研究了“沥青混合料可视化辅助设计 系统2 0 ”。该软件旨在实现以下各项功能：( 1 ) 根据用户所输入的级配信息和集料信 息随机生成集料排列模拟图并显示，集料颗粒的结合方式以图形直观表现。( 2 ) 根据 集料颗粒结合的状态，计算该模拟结合方式的矿料间隙率( v m a ) 。( 3 ) 对生成的空 隙率数据和级配情况进行分析以给出预估的沥青用量。 为了探讨软件的实用性与可靠性，设计了多种类型配合试验以实际情况验证软件 的预测准确度，最终得到软件的适用范围。最后将软件在实际工程中予以应用，明确 了该软件在沥青混合料配合比设计中具有重要意义和实用价值。 关键词：沥青混合料设计、集料排列模拟图、预估矿料间隙率、沥青用量、可视 化计算机辅助 a b s t r a c t a s p h a l tm i x t u r eg r a d a t i o nd e s i g np a y sa ni m p o r t a n tr o l ei na s p h a l tp a v e m e n td e s i g n t h ei m p r o p e rd e s i g nw o u l dc a u s em a n yp r o b l e m si na s p h a l tp a v e m e n t a tp r e s e n t ，o u r c o u n t r ya s p h a l tm i x t u r eg r a d a t i o nd e s i g nm a i n l yb a s e s o nt h er e s u l to fm a r s h a l l e x p e r i m e n t sd a t a , w h i c hw i l lt a k eal o n gc y c l e a n di ft h ee x p e r i m e n t sd a t ai sn o ti n l i n e 晰t l ls t a n d a r d ，g r a d a t i o n ss h o u l db er e g u l a t e da n de x p e r i m e n t ss h o u l dm a k ea g a i n t h a t c o n s u m e sl a b o ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e s i no r d e rt oi m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c ya n dr e d u c e r e s o u r c ec o n s u m p t i o n ，a n dm a k es u r ed e s i g n e r sh a sa ni n t u i t i v eu n d e r s t a n d i n go fg r a d a t i o n r e s u l ta tt h eb e g i n n i n go fe x p e r i m e n t s t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e dt h ew a yt od e v e l o pa n d i m p r o v eak i n do fs o f t w a r ew h i c hc o u l ds u p p o r t sa n da i d st h ed e s i g no fa s p h a l tm i x t u r e w o r k t h ed e v e l o pt o o li sv i s u a lb a s i c 6 0 t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e dt h e o r yo fr a n d o ma s p h a l tm i x t u r es t r e n g t hf o r m a t i o n m e c h a n i s ma n dg r a d a t i o nt h e o r ya st h es o f t w a r e st h e o r ys u p p o r t i n g a n dd i s s e r t a t i o na l s o d i s c u s s e dc o m p u t e rv i s u a l i z a t i o nt e c h n i q u e sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yf o r s o f t w a r ea sd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y t h e nf i n i s h e d a s p h a l tm i x t u r ed e s i g nv i s u a l i z a t i o n s y s t e m2 0 t h i ss o f t w a r ec a na c h i e v et h ef u n c t i o n sa sf o l l o w i n g 1 ，b a s e do nu s e r sd a t ao f g r a d a t i o n ，s o f t w a r ec a np r o d u c eap r e v i e wo fs p e c i m e na n a l o gp r o f i l ew h i c hs h o w s c o m b i n a t i o no fa g g r e g a t e 2 ，c a l c u l a t e sv o i d si nm i n e r a la g g r e g a t e ( v m a ) 3 ，e s t i m a t e st h e a m o u n to fa s p h a l t i no r d e rt or e s e a r c ht h ep r a c t i c a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fs o f t w a r e ，w ed e s i g n e dav a r i e t yo f e x p e r i m e n t st oi t sp r e d i c t i o na c c u r a c y , a n dr e c o m m e n d t h es c o p eo fa p p l i c a t i o no fs o f t w a r e a tl a s t ，u s e dt h es o f t w a r ei nt h ea c t u a lp r o j e c t ，t h a tp r o v e d a s p h a l tm i x t u r ed e s i g n v i s u a l i z a t i o ns y s t e m2 0 i si m p o r t a n ta n dp r a c t i c a lv a l u ei nt h em i xa s p h a l tm i x t u r ed e s i g n k e yw o r d s ：a s p h a l tm i x t u r eg r a d a t i o nd e s i g n ；p r e v i e wo fs p e c i m e na n a l o gp r o f i l e ； e s t i m a t e sv o i d si nm i n e r a la g g r e g a t e ( v m a ) ；e s t i m a t e st h ea m o u n to fa s p h a l t ；c o m p u t e ra i d i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 王手免 。7 年彭月2 - 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 王辱范刁7 年6 月卫日 导师签名： 妊畎 叩引肛日 长安大学硕士学位论文 1 1 沥青混合料概述 第一章绪论 沥青路面具有养护方便、噪声低、行车平稳、舒适、可回收再生利用等优点，在 国内外公路和城市道路中作为高级路面的主要结构类型而广为应用。随着道路交通事 业的发展和科学技术的日益进步，沥青路面在道路建设中的角色更加重要。而沥青路 面的路用性能主要取决于沥青混合料的性质，因此，我们对沥青混合料设计有了更高 的要求，同时对新型沥青路面结构和材料的研究有了迫切的需求。 沥青混合料是由具有一定粘度用量适当的沥青材料与适当级配的粗集料、细集料 及填料在一定的温度下，经过充分拌和而形成的混合物。从材料特性上看，沥青混合 料具有空间网络结构的分散体系，表现出颗粒性和弹粘塑性。将这种混合物加以摊铺、 碾压成型，就成为各种类型的沥青路面。沥青混合料由于级配不同，可形成各种类型 和不同物理性质与力学性质的混合料。按结合料分类，可分为以石油沥青为结合料 的石油沥青混合料和以煤沥青为结合料的煤沥青混合料。按施工温度分类，则分为热 拌热铺沥青混合料和常温沥青混合料。按矿质集料级配类型分类，又分为连续级配沥 青混合料、间断级配沥青混合料两种类型。粗集料、细集料和填料组成数量的不同而 产生了不同的级配类型，也给沥青混合料带来了不同的工程性质。沥青混合料的配合 比对沥青路面的使用性能起着决定性作用和影响。 1 沥青混合料的组成材料 沥青混合料的技术性质取决于组成材料的性质、组成配合比以及混合料的制备工 艺等因素。其各组成材料的性质分别为：( 1 ) 沥青：作为结合料，其性质对沥青路面 的性能有着非常重要的影响。沥青材料的主要技术性质有：粘结性、感温性、粘附性、 延展性以及耐久性瞳1 。沥青的粘结性用粘度来表示。沥青材料的温度感应性是决定沥 青使用时的工作性以及应用于路面中的服务性能的重要指标。目前评价沥青感温性的 方法，通常是采用“粘度”随“温度”而变化的行为( 粘一温关系) 来表达。评价沥青与石料 粘附性的方法有：浸静态水法、水煮法以及光电分光光度法。评价沥青耐久性的方法 有室内加速老化试验法、自然老化试验法和沥青薄膜烘箱加热试验法。评价沥青延展 性的方法有延度试验以及沥青老化后延度试验。( 2 ) 集料：集料分粗集料和细集料。 粗集料可采用碎石、破碎砾石及矿渣等。细集料一般采用天然砂、人工砂或石屑。集 第一章绪论 料的物理特性通过下列指标进行确定：尺寸与级配；洁净度有害物；韧度硬度；耐久 性坚固性；表面构造：颗粒形状；吸水性；对沥青的亲和性伯1 。集料的物理性能要求 应满足相应的规范要求。( 3 ) 填料：沥青混合料的矿粉采用石灰岩或岩浆岩中的强基 性岩石等憎水性石料经磨细得到的矿粉，原石料中的泥土杂质应除净。矿粉应干燥、 洁净，能自由地从矿粉仓流出，其质量应符合规范的技术要求n 1 。 2 沥青混合料常见类型 常见的沥青混合料类型有a c 型、a k 型、a m 型、a t b 型、s m a 型、o f g f c 型等。各种类型的混合料设计在不同的结构层中发挥着不同的功能，确保沥青路面的 使用性能。( 1 ) a c 型即密级配沥青混凝土，其级配是以最大密实理论为设计原则。 混合料的强度和稳定性主要取决于沥青与矿料之间的粘聚力，因此，受沥青的性质影 响较大，结构高温稳定性差，因其粗集料少、细集料多而呈现悬浮式结构，其表面不 够粗糙。因此，a c 型在高等级公路的上面层已很少采用，目前a c 型主要因为其结 构密实、设计空隙率小，对密水性起到一定作用，路面的水稳定性较好，而常用于沥 青混凝土中、下面层。( 2 ) a k 型是一种介于骨架密实型与骨架半空隙型的沥青混凝 土结构，由于以粗集料为主，所以防滑性能好，但是，a k 结构的设计空隙率大 ( 4 8 ) ，易出现渗水现象，使用效果不佳，近年来己进行了级配调整，控制设计空 隙率在4 后，渗水性减小，可获得粗糙密实的抗滑效果，是高速公路上面层最常采 用的结构形式。( 3 ) a m 型为半开级配沥青稳定碎石，a t b 型为密级配沥青稳定碎石， 二者均属于沥青稳定碎石，以空隙率、添加矿粉多少、集料最大粒径的不同而加以区 分。沥青稳定碎石作为基层多用于和半刚性底基层组合结构。这样的结构使半刚性材 料的应变减小，受温度、水分等环境影响减小，有效防止反射裂缝的产生。( 4 ) o g f c 即排水表面层开级配沥青混合料，其特点有：路面表面粗糙，构造深度大，抗滑性能 高；大空隙构造具有很好的排水功能，故路面在雨天表面不积水，防止了高速行车车 辆形成“水漂”的可能性；雨天车辆行驶时不会产生溅水和水雾现象，车辆行驶视线 好，大大提高雨天行车的安全性；可有效的降低噪音，在雨天条件下，排水沥青路面 会有非常明显的降噪效果。主要用于高等级公路面层。( 5 ) s a m 是沥青玛蹄脂碎石混 合料，这种类型的混合料是由沥青结合料与少量的纤维稳定剂、细集料以及较多量的 填料( 矿粉) 组成的沥青玛蹄脂，填充于间断级配的粗集料骨架的间隙，组成一体形成 的盯1 。具有耐磨抗滑、空隙率小、抗疲劳、高温抗车辙、低温抗开裂、构造深度较大 的优点，多用于高等级公路的表面层。 2 长安大学硕上学位论文 3 路用性能的检验 目前沥青混合料的路用性能评价主要有参照高温稳定性、低温抗开裂、水稳定性、 抗疲劳性。耐老化性等几个方面。( 1 ) 当沥青混合料在高温条件下承受荷载时，容易 产生推移，拥包，车辙等永久变形。其中车辙在沥青路面的破坏形式中危害非常大。 为了检验混合料的高温稳定性，我国的公路沥青路面施工技术规范采用车辙实验来评 估其抗车辙性能。( 2 ) 开裂是沥青路面的主要破坏形式之一。当温度骤降时，沥青混 合料的应力松弛模量增大，应力松弛性能降低，抗拉强度随之降低。当温度应力大于 极限抗拉强度时，就会产生温缩裂缝。如果反复出现开裂愈合的情况，还会产生疲劳 开裂。规范推荐以弯曲试验检验沥青混合料的低温抗开裂性。( 3 ) 沥青混合料在水或 者冻融循环与汽车荷载综合作用下，易产生松散、推挤变形等损坏。影响水稳定性因 素主要有空隙率和沥青用量。规范规定，必须对沥青混合料进行浸水马歇尔实验和冻 融劈裂实验以检验水稳定性。( 4 ) 耐老化性直接影响到沥青混合料的使用寿命，除了 与所使用的材料有关外，还与沥青混合料本身的性质有关。我国采用旋转薄膜加热试 验评价其耐老化性。 综上所述，沥青混合料的力学性质主要取决于沥青的性质、矿料的性质、粘结矿：二 料的沥青膜的厚度以及矿料与结合料相互作用的性质。沥青混合料的结构取决于矿物 骨架结构、沥青胶结料种类与数量、矿料与沥青相互作用的特点以及沥青混合料的密 度以及毛细空隙结构特点等。不同级配可形成不同结构不同类型的沥青混合料，其物 理一力学性质也不同。因此，针对不同的路面需求而确定沥青混合料合理的集料级配 工作就显得尤为重要。 1 2 沥青混合料组成设计现状及问题的提出 目前我国热拌沥青混合料的配合比设计应通过目标配合比设计、生产配合比设计 及生产配合比验证三个阶段，并确定沥青混合料的材料品种、矿料级配、最佳沥青用 量。在目标配合比阶段，根据设计文件中结构层的要求，选择相应的合格材料，先进 行矿料级配比计算，找出最佳状态的配合比。在生产配合比设计阶段，使用实际施工 中所采用的沥青混合料拌和设备进行生产配合设计。试验前，首先根据路面结构的级 配类型，选择适当尺寸的振动筛。在生产配合比验证阶段，通过实际施工对预期结果 的验证，同时也对施工单位制定的施工方案的检验，检验期拌和、运输、摊铺、碾压 工艺等的可行性和设备的匹配情况。并整理出该阶段的所有数据，进行对比分析，若 第一章绪论 有指标不到规范要求，应对生产配合比或有关工艺做出调整，直至达到设计要求。 在三个阶段当中，对级配设计方法的研究主要是针对目标配合比设计阶段的。目 前我国的沥青混合料组成设计中，传统方法是马歇尔法h 1 。马歇尔法是通过室内试验， 对稳定度、流值与密度、饱和度、空隙率进行分析，提出适合的沥青混合料配合比1 。 此法的优点是它注意到沥青混合料的密实度与空隙的特性，通过分析以确保设计结果 中沥青混合料有适当的空隙率。由于马歇尔试验方法所需的设备价格低廉，使用方便， 不仅可以为研究单位所拥有，并且在一线的广大施工单位也可以作为施工质量控制的 常备工具h 1 。随着公路建设事业的发展，各个国家根据自己的具体情况对其技术指标 进行了多次修改和完善。 除马歇尔法外，目前还有多种沥青混合料设计方法。由美国s h r p 研究的高性能 沥青路面s u p e r p a v e 沥青混合料设计方法是当今世界目前最先进的全面基于路用性能 的沥青混合料设计分析体系。此体系规定了沥青胶结料与矿物集料的性质，进行了沥 青混合料的设计方法优化并分析了路面的性能。体系包括采用新的胶结料物理特性试 验的沥青胶结料规范；一系列集料试验及其规范；一个热拌沥青混合料设计和分析体系 以及集成体系各部分的计算机软件n 1 。无论采纳了哪种设计方法，都需要现场进行控 制检测，以保证现场生产的混合料符合实验室设计的要求。s u p e r p a v e 体系中沥青混合 料的试验是在更能体现实际服务状况下的温度和老化条件下进行的。s h r p 研究人员 还开发了新的设备以及结合其它领域使用的设备来进行胶结料试验。s u p e r p a v e 混合料 设计与分析系统采用不断增加试验严酷程度和分析的严密性，为路面项目提供了性能 优越的混合料。s u p e r p a v e 混合料设计方法包括：谨慎地进行材料选择和体积试配。 s u p e r p a v e 沥青混合料设计的四个步骤为：( 1 ) 材料选择；( 2 ) 设计集料结构选择；( 3 ) 设计沥青胶结料含量选择；4 混合料水敏感性评估。在s u p e r p a v e 实施过程中遇到的最 大问题是缺少混合料物理特性测试手段以区别不同质量的混合料佃1 。 s u p e r p a v e 的沥青混合料设计方法，以其对沥青材料和混合料都是从性能上作为考 虑问题的出发点，设计成果在某种程度上预测沥青路面的使用性能，因而比马歇尔设 计方法有着很大的进步。然而，由于s u p e r p a v e 设计方法需要昂贵的设备和大量的气 象资料，以及试验工作量大，试验比较复杂等问题，这些试验一般也只适合于研究单 位，工程单位实际很少应用。另外该设计方法依然存在实践验证的问题。因此，该方 法真正推广应用还需要一个过程。 德国的沥青玛蹄脂碎石混合料s m a 是当前国际上使用较多并公认的一种抗变形 4 长安大学硕士学位论文 能力强和耐久性好的沥青面层混合料。其级配组成具有明显的特点：采用多含量断级 配的粗集料形成高稳定性( 高抗变形能力) 的结构，粗集料互嵌锁组成“骨架”。同时由 低含量的细集料和较高含量的矿粉填料和沥青加稳定添加剂形成沥青砂胶填充集料空 隙，并将集料胶接在一起，而且有富余。这种组成方式使混合料具有较好的柔性和耐 久性，因此s m a 尤其适用于高温、重载、量大的交通环境。然而在s m a 沥青混合料 的配合比设计，国际上尚无公认的成熟方法。现在普遍认为马歇尔试验方法仍可部分 地用于s m a 混合料设计。德国的s m a 标准中，马歇尔试验仅作为参考。澳大利亚 a u s t r o a d s 混合料设计手册规定用搓揉试验机成型试件，搓揉8 0 次后测定混合料 指标；澳大利亚规范则明确规定，在马歇尔试验的基础上，必须进行谢伦堡析漏试验 和肯塔堡飞散试验进行验证呻1 。 公路沥青路面施工技术规范中规定，在实际的沥青混合料设计中，无论使用以上 那种设计方法，都应按规范规定进行马歇尔试验及配合比设计检验。而试验会遇到大 量重复性工作，试验周期长的问题。特别是若需要同时进行若干个级配的试验，会使 试验周期拉得过长。从沥青混合料组成结构分析可以看出，沥青混合料中组成结构最 稳定的是骨架密实结构，对于一般沥青混合料来说，集料构成混合料的骨架，这种骨 架的强弱将直接影响混合料的性质，然而，我们如何能得到一个强有力的骨架呢? 并 非所有的级配都可以形成好的骨架，沥青混合料试件经压实成型后，通常用目测的方法 经验地判断集料骨架排列情况，各种压实方法之间的比较也只能通过试件平均压实密 度间接地反映压实效果，这一方法不仅不全面，而且可能产生与实际情况完全不同的结 果。同时，通过间接的方法调整级配使之形成骨架也是繁琐困难的。若有一套直接而 可视化的集料级配设计软件则可以给设计人员提供指导性的帮助。 因此，如何减少试验工作量，充分利用计算机运算迅速、执行能力强、使用方便的 特点为设计人员提供方便的使用环境和可靠的设计结果，是值得积极探索的问题。随 着计算机应用的不断普及，计算机技术在公路工程建设中发挥的作用也越来越大，相 应的工程设计软件也相应的产生了。 在国内方面，近几年人们对计算机技术在公路建设中的应用也越来越重视。研究 人员曾尝试在技术和经济方面对矿料组成设计的优化问题进行过一些研究，而且提出 了利用计算机技术来辅助公路设计，并有了实际的进展。例如常州市政工程管理处的 魏晓静等使用a u t o c a d 设计沥青混凝土级配的方法，该方法采取多套循环的手段对 矿料组合进行工程设计，并且能够减少运算次数，提高运行速度，用以往的计算经验 5 第一章绪论 为依据，以缩小循环变量范围；广州市政工程维修处吉山沥青拌和厂的张有发曾作的 沥青集料配合比的计算机辅助设计，其程序使用线性方程求解方法进行混合料的配合 比的设计，具有即时显示合成级配、界面直观、形象等优点；长安大学姚爱玲、孙治 军、王有德开发了沥青混合料配合比优化设计系统，该系统采用面向对象建模技术设 计方法进行设计，用“结构分析法 对系统进行了分析，并通过实例验证了矿料组成 优化设计方法的先进性、合理性。以生成曲线图和造价表的方式，形象直观的提供多 种比选方案，为设计人员提供参考；长安大学王建明在综合分析现有矿质混合料配合 比组成设计的基础上，提出以最低成本、最佳级配和造价一级配协调指数为优化目标 的多重优化方法，建立以线性规划、非线性规划为基础的数学模型和计算机求解方法； 长安大学盛晓军、鲁华征、陈星光提出了基于b u r g e r s 的流变模型，利用中心差分法 建立并推导沥青结合料的离散元模型，并可使用二维颗粒流模拟程序( p f c 2 d ) 实现从数 值上预估沥青结合料的流变特性；湖南大学赵明华通过对各种矩阵计算方法及集料级 配组成原理的分析，提出h o u s e h o l d e r 镜像映射法解决集料级配组成设计的优越性及 其计算公式，并编制程序实现；辽宁交专的孔繁星开发沥青混合料配合比设计程序， 旨在实现以人机交互为原则的级配调整和打印数据程序u0 。 然而，在计算机的可视化模拟矿料颗粒随机排列软件开发方面，既有的软件功能 并不完善。如果在计算机上开发一套辅助的可视化沥青混合料设计程序，将沥青混合 料的设计过程能够在计算机上模拟出来，使得设计人员能够在开始试验之前运用软件 获得设计方面的信息，并在设计过程中提供更多的方便，而且使设计人员可以直接判 断所设计级配的集料骨架形态，从而提高沥青混合料配合比设计的效率，减少试验量， 同时给出推荐的沥青用量，在推荐沥青用量范围之内进行方案设计。那么就能在设计 生产中带来更多的效益，提供更多的方便。 1 3 研究内容及意义 本文针对沥青混合料设计过程耗时长、试验重复性大的问题，考虑到计算机运算 能力强、计算精度高、运算参数方便修改的特性，利用编程语言设计一套利用计算机 对矿料级配的设计过程进行辅助的软件。当设计人员给定一组集料级配信息时，该软 件通过从实际向虚拟的转化，能够对沥青混合料集料的结合方式进行模拟并随机排列， 以二维图形的方式显示出矿料颗粒之间的组合方式。进而将排列结果以模拟图显示出 来，该图以直观的形式反映出矿料之间是否形成骨架，细集料填充情况等信息。可供 6 长安大学硕上学位论文 及时调整以提高设计速度，在沥青混合料的设计过程中提供方便的预览功能。进而从 局部的结合情况归纳到整体，以模拟结果为基础估算出沥青混合料设计中的相关参数， 可以为工程设计人员提供一定的设计参考。考虑到计算机的广泛普及，编制该软件时 选择兼容各类主流系统环境的编程软件，在设计时以直观、方便、简单易上手为原则。 进行更为直观的可视化显示，可为集料组成设计提供极大方便。而计算机辅助设计的效 率高，计算结果可靠，使合成级配更合理，可以减少不必要的拌和过程，减少了资源浪费。 并为实现厂拌设备拌和混合料提供了方便，从而提高了经济性。因此，沥青混合料设计 软件为道路材料研究提供了便捷的工具，研究计算机对于矿料级配及沥青混合料的辅 助功能，具有很强现实意义。 从上述思路考虑，本文将对以下内容进行研究： 以v i s u a lb a s i c 为编程语言，开发并完善使用方便，运算准确率高，实用性强的 沥青混合料可视化辅助设计系统，并对系统进行优化。具体包括： 1 集料排列模拟图的实现研究。通过对比目前的各种级配设计理论，以级配理论 为依据指导研究实际的沥青混合料集料之间的堆积特性与填充特性。并且建立可用于 程序模拟的数学模型。对集料颗粒出现的方式进行分析，应用随机排列理论对随机生 成颗粒排列技术为系统提供理论依据。用计算机可视化成像技术，生成直观的混合料 中集料排列模拟图。 2 矿料间隙率预估功能的实现研究。根据生成图形的状态，计算出模拟对象的矿 料间隙率( v m a ) 。选取一定的级配为运算对象，通过预估矿料间隙率与实际矿料间 隙率横向纵向的对比，评价预估的准确率。 3 以现有的沥青用量计算方法为基础，研究适用于计算机软件的计算方法。对生 成的空隙率数据和级配情况进行分析给出推荐的沥青用量。将计算沥青用量与实际沥 青用量进行对比，分析沥青用量预估功能的实现情况。 4 实际运用沥青混合料可视化辅助设计系统对多种级配情况进行运算，并将生成 的模拟图与实际沥青混合料截面对比，通过对集料结合情况、矿料间隙率、沥青用量 的分析，验证沥青混合料可视化辅助设计系统的可靠度，得出软件的工程意义和实用 价值。 7 第二章可视化辅助设计系统的设计理论 第二章可视化辅助设计系统的设计理论 本章中通过沥青混合料可视化系统开发应用的两个重要理论( 沥青混合料强度理 论和随机排列理论) 的分析，为建立成计算机模拟的数学模型提供技术支持。 2 1 沥青混合料的组成结构及强度形成 沥青混合料的强度与材料的组成比例、材料性质、拌和成型情况有关。作为一种 复合型材料，是由适当用量的沥青材料与适当比例的粗集料、细集料及填料在一定的 温度下，经过充分拌和而形成的。根据混合料的组成材料质量差异和数量的多少，混 合料可以形成不同的组成结构，其强度形成也有很大的差异。沥青混合料的使用性质 主要取决于沥青的性质、矿料的性质、粘结矿料的沥青膜的厚度以及矿料与结合料相 互作用的性质。沥青混合料的结构取决于矿物骨架结构、沥青胶结料种类与数量、矿 料与沥青相互作用的特点以及沥青混合料的密度以及毛细空隙结构特点n 。矿物骨架 结构是指沥青混合料中矿物颗粒在空间的分布情况。由于矿物骨架本身承受大部分的 内力，因此骨架应当由坚固的颗粒所组成，并且形成骨架的颗粒之间的结合应当是从 分嵌挤的。沥青混合料的强度，在一定程度上取决于内摩阻力的大小，而内摩阻力又 取决于矿物颗粒的形状、表面特性、岩石性质和矿物骨架的结构等。压实成型的沥青 混合料具有粘弹性或粘弹塑性，主要因为沥青矿粉结构是起着粘结料的作用。这种 胶凝结构特点为：固体颗粒通过液相的沥青薄膜粘结于一体。该胶凝结构的强度由固 体颗粒与沥青薄膜之间的分子力提供( 即粘聚力) 。因此胶凝结构具有被力学破坏后结 构触变性复原的特点。而沥青薄膜的厚度起着很大的作用：随着沥青薄膜的厚度减小 其分子力增大。即混合料的粘稠度增加，其结构将形成更高的强度。而且作为液相介 质的沥青，其本身的性质对该体系结构的性质有很大影响。对于不同级配组成的沥青 混合料，由于其具有不同的空间结构类型和沥青用量，也就具有不同的粘聚力和内摩 阻力。因此沥青混合料的级配组成对其强度又起着举足轻重的作用。 在研究沥青混合料组成结构中主要形成了两种理论。( 1 ) 表面理论( s u r f a c et h e o r y ) 根据传统观念，沥青混合料是由粗集料、细集料以及填料经人工组配成密实的级配矿 质骨架，而矿质骨架由稠度较稀的沥青混合料分布在其表面上，将骨架胶结成一个有 一定强度的整体。( 2 ) 胶浆理论( m o r t a rt h e o r y ) 随着对沥青混合料组成结构的深入认识， 某些研究从胶浆理论出发，认为沥青混合料是一种多极空间网状结构的分散系。它是 8 长安大学硕上学位论文 以粗集料为分散相而分散在沥青砂浆中的介质中的一种粗分散系；而胶浆又是以填料 为分散相而分散在高稠度的沥青介质中的一种微分散系。目前这一理论比较集中于研 究填料的矿物成分、填料的级配以及沥青与填料内表面的交互作用等因素对混合料性 能的影响等。同时这一理论的研究比较强调采用高稠度的沥青和大的沥青用量，以及 采用间断级配的矿质混合料。 按沥青混合料强度构成原则的不同，其结构分为按嵌挤原理构成的结构和按密级 配原理构成的结构两大类。按嵌挤原理构成的沥青混合料，要求采用较粗的、颗粒尺 寸较均匀的骨料，沥青在混合料中起填隙作用，并把骨料粘结成为一个整体。这种材 料的结构强度主要依赖于骨料颗粒之间相互嵌挤所产生的内摩阻力，而对沥青的粘结 作用依赖性不大，沥青贯入式、沥青表面处治均属于此类结构。这些沥青混合料的性 能受温度的影响相对较小。按密级配原理构成的沥青混合料，是指骨料和沥青按最大 密实原则进行配合以后而形成的一种材料，其强度构成是以沥青与骨料之间的粘结力 为主、以骨料颗粒间的嵌挤力和内摩阻力为辅而构成的。沥青混凝土即属于此类，这 种路面的性能受温度的影响相对较大。 通常沥青一集料混合料根据网络结构中“嵌挤成分”和“密实成分”所占比例的不 同，沥青混合料的组成形态有三种典型结构类型，即：悬浮密实结构、骨架空隙结构、 骨架密实结构，如图2 1 。 ( a )( b )( c ) 图2 1 三种典型沥青混合料结构组成示意图 ( a ) 悬浮密实结构( b ) 骨架空隙结构( c ) 骨架密实结构 ( a ) 悬浮密实结构：当采用连续型密级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合料时， 按粒子干涉理论，为避免次级集料对前级集料密排的干涉，前级集料之间必须留出比 次级集料稍大的空隙供次级集料排布。按此组成的沥青混合料虽然可以获得很大的密 实度，但是各级集料均被次级集料所隔开，不能直接靠拢而形成骨架，有如悬浮于次 9 第二章可视化辅助设计系统的设计理论 级集料及沥青胶浆之间。这种结构的沥青混合料常见于就是我国规范中的a c 型结构， 它具有良好的抗渗性能，但内摩擦角由较低，其高温稳定性( 即抗车辙能力和抗水平 荷载推挤能力) 和抗滑性能都比较差。 ( b ) 骨架空隙结构：当采用连续型开级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合料 时，由于这种矿质混合料递减系数较大，粗集料所占的比例较高，细集料则很少，按 此组成的沥青混合料，粗集料可以互相靠拢形成骨架，但由于细集料数量过少，不足 以填满粗集料之间的空隙。因此形成“骨架一空隙”结构，如我国规范中的a m 型、o g f c 排水性沥青路面等都是这种结构，此类结构虽然具有较高的内摩擦角巾，但粘结力c 较低，抗渗性能很差。 ( c ) 骨架密实结构：当采用间断型密级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合料时， 由于这种矿质混合料断去了中间尺寸粒径的集料，既有较多数量的粗集料可形成空隙 骨架，同时又有相当数量的细集料可填密骨架的空隙，因此形成“骨架一密实”结构， 这种结构不仅具有较高的粘结力c ，而且具有较高的内摩擦角由，s m a 就属于这种结 构，但这种结构沥青用量较多，沥青质量要求高，通常要求改性沥青，并掺加一定量 的木质素纤维，因而造价比较高。 2 2 级配理论 矿料的级配，指的是矿质混合料中不同粒径颗粒之间的搭配关系。一个良好的级 配应该是在满足高温稳定的条件下矿料空隙率最小，比表面积不太大，矿料与沥青相 互作用较好，以保证矿料之间处于最紧密的状态，获取最好的使用品质。目前的级配 理论主要有以下几种： 1 最大密实度理论 为了达到最大的密实，w b 富勒( f u l l e r ) 提出了最大密实曲线，即在试验的基础 上提出的一种理想曲线。他认为，固体颗粒按粒度大小，有规则地组合排列，粗细搭 配，可以得到密度最大、空隙最小的混合料。初期研究的理想曲线是：细集料以下的 颗粒级配为椭圆形曲线，粗集料为与椭圆形曲线相切的直线，由这两部分组成的级配 曲线，可以得到最大的密度。由于这种曲线计算复杂，后简化为“抛物线最大密度理想 曲线”，即认为“矿料颗粒级配曲线愈接近抛物线，其密度愈大”1 1 2 | o 其表达式为： p x - 1 0 0 詈 q - 1 ) 1 0 长安大学硕士学位论文 式中：p x 粒径为d 的集料的通过百分率( ) ； d 集料的最大粒径( i i u n ) 。 之后a n 泰波( t a l b 0 1 ) 把富勒公式发展成n 幂公式，即： 。瑚( “ ( 2 2 ) 式中：p x 、d 的意义同式( 2 1 ) ； 当式( 2 - - 2 ) 中的n = 0 5 时即为富勒曲线。根据泰波的理论分析认为n = 0 3 0 7 间具有较好的密实度。但不论n 值是多少，上述理论都是建立在以下两个假设基础 上的：假设基本颗粒为规则的球体；假设同一分级颗粒都相等。在应用于连续级 配的沥青混凝土时，还包含了另外的一个假设：混合料密度越大，则其对应的工程性 粒子干涉理论是由c a g 魏矛斯( w e y m o u t h ) 提出的，具体为：为达到最大密度， 前一级颗粒之间的空隙应由次一级颗粒所填充，其余的空隙又由再次一级的颗粒所填 充，以此类推。但填隙的颗粒不得大于其间隙的距离，否则大小颗粒之间势必发生干 涉现象n 刳。粒子干涉理论同样是以追求最大密度为目的，而且采用与最大密度曲线理 为了避免干涉，大小集料颗粒之间应按一定的数量分配，并从i 临界干涉情况下导 f 悯“3 一 d 亿3 ， 当处于临界干涉状态时，t = d ，则上式可改写为如下形式： 舻奇d ( 2 4 ) l 式中：f 前粒径的间隙距离； 次粒级的粒径； 第二章可视化辅助设计系统的设计理论 前粒级的粒径； d 次粒级的理论实积率( 实积率即堆积密度与表观密度之比) ； d 次粒级的实用实积率。 通常最大密实度理论用于计算连续级配，而粒子干涉理论既可用于计算连续级配 又可用于计算间断级配。 3 紧密堆积与填充理论 沥青混合料中粗集料的排列特征和级配对混合料的体积特性有着较大的影响，甚至 起着决定性作用。从沥青混合料组成结构分析可以看出，沥青混合料中组成结构最稳定 的是骨架密实结构，这也是实现其优良路用性能的必要条件。为了较好的研究沥青混合 料的体积特性，有必要对不规则形状颗粒排列与填充的体积特性进行理论研究。显然同 一粒径的立方体颗粒按照一定的规则进行排列，得到的空隙率最小；但集料是不规则颗 粒，在混合料中的排列也是不规则的。为了方便研究，将球体代替不规则的矿料颗粒。 因为当颗粒数足够多时，球体的排列填充关系与不规则矿料颗粒的排列关系相似。下面 将借助对球体体积特性的研究来探讨集料的体积特性。 理论上来讲，相同粒径的球体排列形成的空隙率与其粒径大小无关，而取决于其不 同的排列方式或个数。 当以无限多个同粒径球体放进无限大的容器中，按照平排方式排列，其间隙率为 形= 学= 4 7 6 ( ) ；按照错排方式排列，其间隙率为= 与嬲- 2 5 9 ( ) o 这种排列属同粒径球体未被次一级球体填充或干涉时按不同排列方式能够达到的最小间 隙率。但是，对于同粒径球体按上述方式排列后，如果以适当尺寸的小球体填充到大球 体之间的空隙，可使间隙率下降。间隙率下降的程度随填充球体的方式和数量的不同而 不同，这就是级配的填充理论。 下面列举几种典型的球形排列方式与空隙率的关系，见表2 1 。 1 2 长安大学硕上学位论文 表2 1 几种典型球形排列与填充空隙率关系 空隙率 排列图示排列说明计算式 ( ) d 3 一万d 3 6 踞 平排，球心连成正方形 4 7 6 d 3 圈 8 个大球中间填充一个相切的小球， l 一佰栅等 - 3 2 功3 2 7 直径为0 7 3 2 d 蘧 错排，球心连成等边三角形。上一 一揣 2 6 层球心在下一层的间隙处 婚 每8 个大球中填一个与6 个大球相 切的小球直径为0 4 1 4 d ，2 个与四 t 佰栅佰“n 4 等；筹煳佰蚋。2 2 5 研3 1 9 个大球相切的小球直径0 2 2 5 d 岛 大球平排，填充小球也平排 0 4 8 2 2 3 鼬 大球错排，填充小球平排0 4 80 2 6 1 2 5 魏 大球错排，填充也小球错排0 2 6 2 6 7 5 根据六方最紧密堆积理论，6 个球围成四角孔，4 个球围成三角孔。基本的直径球称 为1 次球( 半径r 1 ) ，填入四角孔中的最大球称为2 次球( 半径r 2 ) ，填入三角孔中的最大 球称为3 次球( 半径r 3 ) ，其后，再填人4 次球( 半径r ：4 ) ，5 次球( 半径r 5 ) ，最后以极小的 等径球填入残余的空隙中，这样就构成最紧密的堆积。见表2 2 r 2 4 。 表2 2 六方紧密堆积与空隙率关系 球序球径相对个数堆积率空隙率 1 次球 r ll7 4 0 62 5 9 4 2 次球r 2 = 0 4 1 4 r l l 7 9 32 0 7 3 次球 r 3 = 0 2 2 5 r l28 l1 9 4 次球r 4 = 0 1 7 7 r l88 4 21 5 8 5 次球 r 5 = 0 1 1 6 r l88 5 11 4 9 极小极多 9 6 13 9 第一二章可视化辅助设计系统的设计理论 综上球体的排列和填充可得到如下结论： ( 1 ) 相同粒径的球体排列时，空隙率与其粒径的大小无关，仅与排列和填充方式有 关； ( 2 ) 间断填充比逐级填充得到的空隙率更小，故间断级配比连续级配能形成更小的 骨架间隙率，具有更加密实的骨架结构； ( 3 ) 利用逐级填充理论设计集料级配，其骨架间隙率与填充方式和各级集料的填充 比例相关n 伽。 上述的级配理论各有不同的特性： ( 1 ) 最大密实度理论：提出的级配曲线计算方法，但只考虑密度最大，而强度由 结合料来形成，宜产生永久变形，不适应现代交通抵抗高温、重载超载引起的永久变 形的要求。 ( 2 ) 粒子干涉理论：提出了颗粒间产生干涉的临界状态，为避免粗细集料间的相 互干涉、使设计骨架结构级配成为可能。 ( 3 ) 紧密堆积与填充理论：通过对矿料颗粒之间的排列方式研究，进一步探索了沥 青混合料集料的体积特性。明确了颗粒不同的填充方式与空隙率之间的联系。也为本软 件的可行性提供了理论依据。 综上所述，沥青混合料中集料的颗粒排列方式是决定其强度的重要标准。经验 丰富的设计人员能够根据结构判断出沥青混合料路用性能的优劣。如果在设计时可以 全面直观的了解矿料间形成的整体结构，优化级配方法，就能够使级配设计更加合理 和有效。因而拥有显示集料颗粒的组合关系功能的软件开发工作极具意义。 2 3 矿料颗粒排列的数学模型 沥青混合料在拌和过程中，矿料颗粒间的接触和组合过程是随机分布的。即使级 配完全一样，拌和过程也没有差异的两个试件，其内部的颗粒组成排列也不会一样。 因此，研究矿料颗粒的随机分布规律，才能科学合理的模沥青混合料拌和成型后的状 态。将模拟的矿料组成结构图通过计算机成像技术显示出来，是沥青混合料可视化辅 助设计系统重要组成模块之一。 实际上，混合料中的矿料颗粒形状不同，大小各异。要想完全反映出其真实的排 列情况几乎不可能。贝雷法中将矿料假设为球体，混合料通过粗集料颗粒之问嵌挤形 成骨架，通过细集料填充空隙。通过多种指标描述级配的各档料比例情况。从建模的 1 4 长安大学硕士学位论文 角度看，这种模拟方式可以在一定程度上反映混合料的结构形成情况。 然而，混合料中各颗粒具体的结合情况是随机的，仅从整体粗、细集料的比例上 评价混合料各颗粒堆积组合情况是有局限性的。因此软件通过随机排列的方式模拟混 合料，更能够准确和直观表示颗粒分布情况。 为了研究随机过程，人们通过随机试验的方法找出随机过程的规律。以透过表面 的偶然性描述出内在的必然性。并用概率的形式来描述这些随机现象的规律。随机试 验必须满足以下条件：( 1 ) 试验可以在相同条件下重复进行；( 2 ) 试验的所有结果可