基于试验与仿真的沥青混合料热物性参数预测研究

作     者：牟馨睿 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱洪洲;钟芸

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：沥青混合料 细观建模 数值模拟 导热系数 比热容 

摘      要：沥青路面温度场分析中的关键热物性参数导热系数和比热容,直接影响路面结构内部热量的传递速率和温度变化幅度。而沥青混合料作为非均质材料,导热系数与比热容显著受到原材料特性及其材料配比比例的影响。尽管目前热物性参数的测试技术不断进化,但仍存在难以准确控制具体参数变量与试验成本大的局限性,通过编程生成沥青混合料细观模型进行数值模拟,可以更灵活方便地调整各种参数和条件、模拟不同的工况。为准确掌控沥青混合料原材料的变化,基于随机凹凸骨料建立了沥青混合料细观模型,通过数值模拟对沥青混合料的导热系数与比热容进行了计算分析,主要研究内容与结论如下: (1)通过瞬态平面热源法测试了沥青、集料以及沥青混合料的导热系数与比热容,由结论可知沥青混合料导热系数与比热容的变化趋势同原材料的变化趋势相似,且均与温度呈正相关关系。 (2)建立了包含骨料、空隙、沥青砂浆的三维沥青混合料的细观建模。该方法能够较好的模拟实际的骨料形状,达到较高的骨料投放率,最高投放率接近65%,通过对比骨料体积预设值与实际模型生成的骨料体积,其相对误差在6%以内,证明了该方法的可靠性。 (3)进行沥青混合料细观模型的热传导仿真模拟。以陈则韶模型作为沥青砂浆导热系数的计算公式,加权平均法计算沥青砂浆的比热容,通过傅里叶定律和能量守恒定律推导沥青混合料导热系数与比热容的均匀化计算公式。其有限元结果与实测结果对比,导热系数相对误差均小于6%,比热容误差在15%以内,因此认为模型是有效的。 (4)汇总整理国内外研究中沥青与集料的导热系数与比热容,通过调整细观模型比例及其内部材料属性,研究空隙、骨料以及沥青对沥青混合料导热系数及比热容的影响规律,通过正交试验得出影响因素大小的排序,导热系数:骨料导热系数油石比空隙率粗骨料体积分数沥青导热系数;比热容:骨料比热容油石比沥青比热容粗骨料体积分数空隙率。采用线性回归公式与MLP神经网络建立了模型预测,通过对比试验实测值与模型预测值对比了两种模型的精度及泛化能力。 因此,以期为今后沥青混合料材料的选择提供一定的参考依据,对路面温度场的相关研究具有一定价值,同时并为优化路面设计、改进施工工艺以及提高路面使用性能提供一定指导依据。