一种基于旧沥青路面实际特性的铣刨作业参数优化方法与流程

本发明涉及道路工程技术领域，具体涉及一种基于旧沥青路面实际特性的铣刨作业参数优化方法。

背景技术：

近年来，我国公路交通事业取得了飞速的发展，沥青路面已经成为我国道路发展的主要方向，但每年都有大部分沥青路面需要进行大中修养护，而铣刨作业是沥青路面的大中修工程中一个主要的施工环节。但目前在我国的铣刨作业中，针对各种不同的老化程度、不同类型的沥青混合料均采用一样的铣刨作业方法，而未考虑旧沥青路面的实际性能指标，因此，易造成过多的石料在铣刨过程中被打碎，或者铣刨下来较多的沥青混合料团块。导致铣刨料的规格性能难以保证，同时在铣刨过程中，由于缺乏相应合理的铣刨作业方法，造成铣刨机的磨损也是当下亟需解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于旧沥青路面实际特性的铣刨作业参数优化方法，该铣刨作业参数优化方法能更真实的模拟旧沥青路面性能，达到一种理想的铣刨效果，为旧沥青路面的铣刨提供更加准确的铣刨作业参数，提高旧沥青路面中原料的回收率，降低对铣刨机刀具的损害，提高旧沥青路面的铣刨效率，降低铣刨成本。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种基于旧沥青路面实际特性的铣刨作业参数优化方法，包括以下步骤：

步骤1，旧沥青路面调查取样分析

对旧沥青路面进行调查取样，确定旧沥青路面的服务年限和旧沥青路面的集料级配、集料密度、基质沥青型号、矿粉与改性沥青质量比、改性沥青与集料的质量比、改性剂的种类、改性剂的剂量；

步骤2，制备老化沥青

选取与步骤1中所确定的旧沥青路面相同的基质沥青和改性剂，使用所述改性剂对所述基质沥青进行改性，得到改性沥青，根据步骤1所确定的旧沥青路面的服务年限对所述改性沥青进行rtfot沥青旋转薄膜加热试验，得到老化沥青；

步骤3，单轴压缩试验

将所述老化沥青与集料、矿粉制成老化沥青混合料标准试件，并对所述老化沥青混合料标准试件进行单轴压缩试验，确定所述老化沥青混合料标准试件的抗压强度、回弹模量和应变；所述集料的级配与步骤1中所确定的集料的级配相同，所述矿粉与步骤1中所确定的矿粉的种类相同；

步骤4，建立虚拟沥青混合料模型，包含以下步骤：

子步骤4.1，利用pfc软件根据步骤1所确定的集料的级配和密度生成颗粒，得集料模型；

子步骤4.2，设置接触模型参数，模拟老化后的沥青混凝土胶浆的力学性能，建立接触模型；

子步骤4.3，利用pfc软件将所述接触模型导入所述集料模型中，建立虚拟沥青混合料模型；

步骤5，单轴压缩模拟试验

对所述虚拟沥青混合料模型进行单轴压缩模拟试验，确定所述虚拟沥青混合料模型的抗压强度、回弹模量和应变；

步骤6，校正虚拟沥青混合料模型

对虚拟沥青混合料模型反复进行单轴压缩模拟试验，调节所述虚拟沥青混合料模型的接触模型参数，直至虚拟沥青混合料模型的抗压强度、回弹模量和应变值与所述老化沥青混合料标准试件的抗压强度、回弹模量和应变值在误差范围内，则所述虚拟沥青混合料模型成立；

步骤7，铣刨作业参数的优化

绘制铣刨刀具，利用pfc软件将所述铣刨刀具导入所述虚拟沥青混合料模型中，模拟旧沥青路面的铣刨过程，确定所述铣刨刀具受力最小时铣刨刀具的切入角、切削深度和切削速度。

优选的，步骤2中，所述改性剂的剂量与步骤1中所确定的改性剂的剂量相等。

优选的，步骤4和步骤6中，所述接触模型为平行粘结模型。

进一步优选的，所述接触模型的参数为变形模量、刚度比、法向抗拉强度、切向抗剪强度和摩擦角。

进一步优选的，所述接触模型的变形模量为1e5-1e9mpa，所述法向抗拉强度为1e5-1e9mpa，所述切向抗剪强度为1e5-1e9mpa。

进一步优选的，所述接触模型的刚度比为0.1-1，摩擦角为30-40。

优选的，步骤6中，所述误差为不超过10％。

优选的，步骤7中，当所述旧沥青路面为ac-16沥青混凝土路面时，所述铣刨刀具受力最小时铣刨刀具的切入角为45°。

优选的，步骤7中，当所述旧沥青路面为ac-16沥青混凝土路面时，所述铣刨刀具受力最小时铣刨刀具的切削速度为0.5m/s。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的基于旧沥青路面实际特性的铣刨作业参数优化方法能更真实的模拟旧沥青路面性能，达到一种理想的铣刨效果，为旧沥青路面的铣刨提供更加准确的铣刨作业参数。能使集料与沥青胶浆尽可能多的被剥离，减少旧沥青路面铣刨过程中对集料颗粒的损害，避免铣出较大的团块，能提高旧沥青路面中原料的回收率；同时降低对铣刨机刀具的磨损，提高旧沥青路面的铣刨效率，降低铣刨成本。

本发明提供了一种基于旧沥青路面实际特性的铣刨作业参数优化方法，待铣刨路面一般是服务一定年限的旧沥青路面，本发明的铣刨作业参数优化方法以旧沥青路面实际特性为基本点，通过分析确定旧沥青路面的服务年限和旧沥青路面的集料级配、集料密度、基质沥青型号、矿粉与改性沥青质量比、改性沥青与集料的质量比、改性剂的种类、改性剂的剂量，再模拟沥青老化过程制得老化沥青，加入与旧沥青路面相同规格的集料、矿粉制得与实际旧沥青路面性能更为相近的老化沥青混合料标准试件。

对老化沥青混合料标准试件进行实验室单轴压缩试验，利用pfc建立虚拟沥青混合料模型并进行单轴压缩模拟试验，通过单轴压缩模拟试验反复较正虚拟沥青混合料模型，使建立的虚拟沥青混合料模型的抗压强度、回弹模量和应变与老化沥青混合料标准试件的抗压强度、回弹模量和应变误差在10％内，向建立的虚拟沥青混合料模型中导入铣刨机刀具模型，模拟旧沥青路面的铣刨过程，以获取合理的铣刨机刀具参数，确定使集料在切削过程中尽可能不发生破坏的最佳条件。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1为集料颗粒的初始模型；

图2为集料颗粒重排后的力链图；

图3为消除“浮动”颗粒后的集料模型；

图4为制备完成的虚拟沥青混合料模型图；

图5为应力-应变曲线图，其中横坐标为应变，单位为10^-3，纵坐标为应力，单位为10⁶pa；

图6为刀头尺寸图；

图7为旧沥青路面三维切削模型，其中α表示切入角，h表示切削深度；

图8为不同切削速度下刀具切削图；其中，a图是切削速度为0.5m/s时刀具切削图，b图是切削速度为1m/s时刀具切削图，c图是切削速度为1.5m/s时刀具切削图；

图9为不同切削速度下刀具x方向的受力图，横纵坐标为刀具位移，单位mm；纵坐标为刀具x方向的受力，单位n；

图10为不同切削速度下刀具y方向的受力图；横纵坐标为刀具位移，单位mm；纵坐标为刀具y方向的受力，单位n；

图11为不同切削速度下刀具z方向的受力图；横纵坐标为刀具位移，单位mm；纵坐标为刀具z方向的受力，单位n；

图12为不同切入角下刀具切削图；其中，a图是切入角为40°时刀具切削图，b图是切入角为45°时刀具切削图，c图是切入角为50°时刀具切削图；

图13为不同切入角下刀具x方向的受力图，横纵坐标为刀具位移，单位mm；纵坐标为刀具x方向的受力，单位n；

图14为不同切入角下刀具y方向的受力图，横纵坐标为刀具位移，单位mm；纵坐标为刀具y方向的受力，单位n；

图15为不同切入角下刀具z方向的受力图，横纵坐标为刀具位移，单位mm；纵坐标为刀具z方向的受力，单位n；

图16为不同切削深度下刀具切削图；其中，a图是切削深度为20mm时刀具切削图，b图是切削深度为25mm时刀具切削图，c图是切削深度为30mm时刀具切削图；

图17为不同切削深度下刀具x方向的受力图，横纵坐标为刀具位移，单位mm；纵坐标为刀具x方向的受力，单位n；

图18为不同切削深度下刀具y方向的受力图，横纵坐标为刀具位移，单位mm；纵坐标为刀具y方向的受力，单位n；

图19为不同切削深度下刀具z方向的受力图，横纵坐标为刀具位移，单位mm；纵坐标为刀具z方向的受力，单位n。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

1、对某地区某路段的旧沥青路面进行取样，调查并进行试验分析，具体如下：

1)参考jtge20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》t0727—2011旋转蒸发器法对旧沥青路面进行沥青取样，并进行试验分析；

2)参考jtge20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》t0725—2000规定的试验方法对旧沥青路面的集料的级配进行测定分析；

3)参考jtge42—2005《公路工程集料试验规程》对集料的密度进行测定分析；

经调查及试验分析确定上述旧沥青路面为服务10年的ac-16混凝土路面，其原料为90^#基质沥青、sbs改性剂、集料的密度为2400kg/m³。

2、制备老化沥青

取与ac-16混凝土路面相同的90^#基质沥青、sbs改性剂，制备sbs改性沥青，其中，sbs改性剂的剂量为4.5％，对所得sbs改性沥青参考jtge20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》t0610—2011沥青旋转薄膜加热试验对所得sbs改性沥青进行老化试验，制得老化沥青，由表1的沥青老化时长与实际服务年限之间的关系可知，服务10年的路面应选取的老化时间为600min。

表1沥青老化时长与实际服务年限之间的关系

3、单轴压缩试验

1)选取与ac-16混凝土路面级配相同的集料和矿粉，和所得老化沥青混合后制成100mm×100mm的老化沥青混凝土标准试件，其中矿粉与改性沥青的质量比为1，改性沥青与集料的质量比为4.8％，具体制作方法参考jtge20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》t0704—2011沥青混合料试件制作方法中的静压成型法；

2)参考jtge20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》t0713—2000规定对老化沥青混凝土标准试件进行单轴压缩试验，测定老化沥青混凝土标准试件的抗压强度、应变和回弹模量；其中，老化沥青混凝土标准试件的抗压强度、应变的试验结果为三次测量取平均值；老化沥青混凝土标准试件的回弹模量的试验结果为六次测量取平均值；试验结果分别如表2和表3所示。

表2抗拉强度和应变

由表1可知，老化沥青混凝土标准试件的平均抗压强度为6.12mpa，平均应变为5.57×10^-3。

表3回弹模量

由表3可知，老化沥青混凝土标准试件的平均回弹模量为1046mpa。

4、建立虚拟沥青混合料模型

4.1制备虚拟沥青混合料模型

使用pfc软件建立尺寸为80mm×50mm×80mm的虚拟沥青混合料模型，具体生成方法如下：

1)ac-16混凝土的集料级配如表4所示，ac-16混凝土集料密度为2400kg/m³，利用pfc软件根据ac-16混凝土的集料级配和密度生成大小不同的实体颗粒，pfc软件生成的集料初始模型如图1所示。

表4ac-16混凝土的集料级配

由图1可知，集料初始模型并未达到静力平衡状态，集料初始模型较为松散。

2)对墙体施加一个速度，利用墙体的移动实现对集料颗粒的加载，加载的应力要远低于集料本身的强度，通过对集料颗粒的加载使集料初始模型达到静力平衡状态，加载后集料颗粒重排后的力链图如2所示。

3)减少集料浮动颗粒：因为模型中集料颗粒的半径存在很大的差异，因而在随机生成这些颗粒时不可避免的会存在一些“浮动”颗粒，“浮动”颗粒的存在会对后期建立的虚拟沥青混合料模型的抗压强度造成一定的不利影响，因此必须消除此类“浮动”颗粒，消除“浮动”颗粒后的集料模型如图3所示。

4)设置平行粘结模型参数用以模拟沥青混凝土胶浆的力学性能，得到平行粘结模型，利用pfc软件将平行粘结模型导入消除“浮动”颗粒后的集料模型中，得虚拟沥青混合料模型，图4为制备完成的虚拟沥青混合料模型图。

4.2单轴压缩模拟试验

在pfc软件中生成虚拟沥青混合料模型后，通过给压头(刚性墙体)设置一个恒定向下的速度对虚拟沥青混合料模型进行压缩，用以模拟在虚拟沥青混合料模型顶端施加的轴向荷载，以2mm/min的速度对虚拟沥青混合料模型进行轴向压缩。当虚拟沥青混合料模型的轴向力逐渐减小并达到峰值应力的80％时，压头停止移动，模拟完成，单轴压缩模拟试验结果如图5所示。

由图5可以清晰的看出模拟完成时有极少数目的小粒径集料破碎而出，图5中的峰值应力即为虚拟沥青混合料模型的抗压强度，应力应变曲线的斜率即为虚拟沥青混合料模型的弹性模量。

4.3校正虚拟沥青混合料模型

对虚拟沥青混合料模型反复进行单轴压缩模拟试验，调节虚拟沥青混合料模型的平行粘结模型参数，直至虚拟沥青混合料模型的抗压强度、回弹模量和应变值与老化沥青混合料标准试件的抗压强度、回弹模量和应变值在误差范围内，则虚拟沥青混合料模型成立；老化沥青混合料标准试件的单轴压缩试验结果与虚拟沥青混合料模型的单轴压缩模拟试验结果如表5所示。

表5单轴压缩试验的实测值与模拟试验数据对比

由表4可知，老化沥青混合料标准试件的抗压强度、回弹模量和应变与虚拟沥青混合料模型的老化沥青混合料标准试件的单轴压缩试验结果与虚拟沥青混合料模型的抗压强度、回弹模量和应变误差均在10％以内，表明建立的虚拟沥青混合料模型的参数可以用于后续的旧沥青路面切削的模拟。

上述虚拟沥青混合料模型中平行粘结模型的变形模量为1.2e9，刚度比为0.5；法向抗拉强度为7.3e6，切向抗剪强度为4.0e6，摩擦角为40.0。(上述模型参数单位统一采用国际单位制)。

5、建立旧沥青路面的三维切削模型

采用pro/e软件绘制一个刀头的三维实体图，如图6所示，然后将其保存成stl格式，使用fish语言并根据不同的铣刨工况将不同角度、不同切削深度的刀头stl文件导入pfc软件中，建立好用于模拟旧沥青路面的三维切削模型，旧沥青路面三维切削模型如图7所示。

6、铣刨作业参数的优化

在对旧沥青路面的铣刨过程进行模拟时，应当确保所选用的刀具参数符合工程实际的要求。考虑到实际铣刨作业的效率需求，本研究所采用的刀具切削速度分别为0.5m/s、1m/s、1.5m/s；刀具切入角分别为40°、45°、50°；刀具切削深度分别为20mm、25mm、30mm。

1)切削速度对刀具受力的影响

刀具对旧沥青路面的铣刨过程的模拟条件为：切入角为40°、切削深度为20mm，研究切削速度分别为0.5m/s、1m/s、1.5m/s时，模拟刀具对旧沥青路面三维切削模型进行铣刨时，观察旧沥青路面三维切削模型的损害情况，如图8所示；并对刀具的受力情况进行分析，不同切削速度下刀具的受力情况如图9-11所示。

由图8的模拟结果可以观察到，随着刀具切削速度的增加，旧沥青路面三维切削模型的破坏程度越来越严重，不仅是小粒径集料的飞溅越来越多，切削下来的大粒径集料数量也略有增加，表明，切削速度越大，对铣刨过程中路面的破坏越大。

由图9-11可知，在相同的切削速度下，刀具在x方向(刀具前进方向)受力的峰值最大，y方向(刀具前进的左右方向)次之，z方向(竖直方向)最小。此外，切削速度对刀具在x方向受力大小的影响较为明显，能够明显地看出随切削速度的提高，刀具在x方向的受力随之增大；切削速度对刀具在y、z方向受力大小的影响并不显著。因此切削速度为0.5m/s时刀具受力最小。

2)切入角对刀具受力的影响

刀具对旧沥青路面的铣刨过程的模拟条件为：切削速度为1m/s、切削深度为20mm，研究切入角分别为40°、45°、50°时，模拟刀具对旧沥青路面三维切削模型进行铣刨时，观察旧沥青路面三维切削模型的损害情况，如图12所示；并对刀具的受力情况进行分析，不同切入角下刀具的受力情况如图13-15所示。

由图12的模拟结果可以观察到，切入角对铣刨过程中路面破坏的影响不是很显著。

由图13-15可知，相同的切入角下，刀具y方向受力的峰值最大，x方向次之，z方向最小。为了更为直观地研究刀具在x、y、z方向的受力情况，对不同切入角下刀具在x、y、z方向受到的平均应力(由于刀具受到的力方向存在变化，因此取刀具受力绝对值的平均值作为刀具受到的平均应力)进行研究分析，结果如表6所示。

表6不同切入角下刀具x、y、z方向受到的平均力(n)

由表5可知，随着切入角的增大，刀具在x、y、z三个方向上的平均应力均先减小后增大，因此切入角为45°时下刀具受力最小。

3)切削深度对刀具受力的影响

刀具对旧沥青路面的铣刨过程的模拟条件为：切削速度为1m/s、切入角为40°，研究切削深度分别为20mm、25mm、30mm时，模拟刀具对旧沥青路面三维切削模型进行铣刨时，观察旧沥青路面三维切削模型的损害情况，如图16所示；并对刀具的受力情况进行分析，不同切削深度下刀具的受力情况如图17-19所示。

由图16的模拟结果可以观察到，随切削深度的加深，沥青路面的破坏程度就会越发地严重，且破坏形式也表现出较大不同，特别是在25mm切削深度下，路面内部出现较大的空隙，可以明显地看到刀具的露出。结果表明，切削深度对铣刨作业中路面的破坏具有显著的影响。

由图17-19可知，在相同的切削深度下，刀具在x方向受力的峰值最大，z方向次之，y方向最小。由图17可知，切削深度对刀具在x方向受力影响显著，可以明显地看出随切削深度的加深，刀具在x方向的受力逐渐增大，但切削深度在25mm时，切削后期的刀具受力急剧减小，且稳定在接近0的位置，因此应避免在切削速度为1m/s、切入角为40°、切削深度为25mm的铣刨作业参数下对旧沥青路面进行铣刨。

综上所述，对于ac-16混凝土路面应采用0.5m/s的切削速度或45°的切入角可实现切削刀具的最小受力；同时应避免切削深度为25mm、切削速度为1m/s、切入角为40°的铣刨作业参数，以避免出现旧沥青路面被铣刨出较大团块的情况。

虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。