就地热再生中新旧沥青及再生剂混溶特性的评价方法
阅读说明：本技术 就地热再生中新旧沥青及再生剂混溶特性的评价方法 (Method for evaluating miscibility characteristics of new and old asphalt and regenerant in-situ thermal regeneration ) 是由 张伟光 范剑伟 朱雅婧 张一鸣 于 2021-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及就地热再生中新旧沥青及再生剂混溶特性的评价方法,属于道路工程领域。构建就地热再生中新沥青分子、旧沥青分子、再生剂混溶的三层分子动力学模型；绘制三层分子动力学模型中新沥青分子、旧沥青分子、再生剂分子相对浓度曲线；计算新沥青分子、旧沥青分子、再生剂分子的相对浓度曲线计算得到混溶后的新沥青分布区、旧沥青分布区、再生剂分布区；计算得到再生剂作用率、旧沥青激活率、新旧沥青混溶区比例；评价相同种类不同掺量的再生剂或不同种类相同掺量的再生剂与旧沥青激活率,该激活率越大指标越优；评价相同种类不同掺量的再生剂或不同种类相同掺量的再生剂与新旧沥青的混溶区比例,该激活率越大指标越优。(The invention relates to a method for evaluating the mixing and dissolving characteristics of new and old asphalt and a regenerant in-situ thermal regeneration, belonging to the field of road engineering. Constructing a three-layer molecular dynamics model of mixing and dissolving of new asphalt molecules, old asphalt molecules and a regenerant in-situ thermal regeneration; drawing relative concentration curves of new asphalt molecules, old asphalt molecules and regenerant molecules in the three-layer molecular dynamics model; calculating relative concentration curves of the new asphalt molecules, the old asphalt molecules and the regenerant molecules to obtain a new asphalt distribution area, an old asphalt distribution area and a regenerant distribution area after mixing and dissolving; calculating to obtain the action rate of the regenerant, the activation rate of the old asphalt and the proportion of the new asphalt and the old asphalt miscible region; evaluating the activation rates of the regenerants with the same type and different mixing amounts or the regenerants with the same type and different mixing amounts and the old asphalt, wherein the larger the activation rate is, the better the index is; the proportion of the regenerants with the same kind and different mixing amounts or the regenerants with the same kind and different mixing amounts to the miscible regions of the new asphalt and the old asphalt is evaluated, and the higher the activation rate is, the better the index is.)
技术领域
本发明涉及就地热再生中新旧沥青及再生剂混溶特性的评价方法,属于道路工程领域。
背景技术
根据在就地热再生过程中，根据《公路沥青路面再生技术规范》(JTG T 5521-2019)的规定，铣刨的旧路面沥青混合料加热至后，加入再生剂拌和5-10 秒，再加入新沥青和新集料拌和后就地摊铺，再生沥青混合料逐渐冷却至室温。现有的研究方法中，为判明新旧沥青的混溶程度，多需进行室内试样或现场试验，在分子动力学分析中，一般也假设混溶温度为定值，忽略了实际就地热再生中沥青混合料中新旧沥青混溶温度的变化，且缺乏基于分子动力学模拟的新旧沥青混溶指标。基于此情况，本发明提出了一种就地热再生中新旧沥青及再生剂混溶特性的评价方法，适用于评价就地热再生中再生混合料制备中新旧沥青及再生剂的相互混溶特性。
发明内容
本发明根据上述不足提供了就地热再生中新旧沥青及再生剂混溶特性的评价方法。
本发明采用如下技术方案：
本发明所述的就地热再生中新旧沥青及再生剂混溶特性的评价方法，步骤如下：
S1：构建就地热再生中新沥青分子、旧沥青分子、再生剂混溶的三层分子动力学模型；在三层分子动力学模型中再生剂选择为相同种类不同掺量或不同种类相同掺量；
S2：针对步骤S1中建立的进行分子动力学仿真；
S3：计算三层分子动力学模型中各类分子在模型中各横截段的相对浓度，绘制三层分子动力学模型中新沥青分子、旧沥青分子、再生剂分子相对浓度曲线；
S4：平滑化步骤S3中新沥青分子、旧沥青分子、再生剂分子的相对浓度曲线；
S5：计算新沥青分子、旧沥青分子、再生剂分子的相对浓度曲线计算得到混溶后的新沥青分布区、旧沥青分布区、再生剂分布区；
S6：通过新沥青分布区、旧沥青分布区、再生剂分布区，计算得到再生剂作用率、旧沥青激活率、新旧沥青混溶区比例；
评价相同种类不同掺量的再生剂或不同种类相同掺量的再生剂与旧沥青激活率，该激活率越大指标越优；
评价相同种类不同掺量的再生剂或不同种类相同掺量的再生剂与新旧沥青的混溶区比例，该激活率越大指标越优。
本发明所述的就地热再生中新旧沥青及再生剂混溶特性的评价方法，步骤 S1中所建的三层分子动力学模型从左横到右横坐标从lleft至lright；
左横到右横坐标中依次为新沥青分子、再生剂、旧沥青分子；建模后进行系统几何平衡；
新旧沥青与再生剂均由多种分子组成；三层分子动力学模型中新沥青分子包括第1至第im种，旧沥青分子包括第im+1至第in种，再生剂分子包括第in+1至第ip种。
本发明所述的就地热再生中新旧沥青及再生剂混溶特性的评价方法，其特征在于：所述步骤S2中：
采用NPT系统针对S1中所建的三层模型开展分子动力学仿真，模拟中压强、力场参数，参照所模拟的实际就地热再生工程的参数确定；
基于实测或数值仿真所得到的摊铺后沥青混合料的降温曲线，通过下述条件确定分子动力学模拟中的系统温度：
若实测或模拟所得的降温曲线时间范围为0-t1，则分子动力学仿真中的NPT 系综总时间为0-t2；由于NPT中无法设定温度持续降低，将0-t2的NPT过程对应于0-t1的降温曲线中冷却过程，将降温曲线与NPT过程均按时间平均划分为N 段(N≥20)，并将每段降温曲线上时间中点对应的温度作为每段NPT中设定的温度。
本发明所述的就地热再生中新旧沥青及再生剂混溶特性的评价方法，步骤 S3具体如下：分子动力学仿真完成后，基于所输出的各分子上各原子的质心位置；将三层分子动力学模型分成若干横截段，计算新沥青分子、旧沥青分子、再生剂分子在模型中各横截段的相对浓度；对模型中横坐标从lleft-lright的全部区域，其中lleft指模型左边界位置，lright指模型右边界位置，将其沿横坐标方向从左到右均匀分为第1至第M个(M≥100)区域，，第Mp个横截段中，第i(1≤i≤ip) 类分子相对浓度a(i,Mp)的计算方法如下：
式中a(x)为第Mp个横截段中属于第i类分子的各原子的总质量，b(x)为质心在第Mp个横截段中的全部原子的总质量。
本发明所述的一种就地热再生中新旧沥青及再生剂混溶特性的评价方法，第 Mp个横截段中，新沥青分子的相对浓度A(Mp)，旧沥青分子的相对浓度B(Mp)，再生剂分子的相对浓度C(Mp)计算方法如下：
计算第1至第M横截段的新沥青分子、旧沥青分子和再生剂分子的相对浓度，绘制于平面直角坐标系中得到模型中新沥青分子、旧沥青分子和再生剂的相对浓度曲线，并应用高斯滤波法对曲线做平滑化处理，得到新沥青分子、旧沥青分子和再生剂平滑化后的相对浓度曲线。
本发明所述的就地热再生中新旧沥青及再生剂混溶特性的评价方法，步骤 S5具体如下：
基于S4中所得的新沥青分子的平滑化相对浓度曲线，选取相对浓度大于1％的部分，将其所对应的范围定义为混溶后的新沥青分布区，即横坐标在lleft至l3的部分；
基于S4中所得的旧沥青分子的平滑化相对浓度曲线，选取相对浓度大于1％的部分，将其所对应的范围定义为混溶后的旧沥青分布区，即横坐标在l2至lright的部分；
基于S4中所得的新沥青分子的平滑化相对浓度曲线，选取相对浓度大于1％的部分，将其所对应的范围定义为混溶后的再生剂分布区，即横坐标在l1至l4的部分；l2至l3之间的部分同时含有新旧沥青分子，将其定义为新旧沥青混溶区。选取大于1％的部分原因在于，避免无统计学意义的个别分子上原子的质心位置对分析结果的影响；
其中、lleft为模型的左边界位置坐标，lright为模型的右边界位置坐标，lmid为模型的正中间位置坐标，l1和l4为模型中再生剂相对浓度曲线为1％时所对应的左右位置坐标；l2和l3分别为模型中旧沥青和新沥青的相对浓度曲线为1％时所对应的位置坐标。
本发明所述的就地热再生中新旧沥青及再生剂混溶特性的评价方法，步骤 S6具体如下：再生剂作用率Z指扩散进旧沥青中的再生剂与全部再生剂的质量之比，计算方法如下：
式中，c为质心在混溶后的再生剂分布区的属于再生剂分子的原子的总质量， d为三层模型中所有属于再生剂分子的原子的总质量。
旧沥青激活率J指混溶后扩散有再生剂分子的旧沥青分布区占混溶后的旧沥青分布区的比例，计算方法如下：
新旧沥青混溶区比例H指新旧沥青混溶区的长度与三层模型全长之比，计算方法如下：
有益效果
本发明提供的就地热再生中新旧沥青及再生剂混溶特性的评价方法，从分子动力学角度，提出了适用于评价就地热再生中再生混合料制备中新旧沥青及再生剂的相互混溶特性的评价方法。
本发明提供的就地热再生中新旧沥青及再生剂混溶特性的评价方法，传统方法在判断再生剂作用下新旧沥青渗透过程时，需要进行室内实验，且难以评价再生剂对旧沥青的激活效果、再生剂起作用的比例以及新旧沥青混溶区域的范围，目前亦缺乏获取上述三指标的仿真方法。针对上述三指标，基于分子动力学模拟，分别提出再生剂作用率、旧沥青激活率、新旧沥青混溶区比例三项指标，可用于全面评价再生剂作用下新旧沥青的作用过程，便于基于模拟结果进行再生过程中再生剂种类、掺量、新沥青掺量等指标的优选。
附图说明
图1(a)为步骤S1中所建的三层模型示意图。
图1(b)为模拟完成后的模型示意图
图1(c)为步骤S4所述的新沥青分子、旧沥青分子和再生剂平滑化后的相对浓度曲线。
图2为实施例一中的降温曲线。
图3为实施例一中再生剂作用率Z、旧沥青激活率J随再生剂掺量的变化曲线。
图4为实施例一中新旧沥青混溶区比例H随再生剂掺量的变化曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本方法适用于一种就地热再生中新旧沥青及再生剂混溶特性的评价方法，分为以下6步：
S1：构建就地热再生中新旧沥青及再生剂混溶的三层分子动力学模型；
S2：开展分子动力学仿真；
S3：计算各类分子在模型中各横截段的相对浓度，绘制三层模型中各类分子相对浓度曲线；
S4：绘制新沥青、旧沥青、再生剂的平滑化相对浓度曲线；
S5：计算混溶后的新沥青分布区、旧沥青分布区、再生剂分布区；
S6：计算再生剂作用率Z、旧沥青激活率J、新旧沥青混溶区比例H。
如图1(a)所示，步骤S1所建的三层分子动力学模型，从左到右横坐标从lleft至lright，从左到右依次为新沥青分子、再生剂、旧沥青分子，三者之间的比例按照所模拟的实际就地热再生工程中相应比例确定，建模后进行先进行系统几何平衡。新旧沥青和再生剂均由多种分子组成，模型中其中新沥青分子包括第1至第 im种，旧沥青分子包括第im+1至第in种，再生剂分子包括第in+1至第ip种。
步骤S2中：基于S1中所建的三层模型开展分子动力学仿真，模拟中压强、力场等参数参照所模拟的实际就地热再生工程实际确定，该方案采用NPT系综。特别地，可基于实测或数值仿真所得到的摊铺后沥青混合料的降温曲线，确定分子动力学模拟中的系统温度。若实测或模拟所得的降温曲线时间范围为0-t1，分子动力学仿真中的NPT系综总时间为0-t2，由于NPT中无法设定温度持续降低，将0-t2的NPT过程对应于0-t1的降温曲线中冷却过程，将降温曲线与NPT过程均按时间平均划分为N段(N≥20)，并将每段降温曲线上时间中点对应的温度作为每段NPT中设定的温度。
作为本发明的一种优选技术方案，步骤S3细节如下：分子动力学仿真完成后，基于所输出的各分子上各原子的质心位置。计算各类分子在模型中各横截段的相对浓度。对模型中横坐标从0-xp的全部区域，将其沿横坐标方向从左到右均匀分为第1至第M个(M≥100)区域，则各区域宽度为第Mp个横截段中，第i(1≤i≤ip)类分子相对浓度a(i,Mp)的计算方法如下：
a(x)为第Mp个横截段中属于第i类分子的各原子的总质量，b(x)为质心在第 Mp个横截段中的全部原子的总质量。计算各横截段的相对浓度，绘制在平面直角坐标系中，得到三层模型中各类分子的相对浓度曲线，并应用高斯滤波法对曲线做平滑化处理，得到新沥青分子、旧沥青分子和再生剂平滑化后的相对浓度曲线。
作为本发明的一种优选技术方案，步骤S4细节如下：第Mp个横截段中，新沥青分子的相对浓度A(Mp)，旧沥青分子的相对浓度B(Mp)，再生剂分子的相对浓度C(Mp)计算方法如下：
计算第1至第M横截段的新沥青分子、旧沥青分子和再生剂分子的相对浓度，绘制于平面直角坐标系中得到模型中新沥青分子、旧沥青分子和再生剂的相对浓度曲线，并应用高斯滤波法对曲线做平滑化处理，得到新沥青分子、旧沥青分子和再生剂平滑化后的相对浓度曲线，如图1(b)所示。
如图1(c)所示：步骤S5中，基于S4中所得的新沥青分子的平滑化相对浓度曲线，选取相对浓度大于1％的部分，将其所对应的范围定义为混溶后的新沥青分布区，即横坐标在lleft至l3的部分；基于S4中所得的旧沥青分子的平滑化相对浓度曲线，选取相对浓度大于1％的部分，将其所对应的范围定义为混溶后的旧沥青分布区，即横坐标在l2至lright的部分；基于S4中所得的新沥青分子的平滑化相对浓度曲线，选取相对浓度大于1％的部分，将其所对应的范围定义为混溶后的再生剂分布区，即横坐标在l1至l4的部分；l2至l3之间的部分同时含有新旧沥青分子，将其定义为新旧沥青混溶区。选取大于1％的部分原因在于，避免无统计学意义的个别分子上原子的质心位置对分析结果的影响。
作为本发明的一种优选技术方案，步骤S6细节如下：再生剂作用率Z指扩散进旧沥青中的再生剂与全部再生剂的质量之比，计算方法如下：
式中，c为质心在混溶后的再生剂分布区的属于再生剂分子的原子的总质量， d为三层模型中所有属于再生剂分子的原子的总质量。
旧沥青激活率J指混溶后扩散有再生剂分子的旧沥青分布区占混溶后的旧沥青分布区的比例，计算方法如下：
新旧沥青混溶区比例H指新旧沥青混溶区的长度与三层模型全长之比，计算方法如下：
实施例一：
对某处就地热再生，拌和温度为160℃(433K)，摊铺后再生沥青混合料层由160℃(433K)降温至25℃(298K)。分子动力学模拟中采用Compass-II力场和周期边界条件，温度由Nose-Hoover恒温器控制，压力由Anderson恒压器控制为1atm，时间步长为1fs。采用30ps的NVT系综，使系统在体积相对稳定的条件下达到模拟所需的温度，从而稳定能量，防止能量奇异的产生。采用5ns的 NPT系踪，使系统的温度和压力保持在目标值，模拟了再生剂、原沥青和老化沥青的扩散和混合过程。
分子动力学中的时间参数与实际时间不符，只有相对意义。基于有限元模拟所得的就地热在生的再生沥青混合料铺层的降温曲线见图2所示，为了反映降温曲线的影响，将0-5ns的NPT过程对应于0-2h的降温过程，将降温曲线按时间划分为50段，并将每段降温曲线上时间中点对应的温度作为每段NPT中设定的温度。在不同的再生剂掺量下，所得的再生剂作用率Z、旧沥青激活率J见图3 所示，新旧沥青混溶区比例H见图4所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。