基于有限元分析的石墨烯增强相变改性沥青的评价方法

1.本发明涉及一种评价方法，特别是涉及一种基于有限元分析的石墨烯增强相变改性沥青的评价方法，属于沥青改性技术领域。


背景技术：

2.沥青是一种常见于交通行业的路面材料，沥青路面经济性好、噪音小，给行车的舒适感带来一定程度的提升，沥青是分子量为数百至数千的碳氢化合物及其衍生物组成的混合物，分子量低、分子量分布宽，导致其力学性能较弱、温敏性强，低温下硬而脆，高温下易流淌，沥青路面在高温季节会因为高温产生车辙和泛油现象，受热变软时负载大的货车压过路面会形成坑槽，冬季低温会造成路面断裂，影响路面的正常使用，高温和低温病害是沥青路面的主要缺点，沥青的热导率低于0.3w
·
m-1
·
k-1
，是一种热的不良导体，近些年一些专家和学者将高导热材料和相变材料与沥青进行混合，进而提高沥青的导热性，改善沥青路面因为高温和低温造成的路面病害，其中一些学者研究了聚乙二醇(peg)加入到沥青中对沥青老化性、常规指标及施工温度的影响，石墨烯是一种常见的高导热材料，也有学者和专家将其加入到沥青中，进而研究改进后的沥青性能，但是聚乙二醇存在发生固液相转变后影响沥青的硬度，单纯的加入石墨烯又不能很好的改善沥青路面高温和低温病害，因此本发明提出一种基于有限元分析的石墨烯增强相变改性沥青的评价方法，以聚乙二醇作为相变储能材料，二氧化钛作为壁材，利用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物内部分散表面接枝硅烷偶联剂的微米氧化铝粒子形成复合材料，将复合材料与纳米氧化还原石墨烯进行混合形成填料，制备出石墨烯增强相变改性剂，将石墨烯增强相变改性剂加入到沥青中，形成石墨烯增强相变改性沥青，并结合有限元分析和试验分析的方法对石墨烯增强相变改性沥青的性能进行评价。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的是为了解决聚乙二醇存在发生固液相转变后影响沥青的硬度，单纯的加入石墨烯又不能很好的改善沥青路面高温和低温病害，而提供的一种基于有限元分析的石墨烯增强相变改性沥青的评价方法。
4.本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
5.基于有限元分析的石墨烯增强相变改性沥青的评价方法，包括如下步骤：
6.s1.创建单体数值模型：利用有限元软件创建沥青传热模型、沥青静力学模型、石墨烯增强相变改性剂传热模型以及石墨烯增强相变改性剂静力学模型；
7.s2.创建多尺度混合数值模型：在有限元软件中将石墨烯增强相变改性剂与沥青进行多种比例混合，形成多尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青传热模型和多尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青静力学模型；
8.s3.相变调温性能数值计算：对多种尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青的导热系数和蓄热系数进行有限元仿真计算，提出评价石墨烯增强改性沥青相变调温性能评价指
标，对各个不同尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青进行对比研究；
9.s4.体系相容性及力学性能分析：对多种尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青老化前后的体系相容性进行有限元仿真计算，计算多种尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青的体系相容性，利用有限元分析的方法计算出多种尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青的抗拉强度和抗压强度，评价多种尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青老化前后的体系相容性以及机械强度；
10.s5.多尺度石墨烯增强相变改性沥青的制备：制备石墨烯增强相变改性剂，将其与沥青形成不同尺度的混合料，形成多尺度的石墨烯增强相变改性沥青；
11.s6.仿真计算评价公式的修正：利用试验设备对石墨烯增强相变沥青的导热系数和蓄热系数进行测量，再利用试验设备对石墨烯增强相变沥青的抗拉强度和抗压强度进行测量，分析石墨烯增强相变沥青的实际相变调温性能评价指标和实际机械强度，为仿真计算得出的相变调温性能评价指标和机械强度进行修正。
12.作为本发明进一步的方法，所述s2中多尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青指的是以质量份数计：保持总质量份数为100份，其中包含质量份数5-15份的石墨烯增强相变改性剂与质量份数为85-95份的沥青。
13.作为本发明进一步的方法，所述石墨烯增强相变改性剂的制备方法为：
14.(1)以聚乙二醇作为相变储能材料，以二氧化钛作为壁材，利用苯乙烯-丁二烯、苯乙烯嵌段共聚物内部分散有表面接枝硅烷偶联剂的微米氧化铝粒子，形成复合材料；
15.(2)将复合材料与纳米氧化还原石墨烯进行混合形成填料，制备出石墨烯增强相变改性剂。
16.作为本发明进一步的方法，所述s3中的石墨烯增强相变改性沥青相变调温性能评价指标与导热评估指标正相关以及蓄热评估指标均正相关，石墨烯增强相变改性沥青相变调温性能评价指标的公式为：
17.p
temp
＝0.58k
cond
+0.42μ
accu
；
18.式中：p
temp
记为石墨烯增强相变改性沥青相变调温性能评价指标，k
cond
记为石墨烯增强相变改性沥青的导热评估指标，μ
accu
记为石墨烯增强相变改性沥青的蓄热评估指标；
19.将p
temp
作为自变量代入函数对p
temp
的数值进行归一化处理，以0.5为界将函数值f(p
temp
)进行分类评估，当0≤f(p
temp
)《0.5时代表石墨烯增强相变改性沥青相变调温性能不足，当0.5≤f(p
temp
)≤1时代表石墨烯增强相变改性沥青相变调温性能良好。
20.作为本发明进一步的方法，所述石墨烯增强相变改性沥青相变调温性能评价指标公式中的石墨烯增强相变改性沥青导热评估指标与有限元分析软件计算出的石墨烯增强相变改性沥青导热系数正相关，石墨烯增强相变改性沥青导热评估指标的公式为：
[0021][0022]
式中：kc记为有限元分析软件计算出的石墨烯增强相变改性沥青导热系数；
[0023]
所述石墨烯增强相变改性沥青相变调温性能评价指标公式中的石墨烯增强相变改性沥青蓄热评估指标与有限元分析软件计算出的石墨烯增强相变改性沥青蓄热系数正
相关，石墨烯增强相变改性沥青蓄热评估指标的公式为：
[0024][0025]
式中：μc记为有限元分析软件计算出的石墨烯增强相变改性沥青蓄热系数。
[0026]
作为本发明进一步的方法，所述s4中石墨烯增强相变改性沥青的机械强度用三角形法则将有限元分析软件计算出的抗拉力和抗压力进行合成，合成的合力用于评估石墨烯增强相变改性沥青的机械强度，石墨烯增强相变改性沥青机械强度的评估公式为：
[0027][0028]
式中：fc记为石墨烯增强相变改性沥青的机械强度，f
l
记为有限元分析软件计算出的石墨烯增强相变改性沥青的抗拉力，fy记为有限元分析软件计算出的石墨烯增强相变改性沥青的抗压力。
[0029]
作为本发明进一步的方法，所述s6中相变调温性能评价指标的修正系数的修正过程为：
[0030]
(a)将试验测得的实际石墨烯增强相变沥青相变调温性能评价指标减去有限元软件计算出的石墨烯增强相变沥青相变调温性能评价指标；
[0031]
(b)将差值除以有限元软件计算出的石墨烯增强相变沥青相变调温评价指标，得到第一修正系数；
[0032]
(c)利用多尺度石墨烯增强相变改性沥青的多组有限元分析计算数据和实验数据获取多个各自对应的第一修正系数；
[0033]
(d)求取第一修正系数的平均数作为最终的第一修正系数；
[0034]
(e)利用第一修正系数与数字一的和乘以p
temp
对有限元分析计算结果的评估公式进行修正。
[0035]
作为本发明进一步的方法，所述s6中机械强度的修正系数的修正过程为：
[0036]
(a)将试验测得的实际石墨烯增强相变沥青机械强度减去有限元软件计算出的石墨烯增强相变沥青机械强度；
[0037]
(b)将差值除以有限元软件计算出的石墨烯增强相变沥青机械强度，得到第二修正系数；
[0038]
(c)利用多尺度石墨烯增强相变改性沥青的多组有限元分析计算数据和实验数据获取多个各自对应的第二修正系数；
[0039]
(d)求取第二修正系数的平均数作为最终的第二修正系数；
[0040]
(e)利用第二修正系数与数字一的和乘以fc对有限元分析计算结果的评估公式进行修正。
[0041]
本发明的有益技术效果：按照本发明的基于有限元分析的石墨烯增强相变改性沥青的评价方法，通过有限元分析软件的应用，能够创建多尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青数值模型，进而便于根据数值软件仿真模拟计算出多尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青的导热系数、蓄热系数、抗拉力以及抗压力，进而便于根据这四个指标提出评价石墨烯增强改性沥青相变调温性能以及机械强度的评价指标，对各个不同尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青进行对比研究，再结合试验分析多尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青的实
际导热系数、蓄热系数、抗拉力以及抗压力，对石墨烯增强改性沥青相变调温性能以及机械强度的评价指标进行试验修订，有助于对石墨烯增强改性沥青相变调温性能以及机械强度进行定量分析，改善现有沥青高温和低温病害的问题。
附图说明
[0042]
图1为按照本发明的基于有限元分析的石墨烯增强相变改性沥青的评价方法的整体结构示意图；
[0043]
图2为按照本发明的基于有限元分析的石墨烯增强相变改性沥青的评价方法的kc变化散点曲线图；
[0044]
图3为按照本发明的基于有限元分析的石墨烯增强相变改性沥青的评价方法的k
cond
变化散点曲线图；
[0045]
图4为按照本发明的基于有限元分析的石墨烯增强相变改性沥青的评价方法的μc变化散点图；
[0046]
图5为按照本发明的基于有限元分析的石墨烯增强相变改性沥青的评价方法的μ
accu
变化散点曲线图；
[0047]
图6为按照本发明的基于有限元分析的石墨烯增强相变改性沥青的评价方法的p
temp
变化散点图；
[0048]
图7为按照本发明的基于有限元分析的石墨烯增强相变改性沥青的评价方法的抗拉力、抗压力及机械强度数值数据和实验数据散点曲线图。
具体实施方式
[0049]
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0050]
如图1所示，基于有限元分析的石墨烯增强相变改性沥青的评价方法，包括如下步骤：
[0051]
s1.创建单体数值模型：利用有限元软件创建沥青传热模型、沥青静力学模型、石墨烯增强相变改性剂传热模型以及石墨烯增强相变改性剂静力学模型；
[0052]
s2.创建多尺度混合数值模型：在有限元软件中将石墨烯增强相变改性剂与沥青进行多种比例混合，形成多尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青传热模型和多尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青静力学模型；
[0053]
s3.相变调温性能数值计算：对多种尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青的导热系数和蓄热系数进行有限元仿真计算，提出评价石墨烯增强改性沥青相变调温性能评价指标，对各个不同尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青进行对比研究；
[0054]
s4.体系相容性及力学性能分析：对多种尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青老化前后的体系相容性进行有限元仿真计算，计算多种尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青的体系相容性，利用有限元分析的方法计算出多种尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青的抗拉强度和抗压强度，评价多种尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青老化前后的体系相容性以及机械强度；
[0055]
s5.多尺度石墨烯增强相变改性沥青的制备：制备石墨烯增强相变改性剂，将其与
沥青形成不同尺度的混合料，形成多尺度的石墨烯增强相变改性沥青；
[0056]
s6.仿真计算评价公式的修正：利用试验设备对石墨烯增强相变沥青的导热系数和蓄热系数进行测量，再利用试验设备对石墨烯增强相变沥青的抗拉强度和抗压强度进行测量，分析石墨烯增强相变沥青的实际相变调温性能评价指标和实际机械强度，为仿真计算得出的相变调温性能评价指标和机械强度进行修正。
[0057]
本发明提出的基于有限元分析的石墨烯增强相变改性沥青的评价方法，通过有限元分析软件的应用，能够创建多尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青数值模型，进而便于根据数值软件仿真模拟计算出多尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青的导热系数、蓄热系数、抗拉力以及抗压力，进而便于根据这四个指标提出评价石墨烯增强改性沥青相变调温性能以及机械强度的评价指标，对各个不同尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青进行对比研究，再结合试验分析多尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青的实际导热系数、蓄热系数、抗拉力以及抗压力，对石墨烯增强改性沥青相变调温性能以及机械强度的评价指标进行试验修订，有助于对石墨烯增强改性沥青相变调温性能以及机械强度进行定量分析，改善现有沥青高温和低温病害的问题。
[0058]
所述s2中多尺度混合的石墨烯增强相变改性沥青指的是以质量份数计：保持总质量份数为100份，其中包含质量份数5-15份的石墨烯增强相变改性剂与质量份数为85-95份的沥青。
[0059]
通过限定墨烯增强相变改性剂与沥青的质量份数，能够将研发的范围缩短，便于节约研发时间，减少研发成本。
[0060]
所述石墨烯增强相变改性剂的制备方法为：
[0061]
(1)以聚乙二醇作为相变储能材料，以二氧化钛作为壁材，利用苯乙烯-丁二烯、苯乙烯嵌段共聚物内部分散有表面接枝硅烷偶联剂的微米氧化铝粒子，形成复合材料；
[0062]
(2)将复合材料与纳米氧化还原石墨烯进行混合形成填料，制备出石墨烯增强相变改性剂。
[0063]
通过聚乙二醇作为相变储能材料，能够利用聚乙二醇达到相变温度后逐渐吸收热量进而保持整体混合料的温度不变，有助于减小沥青高温时的病害，使得沥青的软化点不会过低导致车辙和泛油，通过通过二氧化钛的加入，能够利用非晶态的二氧化钛、聚乙二醇分子链以及石墨烯形成相互物理作用，保持复合材料的良好结晶能力，通过苯乙烯-丁二烯、苯乙烯嵌段共聚物内部分散有表面接枝硅烷偶联剂的微米氧化铝粒子的使用，能够在沥青内部形成导热网络结构，提高整体混合料的导热性能、杨氏模量、拉伸轻度和软化点，再将整体导热网络结构的内部缝隙填补导热性良好的氧化还原石墨烯，能够高效的导热通路，进一步提升整体混合料的导热性能。
[0064]
所述s3中的石墨烯增强相变改性沥青相变调温性能评价指标与导热评估指标正相关以及蓄热评估指标均正相关，石墨烯增强相变改性沥青相变调温性能评价指标的公式为：
[0065]
p
temp
＝0.58k
cond
+0.42μ
accu
；
[0066]
式中：p
temp
记为石墨烯增强相变改性沥青相变调温性能评价指标，k
cond
记为石墨烯增强相变改性沥青的导热评估指标，μ
accu
记为石墨烯增强相变改性沥青的蓄热评估指标；
[0067]
将p
temp
作为自变量代入函数对p
temp
的数值进行归一化处理，以0.5为界将函数值f(p
temp
)进行分类评估，当0≤f(p
temp
)《0.5时代表石墨烯增强相变改性沥青相变调温性能不足，当0.5≤f(p
temp
)≤1时代表石墨烯增强相变改性沥青相变调温性能良好。
[0068]
通过石墨烯增强相变改性沥青相变调温性能评价公式的设置，能够将综合多个因素的p
temp
进行回归分析，将整体的数值回归为[0,1]之间，便于根据f(p
temp
)的数值对p
temp
进行二分类，进而实现混合料质量份数配比的对比分析，有助于选出多种因素综合平衡考虑后的性能最好的范围，进而便于为石墨烯增强相变改性沥青相变调温性能评价提供指导数值范围。
[0069]
所述石墨烯增强相变改性沥青相变调温性能评价指标公式中的石墨烯增强相变改性沥青导热评估指标与有限元分析软件计算出的石墨烯增强相变改性沥青导热系数正相关，石墨烯增强相变改性沥青导热评估指标的公式为：
[0070][0071]
式中：kc记为有限元分析软件计算出的石墨烯增强相变改性沥青导热系数；
[0072]
所述石墨烯增强相变改性沥青相变调温性能评价指标公式中的石墨烯增强相变改性沥青蓄热评估指标与有限元分析软件计算出的石墨烯增强相变改性沥青蓄热系数正相关，石墨烯增强相变改性沥青蓄热评估指标的公式为：
[0073][0074]
式中：μc记为有限元分析软件计算出的石墨烯增强相变改性沥青蓄热系数。
[0075]
通过石墨烯增强相变改性沥青导热评估指标和蓄热评估指标的公式设置，能够将导热系数和蓄热系数的数量级进行平衡，进而便于p
temp
对导热系数和蓄热系数进行数量级上的平衡考量。
[0076]
所述s4中石墨烯增强相变改性沥青的机械强度用三角形法则将有限元分析软件计算出的抗拉力和抗压力进行合成，合成的合力用于评估石墨烯增强相变改性沥青的机械强度，石墨烯增强相变改性沥青机械强度的评估公式为：
[0077][0078]
式中：fc记为石墨烯增强相变改性沥青的机械强度，f
l
记为有限元分析软件计算出的石墨烯增强相变改性沥青的抗拉力，fy记为有限元分析软件计算出的石墨烯增强相变改性沥青的抗压力。
[0079]
通改过机械强度的公式设置，能够同时考虑抗拉力和抗压力。
[0080]
所述s6中相变调温性能评价指标的修正系数的修正过程为：
[0081]
(a)将试验测得的实际石墨烯增强相变沥青相变调温性能评价指标减去有限元软件计算出的石墨烯增强相变沥青相变调温性能评价指标；
[0082]
(b)将差值除以有限元软件计算出的石墨烯增强相变沥青相变调温评价指标，得到第一修正系数；
[0083]
(c)利用多尺度石墨烯增强相变改性沥青的多组有限元分析计算数据和实验数据获取多个各自对应的第一修正系数；
[0084]
(d)求取第一修正系数的平均数作为最终的第一修正系数；
[0085]
(e)利用第一修正系数与数字一的和乘以p
temp
对有限元分析计算结果的评估公式进行修正。
[0086]
通过第一修正系数的设置，能够利用实验数据对数值模拟计算结果的相变调温性能评价指标评估公式进行实际数值的修正，便于提高评估公式的准确性和科学性。
[0087]
所述s6中机械强度的修正系数的修正过程为：
[0088]
(a)将试验测得的实际石墨烯增强相变沥青机械强度减去有限元软件计算出的石墨烯增强相变沥青机械强度；
[0089]
(b)将差值除以有限元软件计算出的石墨烯增强相变沥青机械强度，得到第二修正系数；
[0090]
(c)利用多尺度石墨烯增强相变改性沥青的多组有限元分析计算数据和实验数据获取多个各自对应的第二修正系数；
[0091]
(d)求取第二修正系数的平均数作为最终的第二修正系数；
[0092]
(e)利用第二修正系数与数字一的和乘以fc对有限元分析计算结果的评估公式进行修正。
[0093]
过第二修正系数的设置，能够利用实验数据对数值模拟计算结果的机械强度评估公式进行实际数值的修正，便于提高评估公式的准确性和科学性。
[0094]
实施例1
[0095]
石墨烯增强相变改性沥青一：石墨烯增强相变改性剂质量份数为5份，沥青质量份数为95份。
[0096]
实施例2
[0097]
石墨烯增强相变改性沥青二：石墨烯增强相变改性剂质量份数为6份，沥青质量份数为94份。
[0098]
实施例3
[0099]
石墨烯增强相变改性沥青三：石墨烯增强相变改性剂质量份数为7份，沥青质量份数为93份。
[0100]
实施例4
[0101]
石墨烯增强相变改性沥青四：石墨烯增强相变改性剂质量份数为8份，沥青质量份数为92份。
[0102]
实施例5
[0103]
石墨烯增强相变改性沥青五：石墨烯增强相变改性剂质量份数为9份，沥青质量份数为91份。
[0104]
实施例6
[0105]
石墨烯增强相变改性沥青六：石墨烯增强相变改性剂质量份数为10份，沥青质量份数为90份。
[0106]
实施例7
[0107]
石墨烯增强相变改性沥青七：石墨烯增强相变改性剂质量份数为11份，沥青质量
份数为89份。
[0108]
实施例8
[0109]
石墨烯增强相变改性沥青八：石墨烯增强相变改性剂质量份数为12份，沥青质量份数为88份。
[0110]
实施例9
[0111]
石墨烯增强相变改性沥青九：石墨烯增强相变改性剂质量份数为13份，沥青质量份数为87份。
[0112]
实施例10
[0113]
石墨烯增强相变改性沥青十：石墨烯增强相变改性剂质量份数为14份，沥青质量份数为86份。
[0114]
实施例11
[0115]
石墨烯增强相变改性沥青十一：石墨烯增强相变改性剂质量份数为15份，沥青质量份数为85份。
[0116]
对比例
[0117]
沥青质量份数为100份。
[0118]
如图2所示，kc的同样实时例和对比的实验数据与数值数据存在一定的差别，是由于设定的边界条件和定解条件存在差异，需要进行试验数据的修正；
[0119]
如图3所示，k
cond
是由kc计算得出的数据，k
cond
的数值计算值和试验数据计算值存在相同的变化趋势；
[0120]
如图4所示，μc的数值计算值和试验数据存在差异，是由于设定的边界条件和定解条件存在差异，需要进行试验数据的修正；
[0121]
如图5所示，μ
accu
是由μc计算出的数值，与μc存在相似的变化趋势；
[0122]
结合图3和图5能够看出，通过公式的设置能够把k
cond
和μ
accu
的数值进行平衡；
[0123]
如图6所示，p
temp
计算后数值数据和试验数据计算得来的数据存在差异性，差异性相对比于单个变量变小；
[0124]
如图7所示，对于实施例和对比例的数值计算结果和试验结果存在差异性，需要针对不同边界条件和定解条件的设定进行修正；
[0125]
通过上述图中的数据计算得到第一修正系数为-0.002，第二修正系数为0.005，而实施例1-6以及对比例对应的f(p
temp
)＝0.49，实施例7-11对应的f(p
temp
)＝0.5。
[0126]
综上所述，在本实施例中，按照本实施例的基于有限元分析的石墨烯增强相变改性沥青的评价方法，通过数值分析和试验分析的结合，在实施例1-11以及对比例的混合比范围内：p
temp
的修正值为(1-0.002)p
temp
，fc的修正值为(1+0.005)fc；机械强度和相变调温性能评价指标的较好的石墨烯增强相变改性剂质量份数推荐范围为[10，15]。
[0127]
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，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所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。