光纤在沥青路面裂缝监测中的应用

张睿

(苏州市政园林工程集团有限公司)

道路工程

光纤在沥青路面裂缝监测中的应用

张睿

(苏州市政园林工程集团有限公司)

沥青路面早期破坏严重，尤其是裂缝病害特别常见，且处理时机始终未能把握准确，从而导致整个路面的翻修、重建，耗费大量人力财力且有效性低，通过光纤技术对裂缝的检测可以正确把握路面的裂缝发展情况从而把握预防性养护的时机，增加了道路使用寿命和行车安全性。本文从理论上阐述了其可行性，提出了实验方案，为光纤在道路中的应用提供理论基础。

光纤;沥青路面;裂缝;检测

0 引言

当前，道路工程发展迅速，沥青路面已成为现阶段主要结构形式。随着工程实践主要体现在早期破坏严重，使用寿命降低，尤其是裂缝的产生与不断扩展，严重降低了路面的整体路用性能。针对沥青路面裂缝的产生，国内外均有深入研究，发现裂缝的发展会形成翻浆、沉陷、松散、坑槽等病害，道路结构出现整体性破坏，逐渐丧失承载能力;且从路面结构、路面材料、路面设计三个方面提出了针对性措施，但效果并不理想。

正在对沥青路面早期破坏的预防与处理相对停滞发展阶段，一个新理念从国外引入国内，即路面的预防性养护，预先对路面裂缝或即将产生裂缝处进行处理。研究表明，对路面养护处理可减少裂缝的产生并延长道路使用寿命。但是，对于养护时机的把握和针对性养护措施并不完善，仅仅依靠研究人员的经验只能定性的进行判断，不能发挥养护的最佳优势。更重要的是，当前是信息技术飞速发展的时代，这为路面裂缝处理提供了新的道路。

要掌握沥青路面的变化状态，无疑需要对沥青路面进行监控与检测，及时发现其运营现状，在裂缝产生之前或者未发展成大病害之前进行处理。因此，光纤传感技术在此刻发挥其特有的优势，光纤是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具，可以通过脉冲变化曲线，检测其埋设区域的实际变化情况，且具有径细、质轻、柔顺、抗拉、耐腐蚀、耐辐射、耐电磁干扰、耐恶劣环境作用、传送频带宽、信息容量大、传输损耗低和对外界的特殊敏感功能等优点。目前光纤技术在信息技术、土木结构检测、桥梁检测等多领域得到了很好的应用，但在道路方面应用相对较少。

综上所述，光纤技术与路面裂缝处理的结合，进一步发展了沥青路面的应用。

1 光纤原理

光导纤维(简称光纤)是20世纪70年代前后开始研究开发的，主要成分是SiO2，直径通常在100～125 μm之间，是一种由外包层和内芯构成的纤维状光纤通信介质，其传输方式如图1所示。由于纤芯材料的折射率n1大于外包层折射率n2，根据Smell和全内反射法则，光在传输中很少损失能量。

图1 光导纤维光线传输

光纤的传感原理是利用光在光纤中产生的偏振、干涉、散射或由于光纤破损、变形致使输出的光产生变化的，通过对在光纤内部写入的光栅反射或透射波长光谱的检测，实现被测结构的应变和温度的绝对测量。光纤的反射波光谱的中心波长λ主要取决于光栅折射率的调制周期Λ和有效折射率n。λ= 2nΛ。

光纤的中心波长随温度及应变的变化而变，任何使这个参量发生改变的物理过程都将引起光纤的反射波光谱的漂移。基于此原理的光纤应变传感器是以光的波长为最小计量单位的，因而只需要探测到光纤中光，由于拉、压应力栅波长分布图中波峰的准确位置。另外，在应变测量中，为了克服温度对测量的影响，由公式可以看出，在测量系统可采用同种温度环境下的光纤温度补偿传感器进行克服。

2 可行性研究

首先，光纤技术发展已经相对成熟，其后处理技术可精确反映光纤传感器埋设处的变化情况，且精确有效，这无疑为此技术在道路中的应用提供了理论基础、研究的方法和手段。

其次，虽然光纤技术在道路中的应用很少，但是在同类交通行业，如土木结构检测、桥梁裂缝检测中已经得到了很好的应用。实践证明，光纤传感器在这些行业中具有有效性、精确性、合理性。

最后，根据道路特有的性质，提出确实可行的方案，为道路工程的实际应用提供了可参考依据。

3 存在的问题

3.1 传感器的选取

(1)点式光纤传感器

传感元件自身尺寸比结构构件小得多的光纤传感器，都属于点式光纤传感器，如同测量应变的电阻应变片一样。

(2)积分式传感器

积分式传感器是指能测量一定范围内的某一参量积分值(平均值)的传感器。例如，测量某一尺寸范围内光纤光强度衰减值的平均值、应变平均值、温度平均值等。测积分值的空间范围由智能结构的尺寸等因素而定。积分式光纤传感器可分为光纤干涉仪和光纤偏振干涉仪。

(3)分布式光纤传感器

分布式光纤传感器是可以沿空间位置连续绘出某一参量值的传感器，其主要特征参量是空间分辨率和灵敏度。分布式光纤传感器有以下几种:分布式光纤温度线感器，分布式光纤应力传感器，分布式微弯光纤传感器，分布式Sagnat光纤应力传感器。

以上传感器的要求可根据实际情况相对应的选用。比较而言，分布式传感器具有较高的精度，但是布设繁琐、价格相对昂贵，对于道路而言不太实用。因此选用实用、布设简单、价格适宜的点式光纤传感器较适宜。

3.2 传感器埋设

(1)光纤传感器的无损埋设

和水泥混凝土中一样，沥青混合料中同样存在集料，集料表面粗糙，在沥青路面铺设过程中，更要经过碾压，会破坏传感器。为此，相应的解决方案得以提出，如在光纤上套金属导管，光纤与导管一起埋入沥青混凝土中，经过压实后，将导管取出;在光纤表面涂有保护层，防止集料对它的损坏等。

(2)光纤传感器的温度敏感性

沥青混凝土最大的特性在于其高温施工、且经过四季温度影响，这给传感器的埋设与检测结果带来了问题。因此，对传感器的要求又进一步，温度敏感性则是光纤传感器的另一个大问题。

解决温度敏感性无疑是对检测结果的进一步修正。在材料方面，要求光纤传感器具有抗高低温性，可在光纤传感器表层涂有耐温材料;其次，对温度敏感性进行室内修正，测试不同温度下的脉冲曲线图，根据实测数据产用最小二乘法进行回归，得到温度对检测结果的修正公式，应用于实测结果中。

(3)光纤传感器的长期稳定性

光纤传感器还存在使用寿命的问题，由于道路工程本就是长期跟踪的一项工程，对光纤传感器的寿命提出了要求。当前传感器均为达到使用寿命要求，而重新布设相当复杂，耗费人力和财力，形成一劳永逸的传感器生产质量保证技术是最佳的解决方案。

4 试验方案

针对光纤传感技术在沥青路面的切实可行性研究，提出可实行试验方案。本研究选用无裂缝至裂缝产生与裂缝扩展两个阶段试验，且裂缝分别使用从上之下贯穿裂缝与从下至上的反射裂缝进行检测，测试其变化情况。

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型沥青混凝土标准小梁试件，试验共产用6块，每个测试2次，保证其结果的有效性。将光纤传感器粘在小梁试件的底部，进行逐级加载试验，检测完整的小梁试验到破坏的整个线程中变化情况;对于其他小梁，分别在底部和顶部刨开一个小口，表征裂缝已经产生，观察其扩展情况。具体试验图如图2所示。

图2 光纤裂缝检测试验图

通过试验数据分析可得知，裂缝产生与发展整个过程对应的光纤传感器检测到的数据图像，然后可进一步运用到实际道路中。

5 智能数据分析系统

综上，对光纤传感器检测沥青路面的检测已大体完成，但是检测结构的后处理更加显得重要，数据处理才是真正解决问题的成果体现。因此，对检测后的结果进行编程实行只能输出，其具体技术路线如图3所示。

由图3可知，其具体实施方案为，通过光纤传感器得知当前检测区域的数据图像，传输到主计算机，主计算机根据设计好程序，将当前数据与起始数据进行比较分析，通过一系列标准(裂缝宽度、深度)，直接输出可实行最佳方案，为道路工程提供了便利，且一系列的子程序可以基于此基础理论上开发与加入，从而进一步完善。

图3 智能系统运行流程

6 结论

通过光纤技术的广泛应用，嫁接到道路工程中与当前沥青路面裂缝养护结合起来，可高效、经济、合理的对路面病害进行处理，延长道路的使用寿命。通过初步的理论分析，阐述了其可行性，并提出了室内试验方案，针对当前光纤技术存在问题进行分析，确定了其发展趋势，但依然需要进一步研究与探索。

［1］ 李文振.光纤光栅传感器在沥青类路面检测中的应用研究［D］.山东:山东大学，2009.

［2］ 黄志义，王金昌，朱向荣.含裂缝沥青混凝土路面的粘弹性断裂分析［J］.中国公路学报，2006，19(2):18－22.

［3］ 王金昌，赵颖华，孙雅珍.沥青混凝土路面表面裂缝的疲劳变温损伤分析［J］.中国公路学报，2001，14(2):6－8.

［4］ 卢哲安，符晶华，张全林.光纤传感器用于土木工程检测的研究［J］.武汉理工大学学报，2001，23(8):37－41.

Application of fiber in the asphalt pavement cracks detecting

ZHANG Rui
(Suzhou Municipal and Garden Engineering Group Ltd.)

Asphalt pavement severely damaged early，especially the cracks are common disease.Because of the current accurate can not been caught，the road renovation and reconstruction spend a lot of human and financial resources and low effectiveness.According to the Fiber Optic Sensing Technology，the developing of the cracks can be detected.Thus，many measures can be proposed to stop it and extend the life of the road.The article elaborates the feasibility and proposes the experimental program.

fiber;asphalt pavement;crack;detct

U416.1

C

1008－3383(2015)10－0001－02

2014－01－13

张睿(1989－)，女，助理工程师，从事施工管理和预决算研究。