传感元件对沥青路面基体材料力学性能的影响

闫 瑾，罗代松，李亚非，惠 嘉，田苗苗

（交通运输部科学研究院，北京 100029）

0 引言

路面健康监测主要是通过采集并分析埋设在路面结构内部的传感元件监测得到的数据，建立路面使用性能预估方程，以达成设计建设长寿命与高性能路面的目的[1]。当前国内外主流的路面设计方法，即力学-经验设计方法，是根据传感元件提供的关键信息来进行路面结构模型构建和校正，主要采用光纤光栅传感元件或电阻类传感元件来监测不同路面结构层的动力响应和环境情况。

近年来，为使建模分析结果与实测数据更吻合，交通运输部公路科学研究院通过埋设在试验场足尺寸环道内的各类传感元件，长期观测路面动态响应信息及路面温度、湿度等环境状况，力求建立全寿命周期路面多元服役行为信息系统[2]。马奎特立交监测项目在试验路段内部埋设了各种传感元件，布置了动态称重系统和车轮横向分布格栅，可实现真实交通荷载作用下路面内部力学响应的实时监测[3]。董泽蛟等[4-5]对温度场及非均布移动荷载作用下沥青路面力学响应情况进行研究，并通过吉林长寿命沥青路面信息监测项目，对真实荷载与环境作用下沥青路面内部力学响应进行了分析，建立了基于监测信息的沥青路面温度场预估模型、车辙预估模型及疲劳方程。肖桂清等[6]对光纤光栅传感元件在路面结构层三向应变场的监测、动水压力的测定、沥青路面车辙的计算预估等方面的应用进行了研究。国外在相关领域也取得诸多成果。Allen 等[7]建立了柔性路面设计的多尺度计算模型。Varma等[8]分析建立了沥青路面黏弹性非线性多层模型。美国国家沥青技术中心[9]（National Center for Asphalt Technology,NCAT）通过在环道试验路内部埋设传感元件来监测可控荷载作用下的路面力学响应，以验证路面力学模型，并评价不同路面结构和材料对路面使用性能的影响。Al-Qadi 等[10]对智慧公路中不同柔性路面的应力、应变等指标进行力学响应测试，并基于实测力学响应信息来修正沥青混合料疲劳方程。

然而，国内外学者虽研究了路面结构力学响应规律，构建了疲劳方程、车辙预估方程等性能预估方程，完善了力学-经验设计方法，但尚未建立高模量传感元件与低模量沥青路面黏弹性基体材料的受力状态以及损伤过程的相互作用机理模型。此外，由于实时监测时埋设的传感元件较多，造成海量数据堆积，数据利用率和精确度下降。因此，本文基于结构车辙试验加载模式，建立含有传感元件的结构车辙试验有限元模型，采用现场材料的实测黏弹参数进行两者间相互作用机理的研究，以期通过高、低模量传感元件对沥青混合料基体材料应力应变场及蠕变特性的影响规律，了解沥青路面长期性能的衰变情况，为沥青路面监测方案的提出以及路用性能预估模型的建立奠定理论基础，为全面、深入地认识再生沥青路面长期性能，形成系统、完整的工程理论，指导工程实践、促进公路交通可持续发展提供一些参考。

1 有限元模型的建立

本文应用ABAQUS 软件平台建立植入受拉型短纤维增塑（Short Fiber Reinforce Plastic,SFRP）光纤光栅传感元件、受压型长纤维增塑（Long Fi⁃ber Reinforce Plastic,LFRP）光纤光栅传感元件[11-12]的结构车辙板有限元模型，分析传感元件对试件各力学参数的影响以及传感元件模量与基体材料模量组合对试件应力场和应变场的影响[13]。结构车辙模型平面尺寸为30cm×30cm，厚度为17cm，沥青混合料分上、中、下3 层。沥青混合料材料参数[14-18]采用动态模量试验获得的松弛模量主曲线以及蠕变试验获得的扩展Drucker-Prag⁃er 模型Creep 参数定义；SFRP 传感元件置于下面层至顶部2～7cm 处，LFRP 传感元件置于下面层至顶部1.5～3.5cm 处。传感元件与沥青混合料间采用连续接触条件，试件单元和传感元件皆采用C3D8R 单元（8 节点六面体二次减缩积分单元）模拟。

试件局部及传感元件网格划分如图1 和图2所示。

图1 试件整体、局部及SFRP传感元件网格划分

图2 试件整体、局部及LFRP传感元件网格划分

2 传感元件对沥青混合料基体材料应力应变场的影响

选取距水平传感元件中部纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Plastic,FRP）圆心点±0.25cm,±1.0cm,-2.75cm（负号表示位于传感元件下方）以及传感元件中心的时程曲线作为分析对象[15]，取点位置如图3所示。

图3 试件局部及分析点位置

2.1 纵向应变传感元件对沥青混合料应力应变场的影响

为了分析纵向应变传感元件的存在对沥青混合料应力应变的影响[19-20]，选择3 种情况进行对比分析：（1）嵌入高模量传感元件（模量为50GPa）；（2）嵌入低模量传感元件（模量为1GPa）；（3）沥青混合料材料（即仅有基体材料——热料沥青混合料（Hot Mixture Asphalt,HMA），未嵌入传感元件）。通过3种情况下的横向应变、竖向应变、纵向应变、剪应变时程变化曲线（见图4～图7）以及横向应力、竖向应力、纵向应力、剪应力的时程变化曲线来对比分析传感元件对基体材料的影响。

图4 纵向应变传感元件对基体材料横向应变的影响规律

从图4 可以看出，纵向应变传感元件对其周围材料的横向应变有一定的影响，特别是传感元件中心上方1cm 处的应变，嵌入高模量传感元件时增加14.7με，而嵌入低模量传感元件时增加6.2με；当距离传感元件中心2.75cm 时，传感元件对沥青混合料的横向应变影响变小，仅增加4.4με。总体而言，传感元件的嵌入使得传感元件周围局部区域横向应变增大；而由于外部高模量介质的嵌入，传感元件中心点的横向应变明显减小。

图5 纵向应变传感元件对基体材料竖向应变的影响规律

从图5 同样可以看出，纵向应变传感元件对其周围材料的竖向应变有相当大的影响，特别是其中心上方1cm 处的应变，嵌入高模量传感元件时增加15.3με，而嵌入低模量传感元件时增加20.5με；当距离传感元件中心2.75cm 时，传感元件对沥青混合料的竖向应变影响很小。总体而言，传感元件的嵌入使得传感元件周围局部区域竖向应变增大；而由于外部高模量介质的嵌入，传感元件中心点的竖向应变明显减小。

图6 纵向应变传感元件对纵向应变的影响规律

从图6 可以看出，与前述对横向应变、竖向应变的影响规律不同，纵向应变传感元件的存在导致其周围材料的纵向应变减小，如在距离传感元件中心1cm 处，嵌入高模量传感元件时沥青混合料的纵向应变减小了17.5με，而嵌入低模量传感元件时减小了1.7με；在距离传感元件中心2.75cm 处，传感元件对沥青混合料的纵向应变影响很小。总体而言，传感元件的嵌入使得传感元件周围局部区域纵向应变减小，而由于外部高模量介质的嵌入，传感元件中心点的纵向应变明显减小。

图7 纵向应变传感元件对剪应变的影响规律

从图7 可以看出，纵向应变传感元件的存在导致其周围材料的剪应变增大，如在距离传感元件中心0.25cm 处，嵌入高模量传感元件时正负剪应变分别增加170.2με和109.6με。总体而言，传感元件的嵌入使得传感元件周围局部区域，特别是两侧锚头区域剪应变增大，而由于外部高模量介质的嵌入，传感元件中心点的剪应变明显减小。

同理，通过对纵向传感元件对基体材料横向应力、竖向应力、纵向应力及剪应力的影响规律的研究，可以看出传感元件的存在导致其周围材料的应力发生变化：周围材料所受横向应力增大，且时程变化规律也发生了变化，特别是在距离传感元件中心±0.25cm 处，与之相对的是竖向应力和剪应力仅略有增大；同样，周围材料所受纵向应力增大，且时程变化规律也发生变化，尤其是在距离传感元件中心±0.25cm 处；此外，传感元件中心点的纵向应力在嵌入高模量传感元件时特别大，而嵌入低模量传感元件能够明显降低传感元件所受的纵向应力。

2.2 横向应变传感元件对沥青混合料应力应变场的影响

为了分析横向应变传感元件对沥青混合料应力应变的影响，同样选择3种情况进行对比分析，结果如下：

（1）横向应变传感元件的存在对其周围材料横向应变的影响规律与对基体材料的纵向应变影响规律相反。总体而言，传感元件的嵌入使得传感元件周围局部区域横向应变减小。而由于外部高模量介质的存在，传感元件中心点的横向应变明显减小。

（2）横向应变传感元件的存在对其周围材料的竖向应变存在影响。总体而言，传感元件的嵌入使得传感元件周围局部区域竖向应变增大。而由于外部高模量介质的存在，传感元件中心点的竖向应变明显减小。

（3）横向应变传感元件的存在导致其周围材料的纵向应变增大。总体而言，传感元件的嵌入使得传感元件周围局部区域纵向应变增大。而由于外部高模量介质的存在，传感元件中心点的纵向应变明显减小。

（4）与纵向应变传感元件存在时不同，横向应变传感元件对周围材料的剪应变影响较小，整体水平仅略微降低。而由于外部高模量介质的存在，传感元件中心点的剪应变明显减小，减小幅度与嵌入纵向应变传感元件时大致相当。

通过分析横向应变传感元件对基体材料横向应力、竖向应力、纵向应力以及剪应力的影响规律可知，传感元件的存在导致其周围材料的应力发生变化，周围材料所受横向应力增加，且距离传感元件中心±0.25cm 处时程变化规律发生变化。特别值得注意的是，传感元件中心点的横向应力在嵌入高模量传感元件时明显增大，而嵌入的传感元件模量降低后，传感元件所受的纵向应力也明显降低且纵向应力时程变化规律发生明显变化，尤其是距离传感元件中心±0.25cm 处。与之相对的是，竖向应力和剪应力随嵌入传感器模量的降低仅应力值略有增大。

3 传感元件对沥青混合料基体材料蠕变特性的影响

本文针对沥青路面基体材料的蠕变特性，建立考虑基体材料蠕变特性的沥青混合料与光纤光栅应变传感元件相互作用有限元分析模型，探讨传感元件的存在及其物理特性对基体材料蠕变行为的影响及两者间相互作用的规律。蠕变分析中，加载时间采用累计等效作用时间10 800s，对应100 万次重载条件下路面的车辙变形情况，路面结构仍采用前述的3 层（4cm,5cm,7cm）结构车辙试验试件。以竖向应变传感元件为例，通过试件空间分布规律以及蠕变应变时程变化规律来分析传感元件的存在对基体材料蠕变特性的影响，控制点位如图8所示。

图9 给出了有无高模量传感元件时沥青混合料的横向蠕变应变时程变化的对比情况。

从图9可以看出，在没有传感元件的基体材料中，随着深度的增加，横向蠕变应变逐渐减小，至D 点后减小幅度变小，D,C,B,A 点的蠕变变形大致相当；而当高模量传感元件存在时，传感元件所在区域横向蠕变应变急剧减小，尤其是传感元件中间区域，由于竖向应变传感元件锚头的保护作用，其横向蠕变应变很小；同时高模量杂质的存在导致其底部区域横向蠕变应变明显增大，如传感元件底部A点和B点，横向蠕变变形增大2～3倍。同样，传感元件中部及两侧所在区域横向蠕变应变较其他区域基体材料明显变小，传感元件底部区域横向蠕变应变明显增大。

图8 试件局部及分析点位置

图9 有无高模量竖向应变传感元件时沥青混合料横向蠕变应变时程

同理，通过对有无高模量竖向应变传感元件时竖向蠕变应变空间分布情况的对比以及时程变化的分析得出：基体材料中随着深度的增加，竖向蠕变压应变逐渐减小；当高模量传感元件存在时，其周围的蠕变行为发生改变，传感元件的底部出现了较大的竖向蠕变压应变，为-16 000με，较无传感元件时增大了4 倍；而其中部则出现了一定的蠕变拉应变，这与传感元件锚头的存在有一定关系。而从时程曲线也可看出，传感元件中部及左右两侧竖向蠕变应变较基体材料明显变小，传感元件底部蠕变应变明显增大。

通过对有无高模量竖向应变传感元件时的纵向蠕变应变空间分布以及时程变化的研究得出，与横向蠕变应变规律相似，没有传感元件的基体材料中，随着深度的增加，纵向蠕变应变逐渐减小，至D 点后减小幅度变小，D,C,B,A 点的纵向蠕变变形大致相当；而当高模量传感元件存在时，传感元件所在区域纵向蠕变应变急剧减小，尤其是传感元件中间位置对应的区域，由于竖向应变传感元件锚头的保护作用，其纵向蠕变应变很小；同时高模量杂质的存在导致其底部区域纵向蠕变应变明显增大，如传感元件底部A 点和B点，纵向蠕变变形增大2～3倍。同样，从空间分布也可看到，传感元件中部及两侧纵向蠕变应变较基体材料明显变小，传感元件底部纵向蠕变应变明显增大。

通过对有无高模量竖向应变传感元件时沥青混合料的剪切蠕变应变空间分布的研究得出，与正向蠕变应变相比，传感元件的存在对于其周围材料的剪切蠕变影响范围较小，主要影响的是传感元件顶部和底部锚头位置处。

4 结语

沥青路面长期性能研究是提高沥青路面耐久性的一项基础性研究。本文采用有限元模型分析了传感元件与沥青混合料基体材料相互作用情况，研究得出：传感元件的嵌入不仅明显改变了被测基体材料的应力场、应变场的瞬态响应大小和分布规律，也对其周围沥青混合料的长期蠕变特性产生了明显的影响，而这种影响与嵌入传感元件的模量以及混合料与传感元件的距离有关。研究成果为解决有限元模型与实测数据间的误差提供了理论依据，可以为提高实测数据的精确度，全面、深入地了解沥青路面长期性能提供一些参考。然而，如何验证及修正传感元件测试结果是路面动力响应测试的难题之一。下一步可继续针对沥青路面的监测评价指标，通过实测值与模拟值的对比，对传感元件标定理论及试验开展研究。