張睿

(蘇州市政園林工程集團(tuán)有限公司)

道路工程

光纖在瀝青路面裂縫監(jiān)測中的應(yīng)用

張睿

(蘇州市政園林工程集團(tuán)有限公司)

瀝青路面早期破壞嚴(yán)重，尤其是裂縫病害特別常見，且處理時(shí)機(jī)始終未能把握準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致整個(gè)路面的翻修、重建，耗費(fèi)大量人力財(cái)力且有效性低，通過光纖技術(shù)對裂縫的檢測可以正確把握路面的裂縫發(fā)展情況從而把握預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的時(shí)機(jī)，增加了道路使用壽命和行車安全性。本文從理論上闡述了其可行性，提出了實(shí)驗(yàn)方案，為光纖在道路中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

光纖;瀝青路面;裂縫;檢測

0 引言

當(dāng)前，道路工程發(fā)展迅速，瀝青路面已成為現(xiàn)階段主要結(jié)構(gòu)形式。隨著工程實(shí)踐主要體現(xiàn)在早期破壞嚴(yán)重，使用壽命降低，尤其是裂縫的產(chǎn)生與不斷擴(kuò)展，嚴(yán)重降低了路面的整體路用性能。針對瀝青路面裂縫的產(chǎn)生，國內(nèi)外均有深入研究，發(fā)現(xiàn)裂縫的發(fā)展會形成翻漿、沉陷、松散、坑槽等病害，道路結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體性破壞，逐漸喪失承載能力;且從路面結(jié)構(gòu)、路面材料、路面設(shè)計(jì)三個(gè)方面提出了針對性措施，但效果并不理想。

正在對瀝青路面早期破壞的預(yù)防與處理相對停滯發(fā)展階段，一個(gè)新理念從國外引入國內(nèi)，即路面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，預(yù)先對路面裂縫或即將產(chǎn)生裂縫處進(jìn)行處理。研究表明，對路面養(yǎng)護(hù)處理可減少裂縫的產(chǎn)生并延長道路使用壽命。但是，對于養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)的把握和針對性養(yǎng)護(hù)措施并不完善，僅僅依靠研究人員的經(jīng)驗(yàn)只能定性的進(jìn)行判斷，不能發(fā)揮養(yǎng)護(hù)的最佳優(yōu)勢。更重要的是，當(dāng)前是信息技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，這為路面裂縫處理提供了新的道路。

要掌握瀝青路面的變化狀態(tài)，無疑需要對瀝青路面進(jìn)行監(jiān)控與檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其運(yùn)營現(xiàn)狀，在裂縫產(chǎn)生之前或者未發(fā)展成大病害之前進(jìn)行處理。因此，光纖傳感技術(shù)在此刻發(fā)揮其特有的優(yōu)勢，光纖是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達(dá)成的光傳導(dǎo)工具，可以通過脈沖變化曲線，檢測其埋設(shè)區(qū)域的實(shí)際變化情況，且具有徑細(xì)、質(zhì)輕、柔順、抗拉、耐腐蝕、耐輻射、耐電磁干擾、耐惡劣環(huán)境作用、傳送頻帶寬、信息容量大、傳輸損耗低和對外界的特殊敏感功能等優(yōu)點(diǎn)。目前光纖技術(shù)在信息技術(shù)、土木結(jié)構(gòu)檢測、橋梁檢測等多領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用，但在道路方面應(yīng)用相對較少。

綜上所述，光纖技術(shù)與路面裂縫處理的結(jié)合，進(jìn)一步發(fā)展了瀝青路面的應(yīng)用。

1 光纖原理

光導(dǎo)纖維(簡稱光纖)是20世紀(jì)70年代前后開始研究開發(fā)的，主要成分是SiO2，直徑通常在100～125 μm之間，是一種由外包層和內(nèi)芯構(gòu)成的纖維狀光纖通信介質(zhì)，其傳輸方式如圖1所示。由于纖芯材料的折射率n1大于外包層折射率n2，根據(jù)Smell和全內(nèi)反射法則，光在傳輸中很少損失能量。

圖1 光導(dǎo)纖維光線傳輸

光纖的傳感原理是利用光在光纖中產(chǎn)生的偏振、干涉、散射或由于光纖破損、變形致使輸出的光產(chǎn)生變化的，通過對在光纖內(nèi)部寫入的光柵反射或透射波長光譜的檢測，實(shí)現(xiàn)被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度的絕對測量。光纖的反射波光譜的中心波長λ主要取決于光柵折射率的調(diào)制周期Λ和有效折射率n。λ= 2nΛ。

光纖的中心波長隨溫度及應(yīng)變的變化而變，任何使這個(gè)參量發(fā)生改變的物理過程都將引起光纖的反射波光譜的漂移?；诖嗽淼墓饫w應(yīng)變傳感器是以光的波長為最小計(jì)量單位的，因而只需要探測到光纖中光，由于拉、壓應(yīng)力柵波長分布圖中波峰的準(zhǔn)確位置。另外，在應(yīng)變測量中，為了克服溫度對測量的影響，由公式可以看出，在測量系統(tǒng)可采用同種溫度環(huán)境下的光纖溫度補(bǔ)償傳感器進(jìn)行克服。

2 可行性研究

首先，光纖技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相對成熟，其后處理技術(shù)可精確反映光纖傳感器埋設(shè)處的變化情況，且精確有效，這無疑為此技術(shù)在道路中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)、研究的方法和手段。

其次，雖然光纖技術(shù)在道路中的應(yīng)用很少，但是在同類交通行業(yè)，如土木結(jié)構(gòu)檢測、橋梁裂縫檢測中已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用。實(shí)踐證明，光纖傳感器在這些行業(yè)中具有有效性、精確性、合理性。

最后，根據(jù)道路特有的性質(zhì)，提出確實(shí)可行的方案，為道路工程的實(shí)際應(yīng)用提供了可參考依據(jù)。

3 存在的問題

3.1 傳感器的選取

(1)點(diǎn)式光纖傳感器

傳感元件自身尺寸比結(jié)構(gòu)構(gòu)件小得多的光纖傳感器，都屬于點(diǎn)式光纖傳感器，如同測量應(yīng)變的電阻應(yīng)變片一樣。

(2)積分式傳感器

積分式傳感器是指能測量一定范圍內(nèi)的某一參量積分值(平均值)的傳感器。例如，測量某一尺寸范圍內(nèi)光纖光強(qiáng)度衰減值的平均值、應(yīng)變平均值、溫度平均值等。測積分值的空間范圍由智能結(jié)構(gòu)的尺寸等因素而定。積分式光纖傳感器可分為光纖干涉儀和光纖偏振干涉儀。

(3)分布式光纖傳感器

分布式光纖傳感器是可以沿空間位置連續(xù)繪出某一參量值的傳感器，其主要特征參量是空間分辨率和靈敏度。分布式光纖傳感器有以下幾種:分布式光纖溫度線感器，分布式光纖應(yīng)力傳感器，分布式微彎光纖傳感器，分布式Sagnat光纖應(yīng)力傳感器。

以上傳感器的要求可根據(jù)實(shí)際情況相對應(yīng)的選用。比較而言，分布式傳感器具有較高的精度，但是布設(shè)繁瑣、價(jià)格相對昂貴，對于道路而言不太實(shí)用。因此選用實(shí)用、布設(shè)簡單、價(jià)格適宜的點(diǎn)式光纖傳感器較適宜。

3.2 傳感器埋設(shè)

(1)光纖傳感器的無損埋設(shè)

和水泥混凝土中一樣，瀝青混合料中同樣存在集料，集料表面粗糙，在瀝青路面鋪設(shè)過程中，更要經(jīng)過碾壓，會破壞傳感器。為此，相應(yīng)的解決方案得以提出，如在光纖上套金屬導(dǎo)管，光纖與導(dǎo)管一起埋入瀝青混凝土中，經(jīng)過壓實(shí)后，將導(dǎo)管取出;在光纖表面涂有保護(hù)層，防止集料對它的損壞等。

(2)光纖傳感器的溫度敏感性

瀝青混凝土最大的特性在于其高溫施工、且經(jīng)過四季溫度影響，這給傳感器的埋設(shè)與檢測結(jié)果帶來了問題。因此，對傳感器的要求又進(jìn)一步，溫度敏感性則是光纖傳感器的另一個(gè)大問題。

解決溫度敏感性無疑是對檢測結(jié)果的進(jìn)一步修正。在材料方面，要求光纖傳感器具有抗高低溫性，可在光纖傳感器表層涂有耐溫材料;其次，對溫度敏感性進(jìn)行室內(nèi)修正，測試不同溫度下的脈沖曲線圖，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)產(chǎn)用最小二乘法進(jìn)行回歸，得到溫度對檢測結(jié)果的修正公式，應(yīng)用于實(shí)測結(jié)果中。

(3)光纖傳感器的長期穩(wěn)定性

光纖傳感器還存在使用壽命的問題，由于道路工程本就是長期跟蹤的一項(xiàng)工程，對光纖傳感器的壽命提出了要求。當(dāng)前傳感器均為達(dá)到使用壽命要求，而重新布設(shè)相當(dāng)復(fù)雜，耗費(fèi)人力和財(cái)力，形成一勞永逸的傳感器生產(chǎn)質(zhì)量保證技術(shù)是最佳的解決方案。

4 試驗(yàn)方案

針對光纖傳感技術(shù)在瀝青路面的切實(shí)可行性研究，提出可實(shí)行試驗(yàn)方案。本研究選用無裂縫至裂縫產(chǎn)生與裂縫擴(kuò)展兩個(gè)階段試驗(yàn)，且裂縫分別使用從上之下貫穿裂縫與從下至上的反射裂縫進(jìn)行檢測，測試其變化情況。

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》成型瀝青混凝土標(biāo)準(zhǔn)小梁試件，試驗(yàn)共產(chǎn)用6塊，每個(gè)測試2次，保證其結(jié)果的有效性。將光纖傳感器粘在小梁試件的底部，進(jìn)行逐級加載試驗(yàn)，檢測完整的小梁試驗(yàn)到破壞的整個(gè)線程中變化情況;對于其他小梁，分別在底部和頂部刨開一個(gè)小口，表征裂縫已經(jīng)產(chǎn)生，觀察其擴(kuò)展情況。具體試驗(yàn)圖如圖2所示。

圖2 光纖裂縫檢測試驗(yàn)圖

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得知，裂縫產(chǎn)生與發(fā)展整個(gè)過程對應(yīng)的光纖傳感器檢測到的數(shù)據(jù)圖像，然后可進(jìn)一步運(yùn)用到實(shí)際道路中。

5 智能數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

綜上，對光纖傳感器檢測瀝青路面的檢測已大體完成，但是檢測結(jié)構(gòu)的后處理更加顯得重要，數(shù)據(jù)處理才是真正解決問題的成果體現(xiàn)。因此，對檢測后的結(jié)果進(jìn)行編程實(shí)行只能輸出，其具體技術(shù)路線如圖3所示。

由圖3可知，其具體實(shí)施方案為，通過光纖傳感器得知當(dāng)前檢測區(qū)域的數(shù)據(jù)圖像，傳輸?shù)街饔?jì)算機(jī)，主計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)好程序，將當(dāng)前數(shù)據(jù)與起始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，通過一系列標(biāo)準(zhǔn)(裂縫寬度、深度)，直接輸出可實(shí)行最佳方案，為道路工程提供了便利，且一系列的子程序可以基于此基礎(chǔ)理論上開發(fā)與加入，從而進(jìn)一步完善。

圖3 智能系統(tǒng)運(yùn)行流程

6 結(jié)論

通過光纖技術(shù)的廣泛應(yīng)用，嫁接到道路工程中與當(dāng)前瀝青路面裂縫養(yǎng)護(hù)結(jié)合起來，可高效、經(jīng)濟(jì)、合理的對路面病害進(jìn)行處理，延長道路的使用壽命。通過初步的理論分析，闡述了其可行性，并提出了室內(nèi)試驗(yàn)方案，針對當(dāng)前光纖技術(shù)存在問題進(jìn)行分析，確定了其發(fā)展趨勢，但依然需要進(jìn)一步研究與探索。

［1］ 李文振.光纖光柵傳感器在瀝青類路面檢測中的應(yīng)用研究［D］.山東:山東大學(xué)，2009.

［2］ 黃志義，王金昌，朱向榮.含裂縫瀝青混凝土路面的粘彈性斷裂分析［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2006，19(2):18－22.

［3］ 王金昌，趙穎華，孫雅珍.瀝青混凝土路面表面裂縫的疲勞變溫?fù)p傷分析［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2001，14(2):6－8.

［4］ 盧哲安，符晶華，張全林.光纖傳感器用于土木工程檢測的研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，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

張睿(1989－)，女，助理工程師，從事施工管理和預(yù)決算研究。