傳感元件對瀝青路面基體材料力學(xué)性能的影響

閆 瑾，羅代松，李亞非，惠 嘉，田苗苗

（交通運輸部科學(xué)研究院，北京 100029）

0 引言

路面健康監(jiān)測主要是通過采集并分析埋設(shè)在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳感元件監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)，建立路面使用性能預(yù)估方程，以達(dá)成設(shè)計建設(shè)長壽命與高性能路面的目的[1]。當(dāng)前國內(nèi)外主流的路面設(shè)計方法，即力學(xué)-經(jīng)驗設(shè)計方法，是根據(jù)傳感元件提供的關(guān)鍵信息來進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建和校正，主要采用光纖光柵傳感元件或電阻類傳感元件來監(jiān)測不同路面結(jié)構(gòu)層的動力響應(yīng)和環(huán)境情況。

近年來，為使建模分析結(jié)果與實測數(shù)據(jù)更吻合，交通運輸部公路科學(xué)研究院通過埋設(shè)在試驗場足尺寸環(huán)道內(nèi)的各類傳感元件，長期觀測路面動態(tài)響應(yīng)信息及路面溫度、濕度等環(huán)境狀況，力求建立全壽命周期路面多元服役行為信息系統(tǒng)[2]。馬奎特立交監(jiān)測項目在試驗路段內(nèi)部埋設(shè)了各種傳感元件，布置了動態(tài)稱重系統(tǒng)和車輪橫向分布格柵，可實現(xiàn)真實交通荷載作用下路面內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)的實時監(jiān)測[3]。董澤蛟等[4-5]對溫度場及非均布移動荷載作用下瀝青路面力學(xué)響應(yīng)情況進(jìn)行研究，并通過吉林長壽命瀝青路面信息監(jiān)測項目，對真實荷載與環(huán)境作用下瀝青路面內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了分析，建立了基于監(jiān)測信息的瀝青路面溫度場預(yù)估模型、車轍預(yù)估模型及疲勞方程。肖桂清等[6]對光纖光柵傳感元件在路面結(jié)構(gòu)層三向應(yīng)變場的監(jiān)測、動水壓力的測定、瀝青路面車轍的計算預(yù)估等方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究。國外在相關(guān)領(lǐng)域也取得諸多成果。Allen 等[7]建立了柔性路面設(shè)計的多尺度計算模型。Varma等[8]分析建立了瀝青路面黏彈性非線性多層模型。美國國家瀝青技術(shù)中心[9]（National Center for Asphalt Technology,NCAT）通過在環(huán)道試驗路內(nèi)部埋設(shè)傳感元件來監(jiān)測可控荷載作用下的路面力學(xué)響應(yīng)，以驗證路面力學(xué)模型，并評價不同路面結(jié)構(gòu)和材料對路面使用性能的影響。Al-Qadi 等[10]對智慧公路中不同柔性路面的應(yīng)力、應(yīng)變等指標(biāo)進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)測試，并基于實測力學(xué)響應(yīng)信息來修正瀝青混合料疲勞方程。

然而，國內(nèi)外學(xué)者雖研究了路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，構(gòu)建了疲勞方程、車轍預(yù)估方程等性能預(yù)估方程，完善了力學(xué)-經(jīng)驗設(shè)計方法，但尚未建立高模量傳感元件與低模量瀝青路面黏彈性基體材料的受力狀態(tài)以及損傷過程的相互作用機理模型。此外，由于實時監(jiān)測時埋設(shè)的傳感元件較多，造成海量數(shù)據(jù)堆積，數(shù)據(jù)利用率和精確度下降。因此，本文基于結(jié)構(gòu)車轍試驗加載模式，建立含有傳感元件的結(jié)構(gòu)車轍試驗有限元模型，采用現(xiàn)場材料的實測黏彈參數(shù)進(jìn)行兩者間相互作用機理的研究，以期通過高、低模量傳感元件對瀝青混合料基體材料應(yīng)力應(yīng)變場及蠕變特性的影響規(guī)律，了解瀝青路面長期性能的衰變情況，為瀝青路面監(jiān)測方案的提出以及路用性能預(yù)估模型的建立奠定理論基礎(chǔ)，為全面、深入地認(rèn)識再生瀝青路面長期性能，形成系統(tǒng)、完整的工程理論，指導(dǎo)工程實踐、促進(jìn)公路交通可持續(xù)發(fā)展提供一些參考。

1 有限元模型的建立

本文應(yīng)用ABAQUS 軟件平臺建立植入受拉型短纖維增塑（Short Fiber Reinforce Plastic,SFRP）光纖光柵傳感元件、受壓型長纖維增塑（Long Fi?ber Reinforce Plastic,LFRP）光纖光柵傳感元件[11-12]的結(jié)構(gòu)車轍板有限元模型，分析傳感元件對試件各力學(xué)參數(shù)的影響以及傳感元件模量與基體材料模量組合對試件應(yīng)力場和應(yīng)變場的影響[13]。結(jié)構(gòu)車轍模型平面尺寸為30cm×30cm，厚度為17cm，瀝青混合料分上、中、下3 層。瀝青混合料材料參數(shù)[14-18]采用動態(tài)模量試驗獲得的松弛模量主曲線以及蠕變試驗獲得的擴展Drucker-Prag?er 模型Creep 參數(shù)定義；SFRP 傳感元件置于下面層至頂部2～7cm 處，LFRP 傳感元件置于下面層至頂部1.5～3.5cm 處。傳感元件與瀝青混合料間采用連續(xù)接觸條件，試件單元和傳感元件皆采用C3D8R 單元（8 節(jié)點六面體二次減縮積分單元）模擬。

試件局部及傳感元件網(wǎng)格劃分如圖1 和圖2所示。

圖1 試件整體、局部及SFRP傳感元件網(wǎng)格劃分

圖2 試件整體、局部及LFRP傳感元件網(wǎng)格劃分

2 傳感元件對瀝青混合料基體材料應(yīng)力應(yīng)變場的影響

選取距水平傳感元件中部纖維增強復(fù)合材料（Fiber Reinforced Plastic,FRP）圓心點±0.25cm,±1.0cm,-2.75cm（負(fù)號表示位于傳感元件下方）以及傳感元件中心的時程曲線作為分析對象[15]，取點位置如圖3所示。

圖3 試件局部及分析點位置

2.1 縱向應(yīng)變傳感元件對瀝青混合料應(yīng)力應(yīng)變場的影響

為了分析縱向應(yīng)變傳感元件的存在對瀝青混合料應(yīng)力應(yīng)變的影響[19-20]，選擇3 種情況進(jìn)行對比分析：（1）嵌入高模量傳感元件（模量為50GPa）；（2）嵌入低模量傳感元件（模量為1GPa）；（3）瀝青混合料材料（即僅有基體材料——熱料瀝青混合料（Hot Mixture Asphalt,HMA），未嵌入傳感元件）。通過3種情況下的橫向應(yīng)變、豎向應(yīng)變、縱向應(yīng)變、剪應(yīng)變時程變化曲線（見圖4～圖7）以及橫向應(yīng)力、豎向應(yīng)力、縱向應(yīng)力、剪應(yīng)力的時程變化曲線來對比分析傳感元件對基體材料的影響。

圖4 縱向應(yīng)變傳感元件對基體材料橫向應(yīng)變的影響規(guī)律

從圖4 可以看出，縱向應(yīng)變傳感元件對其周圍材料的橫向應(yīng)變有一定的影響，特別是傳感元件中心上方1cm 處的應(yīng)變，嵌入高模量傳感元件時增加14.7με，而嵌入低模量傳感元件時增加6.2με；當(dāng)距離傳感元件中心2.75cm 時，傳感元件對瀝青混合料的橫向應(yīng)變影響變小，僅增加4.4με?？傮w而言，傳感元件的嵌入使得傳感元件周圍局部區(qū)域橫向應(yīng)變增大；而由于外部高模量介質(zhì)的嵌入，傳感元件中心點的橫向應(yīng)變明顯減小。

圖5 縱向應(yīng)變傳感元件對基體材料豎向應(yīng)變的影響規(guī)律

從圖5 同樣可以看出，縱向應(yīng)變傳感元件對其周圍材料的豎向應(yīng)變有相當(dāng)大的影響，特別是其中心上方1cm 處的應(yīng)變，嵌入高模量傳感元件時增加15.3με，而嵌入低模量傳感元件時增加20.5με；當(dāng)距離傳感元件中心2.75cm 時，傳感元件對瀝青混合料的豎向應(yīng)變影響很小。總體而言，傳感元件的嵌入使得傳感元件周圍局部區(qū)域豎向應(yīng)變增大；而由于外部高模量介質(zhì)的嵌入，傳感元件中心點的豎向應(yīng)變明顯減小。

圖6 縱向應(yīng)變傳感元件對縱向應(yīng)變的影響規(guī)律

從圖6 可以看出，與前述對橫向應(yīng)變、豎向應(yīng)變的影響規(guī)律不同，縱向應(yīng)變傳感元件的存在導(dǎo)致其周圍材料的縱向應(yīng)變減小，如在距離傳感元件中心1cm 處，嵌入高模量傳感元件時瀝青混合料的縱向應(yīng)變減小了17.5με，而嵌入低模量傳感元件時減小了1.7με；在距離傳感元件中心2.75cm 處，傳感元件對瀝青混合料的縱向應(yīng)變影響很小?？傮w而言，傳感元件的嵌入使得傳感元件周圍局部區(qū)域縱向應(yīng)變減小，而由于外部高模量介質(zhì)的嵌入，傳感元件中心點的縱向應(yīng)變明顯減小。

圖7 縱向應(yīng)變傳感元件對剪應(yīng)變的影響規(guī)律

從圖7 可以看出，縱向應(yīng)變傳感元件的存在導(dǎo)致其周圍材料的剪應(yīng)變增大，如在距離傳感元件中心0.25cm 處，嵌入高模量傳感元件時正負(fù)剪應(yīng)變分別增加170.2με和109.6με。總體而言，傳感元件的嵌入使得傳感元件周圍局部區(qū)域，特別是兩側(cè)錨頭區(qū)域剪應(yīng)變增大，而由于外部高模量介質(zhì)的嵌入，傳感元件中心點的剪應(yīng)變明顯減小。

同理，通過對縱向傳感元件對基體材料橫向應(yīng)力、豎向應(yīng)力、縱向應(yīng)力及剪應(yīng)力的影響規(guī)律的研究，可以看出傳感元件的存在導(dǎo)致其周圍材料的應(yīng)力發(fā)生變化：周圍材料所受橫向應(yīng)力增大，且時程變化規(guī)律也發(fā)生了變化，特別是在距離傳感元件中心±0.25cm 處，與之相對的是豎向應(yīng)力和剪應(yīng)力僅略有增大；同樣，周圍材料所受縱向應(yīng)力增大，且時程變化規(guī)律也發(fā)生變化，尤其是在距離傳感元件中心±0.25cm 處；此外，傳感元件中心點的縱向應(yīng)力在嵌入高模量傳感元件時特別大，而嵌入低模量傳感元件能夠明顯降低傳感元件所受的縱向應(yīng)力。

2.2 橫向應(yīng)變傳感元件對瀝青混合料應(yīng)力應(yīng)變場的影響

為了分析橫向應(yīng)變傳感元件對瀝青混合料應(yīng)力應(yīng)變的影響，同樣選擇3種情況進(jìn)行對比分析，結(jié)果如下：

（1）橫向應(yīng)變傳感元件的存在對其周圍材料橫向應(yīng)變的影響規(guī)律與對基體材料的縱向應(yīng)變影響規(guī)律相反。總體而言，傳感元件的嵌入使得傳感元件周圍局部區(qū)域橫向應(yīng)變減小。而由于外部高模量介質(zhì)的存在，傳感元件中心點的橫向應(yīng)變明顯減小。

（2）橫向應(yīng)變傳感元件的存在對其周圍材料的豎向應(yīng)變存在影響。總體而言，傳感元件的嵌入使得傳感元件周圍局部區(qū)域豎向應(yīng)變增大。而由于外部高模量介質(zhì)的存在，傳感元件中心點的豎向應(yīng)變明顯減小。

（3）橫向應(yīng)變傳感元件的存在導(dǎo)致其周圍材料的縱向應(yīng)變增大。總體而言，傳感元件的嵌入使得傳感元件周圍局部區(qū)域縱向應(yīng)變增大。而由于外部高模量介質(zhì)的存在，傳感元件中心點的縱向應(yīng)變明顯減小。

（4）與縱向應(yīng)變傳感元件存在時不同，橫向應(yīng)變傳感元件對周圍材料的剪應(yīng)變影響較小，整體水平僅略微降低。而由于外部高模量介質(zhì)的存在，傳感元件中心點的剪應(yīng)變明顯減小，減小幅度與嵌入縱向應(yīng)變傳感元件時大致相當(dāng)。

通過分析橫向應(yīng)變傳感元件對基體材料橫向應(yīng)力、豎向應(yīng)力、縱向應(yīng)力以及剪應(yīng)力的影響規(guī)律可知，傳感元件的存在導(dǎo)致其周圍材料的應(yīng)力發(fā)生變化，周圍材料所受橫向應(yīng)力增加，且距離傳感元件中心±0.25cm 處時程變化規(guī)律發(fā)生變化。特別值得注意的是，傳感元件中心點的橫向應(yīng)力在嵌入高模量傳感元件時明顯增大，而嵌入的傳感元件模量降低后，傳感元件所受的縱向應(yīng)力也明顯降低且縱向應(yīng)力時程變化規(guī)律發(fā)生明顯變化，尤其是距離傳感元件中心±0.25cm 處。與之相對的是，豎向應(yīng)力和剪應(yīng)力隨嵌入傳感器模量的降低僅應(yīng)力值略有增大。

3 傳感元件對瀝青混合料基體材料蠕變特性的影響

本文針對瀝青路面基體材料的蠕變特性，建立考慮基體材料蠕變特性的瀝青混合料與光纖光柵應(yīng)變傳感元件相互作用有限元分析模型，探討傳感元件的存在及其物理特性對基體材料蠕變行為的影響及兩者間相互作用的規(guī)律。蠕變分析中，加載時間采用累計等效作用時間10 800s，對應(yīng)100 萬次重載條件下路面的車轍變形情況，路面結(jié)構(gòu)仍采用前述的3 層（4cm,5cm,7cm）結(jié)構(gòu)車轍試驗試件。以豎向應(yīng)變傳感元件為例，通過試件空間分布規(guī)律以及蠕變應(yīng)變時程變化規(guī)律來分析傳感元件的存在對基體材料蠕變特性的影響，控制點位如圖8所示。

圖9 給出了有無高模量傳感元件時瀝青混合料的橫向蠕變應(yīng)變時程變化的對比情況。

從圖9可以看出，在沒有傳感元件的基體材料中，隨著深度的增加，橫向蠕變應(yīng)變逐漸減小，至D 點后減小幅度變小，D,C,B,A 點的蠕變變形大致相當(dāng)；而當(dāng)高模量傳感元件存在時，傳感元件所在區(qū)域橫向蠕變應(yīng)變急劇減小，尤其是傳感元件中間區(qū)域，由于豎向應(yīng)變傳感元件錨頭的保護作用，其橫向蠕變應(yīng)變很??；同時高模量雜質(zhì)的存在導(dǎo)致其底部區(qū)域橫向蠕變應(yīng)變明顯增大，如傳感元件底部A點和B點，橫向蠕變變形增大2～3倍。同樣，傳感元件中部及兩側(cè)所在區(qū)域橫向蠕變應(yīng)變較其他區(qū)域基體材料明顯變小，傳感元件底部區(qū)域橫向蠕變應(yīng)變明顯增大。

圖8 試件局部及分析點位置

圖9 有無高模量豎向應(yīng)變傳感元件時瀝青混合料橫向蠕變應(yīng)變時程

同理，通過對有無高模量豎向應(yīng)變傳感元件時豎向蠕變應(yīng)變空間分布情況的對比以及時程變化的分析得出：基體材料中隨著深度的增加，豎向蠕變壓應(yīng)變逐漸減??；當(dāng)高模量傳感元件存在時，其周圍的蠕變行為發(fā)生改變，傳感元件的底部出現(xiàn)了較大的豎向蠕變壓應(yīng)變，為-16 000με，較無傳感元件時增大了4 倍；而其中部則出現(xiàn)了一定的蠕變拉應(yīng)變，這與傳感元件錨頭的存在有一定關(guān)系。而從時程曲線也可看出，傳感元件中部及左右兩側(cè)豎向蠕變應(yīng)變較基體材料明顯變小，傳感元件底部蠕變應(yīng)變明顯增大。

通過對有無高模量豎向應(yīng)變傳感元件時的縱向蠕變應(yīng)變空間分布以及時程變化的研究得出，與橫向蠕變應(yīng)變規(guī)律相似，沒有傳感元件的基體材料中，隨著深度的增加，縱向蠕變應(yīng)變逐漸減小，至D 點后減小幅度變小，D,C,B,A 點的縱向蠕變變形大致相當(dāng)；而當(dāng)高模量傳感元件存在時，傳感元件所在區(qū)域縱向蠕變應(yīng)變急劇減小，尤其是傳感元件中間位置對應(yīng)的區(qū)域，由于豎向應(yīng)變傳感元件錨頭的保護作用，其縱向蠕變應(yīng)變很??；同時高模量雜質(zhì)的存在導(dǎo)致其底部區(qū)域縱向蠕變應(yīng)變明顯增大，如傳感元件底部A 點和B點，縱向蠕變變形增大2～3倍。同樣，從空間分布也可看到，傳感元件中部及兩側(cè)縱向蠕變應(yīng)變較基體材料明顯變小，傳感元件底部縱向蠕變應(yīng)變明顯增大。

通過對有無高模量豎向應(yīng)變傳感元件時瀝青混合料的剪切蠕變應(yīng)變空間分布的研究得出，與正向蠕變應(yīng)變相比，傳感元件的存在對于其周圍材料的剪切蠕變影響范圍較小，主要影響的是傳感元件頂部和底部錨頭位置處。

4 結(jié)語

瀝青路面長期性能研究是提高瀝青路面耐久性的一項基礎(chǔ)性研究。本文采用有限元模型分析了傳感元件與瀝青混合料基體材料相互作用情況，研究得出：傳感元件的嵌入不僅明顯改變了被測基體材料的應(yīng)力場、應(yīng)變場的瞬態(tài)響應(yīng)大小和分布規(guī)律，也對其周圍瀝青混合料的長期蠕變特性產(chǎn)生了明顯的影響，而這種影響與嵌入傳感元件的模量以及混合料與傳感元件的距離有關(guān)。研究成果為解決有限元模型與實測數(shù)據(jù)間的誤差提供了理論依據(jù)，可以為提高實測數(shù)據(jù)的精確度，全面、深入地了解瀝青路面長期性能提供一些參考。然而，如何驗證及修正傳感元件測試結(jié)果是路面動力響應(yīng)測試的難題之一。下一步可繼續(xù)針對瀝青路面的監(jiān)測評價指標(biāo)，通過實測值與模擬值的對比，對傳感元件標(biāo)定理論及試驗開展研究。