CN110187085B - 一种双层车辙板沥青混合料横向变形监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双层车辙板沥青混合料横向变形监测系统及方法，系统包括：六个FBG传感器、双层车辙板试件、车辙试验仪、光纤光栅解调仪、监控终端；FBG传感器安装在双层车辙板试件的内部及表面，双层车辙板试件设在车辙试验仪内部，FBG传感器通过光纤跳线与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪通过数据线与监控终端连接。本发明不仅可以监测路面表面的横向变形规律，还可以获得路面结构内部横向变形规律。
Description
技术领域
本发明属于路面结构应力应变监测技术领域，具体指代一种基于FBG技术的双层车辙板沥青混合料横向应变监测系统及方法。
背景技术
沥青路面具备良好的路用性能，但也有诸多缺点，其中车辙就是沥青路面主要病害之一。路面车辙发生后对路面服务使用性能会产生很大的破坏和影响，严重影响行车舒适度和安全性，且一经形成便很难处治，车辙损坏所带来的养护维修费用也比较昂贵。如何防治车辙病害，提高公路建设的经济和社会效益，已成为道路科研学者们的首要任务。因此，对于沥青面层高温稳定性和车辙发展规律的研究便显得尤为重要。
光纤光栅传感器(FBG)相比于传统的检测仪器具有稳定性好、结构简单、精度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、体积小等优点在道路工程方面开始广泛应用。有关学者将光纤光栅传感器粘贴在单层车辙板试件表面右侧，用以监测车辙板表面沥青混合料的横向流动规律，从侧面揭示其车辙发展规律，试验结果表明：这种测量方法可以用于沥青混合料的车辙监测。但是，上述测量方法只适合于5cm的路面厚度，无法测量路面内部的变形。在车辆荷载的作用下，路面变形是整体变形，不仅是路面表面发生形变，路面内部也产生形变，且路面内部的形变可能比表面的形变更大、更明显。结合内部的形变数据，对路面沥青混合料抗变形能力评价会更可靠。另外，路面结构一般是不同材料的多层结构。路面表面的形变仅能反映表面材料的性能，不能反映下部其他材料的变形性能，更不能反映路面结构组合在荷载作用下对整体结构抗变形能力的影响。为此，本专利根据最优化测量点位研究成果，提出新的监测方法。
研究人员在评价沥青混合料高温稳定性时往往注重的是其动稳定度和变形量的对比，对于双层车辙板试件亦是如此，且很少注重车辙发展过程中其内部的变形规律，要想确切把控沥青混合料车辙变化规律与产生机理，应变最能反映结构内部的局部特性，它是材料与结构的重要物理特性以及结构健康监测中最为重要的参量，而车辙主要是沥青混合料的横向流动变形造成的，因此本发明借助光纤光栅在工程中的应变监测技术，将不同类型的沥青混合料以双层车辙板的形式进行试验，在高温下长时间捕捉其内部结构的流动状态，分别对上下板表面沥青混合料的横向应变发展规律做详细分析，为沥青路面结构设计提供指导。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种双层车辙板沥青混合料横向变形监测系统及方法，以解决现有车辙试验工作量巨大，试验结果变异性较大，未能反映结构组合和沥青混合料内部结构在高温条件下受到轮载的间接反复地作用产生流动而失稳的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种双层车辙板沥青混合料横向变形监测系统，包括：六个FBG传感器、双层车辙板试件、车辙试验仪、光纤光栅解调仪、监控终端；FBG传感器安装在双层车辙板试件的内部及表面，双层车辙板试件设在车辙试验仪内部，FBG传感器通过光纤跳线与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪通过数据线与监控终端连接。
进一步地，所述双层车辙板试件的上层板厚4cm，下层板厚6cm，制作时先碾压成型下层板，然后喷洒0.4L/m2改性乳化沥青，再进行上层板成型；可以精确地建立不同厚度、不同材料、不同层间结合状态的沥青路面两层面层结构体系。
进一步地，所述六个FBG传感器的直径均为1mm，包括上层板表面三个传感器A1、A2、A3和下层板表面三个传感器B1、B2、B3，其中传感器A1、B1距轮迹中心线55mm；传感器A2、B2距轮迹中心线70mm；传感器A3、B3距轮迹中心线85mm。能够准确获取最佳位置沥青路面两层面层横向变形场，能够对沥青路面面层抗变形能力进行可靠评价。
进一步地，所述双层车辙板试件在垂直于轮迹处的右侧横向结构表面，上层板处用环氧树脂抹平后粘贴传感器，下层板处用切割机刻槽1mm×1mm后，在槽内粘贴传感器并用环氧树脂填缝，能够保证双层车辙板内部安装FBG传感器的效率，极大地提高测量精度。
进一步地，所述FBG传感器A1、A2、A3和B1、B2、B3连续布设在垂直于轮迹的双层车辙板右侧表面中央区域处同一直线上，能够准确获取不同深度轮侧30mm内的横向变形剖面。
进一步地，所述分别布设于上、下板表面的三个FBG传感器，采用首尾依次熔接进行串连的测量方式。
本发明的一种双层车辙板沥青混合料横向变形监测方法，包括步骤如下：
1)制作双层车辙板，处理相关测量点位，安装六个FBG传感器，从车辙试验仪内引出至光纤光栅解调仪；
2)荷载轮在保温至少五个小时的60℃车辙试件上行驶一小时；
3)连续采集六个FBG传感器的数据，获得双层车辙板试件上、下板表面横向应变时程曲线；
4)结合动稳定度数据和6个位置的横向变形时程曲线，对比理论模型，分析单层沥青混合料性能、双层沥青混合料结构组合对路面结构横向变形的影响，为改进路面的抗车辙能力提供依据。
进一步地，上层板顶面横向变形距离越远离辙槽，沥青混合料应变变化越大，且都处于受压状态；下层板顶面沥青混合料1小时后没有达到相对稳定的状态，并都处于受压状态，且越远离辙槽处的沥青混合料应变变化越大，下层板沥青混合料的压应变大多小于上层板相对应位置处的应变。
本发明的有益效果：
1、本发明所用的FBG传感器原理简单可靠，监测方法新颖巧妙。本发明不仅可以利用车辙试验仪测得沥青混合料动稳定度，还可以通过FBG传感器灵敏捕捉结构应变的特性，测得双层车辙板试件上下板表面横向应变时程曲线，研究沥青混合料内部颗粒组合结构高温下扩散轮载的能力；
2、本发明所用的FBG传感器采用首尾依次熔接进行串连的测量方式，监测方式简单，测量效果好；
3、本发明的监测系统可减小目前试验室评估沥青混合料高温性能的试验工作量；
4、本发明的监测系统考虑到结构组合对沥青混合料横向应变发展的影响，更贴合实际，监测效果更好。
附图说明
图1为本发明监测系统构成示意图。
图2是本发明的监测方法流程图。
图3为本发明光纤熔接方式示意图。
图4a为4cm厚上面层AC-13C车辙板表面横向应变曲线图。
图4b为6cm厚下面层AC-20车辙板顶面横向应变曲线图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1所示，本发明一种双层车辙板沥青混合料横向变形监测系统，包括：六个FBG传感器1、双层车辙板试件2、车辙试验仪3、光纤光栅解调仪4、监控终端5；FBG传感器1安装在双层车辙板试件2内部及表面，双层车辙板试件2设在车辙试验仪3内部，FBG传感器1通过光纤跳线与光纤光栅解调仪4连接，光纤光栅解调仪4通过数据线与监控终端5连接。双层车辙板试件2的上层板厚4cm，下层板厚6cm，制作时先碾压成型下层板，然后喷洒0.4L/m2改性乳化沥青，最后进行上层板成型。所述六个FBG传感器1包括上层板表面三个传感器A1、A2、A3和下层板表面三个传感器B1、B2、B3，其中传感器A1、B1距轮迹中心线(即图1中中间的线条中心线)55mm；传感器A2、B2距轮迹中心线70mm；传感器A3、B3距轮迹中心线85mm，上、下层板的六个传感器分别连续布设在垂直于轮迹的右侧表面中央区域处同一直线上，并采用首尾依次熔接进行串连的测量方式，上层板传感器粘贴区域用环氧树脂抹平，下层板处用切割机刻槽后，在槽内粘贴传感器并用环氧树脂填缝。
参照图2所示，本发明的一种双层车辙板沥青混合料横向变形监测方法，包括以下步骤：
1)制作双层车辙板，处理相关测量点位，安装六个FBG传感器，从车辙试验仪内引出至光纤光栅解调仪；
2)荷载轮在保温至少五个小时的60℃车辙试件上行驶一小时；
3)连续采集六个FBG传感器的数据，获得双层车辙板试件上、下板表面横向应变时程曲线；
4)分析单层沥青混合料性能、双层沥青混合料结构组合对路面结构横向变形的影响。
参照图3所示，传感器A1、A2、A3以及B1、B2、B3熔接方法如下：
传感器A1首端自由，传感器A1尾端与传感器A2首端熔接；传感器A2尾端与传感器A3首端熔接；传感器A3尾端与光纤光栅解调仪连接；
传感器B1首端自由，传感器B1尾端与传感器B2首端熔接；传感器B2尾端与传感器B3首端熔接；传感器B3尾端与光纤光栅解调仪连接。
参照图4a所示，利用本发明的监测系统获得AC-13C沥青混合料A1、A2、A3点位横向变形曲线。试验的前1分钟，上层板A1、A2、A3位置处于短暂的受拉状态，在接下来的1-5分钟内，拉应变迅速减小并转变成压应变，并且应变增长幅度很大，到15分钟左右，变形开始趋于稳定。A1应变稳定于-278με；A2应变稳定于-580με；A3稳定于-732με。说明：距离越远离辙槽，沥青混合料应变变化越大，且都处于受压状态。
参照图4b所示，利用本发明的监测系统获得AC-20沥青混合料B1、B2、B3点位横向变形曲线。下层板B1、B2、B3点位的压应变整体还是以相对均匀的速度在逐渐增加，到60分钟时，变形并没有稳定下来，反而有继续增长的趋势，B1为-392με，B2为-513με，B3为-540με。说明试验结束时，下层板沥青混合料并没有达到相对稳定的状态，并都处于受压状态，且越远离辙槽处的沥青混合料应变变化越大，下层板沥青混合料的压应变大多小于上层板相对应位置处的应变。
参照图4a和图4b所示，本发明不仅可以监测路面表面的横向变形规律，还可以获得路面结构内部横向变形规律，可以研究沥青混合料组合结构扩散轮载的能力，从结构表面与内部横向变形场的角度揭示沥青混合料车辙发展过程，对不同层位不同类型的沥青混合料抗车辙性能进行评估。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种双层车辙板沥青混合料横向变形监测系统，其特征在于，包括：六个FBG传感器(1)、双层车辙板试件(2)、车辙试验仪(3)、光纤光栅解调仪(4)、监控终端(5)；FBG传感器(1)安装在双层车辙板试件(2)的内部及表面，双层车辙板试件(2)设在车辙试验仪(3)内部，FBG传感器(1)通过光纤跳线与光纤光栅解调仪(4)连接，光纤光栅解调仪(4)通过数据线与监控终端(5)连接；
所述双层车辙板试件的上层板厚4cm，下层板厚6cm，制作时先碾压成型下层板，然后喷洒0.4L/m2改性乳化沥青，再进行上层板成型；
所述六个FBG传感器的直径均为1mm，包括上层板表面三个传感器A1、A2、A3和下层板表面三个传感器B1、B2、B3，其中传感器A1、B1距轮迹中心线55mm；传感器A2、B2距轮迹中心线70mm；传感器A3、B3距轮迹中心线85mm。
2.根据权利要求1所述的双层车辙板沥青混合料横向变形监测系统，其特征在于，所述双层车辙板试件在垂直于轮迹处的右侧横向结构表面，上层板处用环氧树脂抹平后粘贴传感器，下层板处用切割机刻槽1mm×1mm后，在槽内粘贴传感器并用环氧树脂填缝。
3.根据权利要求1所述的双层车辙板沥青混合料横向变形监测系统，其特征在于，所述FBG传感器A1、A2、A3和B1、B2、B3连续布设在垂直于轮迹的双层车辙板右侧表面中央区域处同一直线上。
4.根据权利要求1所述的双层车辙板沥青混合料横向变形监测系统，其特征在于，所述分别布设于上、下板表面的三个FBG传感器，采用首尾依次熔接进行串连的测量方式。
5.根据权利要求4所述的双层车辙板沥青混合料横向变形监测系统，其特征在于，所述传感器A1、A2、A3以及B1、B2、B3熔接方法如下：
传感器A1首端自由，传感器A1尾端与传感器A2首端熔接；传感器A2尾端与传感器A3首端熔接；传感器A3尾端与光纤光栅解调仪连接；
传感器B1首端自由，传感器B1尾端与传感器B2首端熔接；传感器B2尾端与传感器B3首端熔接；传感器B3尾端与光纤光栅解调仪连接。
6.一种双层车辙板沥青混合料横向变形监测方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)制作双层车辙板，处理相关测量点位，安装六个FBG传感器，从车辙试验仪内引出至光纤光栅解调仪；
2)荷载轮在保温至少五个小时的60℃车辙试件上行驶一小时；
3)连续采集六个FBG传感器的数据，获得双层车辙板试件上、下板表面横向应变时程曲线；
4)分析单层沥青混合料性能、双层沥青混合料结构组合对路面结构横向变形的影响。
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