光纖在瀝青路面裂縫監測中的應用

張睿

(蘇州市政園林工程集團有限公司)

道路工程

光纖在瀝青路面裂縫監測中的應用

張睿

(蘇州市政園林工程集團有限公司)

瀝青路面早期破壞嚴重，尤其是裂縫病害特別常見，且處理時機始終未能把握準確，從而導致整個路面的翻修、重建，耗費大量人力財力且有效性低，通過光纖技術對裂縫的檢測可以正確把握路面的裂縫發展情況從而把握預防性養護的時機，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，提出了實驗方案，為光纖在道路中的應用提供理論基礎。

光纖;瀝青路面;裂縫;檢測

0 引言

當前，道路工程發展迅速，瀝青路面已成為現階段主要結構形式。隨著工程實踐主要體現在早期破壞嚴重，使用壽命降低，尤其是裂縫的產生與不斷擴展，嚴重降低了路面的整體路用性能。針對瀝青路面裂縫的產生，國內外均有深入研究，發現裂縫的發展會形成翻漿、沉陷、松散、坑槽等病害，道路結構出現整體性破壞，逐漸喪失承載能力;且從路面結構、路面材料、路面設計三個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防與處理相對停滯發展階段，一個新理念從國外引入國內，即路面的預防性養護，預先對路面裂縫或即將產生裂縫處進行處理。研究表明，對路面養護處理可減少裂縫的產生并延長道路使用壽命。但是，對于養護時機的把握和針對性養護措施并不完善，僅僅依靠研究人員的經驗只能定性的進行判斷，不能發揮養護的最佳優勢。更重要的是，當前是信息技術飛速發展的時代，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，無疑需要對瀝青路面進行監控與檢測，及時發現其運營現狀，在裂縫產生之前或者未發展成大病害之前進行處理。因此，光纖傳感技術在此刻發揮其特有的優勢，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成的光傳導工具，可以通過脈沖變化曲線，檢測其埋設區域的實際變化情況，且具有徑細、質輕、柔順、抗拉、耐腐蝕、耐輻射、耐電磁干擾、耐惡劣環境作用、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點。目前光纖技術在信息技術、土木結構檢測、橋梁檢測等多領域得到了很好的應用，但在道路方面應用相對較少。

綜上所述，光纖技術與路面裂縫處理的結合，進一步發展了瀝青路面的應用。

1 光纖原理

光導纖維(簡稱光纖)是20世紀70年代前后開始研究開發的，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芯構成的纖維狀光纖通信介質，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Smell和全內反射法則，光在傳輸中很少損失能量。

圖1 光導纖維光線傳輸

光纖的傳感原理是利用光在光纖中產生的偏振、干涉、散射或由于光纖破損、變形致使輸出的光產生變化的，通過對在光纖內部寫入的光柵反射或透射波長光譜的檢測，實現被測結構的應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變的變化而變，任何使這個參量發生改變的物理過程都將引起光纖的反射波光譜的漂移。基于此原理的光纖應變傳感器是以光的波長為最小計量單位的，因而只需要探測到光纖中光，由于拉、壓應力柵波長分布圖中波峰的準確位置。另外，在應變測量中，為了克服溫度對測量的影響，由公式可以看出，在測量系統可采用同種溫度環境下的光纖溫度補償傳感器進行克服。

2 可行性研究

首先，光纖技術發展已經相對成熟，其后處理技術可精確反映光纖傳感器埋設處的變化情況，且精確有效，這無疑為此技術在道路中的應用提供了理論基礎、研究的方法和手段。

其次，雖然光纖技術在道路中的應用很少，但是在同類交通行業，如土木結構檢測、橋梁裂縫檢測中已經得到了很好的應用。實踐證明，光纖傳感器在這些行業中具有有效性、精確性、合理性。

最后，根據道路特有的性質，提出確實可行的方案，為道路工程的實際應用提供了可參考依據。

3 存在的問題

3.1 傳感器的選取

(1)點式光纖傳感器

傳感元件自身尺寸比結構構件小得多的光纖傳感器，都屬于點式光纖傳感器，如同測量應變的電阻應變片一樣。

(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光纖光強度衰減值的平均值、應變平均值、溫度平均值等。測積分值的空間范圍由智能結構的尺寸等因素而定。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，分布式光纖應力傳感器，分布式微彎光纖傳感器，分布式Sagnat光纖應力傳感器。

以上傳感器的要求可根據實際情況相對應的選用。比較而言，分布式傳感器具有較高的精度，但是布設繁瑣、價格相對昂貴，對于道路而言不太實用。因此選用實用、布設簡單、價格適宜的點式光纖傳感器較適宜。

3.2 傳感器埋設

(1)光纖傳感器的無損埋設

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，在瀝青路面鋪設過程中，更要經過碾壓，會破壞傳感器。為此，相應的解決方案得以提出，如在光纖上套金屬導管，光纖與導管一起埋入瀝青混凝土中，經過壓實后，將導管取出;在光纖表面涂有保護層，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、且經過四季溫度影響，這給傳感器的埋設與檢測結果帶來了問題。因此，對傳感器的要求又進一步，溫度敏感性則是光纖傳感器的另一個大問題。

解決溫度敏感性無疑是對檢測結果的進一步修正。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，對溫度敏感性進行室內修正，測試不同溫度下的脈沖曲線圖，根據實測數據產用最小二乘法進行回歸，得到溫度對檢測結果的修正公式，應用于實測結果中。

(3)光纖傳感器的長期穩定性

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工程，對光纖傳感器的壽命提出了要求。當前傳感器均為達到使用壽命要求，而重新布設相當復雜，耗費人力和財力，形成一勞永逸的傳感器生產質量保證技術是最佳的解決方案。

4 試驗方案

針對光纖傳感技術在瀝青路面的切實可行性研究，提出可實行試驗方案。本研究選用無裂縫至裂縫產生與裂縫擴展兩個階段試驗，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行檢測，測試其變化情況。

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》成型瀝青混凝土標準小梁試件，試驗共產用6塊，每個測試2次，保證其結果的有效性。將光纖傳感器粘在小梁試件的底部，進行逐級加載試驗，檢測完整的小梁試驗到破壞的整個線程中變化情況;對于其他小梁，分別在底部和頂部刨開一個小口，表征裂縫已經產生，觀察其擴展情況。具體試驗圖如圖2所示。

圖2 光纖裂縫檢測試驗圖

通過試驗數據分析可得知，裂縫產生與發展整個過程對應的光纖傳感器檢測到的數據圖像，然后可進一步運用到實際道路中。

5 智能數據分析系統

綜上，對光纖傳感器檢測瀝青路面的檢測已大體完成，但是檢測結構的后處理更加顯得重要，數據處理才是真正解決問題的成果體現。因此，對檢測后的結果進行編程實行只能輸出，其具體技術路線如圖3所示。

由圖3可知，其具體實施方案為，通過光纖傳感器得知當前檢測區域的數據圖像，傳輸到主計算機，主計算機根據設計好程序，將當前數據與起始數據進行比較分析，通過一系列標準(裂縫寬度、深度)，直接輸出可實行最佳方案，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理論上開發與加入，從而進一步完善。

圖3 智能系統運行流程

6 結論

通過光纖技術的廣泛應用，嫁接到道路工程中與當前瀝青路面裂縫養護結合起來，可高效、經濟、合理的對路面病害進行處理，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，并提出了室內試驗方案，針對當前光纖技術存在問題進行分析，確定了其發展趨勢，但依然需要進一步研究與探索。

［1］ 李文振.光纖光柵傳感器在瀝青類路面檢測中的應用研究［D］.山東:山東大學，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］.中國公路學報，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損傷分析［J］.中國公路學報，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］.武漢理工大學學報，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，從事施工管理和預決算研究。