内置应变传感器对沥青混合料力学性能的影响

道路本体结构的智能智慧是道路工程发展的重要方向,内置应变传感器是实现路面结构应变感知的重要手段,为探究内置应变传感器对沥青混合料力学性能影响,运用离散元法,构建了内置应变传感器的沥青混合料细观模型,研究了应变传感器埋设深度和数量对沥青混合料力学性能影响,分析了沥青混合料材料公称最大粒径、级配和沥青砂浆黏结强度等对内置应变传感器工作性能影响.结果表明:随着传感器埋设深度的增加,梁试件底部三个监测点位处水平拉应力分别增加56.9%、43.5%、43.8%,越接近梁试件底部,其内部水平应力场分布更均匀;与单传感器相比,埋设双传感器的梁试件裂隙增加速度更快,在挠度为0.8 mm时裂隙数便达到267个,单传感器仅为93个;沥青混合料公称最大粒径越大,力链数越少,AC-16、AC-20的平均力链比较AC-13分别降低4.9%、11.4%;沥青混合料级配越粗,荷载传递路径越少,接触力系数量减少77.7%,接触力分布均匀性降低,最大接触力增加74.6%,导致传感器工作稳定性越差;沥青砂浆黏结强度增加,最大接触力下降11%,传感器工作稳定性越好.研究结果可为提升内置应变传感器的沥青混合料耐久性和工作稳定性提供参考.

基于离散元法的应变传感器与沥青混合料交互影响研究

为了提高传感器应变响应监测的可靠性和工作寿命,从细观力学角度开展了应变传感器与沥青混合料交互影响研究。基于离散元法,采用三维颗粒流程序,构建了内置应变传感器的沥青混合料试件模型,通过四点弯曲仿真试验分析了应变传感器与沥青混合料协同受力下,结构内部应力传递、力链分布和细观裂纹发展演化的规律。研究结果表明,通过监测配位数验证了PFC模型具有较高的可靠性和仿真度;埋置应变传感器降低了2.7%的基体结构强度,使最大拉应力由跨中梁底转移至应变传感器法兰位置处,并在应变传感器周边形成了应力集中效应,造成沥青混合料力学性能降低;应变传感器与沥青混合料协同受力下,结构内部拉伸裂纹表现出“快速增加、先增加后降低”的变化特征,拉伸裂纹占总裂纹的72.9%;“拉伸为主、拉-剪共存”是结构损伤破坏的发展形式。

玄武岩纤维与高模量外掺剂复合增强沥青混合料性能

为优化玄武岩纤维高模量沥青混合料的配比,改善其路用性能,采用响应曲面法对玄武岩纤维高模量沥青混合料的配合比进行优化设计,利用马歇尔试验、浸水汉堡车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验对优化后的玄武岩纤维高模量沥青混合料性能进行分析,并通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)对沥青混合料破坏断面的微观形貌进行试验观测,尝试揭示玄武岩纤维与高模量外掺剂的复合增强机理。研究表明:利用响应曲面法得到玄武岩纤维高模量沥青混合料的最佳配比为0.44%高模量剂、0.45%玄武岩纤维和最佳油石比为4.98%;在最佳配比状态下进行路用性能试验,混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性均有较大提升;利用扫描电镜观察到玄武岩纤维在高模量剂作用下能起到较好的加筋及分散应力的作用,且最佳配合比状态下的玄武岩纤维在高模量沥青混合料中分布较为均匀。

考虑协同变形增强的内置感知器件与沥青路面一体化设计方法

【目的】解决内置感知器件与沥青路面材料因模量差异大造成的变形不协调问题,提出考虑协同变形增强的内置感知器件与沥青路面一体化设计方法。【方法】以埋入式电阻应变传感器为内置感知器件,利用有限元软件建立融合内置传感器的沥青混合料结构模型,通过数值模拟与计算,以10.0%的应力差异率为评价指标,确立内置传感器的应力影响范围作为模量过渡区域;采用环氧树脂材料制作模量过渡区,并对模量过渡区力学性能进行试验评价;运用数字图像相关(digital image correlation,DIC)方法对内置感知器件的沥青混合料试件开展单轴压缩和四点弯曲加载下的力学响应试验,通过比较传感器实测响应值和DIC法测量结果之间的差异,分析模量过渡区对传感器与沥青路面协同变形增强的有效性。【结果】内置传感器会改变沥青混合料结构的应力分布状态,传感器的竖、横、纵三向影响范围为58 mm×199 mm×82 mm,环氧树脂材质的模量过渡区具有良好的力学性能,其弹性模量为沥青混合料的2.5倍,可在沥青混合料与感知器件之间形成有效的模量过渡区;在逐级压缩和弯拉受力下,设置模量过渡区使传感器测得的试件结构应变差均值分别降低了66.6%和65.9%,设置模量过渡区能显著提高内置感知器件实测响应的稳定性和有效性。【结论】在沥青混合料与感知器件之间设置模量过渡区,使之形成模量梯度过渡结构,是提升两者协同变形的有效手段;在实际工程应用中,协同变形增强一体化设计流程主要包括:模量过渡区范围确定、材料选择、性能评价及协同变形有效性验证。

内置应变传感器与沥青路面结构协同工作性能研究

为研究传感器与沥青路面结构的协同工作性能,揭示传感器的感知效能及与混合料协同工作的性能演化规律,通过对融合内置传感器的沥青混合料试件,开展多重模式下的力学响应试验,分析不同加载模式和环境工况下的应变响应规律特征;采用ABAQUS软件,建立融合内置传感器的梁试件有限元模型,通过数值模拟与计算,并结合四点弯曲疲劳试验,对内置传感器与沥青混合料协同工作下的交互影响行为和耐久性进行分析。研究结果表明:在逐级加载和动载作用下,传感器表现出良好的感知时效性;实测应变响应受混合料黏弹性质影响存在明显的滞后效应,加载频率f愈大,滞后效应产生的不利影响愈明显;当信息采集频率f′为加载频率f的120倍时,数据采集效果最佳;应变传感器在温度变化、水-热耦合及不同速率等工况下能保持稳定的应变感知功能,实测应变响应曲线符合沥青路面结构的力学行为特征;与传感器法兰相接触的混合料和传感器自身测力杆处存在明显的应力集中现象,导致梁试件发生疲劳开裂而降低混合料的疲劳寿命;荷载反复作用下,裂缝的形成和拓展及传感器与基体材料发生滑移,造成实测应变难以反映混合料的真实形变,且感知功能呈现协同工作、感知失准和感知失效3阶段特征。