本文旨在优化沥青路面在宽温度范围内的应变测量。由于沥青混合料的温度敏感性，嵌入式应变传感器常与路面结构变形不一致，导致在宽温度范围内产生显著测量误差。研究始于实验室实验，评估应变传感器在不同温度条件下的测量精度。随后，开发了一个包含其异质微观结构和嵌入式传感器的沥青混合料有限元模型，以分析影响测量精度和稳定性的关键因素。最后，提出了嵌入式应变传感器的优化策略，并开发了一种新型传感器且验证了其性能。
第一作者及所属机构 本研究的主要作者是 Dongdong Han，其所属机构为 Chongqing Jiaotong University 的 School of Civil Engineering 以及 National & Local Joint Engineering Laboratory of Transportation and Civil Engineering Materials。其他合作者包括 Siwei Chen (Chongqing Jiaotong University), Dong Tang (Xinjiang University), Guoqiang Liu (China University of Mining and Technology), Yongli Zhao (Southeast University), 以及 Ning Xu (Chongqing Jiaotong University)。
发表期刊与时间 该研究发表于期刊 Construction and Building Materials 的第464卷（2025年），文章编号为140198。文章于2025年1月28日在线发表。
学术背景 本研究属于道路工程与结构健康监测交叉领域，具体聚焦于沥青路面材料力学响应的原位测量技术。理解沥青路面内部的力学响应对于优化路面设计、制定有效的养护策略以及延长路面使用寿命至关重要。全球多个研究机构已利用嵌入式应变传感技术对沥青路面结构力学响应监测进行了广泛研究。电阻式传感器和光纤布拉格光栅传感器已被广泛应用于沥青路面结构健康监测中的嵌入式应变传感。然而，早期研究常认为应变传感器能直接、无误差地进行测量，因此无需对传感器数据进行进一步校准。但专门为沥青路面设计的应变传感器的测量精度仍然不足。研究者已发现传感器读数与实际应变值之间存在潜在差异，并提出了多种旨在修正这些测量误差的方法。尽管如此，温度波动会显著影响传感器输出校准系数，使得二次校准方法难以应用于宽温度范围的应变测量。此外，沥青混合料是一种温度敏感性材料，其模量在夏季高温和冬季低温下波动显著。相比之下，应变传感器的模量随温度变化相对恒定，以满足测量可重复性要求。这导致在特定温度条件下，沥青混合料与嵌入式应变传感器之间的变形协调性可能恶化，模量不匹配必然导致测量误差。同时，沥青路面是一种颗粒增强的沥青基复合材料，其各组分变形存在显著差异，复杂且不均匀的应变场使得准确测量沥青混合料的代表性变形变得困难。因此，本研究旨在优化沥青路面在宽温度范围内的应变测量，通过结合实验室实验、有限元分析和传感器设计优化，系统地解决上述挑战。
详细研究流程 本研究包含三个主要步骤：实验室精度评估、有限元建模与参数分析、传感器优化与验证。
步骤一：应变传感器测量精度评估（实验室实验） 首先，研究通过实验室实验评估了两种常用应变传感器（电阻式传感器和FBG传感器）在宽温度范围内的性能。研究对象为AC-20沥青混合料，制备尺寸为200 mm × 100 mm × 100 mm的棱柱体试件。传感器被嵌入试件中心，测量方向与试件长度方向一致。试件制备采用分层压实法：先将一半所需沥青混合料放入模具并轻微压实，然后放置应变传感器，再加入剩余混合料并压实。为了精确测量沥青混合料的变形，在试件所有四个表面安装了高精度位移传感器。实验采用恒定位移速率加载模式，加载速率为1 mm/min。测试在-5°C、10°C、25°C和40°C四个温度下进行，加载前试件在目标温度下调节2小时。该步骤旨在获取传感器输出应变与试件表面位移传感器测得的“真实”应变之间的直接对比关系，以量化传感器在不同温度下的测量偏差。
步骤二：有限元建模与关键因素分析 为了深入理解传感器与沥青混合料之间的相互作用机制并优化设计，研究建立了包含嵌入式传感器的沥青混合料异质微观结构有限元模型。模型几何基于先前研究，使用刚体动力学模拟粗集料的压实过程，形成稳定的骨架结构，剩余空间被指定为细集料基质（由沥青和粒径小于2.36 mm的细集料组成）。模型尺寸为140 mm × 70 mm × 70 mm。传感器与FAM之间的粘附行为使用内聚力模型进行模拟。网格划分方面，对生成的异质几何体采用四面体单元进行离散化，经过网格收敛性分析后，集料区域单元尺寸限制为5 mm，FAM区域为1 mm，传感器区域为0.5 mm，总计生成约600万个单元。材料属性方面，传感器法兰和封装通常由金属或合金制成，弹性模量和泊松比分别设为200 GPa和0.3；弹性元件通常由玻璃纤维增强聚合物制成，模量为30 GPa；集料的弹性模量为50 GPa，泊松比为0.2；使用EasyPBC插件基于均匀化理论反算FAM的弹性模量，并将0.1 Hz频率下沥青混合料的动态模量视为静态模量，在-5°C、10°C、25°C和40°C下进行评估。界面属性通过拉拔试验测量传感器与沥青混合料之间的粘附强度，试验在-5°C、10°C、25°C和40°C下进行，测得粘附强度分别为3.125 MPa、2.458 MPa、1.374 MPa和0.622 MPa，在有限元分析中使用内聚力模型模拟界面损伤行为。边界条件方面，沿矩形试件长度方向施加渐进位移载荷，加载增量设置为1 με，总变形为50 με，并施加弱弹簧约束以抑制刚体运动。该有限元模型用于系统分析影响传感器测量精度和稳定性的关键设计参数，包括传感器等效模量、标距长度以及封装约束效应。
步骤三：嵌入式应变传感器优化与验证 基于有限元分析结果，研究提出了具体的传感器优化策略并进行实验验证。优化主要包括三个方面：1) 界面损伤优化：为避免传感器与沥青混合料之间的界面损伤，在封装外表面引入了一个低模量柔性层。通过参数化研究发现，随着柔性层模量降低，传感器输出从两阶段线性增长过渡到单阶段线性增长，表明封装对法兰的约束逐渐减小，连接处的约束应力也随之降低。2) 测量精度优化：理论上，只有当传感器模量与结构模量精确匹配时，传感器测量的应变才能准确反映结构的真实应变。由于沥青混合料的粘弹性，其模量随温度连续变化。研究将传感器模量参数化，研究了在不同温度下测量沥青混合料变形的精度。定义了传感器等效模量，并校准了对应于-5°C、10°C、25°C和40°C沥青混合料模量的传感器（分别标记为S1、S2、S3、S4）。结果表明，当传感器等效模量与沥青混合料模量完美匹配时，测量精度最高。在模量不匹配的情况下，高模量传感器（S1）在40°C时测量误差超过80%，而低模量传感器（S4）在-5°C时最大误差仅为20%。因此，较低等效模量的传感器在宽温度范围内测量沥青混合料应变时具有更高的精度。3) 测量稳定性优化：沥青混合料的异质微观结构导致传感器输出存在变异性。研究通过参数化传感器等效模量和标距长度，评估了它们对传感器测量稳定性的贡献。评估标准是传感器输出落在期望值5%范围内的概率P5%。结果表明，在较高温度下，嵌入式应变传感器的测量稳定性下降。高等效模量传感器S1和S2在40°C时P5%分别仅为59%和53%，而低模量传感器S4在所有温度条件下都表现出强大的测量稳定性。此外，较长的弹性元件长度能显著提高测量稳定性，且在相同标距长度下，较低等效模量的传感器表现出更高的稳定性。
为验证优化策略，研究制备了两种不同模量的嵌入式传感器：一种使用聚酰亚胺作为弹性元件（模量约3 GPa，标记为S-P），另一种使用铝合金作为弹性元件（模量约70 GPa，标记为S-A）。两种传感器的弹性元件长度均为70 mm。传感器封装外表面涂覆了低模量硅橡胶柔性层。根据公式计算，传感器S-P和S-A的等效模量分别为0.25 GPa和5.75 GPa。随后，在-5°C、10°C、25°C和40°C的温度下，以0.2 Hz、1 Hz、5 Hz和25 Hz的荷载频率，对传感器进行偏置正弦荷载下的动态加载测试，以评估其测量可靠性。
主要研究结果 实验室测试结果显示，在-5°C时，嵌入式应变传感器与表面位移传感器产生的应变测量值相当。但随着温度升高，嵌入式传感器的输出开始出现偏差，其值明显低于表面传感器，这表明嵌入式应变传感器在高温下倾向于低估沥青混合料的应变。这一现象归因于沥青混合料的温度敏感性：在较高温度下，嵌入式应变传感器的模量可能超过周围沥青混合料的模量，导致传感器弹性元件的变形减少，从而读取到较低的应变值。
有限元模拟结果揭示了传感器输出的两阶段线性进展。第一阶段，在-5°C、10°C、25°C和40°C下的斜率分别为0.614、0.409、0.144和0.039，表明传感器显著低估了沥青混合料的变形。第二阶段，相应温度下的斜率分别上升至1.06、0.96、0.72和0.40，与实验 findings 基本吻合。分析表明，第一阶段的小斜率是由于在低应变水平下，传感器对沥青混合料有较大的约束作用。随着界面损伤的积累，传感器与沥青混合料之间的整体性下降，从而减少了传感器对周围材料的约束效应，导致了第二阶段具有较大斜率的线性增长。模拟还发现，封装与两端法兰连接处的应力集中是造成约束效应和潜在界面损伤的关键。
优化策略的效果通过有限元参数研究和实验验证得到证实。对于界面损伤，在封装外添加低模量柔性层能有效降低连接处的约束应力，使传感器输出从两阶段转变为单阶段线性响应，从而减少界面损伤风险。对于测量精度，参数化研究表明，低等效模量传感器（如S4）在高低温下的测量偏差均远小于高模量传感器（如S1）。对于测量稳定性，低模量传感器结合长标距长度能显著提高输出稳定性（P5%值更高）。
动态加载验证实验结果表明，低模量传感器S-P测得的应变幅值非常接近试件的实际变形（100×10⁻⁶），在40°C和25 Hz时的最大测量误差仅为12.6%。相比之下，高模量传感器S-A表现出更大的测量误差，特别是在高温条件下。在40°C时，荷载频率为0.2 Hz、1 Hz、5 Hz和25 Hz下的误差分别为71.8%、53.3%、28.0%和11.7%。这一现象可归因于高温低频条件下沥青混合料模量较低，加剧了混合料模量与高模量传感器模量之间的差异，导致最大测量误差。此外，在25°C时，高模量传感器S-A的测量误差随着荷载频率从25 Hz降低到0.2 Hz而从2.2%增加到29.3%。值得注意的是，在较低温度（-5°C和10°C）下，高模量传感器S-A的测量精度通常优于低模量传感器S-P，最大误差为7.2%。
研究结论 本研究的主要结论如下：1) 沥青混合料的模量对温度波动高度敏感。因此，在特定温度下，传感器弹性元件的变形可能与周围沥青混合料的变形不一致，可能导致测量不准确。在将传感器用于路面结构健康监测之前，必须对其测量精度进行全面评估。2) 低等效模量嵌入式传感器的测量偏差显著小于高模量传感器。因此，建议在宽温度范围内的沥青路面健康监测应变测量中使用低等效模量应变传感器。此外，具有较长标距的低模量传感器表现出更优的测量稳定性。3) 封装与法兰连接处的应力不仅会降低法兰的应变灵敏度，导致测量值显著低于实际应变值，还可能损坏传感器与被测结构之间的界面。在高模量封装外包裹低模量柔性层可有效缓解此关键连接处的应力。4) 尽管高模量传感器在高温低频加载条件下表现出显著的测量误差，但它们在低温条件下保持了良好的测量精度。因此，同时使用高模量和低模量传感器可以实现沥青路面在宽温度范围内更精确的应变测量。
研究亮点与价值 本研究的亮点在于：1) 系统性方法：结合了实验室实验、精细化有限元模拟和传感器设计优化与验证，形成了完整的研究闭环。2) 微观机制揭示：通过建立包含异质微观结构的有限元模型，深入揭示了传感器与沥青混合料之间的相互作用机制，特别是界面约束和损伤过程，这是以往研究未能充分分析的。3) 明确的优化设计准则：提出了具体且可操作的传感器优化策略，包括使用低等效模量材料、增加标距长度以及在封装外添加柔性层，并提供了理论依据和数据支持。4) 创新的验证思路：提出了高、低模量传感器结合使用的策略，以充分利用各自在不同温度区间的优势，从而实现宽温域内更精确的测量，这是一个具有实用价值的创新思路。
本研究的科学价值在于深化了对嵌入式传感器在非均匀、温度敏感复合材料中测量机理的理解，为传感器-结构相互作用理论提供了新的见解。其应用价值在于为道路工程结构健康监测领域提供了经过优化的传感器设计准则和验证方法，有助于提高长期监测数据的可靠性和准确性，从而为沥青路面的性能评估、寿命预测和精准养护提供更可靠的技术支撑。
其他有价值内容 研究还提及，当前分析仅关注沥青混合料的压缩行为，虽然沥青混合料的拉伸和压缩行为不同，但认为在拉伸条件下可能观察到相似的趋势，未来研究将纳入拉伸试验以提供更全面的理解。此外，研究得到了中国国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助，数据可根据请求提供。作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系。