基于三維探地雷達(dá)的路面介電常數(shù)評(píng)價(jià)研究

魏新宇

摘 要：新建瀝青路面面層的施工質(zhì)量均勻性對(duì)整個(gè)瀝青路面的使用壽命有顯著的影響，三維探地雷達(dá)（三維探地雷達(dá)）是目前成功應(yīng)用到道路機(jī)場(chǎng)工程的無(wú)損檢測(cè)工具之一，其理論基礎(chǔ)是電磁混合理論，通過(guò)檢測(cè)路面材料的介電常數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青路面的施工質(zhì)量均勻性。三維探地雷達(dá)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)的設(shè)備相比具有獨(dú)特的優(yōu)越性，因?yàn)槿S探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)收集是由車載系統(tǒng)完成的，可以覆蓋近100%的檢測(cè)范圍，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)取芯和無(wú)核密度儀的檢測(cè)結(jié)果可以用來(lái)量化與介電常數(shù)相關(guān)的路面特性。隨著三維探地雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)瀝青混合料施工質(zhì)量均勻性快速檢測(cè)成為可能。

關(guān)鍵詞：瀝青路面;三維探地雷達(dá);介電常數(shù)

引言

現(xiàn)場(chǎng)密度是決定熱拌瀝青路面耐久性的關(guān)鍵因素，過(guò)高或者過(guò)低的密度，對(duì)路面使用壽命均有顯著的負(fù)面影響。瀝青路面的密度與空隙率是可以相互轉(zhuǎn)換的，密度越大，空隙率越小;密度越小，空隙率越大。瀝青路面的空隙率分布在一定程度上又可以反映該路面的施工質(zhì)量均勻性，既快速又準(zhǔn)確的檢測(cè)瀝青路面的施工質(zhì)量均勻性對(duì)于道路的施工質(zhì)量、耐久性有著重要的意義。

1均勻性評(píng)價(jià)方法

現(xiàn)常見(jiàn)的評(píng)價(jià)瀝青路面均勻性的方法主要有：鋪砂法、鉆芯取樣法、核子密度儀法、無(wú)核密度儀法、紅外儀成像法、探地雷達(dá)法等。前四種方法準(zhǔn)確性雖然高，但是工作效率低且不能100%覆蓋需檢測(cè)的范圍，只能在小范圍內(nèi)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其代表性差，其中核子密度儀具有放射性，其需要專業(yè)人員操作;紅外成像儀法只能在施工期間對(duì)瀝青路面鋪設(shè)溫度進(jìn)行均勻性檢測(cè)，無(wú)法對(duì)建造完成的瀝青路面進(jìn)行質(zhì)量均勻性檢測(cè)。無(wú)損檢測(cè)（NDT）技術(shù)是在不損害道路完整性的基礎(chǔ)上反映路面施工質(zhì)量均勻性的理想方法，最近的研究表明，三維探地雷達(dá)可用于評(píng)估施工期間的現(xiàn)場(chǎng)密度，同時(shí)提供施工區(qū)域近100%的檢測(cè)覆蓋率，利用探地雷達(dá)評(píng)價(jià)瀝青路面的質(zhì)量均勻性是現(xiàn)在最理想的無(wú)損檢測(cè)方法。對(duì)于施工均勻的路面，三維探地雷達(dá)接收由蝶形天線發(fā)射的電磁波接觸到路表后發(fā)生反射的反射波是非常均勻的，即介電常數(shù)也是均勻的，所以利用介電常數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青面層均勻性是具有重要意義的。

2探地雷達(dá)的工作原理及參數(shù)設(shè)置

2.1工作原理

探地雷達(dá)（三維探地雷達(dá)）接收由蝶形天線發(fā)射的電磁波接觸到路表、面層與基層、基層與路基界面后發(fā)生反射的反射波，從路表反射的電磁波很容易處理，并用此計(jì)算表面的介電常數(shù)，介電常數(shù)表示某個(gè)材料對(duì)電磁波吸收和釋放的能力，是瀝青路面物理指標(biāo)之一，其大小可以反映瀝青路面各組成部分的比例。將真空的介電常數(shù)ε0作為參考值，材料的相對(duì)介電常數(shù)是指將材料的介電常數(shù)ε除以真空的介電常數(shù)ε0。相對(duì)介電常數(shù)一般是一個(gè)復(fù)數(shù)，實(shí)部表示某一材料的電磁波儲(chǔ)存能力，虛部表示某一材料的電磁波損耗能力，通常相對(duì)介電常數(shù)的虛部比實(shí)部小得多，所以在介紹材料的相對(duì)介電常數(shù)時(shí)常常忽略虛部的數(shù)值[1]。空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1，瀝青的相對(duì)介電常數(shù)為3，干燥集料的相對(duì)介電常數(shù)為8。

2.2參數(shù)設(shè)置

該雷達(dá)系統(tǒng)的天線陣包括21個(gè)發(fā)射和接收通道，每個(gè)通道0.75m，所以一次掃描就可以覆蓋15.75m的寬度范圍，具有檢測(cè)范圍廣的優(yōu)勢(shì);該系統(tǒng)采用頻率步進(jìn)技術(shù)，在檢測(cè)過(guò)程中不用頻繁地更換天線，具有操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)[2]。

本研究的三維雷達(dá)頻率設(shè)置為：300～2890MHz，步進(jìn)頻率為：20MHz，采集間隔為：2.04cm，時(shí)窗為：25ns，駐留時(shí)間為：3.0?。確定好以上參數(shù)的數(shù)值就可以確定檢測(cè)車輛最大的行駛速度，不要超過(guò)規(guī)定的最大行駛速度，否則就會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失。

3數(shù)據(jù)測(cè)定

在本研究中，我們最感興趣的是面層介電常數(shù)。正如前邊提到的，介電常數(shù)是瀝青路面物理指標(biāo)之一，其大小可以反映瀝青路面各組成部分的比例[3]，瀝青路面的壓實(shí)降低了低介電常數(shù)的空氣在瀝青混合料中的比例，增加了高介電常數(shù)的集料和瀝青的比例，從而導(dǎo)致瀝青混合料的相對(duì)介電常數(shù)更高，由此可見(jiàn)，瀝青混合料的相對(duì)介電常數(shù)與瀝青混合料的密度正相關(guān)，與瀝青混合料的空隙率負(fù)相關(guān)[4]，所以介電常數(shù)可以作為評(píng)價(jià)瀝青路面施工均勻性的參數(shù)。

3.1現(xiàn)場(chǎng)取芯法

本研究采用的第一種計(jì)算瀝青面層介電常數(shù)計(jì)算方法是現(xiàn)場(chǎng)取芯法，通過(guò)利用常規(guī)天線配對(duì)的雷達(dá)圖像確定取芯處雷達(dá)波在面層中的雙程時(shí)長(zhǎng)和現(xiàn)場(chǎng)取芯的面層實(shí)際厚度就能計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)取芯的面層介電常數(shù)。如公式（3）所示：

3.2共中點(diǎn)法

利用探地雷達(dá)（三維探地雷達(dá)）反射的振幅和反射之間的時(shí)間延遲來(lái)計(jì)算層厚度和介電常數(shù)。本研究采用的第二種方法是共中點(diǎn)法進(jìn)行瀝青路面的數(shù)據(jù)采集，然后用RD-SGA三維雷達(dá)自動(dòng)分析軟件，對(duì)三維探地雷達(dá)在共中心點(diǎn)天線配對(duì)方式下采集到的瀝青路面數(shù)據(jù)的介電常數(shù)和厚度進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算。眾所周知，由于瀝青路面并不是均勻材料，其相對(duì)介電常數(shù)肯定不是一個(gè)常數(shù)，而是在一定數(shù)值范圍內(nèi)波動(dòng)。通過(guò)探地雷達(dá)采集足夠多的數(shù)據(jù)并加以分析，降低了面層的相對(duì)介電常數(shù)對(duì)面層厚度和密度檢測(cè)精度的影響，用不變的相對(duì)介電常數(shù)代替變化的相對(duì)介電常數(shù)，其面層厚度和密度測(cè)量誤差可以在可接受的范圍內(nèi)。面層介電常數(shù)計(jì)算如下：

介電常數(shù)檢測(cè)原理：

4結(jié)論

（1）三維探地雷達(dá)檢測(cè)是在完成攤鋪后進(jìn)行的，三維探地雷達(dá)與現(xiàn)場(chǎng)取芯測(cè)得的介電常數(shù)有良好的相關(guān)性，并成功覆蓋了幾乎100%的檢測(cè)區(qū)域。

（2）通過(guò)三維探地雷達(dá)共中點(diǎn)法測(cè)得的瀝青混合料的介電常數(shù)值分布較為集中，用不變的相對(duì)介電常數(shù)代替變化的相對(duì)介電常數(shù)，其密度測(cè)量誤差可以在可接受的范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉濤.基于無(wú)損檢測(cè)方法的瀝青路面介電特性與施工質(zhì)量評(píng)價(jià)研究[D].華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2016

[2] 祝麗.基于三維探地雷達(dá)的瀝青路面施工均勻性研究[D].山東建筑大學(xué)碩士論文，2018

[3] 羅傳熙，張肖寧，虞將苗等.基于介電常數(shù)瀝青路面均勻性評(píng)價(jià).科學(xué)技術(shù)與工程，2018，18（5）：305-308.

[4] 馬林，遲鳳霞，張肖寧.綜合應(yīng)用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)評(píng)價(jià)瀝青混凝土路面施工離析.公路，2018，（4）：113-118.