基于三维探地雷达的路面介电常数评价研究

魏新宇

摘 要：新建沥青路面面层的施工质量均匀性对整个沥青路面的使用寿命有显著的影响，三维探地雷达（三维探地雷达）是目前成功应用到道路机场工程的无损检测工具之一，其理论基础是电磁混合理论，通过检测路面材料的介电常数来评价沥青路面的施工质量均匀性。三维探地雷达系统与传统的无损检测的设备相比具有独特的优越性，因为三维探地雷达的数据收集是由车载系统完成的，可以覆盖近100%的检测范围，结合现场取芯和无核密度仪的检测结果可以用来量化与介电常数相关的路面特性。随着三维探地雷达技术的发展，现场沥青混合料施工质量均匀性快速检测成为可能。

关键词：沥青路面;三维探地雷达;介电常数

引言

现场密度是决定热拌沥青路面耐久性的关键因素，过高或者过低的密度，对路面使用寿命均有显著的负面影响。沥青路面的密度与空隙率是可以相互转换的，密度越大，空隙率越小;密度越小，空隙率越大。沥青路面的空隙率分布在一定程度上又可以反映该路面的施工质量均匀性，既快速又准确的检测沥青路面的施工质量均匀性对于道路的施工质量、耐久性有着重要的意义。

1均匀性评价方法

现常见的评价沥青路面均匀性的方法主要有：铺砂法、钻芯取样法、核子密度仪法、无核密度仪法、红外仪成像法、探地雷达法等。前四种方法准确性虽然高，但是工作效率低且不能100%覆盖需检测的范围，只能在小范围内进行评价，其代表性差，其中核子密度仪具有放射性，其需要专业人员操作;红外成像仪法只能在施工期间对沥青路面铺设温度进行均匀性检测，无法对建造完成的沥青路面进行质量均匀性检测。无损检测（NDT）技术是在不损害道路完整性的基础上反映路面施工质量均匀性的理想方法，最近的研究表明，三维探地雷达可用于评估施工期间的现场密度，同时提供施工区域近100%的检测覆盖率，利用探地雷达评价沥青路面的质量均匀性是现在最理想的无损检测方法。对于施工均匀的路面，三维探地雷达接收由蝶形天线发射的电磁波接触到路表后发生反射的反射波是非常均匀的，即介电常数也是均匀的，所以利用介电常数来评价沥青面层均匀性是具有重要意义的。

2探地雷达的工作原理及参数设置

2.1工作原理

探地雷达（三维探地雷达）接收由蝶形天线发射的电磁波接触到路表、面层与基层、基层与路基界面后发生反射的反射波，从路表反射的电磁波很容易处理，并用此计算表面的介电常数，介电常数表示某个材料对电磁波吸收和释放的能力，是沥青路面物理指标之一，其大小可以反映沥青路面各组成部分的比例。将真空的介电常数ε0作为参考值，材料的相对介电常数是指将材料的介电常数ε除以真空的介电常数ε0。相对介电常数一般是一个复数，实部表示某一材料的电磁波储存能力，虚部表示某一材料的电磁波损耗能力，通常相对介电常数的虚部比实部小得多，所以在介绍材料的相对介电常数时常常忽略虚部的数值[1]。空气的相对介电常数为1，沥青的相对介电常数为3，干燥集料的相对介电常数为8。

2.2参数设置

该雷达系统的天线阵包括21个发射和接收通道，每个通道0.75m，所以一次扫描就可以覆盖15.75m的宽度范围，具有检测范围广的优势;该系统采用频率步进技术，在检测过程中不用频繁地更换天线，具有操作简单的优势[2]。

本研究的三维雷达频率设置为：300～2890MHz，步进频率为：20MHz，采集间隔为：2.04cm，时窗为：25ns，驻留时间为：3.0?。确定好以上参数的数值就可以确定检测车辆最大的行驶速度，不要超过规定的最大行驶速度，否则就会造成数据的丢失。

3數据测定

在本研究中，我们最感兴趣的是面层介电常数。正如前边提到的，介电常数是沥青路面物理指标之一，其大小可以反映沥青路面各组成部分的比例[3]，沥青路面的压实降低了低介电常数的空气在沥青混合料中的比例，增加了高介电常数的集料和沥青的比例，从而导致沥青混合料的相对介电常数更高，由此可见，沥青混合料的相对介电常数与沥青混合料的密度正相关，与沥青混合料的空隙率负相关[4]，所以介电常数可以作为评价沥青路面施工均匀性的参数。

3.1现场取芯法

本研究采用的第一种计算沥青面层介电常数计算方法是现场取芯法，通过利用常规天线配对的雷达图像确定取芯处雷达波在面层中的双程时长和现场取芯的面层实际厚度就能计算现场取芯的面层介电常数。如公式（3）所示：

3.2共中点法

利用探地雷达（三维探地雷达）反射的振幅和反射之间的时间延迟来计算层厚度和介电常数。本研究采用的第二种方法是共中点法进行沥青路面的数据采集，然后用RD-SGA三维雷达自动分析软件，对三维探地雷达在共中心点天线配对方式下采集到的沥青路面数据的介电常数和厚度进行自动计算。众所周知，由于沥青路面并不是均匀材料，其相对介电常数肯定不是一个常数，而是在一定数值范围内波动。通过探地雷达采集足够多的数据并加以分析，降低了面层的相对介电常数对面层厚度和密度检测精度的影响，用不变的相对介电常数代替变化的相对介电常数，其面层厚度和密度测量误差可以在可接受的范围内。面层介电常数计算如下：

介电常数检测原理：

4结论

（1）三维探地雷达检测是在完成摊铺后进行的，三维探地雷达与现场取芯测得的介电常数有良好的相关性，并成功覆盖了几乎100%的检测区域。

（2）通过三维探地雷达共中点法测得的沥青混合料的介电常数值分布较为集中，用不变的相对介电常数代替变化的相对介电常数，其密度测量误差可以在可接受的范围内。

参考文献

[1] 刘涛.基于无损检测方法的沥青路面介电特性与施工质量评价研究[D].华南理工大学博士学位论文，2016

[2] 祝丽.基于三维探地雷达的沥青路面施工均匀性研究[D].山东建筑大学硕士论文，2018

[3] 罗传熙，张肖宁，虞将苗等.基于介电常数沥青路面均匀性评价.科学技术与工程，2018，18（5）：305-308.

[4] 马林，迟凤霞，张肖宁.综合应用无损检测技术评价沥青混凝土路面施工离析.公路，2018，（4）：113-118.