地质雷达在沥青路面离析检测中的应用

1、地质雷达在沥青路面离析检测中的应用张邦通河海大学交通学院,南京(210098E-mail :摘 要 :本文介绍了沥青路面离析现象及其检测方法, 而地质雷达检测沥青路面离析在国内 还处于一片空白, 本文通过分析地质雷达的基本原理以及介质介电常数与空隙率的关系, 同 时介绍国外应用探地雷达的技术,说明地质雷达在沥青路面离析检测中应用是值得推广的。 关键词 :沥青离析;地质雷达;介电常数;空隙率1. 引言目前,我国高速公路等交通基础设施建设有了较大的发展,但沥青路面质量状态却并 不理想, 许多沥青路面出现早期损害现象。 离析是造成沥青路面早期损害现象发生的主要原 应之一。离析 1是指混合料在生产和施

2、工环节中发生了非均质性的变化,表现为级配的变 化,粗细不均、沥青含量变化,路面空隙率变化等现象。由于离析的存在,实际的级配,沥 青含量严重偏离设计值, 从而使配合比设计成为虚设, 路面质量处于失控状态。 造成混合料 离析的原因是多方面的, 从混合料设计, 原材料进场与管理, 混合料的生产,卡车的装料运 输到摊铺碾压, 各个环节控制的好坏都会直接影响到最终路面的离析程度。 从离析的表现形 式与根源上可以将其归为三类:一是材料离析, 表现形式是沥青混合料中粗集料与细集料的 分离、沥青含量的波动和空隙率的变化。其中的原因与粗集料比细集料有更大的运动能量, 可以到达更远的距离有关。 二是温度离析, 其

3、表现形式是混合料不同部位产生温度差异, 在 施加相同压实功时, 产生不同的压实度和不同的空隙率。 三是碾压离析, 其表现形式是在压 实过程中施加的压实功不同,会造成路面压实度的差异和空隙率的变化。目前常用的离析检测方法有无损检测和破坏性检测两种 1。无损检测顾名思义就是对 检验对象进行无破损的检测, 这种方法是施工过程中判别离析最有效的方法, 因为它可以在 施工过程中及时地反映出整个摊铺层的特点。 目前所用无损检测法主要有三大类:构造深度 法、 红外温度法、 核子法或无核法。 构造深度法采用铺砂法或激光法测定路面构造深度的变 化, 反应路面的离析程度; 红外线摄像仪用来检测温度离析; 核子或无

4、核密度仪是通过测定 沥青路面密度变化反映离析程度。选择合适的离析检测方法对研究本身具有十分重要的意 义。目前主要通过沥青面层表观的离析判读(目测法、铺砂法、激光纹理法与内部压实检 测(核子密度仪法、红外摄像仪法、无核密度仪法、钻芯法等方法来定量评价沥青路面的 离析状况。地质雷达作为近十年来发展起来的地球物理高技术方法, 以其分辨率高、 定位准确、 快 速经济、灵活方便、剖面直观、实时图象显示等优点 , 备受广大工程技术人员的青睐。现已 成功地应用于岩土工程勘察、工程质量无损检测、 水文地质调查、 矿产资源研究、 生态环境 检测、城市地下管网普查、文物及考古探测等众多领域 , 取得了显著的探测效

5、果和社会经济 效益 , 并在工程实践中不断完善和提高。地质雷达在道路的检测中已经得到了广泛的应用。 河海大学交通学院在京珠高速公路成功的完成了路基缺损空洞和松散的检测, 以及在商开高 速公路上运用瑞利面波对路基密实度检测, 但是地质雷达在沥青路面离析的检测还处于研究 之中, 本文通过分析地质雷达的基本原理, 阐述地质雷达测的介电常数与空隙率关系, 从而 提出运用地质雷达检测沥青路面离析,同时参考国外离析评价标准,提出相应的评价标准。2. 基本原理地质雷达 2(ground penetrating radar, 简称 GPR , 也称为探地雷达或透地雷达。 GPR 技 术是一种用于确定地下介质分

6、布的广谱电磁技术。地质雷达与探空雷达相似 , 利用高频电磁 波 (主频为数十数百乃至数千兆赫 以宽频带短脉冲的形式 , 由地面通过发射天线向地下发射 , 当它遇到地下地质体或介质分界面时发生反射 , 并返回地面 , 被放置在地表的接收天线接收 , 并由主机记录下来 , 形成雷达剖面图。由于电磁波在介质中传播时 , 其路径、电磁波场强度以 及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。因此 , 根据接收到的电磁波特 征 , 即波的旅行时间 (亦称双程走时 、幅度、频率和波形等 , 通过雷达图像的处理和分析 , 可确 定地下界面或目标体的空间位置或结构特征。电磁波传播路径如图 1所示。 图

7、 1 地质雷达传播路径示意图沥青路面主要由集料、 沥青、 空气组成的三相材料, 当沥青路面密度低时, 其空隙率大, 空气含量多,反之亦然。各种材料的介电常数都不一样,空气的介电常数为 1,是最小的; 沥青为 2.4,集料为 8.2。而空隙率 1是沥青路面重要的体积参数之一。适宜的空隙率是沥 青路面长期使用能力的重要保证。施工质量良好的沥青路面必然要求路面空隙率分布均匀。 同时, 空隙率分布的均匀程度又是温度离析和级配离析情况的综合作用结果。 因此, 可以利 用空隙率分布来评价沥青路面的内部离析程度。 地质雷达能通过测得介电常数的变化来反映 空隙率的变化。地质雷达发射的电磁波在介质中的传播速度

8、v 取决与介质的磁导率 µ和介 电常数 ,即 6:1/v f c c n = 式中:c 真空中的电磁波速度,即为:0.3m/ns;n 折射率;r µ 相对磁导率; r 相对介电常数。电磁波波在介质中的传播速度、折射、反射等都与其电磁特性 (相对介电常数、磁导率 等 有关,当介质中有异物如气孔缺陷、夹杂、裂隙等存在时,均会使电磁波传播速度、方 向、能量等受到影响,产生反射、散射、衰减等,从而在电磁波接收信号上反映出来。这就 是电磁波波检测的依据。 沥青路面存在离析, 即路面空隙率比较大, 而且空隙率分布也不均 匀, 空隙率大小在地质雷达探测的介电常数中得到反映 , 通过建立空

9、隙率与介电常数的关系 比如两者对应的公式,图标等表达方式,由此,通过地质雷达可以得出沥青路面的空隙率。由上述可知, 地质雷达检测沥青路面离析在理论上是可行的, 而且地质雷达检测介质空 隙率的已经在实验过程中得到了论证。 Saarenketo3在 1998年在压路机上安装 GPR 来建立 碾压次数与相应密度之间关系, 得到路面介电常数随着空隙率增大而逐渐减小, 但是两者不 是线性关系。 Williams4运用 GPR 技术进行室内试验研究,当采用较细级配来模拟路面离 析时, 细集料聚集区域与均匀区域介电常数都是 4.5, 粗集料聚集区域介电常数为 4.0; 当采 用较粗级配来模拟路面离析时,细集

10、料聚集区域与均匀区域介电常数都为 5.0,粗集料聚集 区域介电常数为 4.0,通过这个试验研究,可以得到这种方法适合评价粗集料聚集类型的离 析。 20世纪 90年代初期,在芬兰进行了应用 GPR 来控制沥青罩面施工质量的多项研究。 作为该研究的一部分, 研究人员进行了大量的室内试验以建立沥青混合料的介电常数和材料 空隙率之间的关系。根据这些试验结果 , 芬兰研究者提出了用如下的指数函数来描述沥青混 合料的空隙率与介电常数之间的关系 5:1.3012272.9k SDAV e ××=×式中 :AV 是沥青混合料的空隙率 (%; k 是从道路芯样中所得到的试验室标定常

11、数; SD 是沥青 混合料的介电常数。在得到沥青路面空隙率后,我们就必须指出相应的离析判别标准,从而使沥青离析与地 质雷达测的结果相吻合, 为在工程应用提供依据。 由于这个在我国还处于一片空白, 我们可 以参照美国和加拿大标准, 根据研究结果分析得出地质雷达检测的离析判别标准, 地质雷达 检测评价标准见表 11:表 1 地质雷达测定空隙率评价标准离析程度 过细离析 无离析 中等离析 严重离析 空隙率(%3. 结论与展望通过对地质雷达基本原理分析, 以及空隙率和介质介电常数关系的研究, 同时对国外对 于地质雷达在测的空隙率的研究,同时地质雷达具有快速、便捷、 无损检测等优点,我们可 以得出:地质

12、雷达在沥青路面离析检测中的应用是值得推广的, 由于在国内可能没有相应的 评价标准, 导致国内对于地质雷达在这方面的应用还处于研究状态, 还没有用于工程实践中。参考文献1 黄荣校 . 大功率摊铺机抗离析控制性能改进及评价技术研究 D.20072 孙朝云 . 现代道路交通测试技术 M.北京:人民交通出版社, 2000.83 Saarenketo T, Scullion T. Ground Penetrating Radar Applications on Roads and Highways J. In: TTI Report 1923-2F. Texas Transportation Insti

13、tute, Texas A&M November 19944 Williams R C, Duncan G R, White T D. Sources, Measurements, and Effects of Segregated Hot Mix Asphalt Pavement. In: Report No.FHWA/IN/JHRP-96/16. Purdue University, December 19965PANK 4122: Air Void Content of Asphalt Pavements: Ground Penetrating Radar Method. FNR

14、A,20006 黎春林 . 探地雷达检测路面含水量和压实度 D.郑州大学 ,2003.5The application of GPR on asphalt pavements segregation inspectionZhang BangtongDepartment of transportation, Hohai University, Nanjing (210098AbstractThis paper introduces the segregation phenomena and the inspective means of asphalt concrete pavements. GPR inspecting asphalt concrete pavements has not been used in the engineering. Through the analysis of the basic principle of GPR, and the relationship between the medium dielectric constant and voids, and the research of