地質雷達在瀝青路面離析檢測中的應用

1、地質雷達在瀝青路面離析檢測中的應用張邦通河海大學交通學院,南京(210098E-mail :摘 要 :本文介紹了瀝青路面離析現象及其檢測方法, 而地質雷達檢測瀝青路面離析在國內 還處于一片空白, 本文通過分析地質雷達的基本原理以及介質介電常數與空隙率的關系, 同 時介紹國外應用探地雷達的技術,說明地質雷達在瀝青路面離析檢測中應用是值得推廣的。 關鍵詞 :瀝青離析;地質雷達;介電常數;空隙率1. 引言目前,我國高速公路等交通基礎設施建設有了較大的發(fā)展,但瀝青路面質量狀態(tài)卻并 不理想, 許多瀝青路面出現早期損害現象。 離析是造成瀝青路面早期損害現象發(fā)生的主要原 應之一。離析 1是指混合料在生產和施

2、工環(huán)節(jié)中發(fā)生了非均質性的變化,表現為級配的變 化,粗細不均、瀝青含量變化,路面空隙率變化等現象。由于離析的存在,實際的級配,瀝 青含量嚴重偏離設計值, 從而使配合比設計成為虛設, 路面質量處于失控狀態(tài)。 造成混合料 離析的原因是多方面的, 從混合料設計, 原材料進場與管理, 混合料的生產,卡車的裝料運 輸到攤鋪碾壓, 各個環(huán)節(jié)控制的好壞都會直接影響到最終路面的離析程度。 從離析的表現形 式與根源上可以將其歸為三類:一是材料離析, 表現形式是瀝青混合料中粗集料與細集料的 分離、瀝青含量的波動和空隙率的變化。其中的原因與粗集料比細集料有更大的運動能量, 可以到達更遠的距離有關。 二是溫度離析, 其

3、表現形式是混合料不同部位產生溫度差異, 在 施加相同壓實功時, 產生不同的壓實度和不同的空隙率。 三是碾壓離析, 其表現形式是在壓 實過程中施加的壓實功不同,會造成路面壓實度的差異和空隙率的變化。目前常用的離析檢測方法有無損檢測和破壞性檢測兩種 1。無損檢測顧名思義就是對 檢驗對象進行無破損的檢測, 這種方法是施工過程中判別離析最有效的方法, 因為它可以在 施工過程中及時地反映出整個攤鋪層的特點。 目前所用無損檢測法主要有三大類:構造深度 法、 紅外溫度法、 核子法或無核法。 構造深度法采用鋪砂法或激光法測定路面構造深度的變 化, 反應路面的離析程度; 紅外線攝像儀用來檢測溫度離析; 核子或無

4、核密度儀是通過測定 瀝青路面密度變化反映離析程度。選擇合適的離析檢測方法對研究本身具有十分重要的意 義。目前主要通過瀝青面層表觀的離析判讀(目測法、鋪砂法、激光紋理法與內部壓實檢 測(核子密度儀法、紅外攝像儀法、無核密度儀法、鉆芯法等方法來定量評價瀝青路面的 離析狀況。地質雷達作為近十年來發(fā)展起來的地球物理高技術方法, 以其分辨率高、 定位準確、 快 速經濟、靈活方便、剖面直觀、實時圖象顯示等優(yōu)點 , 備受廣大工程技術人員的青睞。現已 成功地應用于巖土工程勘察、工程質量無損檢測、 水文地質調查、 礦產資源研究、 生態(tài)環(huán)境 檢測、城市地下管網普查、文物及考古探測等眾多領域 , 取得了顯著的探測效

5、果和社會經濟 效益 , 并在工程實踐中不斷完善和提高。地質雷達在道路的檢測中已經得到了廣泛的應用。 河海大學交通學院在京珠高速公路成功的完成了路基缺損空洞和松散的檢測, 以及在商開高 速公路上運用瑞利面波對路基密實度檢測, 但是地質雷達在瀝青路面離析的檢測還處于研究 之中, 本文通過分析地質雷達的基本原理, 闡述地質雷達測的介電常數與空隙率關系, 從而 提出運用地質雷達檢測瀝青路面離析,同時參考國外離析評價標準,提出相應的評價標準。2. 基本原理地質雷達 2(ground penetrating radar, 簡稱 GPR , 也稱為探地雷達或透地雷達。 GPR 技 術是一種用于確定地下介質分

6、布的廣譜電磁技術。地質雷達與探空雷達相似 , 利用高頻電磁 波 (主頻為數十數百乃至數千兆赫 以寬頻帶短脈沖的形式 , 由地面通過發(fā)射天線向地下發(fā)射 , 當它遇到地下地質體或介質分界面時發(fā)生反射 , 并返回地面 , 被放置在地表的接收天線接收 , 并由主機記錄下來 , 形成雷達剖面圖。由于電磁波在介質中傳播時 , 其路徑、電磁波場強度以 及波形將隨所通過介質的電磁特性及其幾何形態(tài)而發(fā)生變化。因此 , 根據接收到的電磁波特 征 , 即波的旅行時間 (亦稱雙程走時 、幅度、頻率和波形等 , 通過雷達圖像的處理和分析 , 可確 定地下界面或目標體的空間位置或結構特征。電磁波傳播路徑如圖 1所示。 圖

7、 1 地質雷達傳播路徑示意圖瀝青路面主要由集料、 瀝青、 空氣組成的三相材料, 當瀝青路面密度低時, 其空隙率大, 空氣含量多,反之亦然。各種材料的介電常數都不一樣,空氣的介電常數為 1,是最小的; 瀝青為 2.4,集料為 8.2。而空隙率 1是瀝青路面重要的體積參數之一。適宜的空隙率是瀝 青路面長期使用能力的重要保證。施工質量良好的瀝青路面必然要求路面空隙率分布均勻。 同時, 空隙率分布的均勻程度又是溫度離析和級配離析情況的綜合作用結果。 因此, 可以利 用空隙率分布來評價瀝青路面的內部離析程度。 地質雷達能通過測得介電常數的變化來反映 空隙率的變化。地質雷達發(fā)射的電磁波在介質中的傳播速度

8、v 取決與介質的磁導率 µ和介 電常數 ,即 6:1/v f c c n = 式中:c 真空中的電磁波速度,即為:0.3m/ns;n 折射率;r µ 相對磁導率; r 相對介電常數。電磁波波在介質中的傳播速度、折射、反射等都與其電磁特性 (相對介電常數、磁導率 等 有關,當介質中有異物如氣孔缺陷、夾雜、裂隙等存在時,均會使電磁波傳播速度、方 向、能量等受到影響,產生反射、散射、衰減等,從而在電磁波接收信號上反映出來。這就 是電磁波波檢測的依據。 瀝青路面存在離析, 即路面空隙率比較大, 而且空隙率分布也不均 勻, 空隙率大小在地質雷達探測的介電常數中得到反映 , 通過建立空

9、隙率與介電常數的關系 比如兩者對應的公式,圖標等表達方式,由此,通過地質雷達可以得出瀝青路面的空隙率。由上述可知, 地質雷達檢測瀝青路面離析在理論上是可行的, 而且地質雷達檢測介質空 隙率的已經在實驗過程中得到了論證。 Saarenketo3在 1998年在壓路機上安裝 GPR 來建立 碾壓次數與相應密度之間關系, 得到路面介電常數隨著空隙率增大而逐漸減小, 但是兩者不 是線性關系。 Williams4運用 GPR 技術進行室內試驗研究,當采用較細級配來模擬路面離 析時, 細集料聚集區(qū)域與均勻區(qū)域介電常數都是 4.5, 粗集料聚集區(qū)域介電常數為 4.0; 當采 用較粗級配來模擬路面離析時,細集

10、料聚集區(qū)域與均勻區(qū)域介電常數都為 5.0,粗集料聚集 區(qū)域介電常數為 4.0,通過這個試驗研究,可以得到這種方法適合評價粗集料聚集類型的離 析。 20世紀 90年代初期,在芬蘭進行了應用 GPR 來控制瀝青罩面施工質量的多項研究。 作為該研究的一部分, 研究人員進行了大量的室內試驗以建立瀝青混合料的介電常數和材料 空隙率之間的關系。根據這些試驗結果 , 芬蘭研究者提出了用如下的指數函數來描述瀝青混 合料的空隙率與介電常數之間的關系 5:1.3012272.9k SDAV e ××=×式中 :AV 是瀝青混合料的空隙率 (%; k 是從道路芯樣中所得到的試驗室標定常

11、數; SD 是瀝青 混合料的介電常數。在得到瀝青路面空隙率后,我們就必須指出相應的離析判別標準,從而使瀝青離析與地 質雷達測的結果相吻合, 為在工程應用提供依據。 由于這個在我國還處于一片空白, 我們可 以參照美國和加拿大標準, 根據研究結果分析得出地質雷達檢測的離析判別標準, 地質雷達 檢測評價標準見表 11:表 1 地質雷達測定空隙率評價標準離析程度 過細離析 無離析 中等離析 嚴重離析 空隙率(%3. 結論與展望通過對地質雷達基本原理分析, 以及空隙率和介質介電常數關系的研究, 同時對國外對 于地質雷達在測的空隙率的研究,同時地質雷達具有快速、便捷、 無損檢測等優(yōu)點,我們可 以得出:地質

12、雷達在瀝青路面離析檢測中的應用是值得推廣的, 由于在國內可能沒有相應的 評價標準, 導致國內對于地質雷達在這方面的應用還處于研究狀態(tài), 還沒有用于工程實踐中。參考文獻1 黃榮校 . 大功率攤鋪機抗離析控制性能改進及評價技術研究 D.20072 孫朝云 . 現代道路交通測試技術 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 . 探地雷達檢測路面含水量和壓實度 D.鄭州大學 ,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