基于高精度路面雷達(dá)的瀝青層空隙率檢測(cè)方法

摘 要：選用2GHz高頻雷達(dá)對(duì)運(yùn)營(yíng)期瀝青路面結(jié)構(gòu)層中空隙率進(jìn)行檢測(cè)和定量分析。雷達(dá)波在不同介質(zhì)傳遞的過程中，由于介電常數(shù)的不同，會(huì)產(chǎn)生明顯的波峰。當(dāng)從均勻介質(zhì)的瀝青路面?zhèn)鬟f到空洞時(shí)，由于介電常數(shù)的變化，將會(huì)產(chǎn)生逆向波峰。分別建立了雷達(dá)波形圖中逆波峰的幅值及其和空氣與面層產(chǎn)生的波峰幅值的比值與瀝青結(jié)構(gòu)層空隙率的定量關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用逆波峰的幅值和空氣與面層產(chǎn)生的波峰幅值的比值評(píng)價(jià)瀝青結(jié)構(gòu)層空隙率更加精確。研究成果為運(yùn)營(yíng)期瀝青路面內(nèi)部缺陷的判別及養(yǎng)護(hù)措施的制定提供了重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：道路工程 瀝青路面 空隙率 雷達(dá) 檢測(cè)

中圖分類號(hào)：U416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）04（a）-0000-00

Abstract： Asphalt pavement voids were detected by 2GHz Ground Penetrating Radar. In the course of different media radar transmission， due to different dielectric constant， would produce significant peaks. When passing from the asphalt road to the empty homogeneous medium， due to changes in the dielectric constant， will produce the reverse peak. Quantitative relations were established in the reverse radar waveforms with peak amplitudes and air and surface layer produced peak amplitude ratio and porosity of the structural layer of asphalt. Results show that can better detect the asphalt pavement voids exist in different locations through the radar waveforms and the inverse peak amplitude and asphalt mixture inside the cavity size is positively correlated and with the interior loosely degree of asphalt mixture the inverse relationship.

Keywords： highway engineering； asphalt pavement； voids；Ground Penetrating Radar； evaluation

國(guó)內(nèi)外大量研究表明，瀝青混凝土的空隙率對(duì)其透水性、氧化、抗永久變形能力都有重大的影響。因此在瀝青路面施工及驗(yàn)收時(shí)空隙率是一項(xiàng)重要的檢測(cè)指標(biāo)。理論上壓實(shí)度符合要求的瀝青路面在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中由于行車荷載的不斷碾壓，瀝青路面將會(huì)被逐漸壓密，空隙率逐漸變小，極易發(fā)生車轍或者泛油。但是經(jīng)過調(diào)查，瀝青路面發(fā)生的早期破壞中水損害占了很大比例，其中有部分原因?yàn)樵谑┕み^程中壓實(shí)度不夠?qū)е拢嗟脑驗(yàn)樵跒r青路面在運(yùn)行過程中瀝青黏附性降低、喪失、產(chǎn)生空洞[1]。

瀝青路面早期出現(xiàn)空洞時(shí)，路面并無明顯變化（車轍、坑槽、松散等），但若能進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)，將會(huì)大大減少瀝青路面水損害發(fā)生的幾率。在試驗(yàn)室無法檢測(cè)出空洞的大小與位置，為了與路面雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果建立關(guān)系，通過室內(nèi)空隙率試驗(yàn)測(cè)出平均空隙率，利用平均空隙率換算其空洞大小。

目前國(guó)內(nèi)空氣耦合雷達(dá)多為1GHz，為滿足試驗(yàn)研究需要，選用了國(guó)內(nèi)少有的進(jìn)口2GHz高頻雷達(dá)作為檢測(cè)雷達(dá)。雷達(dá)波在不同介質(zhì)傳遞的過程中，由于介電常數(shù)的不同，會(huì)產(chǎn)生明顯的波峰。當(dāng)從均勻介質(zhì)的瀝青混凝土路面?zhèn)鬟f到空洞時(shí)，由于介電常數(shù)的變化，將會(huì)產(chǎn)生逆向波峰，在雷達(dá)波形圖上將會(huì)有清楚的顯示[2]。

本文通過波形圖中明顯的逆向波峰，建立其與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)得出空隙率的定量關(guān)系。

1基于GPR的瀝青層空隙率檢測(cè)方法

由于石料、瀝青混合料拌和樓、施工人員、施工機(jī)械、施工天氣、行車荷載等影響因素復(fù)雜多變，與實(shí)驗(yàn)室制作的試件相比，實(shí)際路面上瀝青混凝土的變異性大。為了判斷瀝青混凝土的空隙率（空洞）與波形圖逆向波峰之間是否存在明確的相關(guān)性，在安徽省合六葉高速公路瀝青路面共取芯樣300個(gè)，為了使樣本具有代表性，盡量反映實(shí)際路面施工的變異性，在選取樣本點(diǎn)時(shí)按照以下原則：縱向空間跨度盡可能大；在樣本的時(shí)間把握上，路齡在2年～5年時(shí)間不等；在檢測(cè)位置定點(diǎn)取芯，芯樣內(nèi)包含1～3層結(jié)構(gòu)層。

芯樣分上、中、下面層分別鋸開，然后分別測(cè)量空隙率。圖1為芯樣分三段切割照片，圖2為切割后的上面層芯樣照片。

在芯樣的選擇上，首先對(duì)雷達(dá)波形對(duì)路面空隙率（空洞）的判斷的正確性進(jìn)行分析，分段連續(xù)選取芯樣45個(gè)，其中31個(gè)為波形圖判斷內(nèi)部有空洞的芯樣，14個(gè)為波形圖判斷內(nèi)部良好的芯樣。

芯樣初步信息采集、波形圖波動(dòng)情況與室內(nèi)空隙率試驗(yàn)的比較發(fā)現(xiàn)，本路段上面層波形圖出現(xiàn)較有規(guī)律的逆向波峰、空隙率變化較大、芯樣表面有較大空隙，而波形圖中面層與下面層無明顯逆波谷、芯樣空隙率無明顯變化（波動(dòng)范圍在±1%以內(nèi)），所以采用芯樣上面層進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所列。

表1中雷達(dá)圖判斷的結(jié)果為雷達(dá)波形圖對(duì)瀝青路面上面層的檢測(cè)結(jié)果，通過逆向波峰的幅值表示，由于為逆向波峰，所以前面加以負(fù)號(hào)予以區(qū)分。雷達(dá)圖判斷結(jié)果中“無”表示在波形圖中無明顯的逆向波峰或者逆向波峰的幅值小于1000（1000以內(nèi)的逆波峰可能是由于波形圖自身波動(dòng)性、小顆粒的脫落等原因造成，由于成因不顯著，因此統(tǒng)一考慮為內(nèi)部無明顯空洞）。空隙率為通過室內(nèi)試驗(yàn)求的芯樣上面層空隙率，為%。符合程度的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)路面雷達(dá)判斷波形圖上面層無明顯逆波峰時(shí)，芯樣上面層空隙率小于5%（5%的選取原因?yàn)椋寒?dāng)路面壓實(shí)度為100%時(shí)，芯樣上面層空隙率為4%，由于施工的波動(dòng)性與瀝青路面在車輛荷載作用下逐漸密實(shí)的可能性，上調(diào)1%作為波動(dòng)范圍），則判定符合標(biāo)準(zhǔn)，雷達(dá)波形圖與空隙率結(jié)果一致，瀝青路面上面層無明顯空洞；當(dāng)路面雷達(dá)判斷波形圖有明顯逆波峰時(shí)，空隙率試驗(yàn)值大于5%，則判定符合標(biāo)準(zhǔn)，雷達(dá)波形圖與空隙率結(jié)果一致，瀝青路面上面層有明顯空洞；其它情況視為不符合，即波形圖計(jì)算值與室內(nèi)空隙率試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性不好。

通過上面層波形與空隙率對(duì)應(yīng)關(guān)系定性分析統(tǒng)計(jì)表中的結(jié)果可以看出，波形計(jì)算值與空隙率（空洞）對(duì)應(yīng)關(guān)系不好的芯樣有3個(gè)，占總體的6.7%，兩者的相符度高達(dá)93.3%，檢測(cè)出瀝青路面上面層的破壞短距離是連續(xù)破壞。這與實(shí)際情況是相符的，證明通過使用雷達(dá)判斷瀝青路面上面層中是否存在空洞的方法是可行的。

2雷達(dá)波形與空隙率的定量關(guān)系

在實(shí)際工程中，瀝青在使用2-3年時(shí)，瀝青混凝土面層由于水的浸入、瀝青的老化剝落等原因在面層形成空洞，這些空洞初期不會(huì)造成路面明顯的破壞，因而具有隱蔽性，但如果不進(jìn)行及時(shí)的處理，后來空洞將會(huì)對(duì)路面造成極大的破壞。因此如何檢測(cè)出空洞，判斷空洞的大小將是亟待解決的問題，通過上節(jié)所找到的雷達(dá)波形圖逆波峰與芯樣空洞間的關(guān)系，嘗試建立兩者定量的關(guān)系。

針對(duì)找出的雷達(dá)波形圖有明顯逆波谷的芯樣，通過回歸分析法，由60個(gè)數(shù)據(jù)建立芯樣空隙率空洞與逆波谷幅值之間的關(guān)系，得到表2和圖3的芯樣空隙率計(jì)算結(jié)果。

由于波形圖逆波峰是由于兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異造成的，入射波在傳遞的過程中先經(jīng)歷與瀝青面層的反射，接著發(fā)生與空洞處的反射。由于信號(hào)發(fā)射車在路面行駛中的顛簸、信號(hào)在每次傳遞中的微小損失等原因都可能造成逆波峰幅值的改變與不穩(wěn)定，為了使評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)更具有帶表性，采用逆波峰的幅值與空氣與面層產(chǎn)生的波峰幅值的比值，定為雷達(dá)波檢測(cè)的瀝青混凝土面層空洞的評(píng)判指標(biāo)。

得到圖4的擬合曲線，樣本空間為60，其中橫坐標(biāo)為實(shí)驗(yàn)室測(cè)得空隙率，縱坐標(biāo)為波形圖逆波峰與空氣與面層分界面出波峰幅值之比。

3結(jié)語

選用2GHz高頻雷達(dá)對(duì)運(yùn)營(yíng)期瀝青路面結(jié)構(gòu)層中空隙率進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)定點(diǎn)取芯芯樣的室內(nèi)空隙率試驗(yàn)。

分別建立了雷達(dá)波形圖中逆波峰的幅值及其與空氣與面層產(chǎn)生的波峰幅值的比值與瀝青結(jié)構(gòu)層空隙率的定量關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用逆波峰的幅值與空氣與面層產(chǎn)生的波峰幅值的比值評(píng)價(jià)瀝青結(jié)構(gòu)層空隙率更加精確。

研究成果為運(yùn)營(yíng)期瀝青路面內(nèi)部缺陷的判別及養(yǎng)護(hù)措施的制定提供了重要依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 沈金安，李福普，陳景.高速公路瀝青路面早期損壞分析與防治對(duì)策[M].人民交通出版社，2004.

Chen JA，Li FP，Chen Jing. Analysis and preventiue techniques of premature damage of asphalt pavement in expressway[M].China Communications Press

[2] 張龍. 基于探地雷達(dá)技術(shù)的瀝青路面早期水損害評(píng)價(jià)[D]，廣州，華南理工大學(xué)大學(xué)碩士論文，2013.

Zhang Long. The study on early water damage of asphalt pavement based on Ground Penetrating Radar（GPR）technology[D].Guangzhou， South China University of Technology，2013.