雷达法检测沥青路面厚度影响因素范文

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【摘要】：为提升雷达法检测沥青路面厚度的精确程度，依据路面雷达工作原理总结出了路面材料介电常数（波速）、电磁波在介质中的走时对检测结果的影响；指出了不同沥青材料配合比、沥青层厚、压实度、含水率等因素会影响路面材料的介电常数，从而影响检测精确度；铁板标定文件、雷达天线的主频等因素会影响电磁波在介质中的走时，从而影响检测精度。

【关键词】：路面；检测；雷达法；沥青；厚度；介电常数

路面厚度是公路工程检查的一项重要指标，因短脉冲雷达对路面面层厚度检测具有效率高、采样点数多、综合评定客观等优点，已被广泛使用。但短脉冲雷达的测试原理和特点限制了路面面层厚度检测的准确性，导致测量结果和实际值存在误差。短脉冲雷达的沥青路面厚度检测分析中，介电常数通常被认为是识别路面面层厚度的重要参数。刘涛[1]认为材料的介电特征是短脉冲雷达应用于沥青路面检测的前提。王子彬等[2]在路面面层厚度计算，介电常数识别准确性的高低影响路面面层厚度分析准确的高低。卢超等[3]指出，沥青混合料的介电常数随着其组成部分的变化而变化。材料的介电常数通常是在单一的结构体系中获得的比较准确[4]。所以，对于由不同结构层组成的路面面层厚度，介电常数的准确获得较单一体系复杂。目前路面材料的介电常数通常通过芯样钻取获得[2]；如何通过钻取的有限芯样获得较为准确的路面面层的介电常数也是影响检测准确性的重要因素。鉴于此，本文根据短脉冲雷达法检测沥青路面厚度的工作原理，通过分析影响路面材料介电常数（波速）、电磁波在介质中的走时的因素，提出了提高路面面层检测精度的具体措施。

1短脉冲雷达检测路面厚度工作原理

短脉冲雷达法对路面厚度检测准确性的影响因素与其工作原理密切相关。雷达检测路面厚度时通过发射天线向路面发射抗干扰能力很强的高频短脉冲电磁波，电磁波在路面各层位之间发生反射和透射，天线接收反射回来的电磁波；利用接收到的电磁波时差（介质中的走时）以及介质中的传播速度来测定厚度。介电常数通过钻芯取样量测结合标定点处电磁波在路面面层的走时计算取得。

2准确性的影响因素

路面雷达工作原理决定了路面材料介电常数（波速）、电磁波在介质中的走时是影响路面面层厚度检测的因素，因此本文着重分析了影响介电常数和电磁波在介质中的走时准确性的影响因素。

2.1介电常数准确性的影响因素分析

电磁波在不同材料中传播因其介电常数不同导致传播速度不同。1）配合比和材料不同对介电常数的影响。由表1看出，沥青的介电常数为3～5，级料使用的石料（石灰岩、花岗岩）、砂、矿粉的介电常数为3～9。所以，对于不同种类的沥青混合料，由于沥青和各种级料的配合比例不同，原材材质不同，孔隙率不同，沥青混合料介电常数就不同。2）层厚、压实度、含水率不一致对介电常数的影响。同一配合比相同材料的沥青混合料也有多种因素使其介电常数不同。压实度、含水率不同，路面面层结构各层厚度与设计存在偏差，均对介电常数有不同程度的影响。施工水平和施工条件一致性越高，介电常数就越统一，介电常数取值准确度高。因路面面层结构各层配比不同形成介电常数差异的大小不同，导致路面面层结构各层厚度对路面面层总厚度介电常数的影响权重不同，不同层位的介电常数差异越大，厚度不均的影响也就越大。压实度对沥青混凝土的介电常数也有一定的影响。在沥青混凝土试件中，当试件压实度提高时，试件空隙中气体的体积减小，而空气的介电常数较沥青混合料的介电常数小，所以沥青混凝土试件的介电常数增大。王子敬[5]指出沥青混凝土试件的密度与介电常数之间存在正向线性关系。材料的含水率对沥青混合料的介电常数也有很大的影响。Daniels[6]指出干沥青混凝土介电常数一般为2～4，而湿沥青混凝土介电常数通常为6～12。王子敬[5]也同样指出在相同电磁波频率下，沥青混凝土的介电常数随含水率的增大而增大且大致呈线性关系。在沥青混凝土中，含水率的不同主要由其与水是否接触或同等接触条件下沥青混凝土的吸水性不同而引起。由于水的介电常数远远大于沥青混合料介电常数故而水的影响很大，所以当沥青混凝土空隙中填充水时，沥青混合料的介电常数相应增大。3）标定芯样钻取和测量对介电常数的影响。当芯样钻取位置与标定位置不对应时，由于芯样厚度与实际厚度存在偏差，沥青混凝土试件的介电常数与真实值存在偏差。当芯样钻取位置准确，人为量测芯样不规范时，由于量测厚度与真实值存在误差而造成沥青混凝土试件的介电常数存在偏差。所以芯样钻取位置与标定位置不对应，人为量测的不规范等都会对介电常数会造成影响。

2.2对电磁波在介质中的走时的影响因素

雷达分析处理系统导出的汽车行驶距离和雷达波在介质中的走时关系图与路面实际情况的拟合度决定了雷达波在介质中走时的准确性。这一走时一般采用分析系统自动捕捉分层信息辅以人工手动修正的方式取得。1）铁板标定文件对电磁波走时准确性的影响。铁板标定文件是定点晃动雷达天线扫描钢板采集相应的雷达图形文件，它的主要作用是将该文件输入正式测试的路段文件中消除测试车行驶时雷达天线晃动对图形数据的影响，避免图形出现竖直方向上下错位等问题，进而影响电磁波走时采集准确性。2）雷达天线的主频对电磁波走时准确性的影响。雷达天线的主频越高测试精度越高，测试深度降低，反之亦然。同时也有研究显示，高频天线测得的介质的介电常数比低频天线测得的低[5]，所以主频不同的天线会导致测试介质的介电常数不同。

3解决方案

3.1对介电常数影响的规避措施

1）降低配合比和材料不同影响的措施。同一配合比相同材质材料的沥青混合料才具有相同的介电常数，检测时对于评定的路段必须为相同的介电常数才能保证检测结果的准确性。所以检测时不同配合比不同材料的段落分开标定，采用不同的介电常数分别计算检测厚度值。2）降低层厚、压实度、含水率不一致影响的措施。雨后天气晴朗（结合具体气候条件）沥青混凝土路面充分干燥后，再进行雷达厚度检测，以规避因透水性不一致导致的沥青混合料的含水率差异形成介电常数的偏差。由于检测路段各处可能存在的压实度、铺筑层厚的不同，不容易找到明显的规律且其段落长短和范围均难以确定，所以建议采用多选取点位进行介电常数标定，取其平均值作为评定路段的介电常数采用值，这样对于整体路段评定较为客观准确。因隔日或过几日再次标定路段含水率变化，故雷达检测同时必须同时完成钻芯取样扫描标定；对于同一路段不同次的检测，不得采用一次标定的介电常数；一次检测也不得采用不同次的标定来取得介电常数。3）降低芯样标定不准确影响的措施。不少于2人进行现场取芯，保证标定扫描点和钻芯钻取位置完全对应；量测厚度现场检测和室内检测人员共同进行互相核对，保证量取数据的准确性。

3.2对电磁波在介质中的走时影响的规避措施

1）消除铁板标定文件影响的措施。注意铁板标定文件在不同环境条件下分别进行，有条件应每次检测均进行铁板文件标定；铁板表定时保证雷达天线的晃动幅度不小于车辆行驶产生的晃动幅度。2）降低雷达天线主频影响的措施。按照不同需求采用相应主频的天线，测试路面厚度＜10cm，宜选用频率从2G的雷达天线；测试路面厚度为10～15cm，宜选用频率＞1.5G的天线;测试路面厚度＞25cm，宜选用频率＞1G的雷达天线。选用主频集中稳定，分析系统强大准确的雷达测试系统，保证走时采样准确性；对同一评定段落采用相同主频的天线。

4结语

1）介电常数的准确计算对提高检测沥青路面厚度的精度有很大的帮助。可通过对不同配合比不同材料的段落分开标定，采用不同的介电常数分别计算路面面层检测厚度值；采用增加芯样钻取进行介电常数标定，取其平均值作为评定路段的介电常数采用值，来降低层厚变化对介电常数计算对厚度检测的影响。2）对于电磁波在介质中的走时影响的规避，除了在检测现场进行铁板标定外，还要保证主频天线的稳定。本文提出的影响短脉冲雷达法检测沥青混凝土路面厚因素以及相应的解决措施对于提高沥青路面厚度检测精度有很大的帮助。目前，由于沥青路面结构层材料之间介电常数差异不大，在利用扫描文件进行单独某一结构层厚度（尤其是表面层）时界面判定困难。因此，希望在以后的研究中可以继续对这一问题进行深入的研究。

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].广州：华南理工大学,2016.

[2]王子彬,蔡迎春,郭成超.路面雷达在沥青路面密度和压实度检测中的试验研究[J].公路工程,2006,31(4):96-98.

[3]卢超,刘化学,刘强.介电常数在沥青混合料压实度测试中的应用探讨[J].路基工程,2012,(4):98-100.

[4]吕晨光,曾葆青,张海,等.沥青混合材料复介电常数的测量[C].中国功能材料及其应用学术会议[A].2010.

[5]王子敬.沥青混合料介电常数影响因素研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2016,35(2):45-49.

作者：邹宝刚