路面材料復(fù)合介電常數(shù)模型研究進(jìn)展分析

　　路面材料復(fù)合介電常數(shù)模型是雷達(dá)檢測路面結(jié)構(gòu)體系含水量、孔隙率、壓實(shí)度等指標(biāo)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。分析了相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果，剖析了復(fù)合介電常數(shù)模型的研究現(xiàn)狀，討論了各種模型的優(yōu)缺點(diǎn)、局限性和適用范圍等，論證了進(jìn)一步研究路面材料復(fù)合介電常數(shù)模型的必要性。

前言

　　路基路面質(zhì)量直接影響道路工程的安全和行車的舒適。因此，須對路基路面狀況及時檢測和評價，以便適時做出科學(xué)的決策或采取合理的維修加固措施以確保道路具有良好使用性能。路面探地雷達(dá)(GPR)作為一種、、無損的探測技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于路基路面質(zhì)量檢測方面。路面雷達(dá)是基于介質(zhì)電磁特性的差異進(jìn)行工作的，當(dāng)雷達(dá)進(jìn)行路基路面質(zhì)量檢測時，測試中獲取的zui初和zui基本參數(shù)是路面材料介質(zhì)的介電常數(shù)，并不能直接測試路面材料的壓實(shí)度、孔隙率、含水量、瀝青含量等質(zhì)量控制指標(biāo)，但像路面材料這樣由幾種不同材料組成的復(fù)合介質(zhì)，其介電常數(shù)與復(fù)合介質(zhì)的各組成成分的介電常數(shù)和組成比例有關(guān)，描述這種關(guān)系的式子稱為介電常數(shù)模型。通過對復(fù)合介質(zhì)介電常數(shù)和介電常數(shù)模型的研究分析，可間接得到壓實(shí)度、孔隙率、含水量這些檢測指標(biāo)。因此，研究和建立介電常數(shù)與這些指標(biāo)之間的關(guān)系成為了路面雷達(dá)技術(shù)有待研究的核心內(nèi)容之一。本文討論了各種模型的優(yōu)缺點(diǎn)、局限性和適用范圍等，并論證了進(jìn)一步研究路面材料復(fù)合介電常數(shù)模型的必要性。

1、研究現(xiàn)狀綜述和分析

　　路面材料是由固態(tài)、氣態(tài)、液態(tài)組成的混合物，是眾多復(fù)合材料的一種。路面材料復(fù)合介電常數(shù)模型的復(fù)合介電常數(shù)反應(yīng)材料本身的電學(xué)性質(zhì)，由表示介電常數(shù)的實(shí)部和表示能量損耗與衰減的虛部組成。它與材料各成分的介電常數(shù)、含量、溫度及頻率有關(guān)。瀝青混凝土、水泥混凝土這些復(fù)合材料，其整體所體現(xiàn)出來的復(fù)合介電常數(shù)也與其骨料、水泥凈漿或?yàn)r青、空氣的介電常數(shù)以及體積率有關(guān)，而組成部分的體積率與材料壓實(shí)度、孔隙率、含水量等這些質(zhì)檢指標(biāo)息息相關(guān)，這些指標(biāo)的改變將直接導(dǎo)致介電常數(shù)的實(shí)部和虛部變化，例如含水量增加會導(dǎo)致介電常數(shù)的實(shí)部和虛部增大;孔隙率的減少，即壓實(shí)度的增加也會使介電常數(shù)增大等。國內(nèi)外，針對復(fù)合介電常數(shù)與這些質(zhì)量指標(biāo)之間的關(guān)系開展了不少研究。

　　1.1、經(jīng)驗(yàn)擬合公式研究現(xiàn)狀和存在問題

　　復(fù)合介電常數(shù)和某一指標(biāo)間相互關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)擬合公式，國內(nèi)外的學(xué)者，都作了相關(guān)的研究。首先，對于土壤介電物理特性做出過系統(tǒng)研究的是前蘇聯(lián)學(xué)者ChernyakG.Ya.，他在1964年撰寫的《濕土介電特性研究方法》(DielectricMethodsforInvestigatingMoistSoil)一書中對含水土壤介電特性作了全面的分析，使人們對土壤介電物理行為*次有了系統(tǒng)性的認(rèn)識。1980年加拿大農(nóng)業(yè)土地資源研究中心的Topp利用TimeDomainReflectrometry(TDR)方法測定土水混合物的介電常數(shù)，并由此得到了反映土壤含水率w與土水混合物介電常數(shù)ε之間關(guān)系的兩個回歸多項式方程，即的Topp方程

　　在Topp基礎(chǔ)上，美國農(nóng)業(yè)部鹽堿實(shí)驗(yàn)室Dalton等人測量土壤電導(dǎo)率估計土壤的鹽分。Alharath和Ferre先后對粉沙、細(xì)沙土進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，提出了各自的公式，Roth在他們兩人基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)修正，使得公式的應(yīng)用拓寬到了沙性土。

　　這些研究成果，特別是針對沙土的成果，為研究混凝土中細(xì)骨料的介電特性奠定了理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)，同時也為分析研究路基土的介電特性提供了參考。但需說明的是上述公式均忽略了介電常數(shù)與電磁波頻率的關(guān)系，并且是在TDR頻率范圍內(nèi)測量得到的，而TDR所用的電磁波頻率與路面雷達(dá)電磁波頻率有差異。此外，路基土是壓實(shí)土，不同于天然土壤，其孔隙率較小。因此，開展路面雷達(dá)頻率內(nèi)介電常數(shù)模型的研究是非常必要的。

　　1994年，VirginiaTech開展了一項科研項目，對水泥混凝土介電特性進(jìn)行了研究，分析了水泥混凝土介電特性及其影響因素，分別研究了組成成分、氯化物的含量、混凝土內(nèi)部損傷、堿硅反應(yīng)(ASR)、凍融現(xiàn)象對水泥混凝土介電常數(shù)的影響，得出了水泥混凝土的介電常數(shù)隨著水灰比增大而增大等一系列重要結(jié)論。1995年，Robertet.al.采用寬帶同軸線測量水泥混凝土的復(fù)合介電常數(shù)，頻率范圍為50MHz～1GHz，PCC試件骨料zui大粒徑為15mm和30mm，主要研究了養(yǎng)護(hù)時間對復(fù)合介電常數(shù)的影響。Rhim在1998年也曾在0.1～20.0GHz頻率段對混凝土含水量與復(fù)合介電常數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

　　為研究熱拌瀝青混凝土的介電性能，1992年，Al-Qadi研究了其在12.4～18.0GHz頻率段內(nèi)的介電特性，試驗(yàn)采用兩種類型的骨料:吸收性較小的石灰石和吸收性較大的礫石，每種類型的骨料都采用兩種級配拌和:密級配和開級配，試驗(yàn)建立了熱拌瀝青混凝土介電常數(shù)和含水量之間的相關(guān)關(guān)系[9]。1999年，Shangetal.采用一種新型裝置測量了熱拌瀝青混凝土介電常數(shù)，所用頻率為0.1MHz～1.5GHz。澆注試驗(yàn)試件時，采用不同的拌和方式和不同的瀝青含量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)瀝青含量和拌和方式對所測的介電常數(shù)影響不大，而試件的含水量卻是重要的影響因素。

　　國內(nèi)針對水泥混凝土、熱拌瀝青混凝土和路基土也做了些研究，鄭州大學(xué)張勇對水泥混凝土和瀝青混凝土的介電特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究了齡期內(nèi)介電常數(shù)的變化規(guī)律、介電常數(shù)與密度、介電常數(shù)與強(qiáng)度之間的關(guān)系，以及油石比、集料級配、水灰比等參數(shù)對介電常數(shù)的影響規(guī)律。