基于探地雷達的瀝青路面壓實質量快速檢測應用探討

趙德明，蔣龍松

(1.江蘇江南水務股份有限公司;2.江蘇省交通科學研究院)

1 引 言

壓實度是瀝青路面施工質量控制的關鍵指標之一，因此在施工過程中必須對壓實度進行檢測和評價。目前施工質量控制過程中常用的壓實度檢測方法主要鉆取芯樣法，并在實驗室內測得芯樣壓實度。由于鉆取芯樣法存在效率低、對路面結構造成破損、代表性差的缺點，已不能滿足施工質量中壓實度快速檢測的要求，因此有必要研究應用新型的瀝青路面壓實度質量快速檢測設備。探地雷達作為一種無損檢測方法，能夠快速檢測瀝青路面介電常數，而瀝青路面的密度和材料的介電常數存在一定的關系，通過測量面層介電常數，然后與已知密度的混合料特征值進行比較，實現了探地雷達對瀝青路面壓實質量快速、可靠、安全、無損的檢測。

2 探地雷達與PQI 工作原理

瀝青路面介電常數是路面各個組成成分介電常數和體積比例的函數。當路面被壓實時，壓實度增加，空隙率減小，導致空氣組分介電常數減小，同時瀝青和骨料比例增加，因此壓實度增加時，空隙率減小，路面介電常數增加。

探地雷達作為一種無損檢測設備，利用電磁波對地表的穿透能力，向地下發射高頻脈沖電磁波，通過接收天線獲取回波信號。雷達接收信號是路面介電常數的函數，包含著豐富的路面內部信息，其中介電常數是路面密度和材料狀況的反映。利用表面反射方法獲取空氣層和面層分界面反射振幅得到面層介電常數，具體如下。

式中:Aa為面層反射振幅，Am為金屬板全反射振幅。

PQI 根據瀝青路面材料的密度與介電常數之間存在一定的比例關系，通過感應板產生的探測磁場來測試壓實瀝青混合料的介電常數，然后利用電子部件將場信號轉換成密度度數。通過設置標準密度即最大理論密度可以得到瀝青混合料的壓實度。為了保證PQI 測試的密度與壓實瀝青混合料的密度一致，在測試不同瀝青混合料之前需要對PQI 進行標定。

在某試驗路段瀝青路面選擇一塊干燥沒有污染的地方，指定面積為150 cm，寬為75 cm 的測試區域，在區域中畫出五個互不重疊的圓，分別標記為一、二、三、四、五。將PQI 按順序放在放在第一個圓中，用粉筆沿著底部畫一個圓記為1測點，然后沿著1 側點，左上、右上、左下、右下畫一個圓分別標記為測點2、3、4、5，并測量其密度值，按照此種方法測量另外四個圓記錄在表中。最后在在每個圓中取芯，并在實驗室測量芯樣的密度。取5 個測點的平均值作為該圓的PQI測試密度，將每個圓內取芯密度與PQI 測試密度的差值的平均值作為標定值。測試結果見表1。

表1 PQI 標定結果

3 探地雷達在瀝青路面壓實度檢測的應用

3.1 PQI 與取芯法對比試驗

探地雷達通過接收分界面的反射信號來探測目標體，而反射信號的強弱取決于介電常數的差異，路面材料介電常數的差異是探地雷達檢測壓實度的先決條件。瀝青路面介電常數是路面空氣、瀝青、骨料組成成分介電常數和體積比例的函數。當路面被壓實時，空隙率減小，導致空氣組分比例減小，同時瀝青和骨料比例增加，因此壓實度增加時，空隙率減小，路面介電常數增加。瀝青路面的介電常數可以反映路面的壓實狀況，但是若要介電常數準確表征壓實度，需PQI檢測的瀝青密度對探地雷達進行標定。

為了檢驗PQI 測量瀝青路面密度的準確性，選取試驗段通過PQI 五點法測量瀝青路面平均密度，得到各個測點的PQI 測量密度。通過PQI 測量密度和取芯密度的對比，具體結果見表2，并作出曲線如圖1 所示。

表2 PQI 測試密度值與取芯密度對比結果

續表2

圖1 PQI 與取芯密度線性回歸曲線圖

從試驗結果可以看出，PQI 密度與取芯密度最大誤差在1.6%，而且PQI 密度與取芯密度有很好的相關性，，相關系數為0.922，結果表明PQI 密度能夠較好的反映瀝青路面實際壓實狀況。而且相對于傳統的密度檢測方法，PQI 更加快速和無損，對于后期標定探地雷達測試的介電常數有重要意義。

3.2 探地雷達測試結果與分析

以某高速公路路面壓實度測試結果為基礎，分析探地雷達檢測路面壓實度的方法和精度。采用探地雷達檢測了試驗路段行車道，并在相應位置利用PQI 測量瀝青路面密度，以此驗證檢測探地雷達檢測精度，其中探地雷達以1 m 為基本單元進行數據保存和分析。

測試前首先布置探地雷達測線，雷達測線設置在行車道輪跡帶處，并在測線處標記PQI 測點位置。測試過程中保持車輛勻速，不變換車道，探地雷達沿著測線位置行駛，且探地雷達覆蓋標記的PQI 測點位置，并在PQI 測點位置進行標記。測試完成后在車道上放置金屬板進行全反射試驗，以獲取入射波振幅。雷達測試完成后，在PQI 測點位置利用5 點法測量測點的平均密度，并在實驗室內利用“真空法”測得混合料的最大理論相對密度，計算測點壓實度，得到探地雷達測試面層介電常數以及PQI 測量壓實度如表3，并作出面層介電常數與空隙率曲線如圖2 所示:

從試驗結果可以看出，探地雷達測量的面層介電常數與PQI測量的空隙率有較好的相關性，v空隙率=－ 3.367 9ε面層介電常數+26.068，相關系數為0.925 2，結果表明探地雷達測試的面層介電常數能夠較好的反映瀝青路面實際壓實狀況。而且相對于傳統的鉆取芯樣法檢測壓實度，探地雷達更加快速、無損，在瀝青路面空隙率質量控制中有很好地推廣應用價值。

表3 探地雷達測量介電常數與PQI 測量壓實度結果

圖2 面層介電常數與空隙率線性回歸曲線圖

4 結 論

介紹了探地雷達和PQI 檢測瀝青路面壓實度的原理及方法，并在此基礎上，結合工程實例將PQI 測試密度與取芯密度對比，以及建立探地雷達檢測面層介電常數與空隙率相關關系，得到的主要結論如下。

(1)通過將PQI 測試密度與取芯密度對比得到結論為，PQI 密度與取芯密度最大誤差在1.6%，而且PQI 密度與取芯密度有很好的相關性，ρ芯樣密度=390 2ρPQI密度－929.99 ，相關系數為0.922，表明PQI 測試密度能夠較好地反映實際路面密度狀況，為后期PQI 標記探地雷達檢測數據提供了支持。

(2)從實際高速公路路面面層厚度檢測結果可知，探地雷達與取芯方法測得的路面面層厚度雖然有一定的誤差，但二者相關性較高。探地雷達作為一種無損檢測方法，相對取芯而言，減少了對原路面的破壞，且能快速高效的實現路面厚度檢測。

［1］黎春林.探地雷達檢測路面含水量、空隙率和壓實度的應用研究［D］.鄭州:鄭州大學，2003.

［2］中華人民共和國交通部.JTG E60—2008 公路路基路面現場測試規程［S］.北京:人民交通出版社，2008.

［3］彭勇，孫立軍，董瑞琨.瀝青混合料均勻性評價新方法的探討［J］.同濟大學學報:自然科學版，2005，33(2):166－168.

［4］差旭東，黃雷.PQI 快速檢測評價瀝青路面壓實度質量的應用研究［J］.長沙理工大學學報(自然科學版)，2007，5(1):7－10.