基于探地雷达的沥青路面压实质量快速检测应用探讨

赵德明，蒋龙松

(1.江苏江南水务股份有限公司;2.江苏省交通科学研究院)

1 引 言

压实度是沥青路面施工质量控制的关键指标之一，因此在施工过程中必须对压实度进行检测和评价。目前施工质量控制过程中常用的压实度检测方法主要钻取芯样法，并在实验室内测得芯样压实度。由于钻取芯样法存在效率低、对路面结构造成破损、代表性差的缺点，已不能满足施工质量中压实度快速检测的要求，因此有必要研究应用新型的沥青路面压实度质量快速检测设备。探地雷达作为一种无损检测方法，能够快速检测沥青路面介电常数，而沥青路面的密度和材料的介电常数存在一定的关系，通过测量面层介电常数，然后与已知密度的混合料特征值进行比较，实现了探地雷达对沥青路面压实质量快速、可靠、安全、无损的检测。

2 探地雷达与PQI 工作原理

沥青路面介电常数是路面各个组成成分介电常数和体积比例的函数。当路面被压实时，压实度增加，空隙率减小，导致空气组分介电常数减小，同时沥青和骨料比例增加，因此压实度增加时，空隙率减小，路面介电常数增加。

探地雷达作为一种无损检测设备，利用电磁波对地表的穿透能力，向地下发射高频脉冲电磁波，通过接收天线获取回波信号。雷达接收信号是路面介电常数的函数，包含着丰富的路面内部信息，其中介电常数是路面密度和材料状况的反映。利用表面反射方法获取空气层和面层分界面反射振幅得到面层介电常数，具体如下。

式中:Aa为面层反射振幅，Am为金属板全反射振幅。

PQI 根据沥青路面材料的密度与介电常数之间存在一定的比例关系，通过感应板产生的探测磁场来测试压实沥青混合料的介电常数，然后利用电子部件将场信号转换成密度度数。通过设置标准密度即最大理论密度可以得到沥青混合料的压实度。为了保证PQI 测试的密度与压实沥青混合料的密度一致，在测试不同沥青混合料之前需要对PQI 进行标定。

在某试验路段沥青路面选择一块干燥没有污染的地方，指定面积为150 cm，宽为75 cm 的测试区域，在区域中画出五个互不重叠的圆，分别标记为一、二、三、四、五。将PQI 按顺序放在放在第一个圆中，用粉笔沿着底部画一个圆记为1测点，然后沿着1 侧点，左上、右上、左下、右下画一个圆分别标记为测点2、3、4、5，并测量其密度值，按照此种方法测量另外四个圆记录在表中。最后在在每个圆中取芯，并在实验室测量芯样的密度。取5 个测点的平均值作为该圆的PQI测试密度，将每个圆内取芯密度与PQI 测试密度的差值的平均值作为标定值。测试结果见表1。

表1 PQI 标定结果

3 探地雷达在沥青路面压实度检测的应用

3.1 PQI 与取芯法对比试验

探地雷达通过接收分界面的反射信号来探测目标体，而反射信号的强弱取决于介电常数的差异，路面材料介电常数的差异是探地雷达检测压实度的先决条件。沥青路面介电常数是路面空气、沥青、骨料组成成分介电常数和体积比例的函数。当路面被压实时，空隙率减小，导致空气组分比例减小，同时沥青和骨料比例增加，因此压实度增加时，空隙率减小，路面介电常数增加。沥青路面的介电常数可以反映路面的压实状况，但是若要介电常数准确表征压实度，需PQI检测的沥青密度对探地雷达进行标定。

为了检验PQI 测量沥青路面密度的准确性，选取试验段通过PQI 五点法测量沥青路面平均密度，得到各个测点的PQI 测量密度。通过PQI 测量密度和取芯密度的对比，具体结果见表2，并作出曲线如图1 所示。

表2 PQI 测试密度值与取芯密度对比结果

续表2

图1 PQI 与取芯密度线性回归曲线图

从试验结果可以看出，PQI 密度与取芯密度最大误差在1.6%，而且PQI 密度与取芯密度有很好的相关性，，相关系数为0.922，结果表明PQI 密度能够较好的反映沥青路面实际压实状况。而且相对于传统的密度检测方法，PQI 更加快速和无损，对于后期标定探地雷达测试的介电常数有重要意义。

3.2 探地雷达测试结果与分析

以某高速公路路面压实度测试结果为基础，分析探地雷达检测路面压实度的方法和精度。采用探地雷达检测了试验路段行车道，并在相应位置利用PQI 测量沥青路面密度，以此验证检测探地雷达检测精度，其中探地雷达以1 m 为基本单元进行数据保存和分析。

测试前首先布置探地雷达测线，雷达测线设置在行车道轮迹带处，并在测线处标记PQI 测点位置。测试过程中保持车辆匀速，不变换车道，探地雷达沿着测线位置行驶，且探地雷达覆盖标记的PQI 测点位置，并在PQI 测点位置进行标记。测试完成后在车道上放置金属板进行全反射试验，以获取入射波振幅。雷达测试完成后，在PQI 测点位置利用5 点法测量测点的平均密度，并在实验室内利用“真空法”测得混合料的最大理论相对密度，计算测点压实度，得到探地雷达测试面层介电常数以及PQI 测量压实度如表3，并作出面层介电常数与空隙率曲线如图2 所示:

从试验结果可以看出，探地雷达测量的面层介电常数与PQI测量的空隙率有较好的相关性，v空隙率=－ 3.367 9ε面层介电常数+26.068，相关系数为0.925 2，结果表明探地雷达测试的面层介电常数能够较好的反映沥青路面实际压实状况。而且相对于传统的钻取芯样法检测压实度，探地雷达更加快速、无损，在沥青路面空隙率质量控制中有很好地推广应用价值。

表3 探地雷达测量介电常数与PQI 测量压实度结果

图2 面层介电常数与空隙率线性回归曲线图

4 结 论

介绍了探地雷达和PQI 检测沥青路面压实度的原理及方法，并在此基础上，结合工程实例将PQI 测试密度与取芯密度对比，以及建立探地雷达检测面层介电常数与空隙率相关关系，得到的主要结论如下。

(1)通过将PQI 测试密度与取芯密度对比得到结论为，PQI 密度与取芯密度最大误差在1.6%，而且PQI 密度与取芯密度有很好的相关性，ρ芯样密度=390 2ρPQI密度－929.99 ，相关系数为0.922，表明PQI 测试密度能够较好地反映实际路面密度状况，为后期PQI 标记探地雷达检测数据提供了支持。

(2)从实际高速公路路面面层厚度检测结果可知，探地雷达与取芯方法测得的路面面层厚度虽然有一定的误差，但二者相关性较高。探地雷达作为一种无损检测方法，相对取芯而言，减少了对原路面的破坏，且能快速高效的实现路面厚度检测。

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［2］中华人民共和国交通部.JTG E60—2008 公路路基路面现场测试规程［S］.北京:人民交通出版社，2008.

［3］彭勇，孙立军，董瑞琨.沥青混合料均匀性评价新方法的探讨［J］.同济大学学报:自然科学版，2005，33(2):166－168.

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