路面材料复合介电常数模型研究进展分析

　　路面材料复合介电常数模型是雷达检测路面结构体系含水量、孔隙率、压实度等指标的基础和关键。分析了相关文献的研究成果，剖析了复合介电常数模型的研究现状，讨论了各种模型的优缺点、局限性和适用范围等，论证了进一步研究路面材料复合介电常数模型的必要性。

前言

　　路基路面质量直接影响道路工程的安全和行车的舒适。因此，须对路基路面状况及时检测和评价，以便适时做出科学的决策或采取合理的维修加固措施以确保道路具有良好使用性能。路面探地雷达(GPR)作为一种、、无损的探测技术越来越广泛地应用于路基路面质量检测方面。路面雷达是基于介质电磁特性的差异进行工作的，当雷达进行路基路面质量检测时，测试中获取的zui初和zui基本参数是路面材料介质的介电常数，并不能直接测试路面材料的压实度、孔隙率、含水量、沥青含量等质量控制指标，但像路面材料这样由几种不同材料组成的复合介质，其介电常数与复合介质的各组成成分的介电常数和组成比例有关，描述这种关系的式子称为介电常数模型。通过对复合介质介电常数和介电常数模型的研究分析，可间接得到压实度、孔隙率、含水量这些检测指标。因此，研究和建立介电常数与这些指标之间的关系成为了路面雷达技术有待研究的核心内容之一。本文讨论了各种模型的优缺点、局限性和适用范围等，并论证了进一步研究路面材料复合介电常数模型的必要性。

1、研究现状综述和分析

　　路面材料是由固态、气态、液态组成的混合物，是众多复合材料的一种。路面材料复合介电常数模型的复合介电常数反应材料本身的电学性质，由表示介电常数的实部和表示能量损耗与衰减的虚部组成。它与材料各成分的介电常数、含量、温度及频率有关。沥青混凝土、水泥混凝土这些复合材料，其整体所体现出来的复合介电常数也与其骨料、水泥净浆或沥青、空气的介电常数以及体积率有关，而组成部分的体积率与材料压实度、孔隙率、含水量等这些质检指标息息相关，这些指标的改变将直接导致介电常数的实部和虚部变化，例如含水量增加会导致介电常数的实部和虚部增大;孔隙率的减少，即压实度的增加也会使介电常数增大等。国内外，针对复合介电常数与这些质量指标之间的关系开展了不少研究。

　　1.1、经验拟合公式研究现状和存在问题

　　复合介电常数和某一指标间相互关系的经验拟合公式，国内外的学者，都作了相关的研究。首先，对于土壤介电物理特性做出过系统研究的是前苏联学者ChernyakG.Ya.，他在1964年撰写的《湿土介电特性研究方法》(DielectricMethodsforInvestigatingMoistSoil)一书中对含水土壤介电特性作了全面的分析，使人们对土壤介电物理行为*次有了系统性的认识。1980年加拿大农业土地资源研究中心的Topp利用TimeDomainReflectrometry(TDR)方法测定土水混合物的介电常数，并由此得到了反映土壤含水率w与土水混合物介电常数ε之间关系的两个回归多项式方程，即的Topp方程

　　在Topp基础上，美国盐碱实验室Dalton等人测量土壤电导率估计土壤的盐分。Alharath和Ferre先后对粉沙、细沙土进行了实验研究，提出了各自的公式，Roth在他们两人基础上进行适当修正，使得公式的应用拓宽到了沙性土。

　　这些研究成果，特别是针对沙土的成果，为研究混凝土中细骨料的介电特性奠定了理论和试验基础，同时也为分析研究路基土的介电特性提供了参考。但需说明的是上述公式均忽略了介电常数与电磁波频率的关系，并且是在TDR频率范围内测量得到的，而TDR所用的电磁波频率与路面雷达电磁波频率有差异。此外，路基土是压实土，不同于天然土壤，其孔隙率较小。因此，开展路面雷达频率内介电常数模型的研究是非常必要的。

　　1994年，VirginiaTech开展了一项科研项目，对水泥混凝土介电特性进行了研究，分析了水泥混凝土介电特性及其影响因素，分别研究了组成成分、氯化物的含量、混凝土内部损伤、碱硅反应(ASR)、冻融现象对水泥混凝土介电常数的影响，得出了水泥混凝土的介电常数随着水灰比增大而增大等一系列重要结论。1995年，Robertet.al.采用宽带同轴线测量水泥混凝土的复合介电常数，频率范围为50MHz～1GHz，PCC试件骨料zui大粒径为15mm和30mm，主要研究了养护时间对复合介电常数的影响。Rhim在1998年也曾在0.1～20.0GHz频率段对混凝土含水量与复合介电常数之间的关系进行了试验研究。

　　为研究热拌沥青混凝土的介电性能，1992年，Al-Qadi研究了其在12.4～18.0GHz频率段内的介电特性，试验采用两种类型的骨料:吸收性较小的石灰石和吸收性较大的砾石，每种类型的骨料都采用两种级配拌和:密级配和开级配，试验建立了热拌沥青混凝土介电常数和含水量之间的相关关系[9]。1999年，Shangetal.采用一种新型装置测量了热拌沥青混凝土介电常数，所用频率为0.1MHz～1.5GHz。浇注试验试件时，采用不同的拌和方式和不同的沥青含量，结果发现沥青含量和拌和方式对所测的介电常数影响不大，而试件的含水量却是重要的影响因素。

　　国内针对水泥混凝土、热拌沥青混凝土和路基土也做了些研究，郑州大学张勇对水泥混凝土和沥青混凝土的介电特性进行了试验研究，研究了龄期内介电常数的变化规律、介电常数与密度、介电常数与强度之间的关系，以及油石比、集料级配、水灰比等参数对介电常数的影响规律。