1 绪论

1.1 研究背景

路面是汽车车辆荷载的直接受载体，其质量好坏影响着路面的使用性能、服务水平和使用寿命等方面。近年来，随着交通量的猛增和重车比例的增加，路面出现过早破坏的工程实例屡见不鲜，通车不久之后产生裂缝、发生沉陷等破坏情况，影响了交通的舒适性和耐久性。分析其过早破坏的根由，大都与设计不合理、材料配比不科学、施工质量不合格等因素有关^［1］，且主要是由于施工质量不合格所致。这主要是因为：当人们发现路面结构设计和材料配比有问题时，产、学、研等相关部门会投入大量的人力物力进行研究分析，并相继将研究成果应用于工程实践中加以改善，使得因设计不合理、材料配比不科学导致的工程问题大量减少，往往受很多随机不确定因素的影响，而对施工过程管理和施工质量缺乏深入系统的研究。这样一来，即使路面设计合理、混凝土配比科学，若没有良好的施工，也难以达到预期目标。就沥青混合料而言，其压实度、空隙率、沥青含量等技术指标难以达到规范要求；就水泥混凝土路面而言，材料配比、结构层厚度和强度以及含水量等技术指标难以满足规范要求，从而影响路面的正常使用。比如，若沥青混合料的压实度不够，空隙率相应增加，水和空气很容易在面层内积聚，在车辆荷载作用下会产生孔隙水压力，导致骨料之间开裂，尤其在冻融循环作用的条件下会出现裂缝或沥青剥落。水和空气的入侵也会加快沥青氧化的速度，使材料变脆，强度降低，使用寿命缩短。若路面空隙率较大，在雨天路面排水不畅时，路面积水极易透过面层达到基层和路基，使基层和路基变软，当车辆通过时，面层会因刚度不足变形过大而产生破坏。此外，对柔性路面来说，除压实度和空隙率外，沥青含量也是影响路面面层性能的一项重要参数，其值过大或过小均会导致病害的过早出现，沥青含量过多，易出现车辙；过少，骨料不能很好地黏结在一起形成承重骨架。由此可见，沥青混合料压实度、空隙率、沥青含量和水泥混凝土路面材料配比、结构层厚度和强度以及含水量等是影响路面结构性能和使用性能的重要因素，实际施工中，应加强检测这些参数，做好施工质量控制，以确保路面具有良好的施工品质，达到预期设计目标。

目前，对这些指标的检测手段主要依赖于传统的有损方法，例如，沥青路面压实度是指按规定方法钻孔取芯，所取芯样的实际密度与标准密度之比，以百分率表示。从定义可看出，压实度常用的测量方法是钻孔取芯法，先从已施工成型的面层中钻取芯样，再根据沥青混合料的类型，相应采用表干法、水中重法、蜡封法或体积法等方法测量实际路面的密度，最后与实验室内马歇尔试件标准密度进行对比，从而得到沥青路面的压实度。诸如钻孔取芯这样的传统检测方法大多具有测点少、代表性差、测量速度慢等缺点，与公路建设的快速发展不相适应^［2］。

近年来，基于电磁波传播原理的无损检测技术的使用很好地弥补了上述方法的缺陷，越来越多地应用在路面工程的质量检测中。电磁无损检测技术种类很多，具有代表性的有以下几种。

1.探地雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）

探地雷达是基于电磁波传播原理进行探测的，工作原理如图1.1所示^［3，4］，由天线向待测介质中发射高频脉冲电磁波，在介质介电特性变化界面上，会发生反射，分析回波信号的相关信息（如时延、振幅及频谱特性等）来计算介质的介电常数，从而分析和推断目标体的性质、位置、结构及所处的状态等^［5］。

图1.1 探地雷达系统（单基）

目前，探地雷达已成为地下浅层勘探的重要工具之一^［6］。在路面工程中，主要用于结构层厚度测量和刚性路面的脱空识别等，也曾尝试应用该技术进行沥青混合料压实度、空隙率等质检指标的无损检测^［7］，但测量效果不尽如人意，值得进一步深入研究和分析。

探地雷达所用电磁波频率需要根据探测深度的不同进行选择，探测深度越大，所选频率应越小，对于路面质量检测这样的浅层勘探，一般所用频率在500MHz～2.5GHz范围内。

2.时域反射法（Time Domain Reflectometry，简称TDR）

时域反射法是20世纪60年代末出现的确定介质介电行为的一种方法，该方法是通过测量电磁波波速进而测定介质的介电特性，具体如图1.2所示^［8］。电磁脉冲波由传输线（Transmission Line）传送出去，进入同轴电缆及感测器中，将待测材料作为感测器的介质，利用反射信号测量材料的介电常数和电导率，进而推估材料的基本物理性质，如土壤含水量、密度、颗粒组成和种类等。

图1.2 TDR测试原理示意图

TDR所用的频率范围从1MHz到几吉赫兹，主要应用在遥感和大地工程领域土壤物理性质的测量。

3.矢量网络分析仪法（Vector Network Analyzer，简称VNA）

网络分析仪有两种类型：矢量网络分析仪和标量网络分析仪两种。标量网络分析仪只能测量幅频特性，不能测量电磁波的相位信息；矢量网络分析仪不仅能测量电磁波的幅频信息还能测量相位信息，因为测量信息较多，在工程中应用较广。

矢量网络分析仪一般包括四部分：信号源、信号分离器、接收机及信号处理和显示系统。信号源是用来提供入射信号的；信号分离器是将入射波、反射波和传输信号分离开来；接收机主要是接收信号；信号处理和显示系统的功能是对接收的信号进行处理并显示。

图1.3 矢量网络分析仪的测试原理示意图^［9］

矢量网络分析仪的工作原理如图1.3所示，通过信号源向待测介质发射入射波，入射波一部分碰到待测介质会反射回来，另一部分继续以传输波的形式向前传播，通过测量全部的4个S参数或部分S参数进行待测介质介电常数、电导率等参数的计算^［9］。

矢量网络分析仪测量介电常数的方法很多^［10］，其中包括传输线技术（Transmission Line）、共轴探头测量技术（Coaxial Probe）、谐振腔技术（Resonant Cavity）、自由空间技术（Free Space）、开式谐振腔技术（Open Resonator）、平行平板技术（Parallel Plate）等。不同测量技术所用的频率范围和对被测介质的介电损耗要求不同，详见图1.4；各测量方法的比较见表1.1。

图1.4 测量技术示意图^［10］

与其他测试方法相比，终端开路同轴探头技术测量简便，测试频率范围较广，对待测介质试件的形状、尺寸等方面要求不多，试件容易制作，并且按照其他方面性能测试的要求来制作试件，具有较强兼容性。

综合分析以上几种方法并结合学校试验室的具体条件，本书采用Agilent E5071C矢量网络分析仪，搭载终端开路同轴探头（Open-Ended Coaxial Probe），如图1.5所示，联合相关软件进行混凝土介电常数测量，该方法是利用网络分析仪产生的电磁波通过同轴线缆和探头传到试件内，测量试件末端反射信号的相位和振幅，进行散射参数的测量，再利用相关软件由散射参数计算复介电常数的实部和虚部，并作为最后的输出记录下来^［11］。

图1.5 网络分析仪（Agilent E5071C）和终端开路同轴探头（单位：mm）

当应用上述基于电磁波原理的无损检测技术对路面材料进行测试时，从反射信号中获取的最初和最基本的参数就是介电常数，介电常数是描述介质在电磁场中极化性质的参数，与介质内部结构、组成成分以及组成成分所占的体积率有关，同时还受到测试电磁波频率、环境温度等因素的影响。“描述这种多相复合材料介电常数与其组成成分、介电常数及其所占体积率等参数之间的函数关系，称为复合材料的介电模型”^［5］。若能建立复合材料介电模型，结合其他检测手段，就可根据实测的介电常数计算出组成材料的体积率，相应地实现对路面结构层厚度、材料配合比、压实度等重要技术指标参数的检测^［1］。

由此可见，路面复合材料（水泥、沥青混合料）介电模型的建立是利用电磁无损检测技术对材料配比、压实度、空隙率、含水量/沥青含量等重要技术指标检测的基础和关键技术之一；介电模型的建立将会大大拓宽电磁无损检测技术的工程应用领域，为已建道路的维修防护和待建道路建造过程中的质量监控等工程实践环节提供依据和参考，对其以后的理论研究和工程应用皆有裨益。