1.2 研究现状
水泥混凝土可视作由骨料、空气、水和水泥形成的水泥净浆组成的复合材料；沥青混合料是由骨料、空气和沥青组成的复合材料。针对复合材料介电常数与质检指标间关系的研究大致分为两个方面：①介电常数与指标参数的经验拟合公式；②介电模型，描述各相介质介电常数及体积率与混合物整体介电常数的关系。下面结合相关文献，分别叙述上述两方面的研究进展。
1.介电常数与指标参数的经验拟合公式
这方面的研究工作最早是针对土壤这一复合材料进行的。1964年，苏联学者Chernyak G.Ya.撰写了《湿土介电特性研究方法》［12］（Dielectric Methods for Investigating Moist Soil）一书，该书对含水土壤的介电特性做了全面地研究分析，使人们首次对土壤的介电物理行为有了系统性的认识。
1980年，加拿大农业土地资源研究中心的Topp利用TDR方法测定水土混合物的介电常数，并由此得到了反映土壤含水率ω和介电常数ε之间关系的两个回归多项式方程，即著名的Topp方程［13］。
在Topp等人研究工作的基础上，美国农业部盐碱实验室的Dalton等人研究了电导率与土壤盐分之间的关系，可通过测量土壤电导率来估计土壤的盐分［14］。Alharath和Ferre 先后对粉砂、细砂性土介电常数与含水率之间的关系进行了试验研究，提出了各自的公式。后来，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砂性土［15］。
借鉴土壤方面的研究思路，国内外学者相继开展了路面结构层材料介电特性研究工作，最先提出应用GPR测试的介电常数来计算基层含水量和压实度的是Texas A&M University的Robert L.Lytton教授，之后许多国家的学者也进行了研究，而且率先对含水量和压实度的相关内容运用了GPR技术［16-18］。
国外，为分析水泥混凝土的介电特性，1994年Virginia Tech开展了关于水泥混凝土组成成分、氯化物含量、内部损伤、冻融现象等因素对介电常数影响的研究工作，得到了水灰比越大介电常数越大等一系列重要结论［19］。1995年，Robert等学者采用大型宽带同轴测量技术对水泥混凝土介电特性进行试验测试，所用频率范围为0.05～1GHz，研究了介电常数随龄期的变化规律。1998年，Rhim对0.1～20GHz频率范围内混凝土的含水量与介电常数的关系进行了试验研究。关于热拌沥青混合料的介电性能，1992年，Al-Qadi研究了沥青混合料在12.4～18GHz频率范围内的介电性能，基于试验数据，建立了热拌沥青混合料介电常数和含水量之间的相关关系［20］。1999年，Shang等采用一种新型装置测量了热拌沥青混合料介电常数，所用频率范围为0.1MHz～1.5GHz，研究发现沥青含量和拌和方式对沥青混合料的介电常数影响不大，而含水量对介电常数影响较大。
国内，为分析水泥混凝土介电特性和影响因素，武汉理工大学先后利用探地雷达测量新拌水泥混凝土的介电常数，并结合试验分析了矿物掺和料、温度、骨料、含水量等因素对介电常数的影响，建立了含水量与介电常数之间关系式，可由介电常数计算新拌混凝土含水量［21］；郑州大学也先后对水泥混凝土介电性能进行了试验和理论研究，文献中主要分析了不同龄期时介电常数变化规律、密度、强度、水灰比、骨料级配等参数对介电常数的影响规律［5，22，23］。此外，文献针对隧道衬砌混凝土介电常数随频率的变化进行了研究［24，25］，初步得到了水泥混凝土频散特性方面的规律，给本书类似工作的开展提供了参考。
沥青混合料方面，国内学者也做了大量工作。郑州大学对沥青混合料介电性能进行了试验和理论研究，文献中主要分析了沥青混合料介电常数随时间变化规律，强度、油石比、骨料级配等参数对介电常数影响［5，26］。台湾学者先后对流动性沥青混合料的介电和工程性质进行了研究［27，28］。2008年，台湾成功大学吴资彬对沥青混合料材料的介电特性进行了深入的研究，发现电磁波频率、温度、空隙率、水分等因素对沥青混合料的介电常数都会产生影响，并建立了沥青混合料介电特性与密度等工程性质之间关系［5，29］。
综上所述，介电常数与某一指标之间的关系大多是基于各自试验数据提出的经验拟合公式，缺少理论依据。因为其涉及的参数较少，关系式简单，所以在工程上也有一定的应用。但由于实验方法、测量仪器、试件材料、配比等方面的不同也导致了经验拟合公式的多样性，很不统一，难以相互比较。此外，拟合函数类型不同也导致公式大相径庭，可比性差，人为因素干扰较多，公式代表性和适用性差。
2.复合介电模型
国外对复合材料介电模型方面的研究较早，先后提出了许多介电模型，部分模型曾经被一些学者加以归纳总结，在各自所研究领域已进行了部分模型应用效果的检验，如经典的瑞利模型［30］，Böttcher方程、复折射率方法（CRIM），都是在Lichtenecker-Rother（LR）方程的基础上发展而来［31］。1974年，CRIM模型被Birchak 等人应用于两相色散介质中，用来模拟复介电常数，模型的使用条件要求介质粒径远小于波长（d《λ）［32］。1980年，Wharton等用复折射率方法来解释油、气体的复合介电模型。1999年，该模型被Boersma和van Turnhout修正并拓展到多相材料中。Leshchanskyi和Ulyanychev在1980年成功地应用Berentsveig公式进行100MHz～9GHz范围内砂土的介电常数模拟；Bruggeman-Hanai（BH）模型是Bruggeman 在1935年由介电常数定义推导得到，1936年，Hanai修正了Bruggeman方程后用于含有限导电材料的介电常数模拟［5，33］；其中，CRIM模型、线性模型、瑞利模型被广泛应用于路面材料领域。
国内对复合材料介电特性的研究主要集中在遥感［34-37］、大地工程［38-41］、工程勘测和石油测井等领域［42-45］，研究材料多为土壤、水、矿物岩石等典型天然地物［46-50］。
对水泥混凝土介电模型的研究可以追溯到20世纪五六十年代，伴随着非均质介质的介电模型的相继出现，越来越多的模型被应用于水泥混凝土介电模型的研究。考虑到各相介质介电特性之间的相互影响，国外，Hilhorst于1998年提出了包含极化参数S在内的介电模型［51］；在1974年Birchak所建指数模型的基础上，Zakri于1998年给出了指数模型的物理解释，使该介电模型理论更完整［52］。国内郑州大学利用介电常数仪对水泥混凝土的介电特性进行了实验分析，尝试将线性模型和均方根模型、立方根模型应用在水泥混凝土方面，试验研究表明，上述三种模型需要修正后才适于水泥混凝土；中国海洋大学学者研究发现：渠道衬砌混凝土在浇筑15d内，介电常数变化规律符合线性模型；15d后实测值接近平方根模型［53］，但也需修正，试验采用探地雷达测试，天线中心频率为1.5GHz；武汉理工大学学者用1.5GHz探地雷达对新拌混凝土拌和物的介电常数进行测试和分析，并建立了考虑温度因素在内的串-并联混合模型［21］。
针对沥青混合料介电模型的研究国内外也有些成果，具有代表性的是：1993年Subedi和Chatterjee针对沥青-粒料混合物并根据实验数据建立的沥青混合料介电混合模型，被称为SC模型，该模型认为混合物介电性质一方面受各成分介电性质的影响，另一方面受各成分间相互极化作用的影响［54］；文献［23］曾在该模型基础上进行了改进工作；国内郑州大学对沥青混合料的介电模型进行了试验研究，研究发现：线性模型和均方根模型、立方根模型均需修正后才适于沥青混合料，试验采用的介电常数仪测量介电常数；文献［49］利用GPR进行介电常数测量，探讨了现有模型在描述沥青混合料介电特性的适用性，初步结果显示：修正后线性模型拟合结果较好，但试验数据较少，代表性差［55］。
由上述文献综述可以看出，目前国内外对路面结构层材料介电特性和介电模型的建立做了研究工作，但同时也存在以下一些问题。
（1）关于沥青混合料、水泥混凝土两种路面材料的介电模型研究较少，虽然介电模型不少，但大都是基于一定假设而建立的，并非针对沥青混合料、水泥混凝土两种路面材料。鉴于这两种路面混凝土材料都是人造石材，有其自身的材料及结构特点，不同于岩石、土壤等自然界物质，因此需要根据水泥混凝土、沥青混合料各自的结构特点，通过分析其介电常数与组成成分、介电常数和体积率的关系，确立合适的介电混合模型。
（2）上述大多文献分析介电模型时没有考虑温度、频率等因素的影响。而实际上，由能量与熵的理论可知：温度增加会影响介质分子间排序进而影响极化改变介电常数。此外，由电磁波基本理论知：介质都有一定的频散特征，介电常数随电磁波测试频率的不同而不同。实际工程测量时，若不考虑环境温度和电磁波测试频率的影响，会造成由不同频率的测试仪器在不同时间和不同环境温度条件下测试出的数据不能共享和进行对比分析。若忽略两者的影响，势必会造成一定的误差，影响测试精度。因此建立介电模型时需综合考虑温度、频率影响，并探讨温度和测试频率对水泥混凝土和沥青混合料介电特性的影响规律，在此基础上，建立两种复合材料含频率和温度在内的介电模型。
（3）上述文献中，所用测试频率随着测量方法的不同也不尽相同，路面结构体系的质量检测属于浅层勘探，常用到的电磁波频率较高，大多在500MHz～2.5GHz范围内，如路用探地雷达，因此在此频率范围内，分析沥青混合料、水泥混凝土的介电性能和建立介电模型具有重要的工程应用价值。
（4）基于介电模型进行沥青混合料空隙率、含水量、压实度和水泥混凝土厚度、材料配比、含水量等指标的检测成果较少，其应用工程实例也罕见，该方法的可行性和效果有待研究和论证。