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摘 要：选用2GHz高频雷达对运营期沥青路面结构层中空隙率进行检测和定量分析。雷达波在不同介质传递的过程中，由于介电常数的不同，会产生明显的波峰。当从均匀介质的沥青路面传递到空洞时，由于介电常数的变化，将会产生逆向波峰。分别建立了雷达波形图中逆波峰的幅值及其和空气与面层产生的波峰幅值的比值与沥青结构层空隙率的定量关系。试验结果表明，采用逆波峰的幅值和空气与面层产生的波峰幅值的比值评价沥青结构层空隙率更加精确。研究成果为运营期沥青路面内部缺陷的判别及养护措施的制定提供了重要依据。
关键词：道路工程 沥青路面 空隙率 雷达 检测
中图分类号：U416 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）04（a）-0000-00
Abstract： Asphalt pavement voids were detected by 2GHz Ground Penetrating Radar. In the course of different media radar transmission， due to different dielectric constant， would produce significant peaks. When passing from the asphalt road to the empty homogeneous medium， due to changes in the dielectric constant， will produce the reverse peak. Quantitative relations were established in the reverse radar waveforms with peak amplitudes and air and surface layer produced peak amplitude ratio and porosity of the structural layer of asphalt. Results show that can better detect the asphalt pavement voids exist in different locations through the radar waveforms and the inverse peak amplitude and asphalt mixture inside the cavity size is positively correlated and with the interior loosely degree of asphalt mixture the inverse relationship.
Keywords： highway engineering； asphalt pavement； voids；Ground Penetrating Radar； evaluation
国内外大量研究表明，沥青混凝土的空隙率对其透水性、氧化、抗永久变形能力都有重大的影响。因此在沥青路面施工及验收时空隙率是一项重要的检测指标。理论上压实度符合要求的沥青路面在实际运营过程中由于行车荷载的不断碾压，沥青路面将会被逐渐压密，空隙率逐渐变小，极易发生车辙或者泛油。但是经过调查，沥青路面发生的早期破坏中水损害占了很大比例，其中有部分原因为在施工过程中压实度不够导致，但更多的原因为在沥青路面在运行过程中沥青黏附性降低、丧失、产生空洞[1]。
沥青路面早期出现空洞时，路面并无明显变化（车辙、坑槽、松散等），但若能进行准确的检测与养护，将会大大减少沥青路面水损害发生的几率。在试验室无法检测出空洞的大小与位置，为了与路面雷达检测结果建立关系，通过室内空隙率试验测出平均空隙率，利用平均空隙率换算其空洞大小。
目前国内空气耦合雷达多为1GHz，为满足试验研究需要，选用了国内少有的进口2GHz高频雷达作为检测雷达。雷达波在不同介质传递的过程中，由于介电常数的不同，会产生明显的波峰。当从均匀介质的沥青混凝土路面传递到空洞时，由于介电常数的变化，将会产生逆向波峰，在雷达波形图上将会有清楚的显示[2]。
本文通过波形图中明显的逆向波峰，建立其与实验室试验得出空隙率的定量关系。
1基于GPR的沥青层空隙率检测方法
由于石料、沥青混合料拌和楼、施工人员、施工机械、施工天气、行车荷载等影响因素复杂多变，与实验室制作的试件相比，实际路面上沥青混凝土的变异性大。为了判断沥青混凝土的空隙率（空洞）与波形图逆向波峰之间是否存在明确的相关性，在安徽省合六叶高速公路沥青路面共取芯样300个，为了使样本具有代表性，尽量反映实际路面施工的变异性，在选取样本点时按照以下原则：纵向空间跨度尽可能大；在样本的时间把握上，路龄在2年～5年时间不等；在检测位置定点取芯，芯样内包含1～3层结构层。
芯样分上、中、下面层分别锯开，然后分别测量空隙率。图1为芯样分三段切割照片，图2为切割后的上面层芯样照片。
在芯样的选择上，首先对雷达波形对路面空隙率（空洞）的判断的正确性进行分析，分段连续选取芯样45个，其中31个为波形图判断内部有空洞的芯样，14个为波形图判断内部良好的芯样。
芯样初步信息采集、波形图波动情况与室内空隙率试验的比较发现，本路段上面层波形图出现较有规律的逆向波峰、空隙率变化较大、芯样表面有较大空隙，而波形图中面层与下面层无明显逆波谷、芯样空隙率无明显变化（波动范围在±1%以内），所以采用芯样上面层进行分析，结果如表1所列。
表1中雷达图判断的结果为雷达波形图对沥青路面上面层的检测结果，通过逆向波峰的幅值表示，由于为逆向波峰，所以前面加以负号予以区分。雷达图判断结果中“无”表示在波形图中无明显的逆向波峰或者逆向波峰的幅值小于1000（1000以内的逆波峰可能是由于波形图自身波动性、小颗粒的脱落等原因造成，由于成因不显著，因此统一考虑为内部无明显空洞）。空隙率为通过室内试验求的芯样上面层空隙率，为%。符合程度的判断标准为：当路面雷达判断波形图上面层无明显逆波峰时，芯样上面层空隙率小于5%（5%的选取原因为：当路面压实度为100%时，芯样上面层空隙率为4%，由于施工的波动性与沥青路面在车辆荷载作用下逐渐密实的可能性，上调1%作为波动范围），则判定符合标准，雷达波形图与空隙率结果一致，沥青路面上面层无明显空洞；当路面雷达判断波形图有明显逆波峰时，空隙率试验值大于5%，则判定符合标准，雷达波形图与空隙率结果一致，沥青路面上面层有明显空洞；其它情况视为不符合，即波形图计算值与室内空隙率试验结果相关性不好。 通过上面层波形与空隙率对应关系定性分析统计表中的结果可以看出，波形计算值与空隙率（空洞）对应关系不好的芯样有3个，占总体的6.7%，两者的相符度高达93.3%，检测出沥青路面上面层的破坏短距离是连续破坏。这与实际情况是相符的，证明通过使用雷达判断沥青路面上面层中是否存在空洞的方法是可行的。
2雷达波形与空隙率的定量关系
在实际工程中，沥青在使用2-3年时，沥青混凝土面层由于水的浸入、沥青的老化剥落等原因在面层形成空洞，这些空洞初期不会造成路面明显的破坏，因而具有隐蔽性，但如果不进行及时的处理，后来空洞将会对路面造成极大的破坏。因此如何检测出空洞，判断空洞的大小将是亟待解决的问题，通过上节所找到的雷达波形图逆波峰与芯样空洞间的关系，尝试建立两者定量的关系。
针对找出的雷达波形图有明显逆波谷的芯样，通过回归分析法，由60个数据建立芯样空隙率空洞与逆波谷幅值之间的关系，得到表2和图3的芯样空隙率计算结果。
由于波形图逆波峰是由于两种介质的介电常数差异造成的，入射波在传递的过程中先经历与沥青面层的反射，接着发生与空洞处的反射。由于信号发射车在路面行驶中的颠簸、信号在每次传递中的微小损失等原因都可能造成逆波峰幅值的改变与不稳定，为了使评判标准更具有带表性，采用逆波峰的幅值与空气与面层产生的波峰幅值的比值，定为雷达波检测的沥青混凝土面层空洞的评判指标。
得到图4的拟合曲线，样本空间为60，其中横坐标为实验室测得空隙率，纵坐标为波形图逆波峰与空气与面层分界面出波峰幅值之比。
3结语
选用2GHz高频雷达对运营期沥青路面结构层中空隙率进行检测，对雷达现场检测定点取芯芯样的室内空隙率试验。
分别建立了雷达波形图中逆波峰的幅值及其与空气与面层产生的波峰幅值的比值与沥青结构层空隙率的定量关系。试验结果表明，采用逆波峰的幅值与空气与面层产生的波峰幅值的比值评价沥青结构层空隙率更加精确。
研究成果为运营期沥青路面内部缺陷的判别及养护措施的制定提供了重要依据。
参考文献
[1] 沈金安，李福普，陈景.高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策[M].人民交通出版社，2004.
Chen JA，Li FP，Chen Jing. Analysis and preventiue techniques of premature damage of asphalt pavement in expressway[M].China Communications Press
[2] 张龙. 基于探地雷达技术的沥青路面早期水损害评价[D]，广州，华南理工大学大学硕士论文，2013.
Zhang Long. The study on early water damage of asphalt pavement based on Ground Penetrating Radar（GPR）technology[D].Guangzhou， South China University of Technology，2013.
关键词：道路工程 沥青路面 空隙率 雷达 检测
中图分类号：U416 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）04（a）-0000-00
Abstract： Asphalt pavement voids were detected by 2GHz Ground Penetrating Radar. In the course of different media radar transmission， due to different dielectric constant， would produce significant peaks. When passing from the asphalt road to the empty homogeneous medium， due to changes in the dielectric constant， will produce the reverse peak. Quantitative relations were established in the reverse radar waveforms with peak amplitudes and air and surface layer produced peak amplitude ratio and porosity of the structural layer of asphalt. Results show that can better detect the asphalt pavement voids exist in different locations through the radar waveforms and the inverse peak amplitude and asphalt mixture inside the cavity size is positively correlated and with the interior loosely degree of asphalt mixture the inverse relationship.
Keywords： highway engineering； asphalt pavement； voids；Ground Penetrating Radar； evaluation
国内外大量研究表明，沥青混凝土的空隙率对其透水性、氧化、抗永久变形能力都有重大的影响。因此在沥青路面施工及验收时空隙率是一项重要的检测指标。理论上压实度符合要求的沥青路面在实际运营过程中由于行车荷载的不断碾压，沥青路面将会被逐渐压密，空隙率逐渐变小，极易发生车辙或者泛油。但是经过调查，沥青路面发生的早期破坏中水损害占了很大比例，其中有部分原因为在施工过程中压实度不够导致，但更多的原因为在沥青路面在运行过程中沥青黏附性降低、丧失、产生空洞[1]。
沥青路面早期出现空洞时，路面并无明显变化（车辙、坑槽、松散等），但若能进行准确的检测与养护，将会大大减少沥青路面水损害发生的几率。在试验室无法检测出空洞的大小与位置，为了与路面雷达检测结果建立关系，通过室内空隙率试验测出平均空隙率，利用平均空隙率换算其空洞大小。
目前国内空气耦合雷达多为1GHz，为满足试验研究需要，选用了国内少有的进口2GHz高频雷达作为检测雷达。雷达波在不同介质传递的过程中，由于介电常数的不同，会产生明显的波峰。当从均匀介质的沥青混凝土路面传递到空洞时，由于介电常数的变化，将会产生逆向波峰，在雷达波形图上将会有清楚的显示[2]。
本文通过波形图中明显的逆向波峰，建立其与实验室试验得出空隙率的定量关系。
1基于GPR的沥青层空隙率检测方法
由于石料、沥青混合料拌和楼、施工人员、施工机械、施工天气、行车荷载等影响因素复杂多变，与实验室制作的试件相比，实际路面上沥青混凝土的变异性大。为了判断沥青混凝土的空隙率（空洞）与波形图逆向波峰之间是否存在明确的相关性，在安徽省合六叶高速公路沥青路面共取芯样300个，为了使样本具有代表性，尽量反映实际路面施工的变异性，在选取样本点时按照以下原则：纵向空间跨度尽可能大；在样本的时间把握上，路龄在2年～5年时间不等；在检测位置定点取芯，芯样内包含1～3层结构层。
芯样分上、中、下面层分别锯开，然后分别测量空隙率。图1为芯样分三段切割照片，图2为切割后的上面层芯样照片。
在芯样的选择上，首先对雷达波形对路面空隙率（空洞）的判断的正确性进行分析，分段连续选取芯样45个，其中31个为波形图判断内部有空洞的芯样，14个为波形图判断内部良好的芯样。
芯样初步信息采集、波形图波动情况与室内空隙率试验的比较发现，本路段上面层波形图出现较有规律的逆向波峰、空隙率变化较大、芯样表面有较大空隙，而波形图中面层与下面层无明显逆波谷、芯样空隙率无明显变化（波动范围在±1%以内），所以采用芯样上面层进行分析，结果如表1所列。
表1中雷达图判断的结果为雷达波形图对沥青路面上面层的检测结果，通过逆向波峰的幅值表示，由于为逆向波峰，所以前面加以负号予以区分。雷达图判断结果中“无”表示在波形图中无明显的逆向波峰或者逆向波峰的幅值小于1000（1000以内的逆波峰可能是由于波形图自身波动性、小颗粒的脱落等原因造成，由于成因不显著，因此统一考虑为内部无明显空洞）。空隙率为通过室内试验求的芯样上面层空隙率，为%。符合程度的判断标准为：当路面雷达判断波形图上面层无明显逆波峰时，芯样上面层空隙率小于5%（5%的选取原因为：当路面压实度为100%时，芯样上面层空隙率为4%，由于施工的波动性与沥青路面在车辆荷载作用下逐渐密实的可能性，上调1%作为波动范围），则判定符合标准，雷达波形图与空隙率结果一致，沥青路面上面层无明显空洞；当路面雷达判断波形图有明显逆波峰时，空隙率试验值大于5%，则判定符合标准，雷达波形图与空隙率结果一致，沥青路面上面层有明显空洞；其它情况视为不符合，即波形图计算值与室内空隙率试验结果相关性不好。 通过上面层波形与空隙率对应关系定性分析统计表中的结果可以看出，波形计算值与空隙率（空洞）对应关系不好的芯样有3个，占总体的6.7%，两者的相符度高达93.3%，检测出沥青路面上面层的破坏短距离是连续破坏。这与实际情况是相符的，证明通过使用雷达判断沥青路面上面层中是否存在空洞的方法是可行的。
2雷达波形与空隙率的定量关系
在实际工程中，沥青在使用2-3年时，沥青混凝土面层由于水的浸入、沥青的老化剥落等原因在面层形成空洞，这些空洞初期不会造成路面明显的破坏，因而具有隐蔽性，但如果不进行及时的处理，后来空洞将会对路面造成极大的破坏。因此如何检测出空洞，判断空洞的大小将是亟待解决的问题，通过上节所找到的雷达波形图逆波峰与芯样空洞间的关系，尝试建立两者定量的关系。
针对找出的雷达波形图有明显逆波谷的芯样，通过回归分析法，由60个数据建立芯样空隙率空洞与逆波谷幅值之间的关系，得到表2和图3的芯样空隙率计算结果。
由于波形图逆波峰是由于两种介质的介电常数差异造成的，入射波在传递的过程中先经历与沥青面层的反射，接着发生与空洞处的反射。由于信号发射车在路面行驶中的颠簸、信号在每次传递中的微小损失等原因都可能造成逆波峰幅值的改变与不稳定，为了使评判标准更具有带表性，采用逆波峰的幅值与空气与面层产生的波峰幅值的比值，定为雷达波检测的沥青混凝土面层空洞的评判指标。
得到图4的拟合曲线，样本空间为60，其中横坐标为实验室测得空隙率，纵坐标为波形图逆波峰与空气与面层分界面出波峰幅值之比。
3结语
选用2GHz高频雷达对运营期沥青路面结构层中空隙率进行检测，对雷达现场检测定点取芯芯样的室内空隙率试验。
分别建立了雷达波形图中逆波峰的幅值及其与空气与面层产生的波峰幅值的比值与沥青结构层空隙率的定量关系。试验结果表明，采用逆波峰的幅值与空气与面层产生的波峰幅值的比值评价沥青结构层空隙率更加精确。
研究成果为运营期沥青路面内部缺陷的判别及养护措施的制定提供了重要依据。
参考文献
[1] 沈金安，李福普，陈景.高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策[M].人民交通出版社，2004.
Chen JA，Li FP，Chen Jing. Analysis and preventiue techniques of premature damage of asphalt pavement in expressway[M].China Communications Press
[2] 张龙. 基于探地雷达技术的沥青路面早期水损害评价[D]，广州，华南理工大学大学硕士论文，2013.
Zhang Long. The study on early water damage of asphalt pavement based on Ground Penetrating Radar（GPR）technology[D].Guangzhou， South China University of Technology，2013.