《Journal of Road Engineering》：Dielectric constant influences and mechanical correlations in asphalt mixtures: Implications for non-destructive testing
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本研究针对传统沥青路面检测方法效率低、破坏性强的痛点，以探地雷达（GPR）无损检测技术为背景，系统探究了沥青混合料介电常数的影响因素及其与动态模量、抗压强度和劈裂抗拉强度等关键力学性能的定量关系。研究通过平行板电容法测试介电常数，结合gprMax正向模拟和力学试验，建立了介电常数与力学性能的高精度拟合方程（R2均高于0.946）。结果表明，介电常数与压实状态呈正相关，与测试频率负相关直至稳定，而温度影响不显著。该研究为基于介电常数的沥青路面性能无损、快速评估提供了坚实的理论与实验依据，对提升道路工程检测的可靠性与准确性具有重要意义。
在现代道路工程飞速发展的背景下，传统的路面检测方法因其效率低下和破坏性特点，已难以满足高效、无损评估的需求。因此，探地雷达（GPR）这种高精度、强连续性的无损检测技术，已成为沥青路面质量评估的主要工具。GPR的核心原理是基于材料间介电常数的差异来分析路面内部结构。介电常数作为一个关键的电磁参数，与沥青混合料的材料组成和工程特性（如含水率、沥青含量）密切相关。通过测量介电常数，可以反演这些工程特性，从而实现沥青路面的无损检测。然而，介电常数与沥青混合料力学性能之间的关系尚不明确，缺乏清晰的定量解释，这限制了GPR在路面性能精准评估中的进一步应用。
为了攻克这一技术难题，发表在《Journal of Road Engineering》上的研究开展了一项系统性研究，旨在揭示介电常数的影响机制及其与力学性能的关联，为沥青路面的实时无损性能评价提供支持。
研究人员采用了一套严谨的技术方法体系。首先，他们选用SBS改性沥青和玄武岩集料，按照AC-13级配和最佳油石比（5.02%）制备了马歇尔试件，并通过改变旋转压实次数（2, 10, 30, 50, 64次）来获得不同压实状态（对应不同空隙率）的试件。核心测试采用平行板电容法（Deka Precision Instrument Company DZ5001介电常数测试仪）测量不同条件下（频率：0.1-50 MHz；温度：5-70°C）沥青混合料试件的介电常数。同时，利用材料试验系统（MTS）对平行试件进行了动态模量、单轴抗压强度和劈裂抗拉强度等力学性能测试。此外，研究还运用gprMax 3.0软件对具有不同空隙率（5%, 10%, 15%）和探测频率（500 MHz, 800 MHz, 1 GHz）的沥青路面结构进行了GPR正向模拟，以可视化电磁波响应特征。
3.1. 介电常数影响因素分析
研究人员通过系统测试，得出了介电常数随关键因素变化的规律。
3.1.1. 压实状态与介电常数的关系
研究结果表明，沥青混合料的介电常数随压实状态的提升而增加，二者呈现显著的线性正相关关系。这是因为沥青混合料可被视为空气、沥青和集料的组合体，其中集料的介电常数 > 沥青 > 空气。随着压实度提高，混合料中空气含量减少，集料体积分数增加，从而导致整体介电常数升高。
3.1.2. 测试频率对介电常数的影响
在不同压实状态下，沥青混合料的介电常数均随测试频率的增加而减小，且减小速率逐渐变缓并最终趋于稳定。因此，为确保介电常数测量的稳定性和准确性，测试频率不宜过低。
3.1.3. 测试温度对介电常数的影响
在5°C至70°C的温度范围内，不同压实状态的试件其介电常数虽随温度升高略有增加，但总体变化幅度不大。这表明在该温度区间内，温度变化对介电常数的影响不显著。
3.2. GPR正向模拟结果分析
通过gprMax软件的正向模拟，研究直观展示了不同路面状况下电磁波的响应。
3.2.1. 不同空隙率下沥青路面的正向模拟
A-scan（单道扫描）结果显示，当空隙率为5%时，电磁波反射现象不明显，表明压实效果较好。当空隙率增至10%时，在电磁波注入路面后约7纳秒（ns）处出现反射波。当空隙率达到15%时，由于空隙更大且压实不足，在5 ns和7 ns处观察到两个明显的反射波。B-scan（雷达剖面图）结果进一步表明，空隙率从5%增加至15%会导致更强的电磁波响应和更高的电场强度，图像颜色更深，反映了内部空隙增多导致电磁波反射增强。
3.2.2. 不同探测频率下沥青路面的正向模拟
模拟发现，探测频率越高，正向模拟图像的分辨率也越高，反射波特征更清晰，有利于精确识别地下结构。然而，频率升高会导致电磁波穿透能力下降，且更易受到电磁干扰。因此，在实际检测中需根据具体需求和地下介质特性选择合适的电磁波频率。
3.3. 介电常数与沥青混合料力学性能相关性分析
本研究的核心发现在于建立了介电常数与关键力学性能之间的定量关系。
3.3.1. 动态模量与介电常数的相关性
在不同温度（20°C, 35°C, 50°C）下，沥青混合料的动态模量均随介电常数的增加而线性增加，且相关性系数极高（R2 > 0.946）。值得注意的是，动态模量与介电常数的回归系数随测试温度升高而逐渐减小，表明温度对二者关系存在影响。
3.3.2. 抗压强度与介电常数的相关性
在20°C标准试验条件下，沥青混合料的抗压强度与介电常数之间存在显著的线性正相关关系（R2 = 0.962）。拟合方程简单，为通过介电常数估算抗压强度提供了便利。
3.3.3. 劈裂抗拉强度与介电常数的相关性
在15°C标准试验条件下，劈裂抗拉强度随介电常数的增加而增加，且增加速率变快。二者之间存在二次函数关系（R2 = 0.995）。这可能是因为劈裂试验受力复杂，受多种因素影响，导致其与介电常数的关系呈现非线性特征。
研究最终得出结论：沥青混合料的介电常数对压实状态和测试频率表现出强敏感性，而温度影响在5-70°C范围内可忽略。路面空隙率的变化显著影响电磁波反射的幅值和时序，建立了压实质量与介电响应之间的可量化联系。最重要的是，研究确立了介电常数与动态模量、抗压强度和劈裂抗拉强度之间具有统计学意义的显著相关性，拟合方程精度高，为基于介电特性进行无损路面性能评估提供了实用的理论模型和实验参考。
这项研究的意义在于，它极大地推动了沥青路面无损检测技术的发展。基于GPR和介电常数的评估方法，可以避免钻芯取样的破坏性和低效率，有助于降低道路维护成本，并延长路面使用寿命。尽管研究中未考虑材料类型、级配、含水率等其他因素带来的变异性，但其建立的清晰、定量的关系模型为后续研究奠定了坚实基础，指明了通过介电特性这一桥梁，实现沥青路面力学性能快速、无损、精准评估的光明前景。
