沥青混合料复合介电特性模型理论与试验研究

The composite dielectric model of asphalt mixture and its inverse analysis method are the foundation and key for non-destructive, fast and continuous testing of the quality control indicators such as compaction and asphalt content of aspalt pavement based on ground penetrating radar (GPR). The previous research of applicants showed that the existed common dielectric models were not suitable for the explanation of the dielectric properties of road material such as asphalt mixture etc. Aiming at this situation, the polarization mechanisms and microstructure equivalent model of asphalt mixture will be studied,and the theoretical dielectric model for asphalt mixture with the comprehensive consideration of real part and imaginary part of dielectric constant, which will reveal the inherent and essential relationship between the dielectric properties and the indicators of compaction and asphalt content will be presented based on electromagnetic theory. Then, the composite dielectric model base for asphalt mixture will be set up based on experiments. Moreover, applying the forward model of GPR electromagnetic wave propagation in layered systems previously developed by applicants, the method for inverse analysis of the composite dielectric of multiphase media will be presented, and the characteristic and the method for resolving ill-conditioned governing equation will be studied.Furthermore, based on the established composite dielectric models and its inverse analysis method, the equations for inverse analysis of the compaction and asphalt content will be put forward, and a new way for non-destructive and real time analyzing these indicators will be explored. The expected achievements of this project will have important academic value for enriching and developing the basic theory of GPR, and will have broad application prospects in the non-destructive testing and quality control for roads.

沥青混合料复合介电特性模型及反演是基于探地雷达（GPR）无损、快速、连续检测沥青路面压实度、沥青含量等指标的基础和关键。申请者前期研究发现，现有常用介电特性模型不适合于沥青混合料介电特性的解释。针对这一问题，项目系统开展沥青混合料复合介电特性模型理论与试验研究。基于电磁场基本原理，研究沥青混合料的极化机制和微观等效模型，从理论上建立全面考虑介电常数实部和虚部的沥青混合料复合介电特性模型，揭示其介电特性与压实度、沥青含量等指标的内在本质关系。以此为基础，通过试验建立沥青混合料复合介电特性模型库。基于申请者提出的考虑复介电特性的探地雷达电磁波传播模型，研究多相介质复合介电特性反演和病态方程的求解。基于沥青混合料复合介电特性模型及反演方法，建立并求解压实度、沥青含量反演方程，探索对这些指标的无损实时分析新途径。项目预期成果对于丰富和发展探地雷达基础理论具有重要学术价值，在道路无损检测与施工过程质量控制方面具有广阔应用前景。

沥青混合料复合介电特性模型及反演是基于探地雷达（GPR）无损、快速、连续检测沥青路面压实度、沥青含量等指标的基础和关键，但现有常用介电特性模型不适合于沥青混合料介电特性的解释。本项目通过理论分析、模型试验和反演对比等手段，系统研究了沥青混合料复合介电特性模型及其反演理论。取得的主要研究成果如下：. 1、基于电磁场基本原理，研究了沥青混合料极化机制和微观等效模型，从理论上建立了全面考虑介质介电常数实部、虚部的沥青混合料复合介电特性模型，揭示了其复合介电特性与压实度、孔隙率、沥青含量等指标的内在本质关系。. 2、在沥青混合料复合介电特性理论模型的基础上，通过试验研究了多种类型沥青混合料的复合介电特性，揭示了其与级配、油石比、测试频率和各组份介电常数及其体积率等参数的关系，建立了包含多种类型沥青混合料复合介电特性模型库，可用于指导不同类型沥青混合料介电特性的解释。. 3、从反演问题的本质出发，基于所建立的考虑介质复介电特性的探地雷达电磁波传播模型，研究了多相介质复合介电特性反演和病态方程的求解，提出了复合介电特性反演的系统识别方法、蚁群算法、粒子群优化算法，建立了多相介质复合介电特性反演理论体系。. 4、 基于上述建立的沥青混合料复合介电特性模型和多类反演方法，结合探地雷达测得的沥青混合料复合介电常数，建立了压实度、孔隙率、沥青含量反演方程，通过求解沥青混合料各组分的体积率，进而得到了压实度、孔隙率、沥青含量等指标，实现了对上述指标无损、快速、连续实时分析的新途径。. 项目组经过四年攻关，圆满完成了各项预期目标。已发表论文7篇，另有4篇论文正在审稿中，获授权发明专利4项（其中美国发明专利2项）及实用新型专利2项，培养中青年学术带头人2名、博士研究生3名、硕士研究生8名。研究成果作为奖项成果重要组成部分，获国家技术发明二等奖1项，以及河南省科技进步一等奖、二等奖、教育厅科技成果一等奖各1项，并在道路无损检测与修复工程中得到了广泛的应用，取得了显著的经济和社会效益。