水泥混凝土和沥青混合料频域介电特性及极化机理研究

The dielectric properties and the dielectric mechanism of the materials are the key techniques for the application of electromagnetic wave nondestructive testing technology in concrete structures.This project is intended to use the materials physics and electromagnetic theory to analyze the dielectric properties and dielectric mechanism of concrete and asphalt mixture and to establish the integrated dielectric model considering frequency and temperature.The Vector Network Analyzer will be used to measure complex permittivity under different frequency(500MHz-6GHz),different ratio,different temperature.Based on experimental data,the dielectric properties and dielectric mechanism will be verified and the integrated dielectric model will be tested.The research can provide the theoretical basis for damage and quality detection of concrete structures,and provide technical support for the detection of water content,cement content,porosity,and so on.It can greatly expand the application field of electromagnetic wave nondestructive testing technology. So it has important theoretical and engineering application value.

材料介电特性和介电机理的研究是应用电磁波无损检测技术进行材料结构内部损伤和质量探测的关键技术。本项目拟运用材料物理和电磁理论，研究水泥混凝土和沥青混合料极化机理和介电特性，分析其主要影响因素，并建立考虑配合比、频率、温度等多因素的综合介电模型。应用矢量网络分析仪的同轴探头方法测量水泥混凝土和沥青混合料在不同配比、不同频率、不同温度情况下的复介电常数，以探讨影响因素的影响规律，验证综合介电模型的适用性和计算精度，必要时，依据试验结果修正理论模型。研究既可为混凝土结构损伤和质量探测提供理论依据，又可为含水量、水泥含量、孔隙率等质检指标的检测提供技术支撑，从而大大拓宽电磁波无损检测技术的应用领域，具有重要的理论和工程应用价值。

水泥混凝土和沥青混合料是由几种不同材料组成的复合材料，其介电常数不仅与其组成成份的介电常数及体积率有关，还与电磁波频率、环境温度等因素有关。通常将描述复合材料介电常数与其成份介电常数及体积率、频率和温度等参数之间的函数关系式，称为介电模型。若能建立复合材料介电模型，即可根据电磁无损检测技术测试的介电常数计算各成份的体积率，从而实现沥青混合料空隙率、沥青含量、压实度、和水泥混凝土配比、厚度、含水量等质量指标的检测。由此可见，水泥混凝土和沥青混合料介电模型的建立是应用电磁波技术进行路面材料质量检测的前提和基础。. 国内外学者先后对各种不同复合材料的介电特性进行研究，但针对水泥混凝土和沥青混合料的研究较少。此外，大多已有介电模型没有考虑温度和频率的影响，这样会造成使用不同频率的仪器在不同时间不同温度条件下测试出来的数据不能共享和对比。. 本项目根据两种复合材料不同的介电特性，通过研究介电常数与组成成份之间的关系，确立了各自的介电模型；在分析频率、温度对介电常数影响的基础上，基于试验建立了综合考虑频率、温度的水泥混凝土和沥青混合料介电模型；结合试验数据，对两种复合材料的综合介电模型进行了验证；将综合介电模型应用于工程实践，进行了水泥混凝土结构层厚度、含水量的计算，以及沥青混合料含水量、沥青体积率、骨料体积率和空隙率的计算。. 主要研究成果和结论如下：1.采用理论和试验相结合的方法分析了影响水泥混凝土介电特性的因素，建立了含频率、温度等因素的水泥混凝土的介电模型，并进行了试验验证。研究结果显示：水泥混凝土具有明显频散特性，随测试频率的增加，介电常数大致呈指数规律减小，且频率越大，降幅越小；随温度升高大致呈线性规律下降；与其他模型相比，所建模型比较适合描述水泥混凝土介电性能。2.根据沥青混合料的介电特性，通过研究介电常数与组成成份之间的关系，确立了介电模型的基本形式；在分析频率、温度对介电特性影响的基础上，建立了综合考虑频率、温度沥青混合料介电模型；进行了介电模型试验验证。试验验证结果表明：介电常数随频率的增加大致呈线性减小；随着温度升高介电常数呈线性略有升高；所建模型比较适合描述沥青混合料介电性能。3.基于综合介电模型，建立了结构层厚度、含水量和成份体积率的计算方法，并在工程实践中得到检验。