复杂气候环境中沥青混合料微观介电特性模型理论与试验研究

The composite dielectric model of asphalt mixtures is the foundation and key for non-destructive, fast and continuous testing of the quality control indicators such as compaction and asphalt content of asphalt pavement based on ground penetrating radar (GPR). The previous research of applicants showed that the existed dielectric models were not suitable for the explanation of the dielectric properties of asphalt pavement materials mainly because of ignoring the influence of the internal microstructure of asphalt mixtures and the long-term complex climate environment (temperature, humidity, ultraviolet lights) on its overall dielectric properties. Aiming at this situation, theoretical and experimental research on the microscopic dielectric model of asphalt mixtures in complex climate environment will be studied. For different kinds of asphalt mixtures, the polarization mechanisms of dispersed particles in electrostatic field will be studied, and the microcosmic physical model of asphalt mixtures will be established. Based on the microcosmic physical model and the basic principle of electromagnetic field, the microscopic dielectric model of asphalt mixtures with consideration of the internal microstructure of the medium will be set up, which will reveal the inherent and essential relationship between the dielectric properties and the indicators of compaction and asphalt content. Then, the correlation between the complex climate environment and the dielectric properties of asphalt mixtures will be researched, and the microscopic dielectric model of asphalt mixtures in the complex climate environment will be presented, which will provide a theoretical basis for non-destructive, fast and continuous testing of the these quality control indicators for the application of GPR in asphalt pavements in different climates. The expected achievements of this project will have important academic value for enriching and developing the basic theory of GPR.

沥青混合料复合介电特性模型是基于探地雷达(GPR)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，现有介电特性模型忽略了沥青混合料内部微观结构和长期复杂气候环境（温度、湿度、紫外线）的影响，难以准确解释沥青混合料介电特性。针对这一问题，项目系统开展复杂气候环境中沥青混合料微观介电特性模型理论与试验研究。针对不同类型沥青混合料，研究静电场中离散颗粒极化机制，建立沥青混合料微观物理模型；基于电磁场基本原理，建立考虑介质内部微观结构的沥青混合料微观介电特性模型，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，开展复杂气候环境与沥青混合料介电特性相关性研究，建立复杂气候环境下沥青混合料微观介电特性模型，为探地雷达在不同气候环境沥青路面压实度、沥青含量等指标的无损快速检测提供理论基础。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的学术意义和工程应用价值。

沥青混合料复合介电特性模型是基于探地雷达(GPR)检测沥青路面压实度、沥青含量等指标的基础和关键。但现有介电特性模型忽略了沥青混合料内部微观结构和长期复杂气候环境的影响，难以准确解释沥青混合料介电特性。本项目通过理论分析、模型试验、足尺试验和反演分析等手段，系统开展了复杂气候环境下沥青混合料微观介电特性模型研究。取得的主要研究成果如下：. 1、基于电介质介电特性及电介质极化基本理论，研究了沥青混合料微-介观尺度离散颗粒电磁响应混合规则。建立了基于微观结构的沥青混合料物理模型，搭建了沥青混合料微观结构特征和宏观介电特性之间的桥梁。. 2、针对沥青混合料中矿料颗粒的不同特征尺度，开展了矿料颗粒尺度对沥青混合料介电特性敏感性研究。基于微观物理模型建立了考虑矿料级配的沥青混合料介电特性模型。. 3、在所建沥青混合料微观物理模型和矿料颗粒物理尺度对介电特性敏感性研究基础上，建立了考虑复合介质微观结构的沥青混合料介电特性模型。开展了高温环境及考虑温度、紫外线等因素的复杂气候环境中沥青混合料介电特性试验研究及微观形态分析，建立了复杂气候环境中沥青混合料微观介电特性模型。. 4、设计并铺筑了足尺道路试验模型，开展了不同类型沥青及其混合料的高温和长期复杂气候环境室内模拟试验和室外足尺试验，研究了其在温度、紫外线及其相互耦合复杂气候环境中介电特性变化规律。基于探地雷达无损检测和介电特性模型，对沥青路面压实度、孔隙率、沥青含量等指标进行了反演分析。. 项目组经过四年努力攻关，圆满完成了各项预期目标。研究成果已发表学术论文12篇，其中SCI收录11篇、中文核心收录1篇，在审SCI论文4篇；授权软件著作权2项，申请发明专利1项；培养了青年教师3名、博士研究生4名、硕士研究生8名。研究成果获河南省科技进步一等奖1项，在道路无损检测与修复工程中得到了广泛应用，实施了多项示范工程，取得了显著的经济、社会和环境效益。