《Future Transportation》：Effects of Material Composition and Testing Conditions on the Dielectric Properties of Asphalt Mixtures
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探地雷达（GPR）是一种重要的路面无损检测技术，其精度高度依赖于路面材料介电特性的可靠表征。然而，沥青路面材料的介电行为尚未得到充分理解。本研究系统探究了材料因素——包括沥青类型、集料类型与含量以及级配——和环境因素——包括测试频率、温度与相对湿度——对沥青混
探地雷达（GPR）是一种重要的路面无损检测技术，其精度高度依赖于路面材料介电特性的可靠表征。然而，沥青路面材料的介电行为尚未得到充分理解。本研究系统探究了材料因素——包括沥青类型、集料类型与含量以及级配——和环境因素——包括测试频率、温度与相对湿度——对沥青混合料介电特性的影响及内在机理。基于平均场理论，研究人员建立了一个包含集料、沥青和空气体积分数的三相介电模型。随后，结合三因素方差分析（three-way ANOVA）、归一化极差灵敏度（normalized-range sensitivity）和复合变异系数（composite coefficient of variation），对不同因素的影响进行了无量纲化的统一评估。结果表明：SMA-13的介电常数高于AC-13和OGFC-13；其中，SBS改性沥青-玄武岩混合料的介电常数最高，而基质沥青-石灰岩混合料最低。钢渣含量的增加会提高介电常数，而再生沥青路面（RAP）含量的增加则使其降低。沥青含量主要通过重新分配三相体积来影响介电行为。介电常数随测试频率的增加呈指数衰减，但随温度和相对湿度的升高而增大；钢渣含量与温度及湿度均表现出耦合效应。所提出模型的预测值与实测值吻合良好，且精度优于传统介电模型。统计分析表明，在所研究的实验范围内，测试频率、级配类型、集料类型和集料含量是主导因素，而沥青含量和相对湿度的影响相对有限。该排序取决于所选的因素水平与实验范围。这些发现为精确表征和预测沥青混合料的介电特性以及改进路面无损评估提供了理论基础。
一、研究背景与意义
随着交通荷载持续增长及服役环境日益复杂，沥青路面早期劣化问题愈发突出，部分新建路面在服役初期便出现结构性病害，实际使用寿命远低于设计寿命。因此，亟需发展快速、准确的道路质量检测技术。探地雷达（GPR）作为一种高效的无损检测手段，已被广泛用于路面层厚度测定、压实度评价及隐蔽缺陷识别。然而，GPR检测结果的可靠性高度依赖于路面材料介电特性的精确表征。介电常数（dielectric constant）尤为关键，它决定了电磁波传播速度、界面反射及信号衰减特性。沥青混合料是一种典型的多相复合材料，由矿质集料、沥青胶结料和空隙构成，其介电响应不仅取决于各组分本征介电性质，还受其体积分布、集料级配及孔隙结构影响。尽管已有研究探讨了单一材料或环境因素的影响，但对不同条件下各因素相对效应的系统性比较仍显不足。此外，现有传统介电混合模型虽考虑了各组分介电常数和体积分数，但在表征集料-沥青-空气这一非均质复合体系时仍面临挑战。为此，本研究旨在系统考察沥青类型、集料类型与含量、级配、测试频率、温度及相对湿度对沥青混合料介电常数的影响，开发并验证一种基于平均场理论的三相介电模型，并结合多种统计方法对各影响因素进行统一量化评估，从而为理解沥青混合料介电行为及指导路面无损评估提供实验与理论基础。
二、主要技术方法
研究人员采用DZ5001型介电常数与介电损耗测试仪配备S916平行板电极夹具，对圆盘形沥青混合料试件进行介电常数测量。材料因素测试在基准条件下进行，频率效应在0.1至50 MHz范围内设置九个水平进行评估，温度测试在10至60 ℃范围内设置十一个水平并在1 MHz下测量，相对湿度效应测试在25 ℃恒温下设置五个湿度水平（0%、25%、50%、75%、100%）并在1 MHz下测量。研究人员基于平均场理论结合Looyenga立方根混合法则建立了三相介电模型，将沥青-空气子系统近似为局部各向同性等效介质后，再引入集料相计算混合料有效介电常数。同时，采用三因素方差分析（three-way ANOVA）评估沥青类型、集料类型和级配类型等分类变量的主效应及交互作用，利用归一化极差灵敏度（normalized-range sensitivity）衡量各因素引起的最大相对响应幅度，并运用复合变异系数（composite coefficient of variation）表征各因素所有实验水平下介电响应的整体离散程度。
三、研究结果
3.1 材料组成对介电常数的影响
3.1.1 材料类型与级配的影响： 级配显著影响介电常数，按SMA-13 > AC-13 > OGFC-13的顺序递减。与OGFC-13相比，AC-13的介电常数高19.1%至21.8%，SMA-13高23.7%至26.6%。SBS改性沥青混合料的介电常数高于基质沥青混合料，玄武岩混合料高于石灰岩混合料。
3.1.2 集料含量对介电常数的影响： 钢渣含量从0%增至100%使介电常数提高18.9%，两者呈强线性正相关（R2=0.936）。RAP含量从0%增至40%使介电常数降低20.9%，两者呈强线性负相关（R2=0.954）。
3.1.3 沥青含量的影响： 沥青含量主要通过重新分配空气、沥青和集料三相体积来影响介电常数。对于AC-13，介电常数随沥青含量增加先升后降；对于SMA-13，逐渐上升后在6.2%处趋于稳定；对于OGFC-13，呈近似线性增长。
3.1.4 三相介电模型的验证： 所提出的三相介电模型预测值与实测值最为吻合，平均相对误差介于0.3%至0.6%之间，RMSE为0.0363，MAPE为0.447%，精度优于CRIM模型、Looyenga模型和Rayleigh模型。
3.2 测试条件对介电常数的影响
3.2.1 测试频率的影响： 所有原材料及沥青混合料的介电常数均随频率增加呈指数衰减。当频率从0.1 MHz升至50 MHz时，AC-13、SMA-13和OGFC-13的介电常数分别下降28.9%、26.3%和26.8%。
3.2.2 测试温度的影响： 介电常数随温度升高持续增大，从10 ℃升至60 ℃增幅达13.7%至15.2%。介电损耗同样随温度升高而增大。钢渣含量与温度表现出耦合效应，高温增强了钢渣对介电常数的贡献。
3.2.3 相对湿度的影响： 介电常数随相对湿度升高逐渐增大，增幅为5.2%至7.1%。介电损耗亦随之增加。钢渣含量与相对湿度存在耦合效应，含钢渣的混合料对湿度更为敏感。
3.2.4 对GPR路面评估的意义： 温度引起的介电常数变化理论上可导致路面厚度高估约6.6%至7.3%，相对湿度引起的高估约为2.6%至3.5%。
3.3 影响因素的统计分析
3.3.1 分类材料因素的效应量： 三因素方差分析表明，沥青类型、集料类型和级配类型均显著影响介电常数（p < 0.0001），效应量排序为：集料类型 ≈ 级配类型 > 沥青类型。仅集料类型与级配类型的交互作用显著（p = 0.0006）。
3.3.2 归一化极差灵敏度分析： 各因素灵敏度呈阶梯状分布：测试频率为第一梯队；RAP含量、级配、集料类型、钢渣含量和温度为第二梯队；相对湿度、沥青类型和沥青含量为第三梯队。
3.3.3 综合变异性分析： 复合变异系数呈现分层特征：集料类型、测试频率、级配和RAP含量属于高变异层；钢渣含量、温度和沥青类型为中间层；沥青含量和相对湿度为低变异层。
四、讨论与结论
讨论部分指出，归一化极差灵敏度强调某因素引起的最大变化幅度，而复合变异系数刻画所有测试水平下的整体离散程度。在本研究实验范围内，两种分析结果总体一致：测试频率、集料类型与含量以及级配产生较大的响应范围和离散度，而沥青含量和相对湿度引起的变异较为有限。研究存在一定局限性：介电测量基于实验室制备的沥青混合料，其在多层路面体系中的适用性有待进一步验证；不同压实方式可能改变混合料的体积特性和内部结构，进而影响介电响应。未来研究应考虑多层路面结构、压实条件及现场验证。
研究结论： （1）SMA-13的介电常数高于AC-13和OGFC-13。SBS改性沥青-玄武岩混合料介电常数最高，基质沥青-石灰岩混合料最低。钢渣使混合料介电常数提高18.9%，而RAP使其降低20.9%。沥青含量主要通过重新分配三相体积发挥作用。（2）介电常数随频率增加呈指数衰减，随温度和相对湿度升高而增大。钢渣含量与温度及湿度均表现出耦合效应。（3）基于平均场理论的三相介电模型能够反映集料、沥青和空气体积分数对介电常数的综合影响，预测精度优于传统介电模型，与实测值吻合良好。（4）在本研究的实验条件和因素范围内，测试频率、级配类型、集料类型和集料含量是影响沥青混合料介电特性的主要因素，而沥青含量和相对湿度的影响相对有限。
