Radar in non-destructive testing of thin granular dielectric layers

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (monograph) | Defence date: 2017-01-27
Date
2016
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
90
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 279/2016
Abstract
Ground-penetrating radar (GPR) is an electromagnetic probing and imaging method of subsurface which is applied in the non-destructive evaluation of roads and bridges as well. In Finland, the GPR is a commonly used quality control method for the air void content of newly laid asphalt pavements. The air void content has an effect on the long-term performance of the pavement. The GPR method is based on deriving the relative permittivity, or dielectric constant, from the reflected radar signal. The air void content is then estimated from the relative permittivity based on the drilled calibration asphalt core. One of the problems related to the current GPR method is the insufficient depth resolution of conventional, 1-2 GHz systems. The objective of this study was to analyse if GPR, or microwave technology in general, can be applied in the air void content assessment of thin asphalt layers. Furthermore, this study aims to provide an understanding about factors affecting the relative permittivity measurements of heterogeneous, granular and layered media. A 12-18 GHz microwave radar with centimetre scale depth resolution was developed for studying thin asphalt layers. Unfortunately, the necessary solution of increasing the centre frequency produced other problems due to the asphalt granularity. The largest aggregate grains in asphalt are about the same size as the wavelength at employed frequencies. Different laboratory tests were conducted for better understanding the relative permittivity variations of pavements. Resonator based surveys included both the magnetic permeability and relative permittivity measurements of rock specimens. Most of the laboratory studies were free space measurements with the vector network analyzer in the transmission configuration at the 7-17 GHz. Studied materials included asphalt raw materials, drilled asphalt samples and granulated plastic specimens. The relative permittivity results of asphalt pavements and samples showed a wide range of values. It was concluded that the observed variation in permittivity does not simply result from changes in air void content. For example, the real part of the relative permittivity of the studied metavolcanic rock was 5.90-6.15, whereas the granular sample of the same rock type had values 3.17-8.12. Multiple reflections from individual granules can increase the observed permittivity of the studied mixture when the grain size is larger or of the order of the signal wavelength. The most of the permittivity variation is likely due to the mineralogical changes in rock aggregates, and changes in the volumetric portions of aggregates and bitumen in asphalt mix. Results of this study suggest that the current GPR method is not reliable in the air void content evaluation of thin pavement layers. 

Maatutka on sähkömagneettinen maankamaran mittaus- ja luotausmenetelmä, jota sovelletaan myös teiden ja siltojen ainetta rikkomattomassa testauksessa. Suomessa maatutkaa käytetään yleisesti uusien asfalttipäällysteiden tyhjätilan laadunvalvonnassa. Tyhjätila on sidoksissa päällysteen pitkäaikaiseen kestävyyteen. Maatutkamenetelmä perustuu suhteellisen permittiivisyyden, tai dielektrisyysvakion, määrittämiseen heijastuneesta tutkasignaalista. Tämän jälkeen tyhjätila lasketaan suhteellisesta permittiivisyydestä asfaltista poratun kalibrointinäytteen avulla. Eräs nykyisen maatutkamenetelmän rajoituksista liittyy käytössä olevien 1-2 GHz:n maatutkalaitteistojen riittämättömään syvyyssuuntaiseen erottelukykyyn. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää voidaanko maatutkaa, tai mikroaaltotekniikkaa yleisemmin, käyttää ohuiden asfalttipäällysteiden tyhjätilan arviointiin. Lisäksi tavoitteena oli ymmärtää, mitkä tekijät vaikuttavat heterogeenisten rakeisten ja kerroksellisten materiaalien suhteellisen permittiivisyyden mittaukseen. Ohuiden asfalttipäällysteiden tutkimista varten kehitettiin 12-18 GHz:n mikroaaltotutka, jonka syvyyssuuntainen erottelukyky on senttimetrin luokkaa. Keskitaajuuden välttämättömästä korotuksesta seuraa valitettavasti ongelmia asfaltin rakeisuuden takia. Suurimmat yksittäiset kivet asfaltissa ovat samaa suuruusluokkaa kuin käytettyjä taajuuksia vastaava aallonpituus. Jotta päällysteistä mitattua suhteellisen permittiivisyyden hajontaa ymmärrettäisiin paremmin, laboratoriossa tehtiin erilaisia mittauksia. Resonaattorimittauksilla tutkittiin sekä kivinäytteiden suhteellista permittiivisyyttä että magneettista permeabiliteettia. Suurin osa laboratoriokokeista oli vektoripiirianalysaattorin avulla tehtyjä läpäisymittauksia 7-17 GHz:llä. Tutkitut materiaalit sisälsivät asfaltin raaka-aineita, porattuja asfalttinäytteitä ja rakeisia muovinäytteitä. Asfalttipäällysteistä ja -näytteistä mitatuilla suhteellisen permittiivisyyden arvoilla oli suuri vaihteluväli. Tutkimuksessa todettiin, että havaittu permittiivisyyden vaihtelu ei suoraan johdu tyhjätilan vaihteluista. Esimerkiksi tutkitun metavulkaniitti-kivilajin suhteellisen permittiivisyyden reaaliosa vaihteli 5,90-6,15, kun taas samasta kivilajista murskatun näytteen arvot olivat 3,17-8,12. Moninkertaiset heijastukset yksittäisistä rakeista voivat kasvattaa tutkitun seoksen havaittuja permittiivisyysarvoja, kun raekoko on suurempi tai aallonpituuden suuruusluokkaa. Suurin osa permittiivisyysvaihteluista on luultavasti seurausta kiviaineksen mineralogisista vaihteluista sekä kiviaineksen ja bitumin tilavuussuhteiden muutoksista asfaltista. Tutkimustulosten perusteella nykyinen maatutkamenetelmä ei ole luotettava ohuiden päällysteiden tyhjätilan arvioinnissa.
Description
Supervising professor
Leveinen, Jussi, Prof., Aalto University, Department of Civil Engineering, Finland
Thesis advisor
Pellinen, Terhi, Prof., Aalto University, Department of Civil Engineering, Finland
Keywords
radar, GPR, permittivity, asphalt, air voids, tutka, maatutka, permittiviisyys, asfaltti, tyhjätila
Other note
Citation