Assessment of air void content of asphalt using dielectric constant measurements by GPR and with VNA

For several years, Ground Penetrating Radar (GPR) has been used in Finland to evaluate the air void content of asphalt pavements. Air void content is an important quality measure of pavement condition for both old and new asphalt pavements. The objective is to investigate if the existing GPR technique and application employed in Finland is sufficiently accurate to be used as a quality control tool in assessing the compaction of newly laid asphalt pavements. The work comprised field and laboratory experiments and a review of the existing PANK calibration method for the GPR measurements. Field experiments were conducted in the summer of 2013 on highways Vt3 and Vt12, near the City of Tampere. The test roads were paved with SMA16 using an approx. 40 mm thick layer of new asphalt. Roads were measured with GPR several times during the fall of 2013. A total of 36 cores and 2 slabs were obtained from the roads and tested in the laboratory with a Vector Network Analyzer. Measurements were done with a 7 to 17 GHz transmission configuration to measure the reference dielectric constant of the asphalt mixture. A major finding is that the PANK calibration method for the GPR inadvertently reduces observed density variations and may introduce a systematic bias. This makes pavements appear to be more homogenous and dense than they actually are according to conventional measurements.Maatutkaa (Ground Penetrating Radar, GPR) on käytetty Suomessa pitkään asfalttipäällysteiden tyhjätilan määrittämiseen. Tyhjätila on tärkeä kriteeri sekä uusien että vanhojen asfalttipäällysteiden laadun selvittämisessä. Tavoitteena on tutkia, onko Suomessa tällä hetkellä käytössä oleva GPR-tekniikka ja sen soveltaminen tarpeeksi tarkkaa uusien asfalttipäällysteiden tiiveyden mittaamiseen. Työ koostui kenttä- ja laboratoriotutkimuksista sekä GPR-mittausten kalibrointiin käytetyn PANK-kalibraatiomallin arvioinnista. Kenttäkokeet suoritettiin kesällä 2013 Tampereen lähellä valtateillä 3 ja 12. Teiden päällyste oli tyyppiä SMA16, ja uuden asfalttikerroksen paksuus oli 40 mm. Tiet mitattiin 1 GHz maatutkalla useita kertoja syksyn 2013 aikana. Teiltä otettiin 36 poranäytettä ja 2 laattanäytettä, jotka testattiin laboratoriossa vektoripiirianalysaattorilla. Asfalttiseoksen dielektrisyysvakio mitattiin 7-17 GHz läpimittauskonfiguraatiolla vertailuarvojen saamiseksi. Tärkein havainto oli se, että PANK-kalibraatiomallin käyttö maatutkamittauksissa vähentää havaittuja tiheyden vaihteluita ja saattaa lisätä systemaattisen virheen mittauksiin. Tämä saa päällysteet näyttämään tasalaatuisemmilta ja tiiviimmiltä kuin mitä ne oikeasti ovat

Assessment of air void content of asphalt using dielectric constant measurements by GPR and with microwave radar

In this report, we have presented microwave radar and GPR measurements as well as laboratory tests conducted in 2014-2016. The microwave radar was tested in three different construction sites. In addition, GPR measurements were obtained for comparison. Laboratory tests included traditional density measurements and 7-17 GHz VNA scanning of drill cores obtained from the test sites. A new laboratory measurement method using cavity resonator principle was introduced with promising results. Testing of this new method will be continued. The results indicate no clear correlation between air void content and GRP permittivity measurements. Permittivity is sensitive to the changes in the relative permittivity of aggregates and volume portions of aggregates and bitumen. The relative permittivity of the aggregates determines the base level for permittivity measured with radar or VNA. In the course of this research, it has become apparent that a new calibration procedure for the GPR measurements is needed. The aim in further research is to extract core samples from pavement areas with different densities to obtain a local calibration model

Ohuiden rakeisten dielektristen kerrosten ainetta rikkomaton testaus tutkalla

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