Influence of variability of water content in different states on electromagnetic waves parameters affecting accuracy of GPR measurements of asphalt and concrete pavements

Abstract

In the paper a water content effect in various states on the variability of the electromagnetic waves parameters is discussed. This variation can affect accuracy and repeatability of asphalt and concrete pavement thickness estimation with GPR method. In case of asphalt pavements, tests were carried out using the air-coupled 1.0 GHz antenna and included three approaches: two on asphalt road and one of asphalt slabs. In the case of concrete slabs, tests were carried out using a ground-coupled 1.6 GHz antenna on two slabs: reinforced and unreinforced. A high variability of the electromagnetic wave parameters was observed depending on moisture conditions. The increase in the humidity of the medium causes a reduction in the propagation speed of the electromagnetic wave (increasing the dielectric constant of the medium), increasing of waves time propagation, decreasing of reflection amplitude and increasing of frequency attenuation, which should be considered when determining the thicknesses of the construction layers. Studies showed that not always higher air humidity, atmospheric precipitation and consequently wet surface indicate a higher dielectric constant of the medium. It can be concluded that not only the humidity and ambient temperature affect the change in the dielectric constant, but also other factors not resulting from the construction of the pavement as well as material microstructure.

The Use of Wavelet Analysis to Improve the Accuracy of Pavement Layer Thickness Estimation Based on Amplitudes of Electromagnetic Waves

“…However, as already mentioned, the result of determining the dielectric constant, as it is calculated based on the amplitude of the wave reflected from the surface, strictly depends on the conditions on the surface. In the presence of a water film on the surface, dielectric constants calculated based on the amplitude of the wave reflected from the surface increase, which was confirmed by research by the authors of this publication in the paper [ 24 ] (as a result of the presence of a water film on the asphalt pavement resulting from a small rainfall, an increase in dielectric constant from about 6, determined on a dry surface, to 9 determined on a wet surface was observed).…”

Archives of Civil Engineering

“…In recorded images (radargrams), the electromagnetic waves that were reflected from the boundaries between deposits characterized by different values of their dielectric constant εr are analyzed [8][9][10][11][12][13]. The 'quality' (reflection strength, amplitude) recorded on radargrams and the depth range depends on the contrast of the electrical properties between the two media [14][15][16]. Deposits or materials with a high dielectric constant can be distinguished based on the attenuation of the electromagnetic wave.…”

Asfalto sluoksnių sutankinimo laipsnio nustatymas neardomuoju georadaro metodu kelių tiesybos darbų kokybės kontrolei gerinti

“…Pirmi tyrimai nebuvo sėkmingi ir aiškios koreliacijos tarp vidinio vandens kiekio asfalte ir asfalto santykinės dielektrinės skvarbos nebuvo rasta (Fernandes et al, 2017), tačiau, atlikus vėlesnius tyrimus, buvo pasiūlytas modelis, leidžiantis įvertinti drėgmės kiekį asfalto dangoje 0,44 % tikslumu (Cao & Al-Qadi, 2022). Buvo bandymų nustatyti ir santykinės oro drėgmės įtaką santykinės dielektrinės skvarbos vertei, nors pradiniai duomenys ir parodė jos didėjimą esant aukštesnei oro drėgmei, tačiau, atlikus natūrinius tyrimus, nustatyta, kad šis veiksnys nėra esminis santykinės dielektrinės skvarbos vertės kitimui (Wutke et al, 2019).…”

“…Kaip ir 2019 m. Varšuvoje atlikto tyrimo metu, pastebėta, kad matavimus atliekant lyjant arba iškart po lietaus, padidėja DV matavimų standartinis nuokrypis, palyginus su dienomis, kai matavimai buvo atlikti ant sausos dangos. Tam įtakos turi netolygus drėgmės pasiskirstymas asfalto dangoje (Wutke et al, 2019).…”

“…Santykinė oro drėgmė taip pat gali turėti įtakos ir DV vertės padidėjimui, bet įvertinus tai, kad panaši DV buvo nustatyta ir sausą dieną (2021-08-16), galima daryti išvadą, kad santykinė oro drėgmė nebūtinai yra tas veiksnys, kuris galėjo lemti šį padidėjimą. Santykinės dielektrinės skvarbos vertės kitimą gali lemti ir kiti su matavimo įranga susiję veiksniai, pvz., iš GPR antenos skleidžiamo ir priimamo signalo stabilumas (Wutke et al, 2019).…”