Crack detection in asphalt pavements by means of Ground Penetrating Radar (GPR)

Ahmad, Noor

This research investigates the possibilities of using Ground Penetrating Radar (GPR) as crack investigation tool for asphalt pavements. The investigation includes crack detection and crack analysis. The crack investigation comprises crack depth and width measurement. Although GPR is being used as a pavement characterisation tool, its use as a crack detection tool has not been verified and systematically documented. In this regard, some parameters affecting GPR use were selected from literature and were verified. These parameters include GPR system attributes, material properties, crack characteristics and data processing techniques. To investigate the GPR hardware related characteristics, six up to date systems were used in laboratory and in field. The selected systems included 250 MHz to 3 GHz frequency antennas with impulse and continuous electromagnetic wave generation techniques. Artificial as well as natural cracks were investigated by the GPR systems to bring forward the optimum system requirements for crack analysis. To investigate the asphalt and crack filling material characteristics, different asphalt mix specimens were prepared from various laboratories in Germany. A range of different width and depth cracks were designed in the asphalt specimens to be tested for crack analysis. Air, sand, bitumen and water were used as crack filling materials to investigate their influence on GPR outcomes. The effect of temperature on material properties was also investigated. Moreover, the relation between crack and electromagnetic wave propagation path was investigated regarding crack detection survey. The selected software related parameters were based on known techniques used for data processing such as wave processing and image processing. This also included investigations on 2-D and 3-D data processing techniques and f-k filtering and electromagnetic wave velocity analysis. The outcomes of this study were verified in laboratory and on pavements. The pavement survey results were verified by taking core samples. Investigations made in this research may broaden the use of GPR for crack detection in asphalt pavements.

Das Thema dieser Arbeit ist zu untersuchen, ob GPR als Riss-Erkennungswerkzeug in Asphaltstraßen verwendet werden kann. Die Zustandserfassung erfolgt heute optisch und messtechnisch auf mehrfache Weise. Zu den aussagekraeftigen messtechnischen Methoden zaehlen zerstoerende Verfahren. Die Nachteile solcher zerstoerender Verfahren sind der versuchstechnisch große Aufwand, dass die Probe, die an einem Punkt oder an wenigen Punkten innerhalb der vergleichsweise riesigen Straßenflaeche entnommen wurde, nicht a priori repraesentativ ist, und dass die Straße durch die Probenahme selbst geschaedigt wird. Das Ziel dieser Arbeit war das mit Hilfe von systematischen Untersuchungen die Forschungsfrage zu klaeren, ob und wenn ja unter welchen Bedingungen das Bodenradar als Routinemessverfahren zur Rissdetektion in Asphaltstraßen geeignet ist bzw. dazu weiterentwickelt werden kann. Zu diesem zweck wurden sechs auf dem Markt verfuegbare Systeme wurden im Labor und im Feld eingesetzt. Die ausgewaehlten Systeme umfassten 250 MHz bis 3 GHz Frequenzantennen mit den unterschiedlichen Wellenarten. Sowohl Kuenstliche als auch natuerliche Risse wurden von den GPR-Systemen untersucht, um die besten Systemanforderungen fuer die Rissanalyse zu finden. Um die Eigenschaften der Materialen zu untersuchen, die in die Risse gelangen (Riss-Fuellmaterial) und der Asphalt, wurden verschiedene Asphaltmischproben aus verschiedenen Laboratorien in Deutschland hergestellt. In den zu pruefenden Asphaltproben wurden Risse mit unterschiedlicher Breiten und Tiefen entwickelt. Luft, Sand, Bitumen und Wasser wurden als Riss-Fuellmaterialien verwendet, um ihre Einfluss auf die GPR-Ergebnisse zu untersuchen. Die Wirkung der Temperatur auf die Materialeigenschaften wurde ebenfalls untersucht. Darueber hinaus wurde die Beziehung zwischen dem Riss und dem elektromagnetischen Wellenausbreitungsweg untersucht. Die ausgewaehlten softwarebezogenen Parameter basieren auf bekannten Techniken. Dazu gehoeren auch Untersuchungen zu 2-D- und 3-D Datenverarbeitungstechniken und f-k-Filterung. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden im Labor und auf Straßen verifiziert. Die Ergebnisse der Straßenuntersuchungen wurden anhand von Bohrkernen ueberprueft. Untersuchungen, die in dieser Forschung durchgefuehrt wurden, koennen die Verwendung von GPR fuer die Rissuntersuchungen in der Asphaltindustrie foerdern.

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Ahmad, Noor: Crack detection in asphalt pavements by means of Ground Penetrating Radar (GPR). 2017.

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