核子密度儀在工程檢測中的應(yīng)用

趙正信

(江蘇省交通技師學(xué)院道路與橋梁工程系，江蘇鎮(zhèn)江 212006)

在道路工程、水運工程以及一些大型土石壩工程中，壓實度是控制工程施工質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。在我國，常用的傳統(tǒng)檢測方法有灌砂法、灌水法、環(huán)刀法等。其主要原理是，通過體積置換計算填筑材料的濕密度，然后運用酒精燃燒法和烘干法等測定材料的含水率，從而計算干密度和壓實度。

使用傳統(tǒng)的壓實度檢測方法，試驗間隔時間長，速度慢，效率較低，難以滿足高度機械化的施工要求。利用核子密度儀［1－2］測定土石等材料原位密度和含水量是一項迅速發(fā)展起來的新技術(shù)，具有無損、快速檢測的優(yōu)點。這類儀器的優(yōu)點在于測量速度快，檢測精度高，所需要的檢測人員少，測試1個點，幾分鐘就可以知曉結(jié)果。使用核子密度儀能既合理又快速地選擇壓路機的頻率和振幅，還能很容易地確定壓路機的碾壓速度和最佳碾壓遍數(shù)，及時指導(dǎo)施工［3］。

1 核子密度儀的工作原理

1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀與工作原理

核子密度儀檢測技術(shù)在國際上已被廣泛應(yīng)用，在世界各地的高速公路等土木工程的質(zhì)量控制和保障方面發(fā)揮著重要作用。針對土、巖石、瀝青混凝土和水泥混凝土等材料，國際上，尤其是美國，做了大量的研究和應(yīng)用實踐工作，總結(jié)了豐富的實用經(jīng)驗和使用方法。然而，在我國的道路建設(shè)領(lǐng)域，由于長期缺乏實際應(yīng)用經(jīng)驗的積累和系統(tǒng)的實驗研究，大多數(shù)工程技術(shù)人員基本上不了解或很少了解核子密度儀檢測技術(shù)。

核子密度儀已經(jīng)成為土木工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測和控制的重要工具，其內(nèi)部裝有2種放射源，即銫137γ源和镅241-鈹中子源。

1)銫137γ源射出γ射線進(jìn)入被測材料中與物質(zhì)原子的外圍電子發(fā)生碰撞而產(chǎn)生康普頓散射，散射后的γ射線能量減少，方向改變。因為物質(zhì)的密度越大，康普頓散射的γ射線就越多，所以通過測量散射后的γ射線的數(shù)量，即可判斷被測物質(zhì)的密度［4－5］。

2)镅241-鈹中子源主要用于測量物質(zhì)的含水量。

在檢測時，核子密度儀的液晶顯示屏可以同時顯示濕密度、干密度、含水量、含水率、壓實度、孔隙率等檢測數(shù)據(jù)及條件，具有方便、快捷、準(zhǔn)確、高效的特點。

1.2 儀器設(shè)備的標(biāo)定

核子密度儀的標(biāo)定是核子法檢測技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段的一項重要內(nèi)容。其主要過程是，將儀器在一系列密度和濕度已知的標(biāo)準(zhǔn)材料塊上進(jìn)行檢測，在每一個標(biāo)定塊上，在每一個檢測深度上確定標(biāo)定值和濕度值與射線計數(shù)率之間的對應(yīng)關(guān)系。對于核子密度濕度儀，每12個月要對它進(jìn)行一次標(biāo)定。標(biāo)定工作可以由儀器生產(chǎn)廠家或獨立的、有資質(zhì)的服務(wù)機構(gòu)實施。對現(xiàn)存儀器，特別是經(jīng)過維修的儀器，可能影響儀器的結(jié)構(gòu)，必須重新進(jìn)行標(biāo)定后才能使用?，F(xiàn)存儀器如果在標(biāo)定核實過程中被發(fā)現(xiàn)不能滿足規(guī)定的限值，也必須重新標(biāo)定［6］。標(biāo)定后的儀器在測量所有標(biāo)定塊的密度時，其示值誤差不應(yīng)超過±16 kg/m3。

2 工程應(yīng)用實例探討

2.1 現(xiàn)場灌砂法與核子密度儀試驗對比

現(xiàn)場灌砂(水)法是當(dāng)前廣泛采用的最傳統(tǒng)、最直觀的檢測方法。人們對灌砂法測試結(jié)果的認(rèn)可度比較高。由于不同環(huán)境和不同填筑材料之間存在差異，使用核子密度儀所測量的數(shù)據(jù)與灌砂法存在一定偏差。為了消除這種影響，需要根據(jù)工區(qū)情況進(jìn)行濕密度校正和水分方面的校正，并通過對比試驗求出這兩個校正值。試驗選擇在國道203線(肇源至松原)一級公路建設(shè)項目K33+100～K33+340段的原地面土方路基上15個測試點進(jìn)行。對同一測點分別用灌砂法和核子密度儀檢測，測試結(jié)果見表1。

表1 核子密度儀檢測法和灌水法對比試驗結(jié)果

2.2 數(shù)據(jù)整理與回歸方程的建立

為了驗證對比試驗各項指標(biāo)的差異性和相關(guān)關(guān)系，利用最小二乘法統(tǒng)計原理對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

式(4)，式(5)，式(6)中，Xi，Yi分別為核子密度儀檢測法和灌砂法所測某一點壓實度的數(shù)據(jù)，n為試驗比對的組數(shù)，r為相關(guān)系數(shù)。

如圖1所示，以核子密度儀測得的濕密度數(shù)據(jù)為橫坐標(biāo)，以該點處灌砂法測得的濕密度數(shù)據(jù)為縱坐標(biāo)，利用最小二乘法對所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，很明顯，能夠很好地擬合出1條直線。

從圖1可以看出，試驗數(shù)據(jù)點的離散性不大，均勻分布在直線兩邊，說明該組數(shù)據(jù)具有很強的相關(guān)性。代入相關(guān)方程可以求出相關(guān)系數(shù)r，相關(guān)參數(shù)a和 b，即

利用求得的回歸方程可以對該路線進(jìn)行灌砂法壓實度的估算。

圖1 核子密度儀法和灌砂法密度散點圖

3 使用核子密度儀的注意事項

在使用核子密度儀時應(yīng)該做好一些必要的準(zhǔn)備工作，主要包括以下幾個方面:

1)要確保核子密度儀在使用前經(jīng)過標(biāo)定和數(shù)據(jù)的修正，以保證所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2)熟悉核子密度儀的使用規(guī)范。在儀器工作時，所有人員均應(yīng)退至距離儀器2 m以外的地方。在儀器不使用時，首先應(yīng)該將手柄置于安全位置，然后將儀器裝入專用的儀器箱內(nèi)，放置在符合核輻射安全規(guī)定的地方。

3)儀器必須由專人保管，專人使用。保管者必須是經(jīng)有關(guān)部門審查合格的人員［7］。

4)做現(xiàn)場對比試驗時，天氣狀況應(yīng)該選擇無風(fēng)、無雨的時候，以免對稱量器具造成影響，導(dǎo)致誤差增大［6］。

5)數(shù)據(jù)處理時應(yīng)該認(rèn)真、仔細(xì)，并根據(jù)計算得出的相關(guān)系數(shù)r進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)相關(guān)分析。相關(guān)系數(shù)r愈接近于1，說明灌砂法和核子密度儀檢測法二者的關(guān)系愈密切。相關(guān)系數(shù)r＜0.9，說明選點和測量有誤差，以該選擇組的試驗數(shù)據(jù)求得的方程式結(jié)果不足以說明二者之間的關(guān)系，應(yīng)該重新選點，重做對比試驗。

本文求得的相關(guān)系數(shù)r=0.935，樣本中測點數(shù)據(jù)為15，滿足相關(guān)要求。

4 結(jié)論

大量實踐證明，經(jīng)過合格檢定的核子密度儀的測試結(jié)果與灌砂法非常接近。Sanders等［8］對3524個測試結(jié)果進(jìn)行計算后發(fā)現(xiàn)，核子法的測試結(jié)果與傳統(tǒng)的檢測方法所得的檢測結(jié)果非常接近。但應(yīng)用傳統(tǒng)方法的成本比核子密度儀法高出很多。核子密度儀可以快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行壓實度的檢測。將核子密度儀檢測法運用到道路路基工程壓實度檢測中，并通過其與灌砂法的對比試驗求得擬合回歸方程，得到二者之間的擬合曲線。驗算結(jié)果表明，用核子密度法檢測工程壓實度的結(jié)果準(zhǔn)確、可信，而且檢測速度快。將該方法應(yīng)用于工程檢測，尤其是大型工程項目，不僅能夠有效地控制工程質(zhì)量，而且能夠加快施工進(jìn)度，降低試驗檢測人員的工作強度，提高施工效率，節(jié)省工程費用。

［1］葉朝良.青藏鐵路路基壓實度檢測方法的探討［J］.路基工程，2005(6):21－22.

［2］楊怡，陳夢成，雷茂錦.核子密度儀在高速公路中的應(yīng)用［J］.公路與汽運，2005(5):95－97.

［3］王靜.核子密度儀在檢測壓實度中應(yīng)用的探討［J］.遼寧交通科技，2002(8):40.

［4］馬偉斌，姚建平，蔡得鉤，等.直接插入式深層核子密度儀探頭的研制及其應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2008(1):55－57.

［5］中華人民共和國水利部.SL275-2001核子水分密度儀現(xiàn)場測試規(guī)程［S］.北京:中國水利水電出版社，2002:10.

［6］交通運輸部職業(yè)資格中心.公路水運工程試驗檢測人員考試用書［M］.2版.北京:人民交通出版社，2012:165－166.

［7］趙鑫.核子密度儀在土石壩壓實度檢測中的應(yīng)用［J］.水利水電施工，2011(6):59－61.

［8］SANDERS S，DEBASIS R R，PARKER F.Comparison of nuclear and core pavement density measurements［J］.Journal of Transportation Engineering，1994，120(6):953－966.