核子密度仪在道路工程上应用

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摘要：在道路工程中，压实度检测是控制工程质量的重要内容之一，用传统灌砂法、环刀法、取芯法检测存在速度慢、效率低的问题。基于此，本文以某国际工程赞比亚D019公路升级改造项目的施工为背景，首先阐述了核子密度仪的检测原理和检测方法，进而将其与传统灌砂法、环刀法进行比较。通过对比，结果显示核子密度仪用于压实度具有精度和速度两方面的优势，在检测道路压实度的实用性和便捷性上更具有竞争力，最后提出型核子密度仪的使用和注意事项，可供相关检测人员参考。

关键词：公路工程；核子密度仪；压实度

1材料密度检测的方法及特点

在国际工程施工过程中，核子密度仪大多用于检测施工材料的密度和含水量，进而判断施工材料压实度、材料孔隙率以及材料的含水量是否满足设计要求，为施工参数的制定和优化提供依据。材料密度检测的方法发展较为成熟，主要有以下几种传统方法，其具体特点如表1所示。以上环刀法、灌砂法、灌水法、蜡封法以及浸水天平法中，较多使用的为前三种，均具有适用面较窄、耗时较长、对试验操作技术要求较高等缺点，而核子密度仪完成一次检测通常只需不到2分钟，大大缩短了检测时间，同时核子密度仪操作更便捷，适用范围也更广泛。

2核子密度仪检测原理

核子密度仪主要利用的是同位素放射原理。核子密度仪的主要放射部分为：10毫居里的铯-137伽玛源、50毫居里的镅-241中子源。同时核子密度仪中安装有密度探测构件和湿度探测构件，基于核子辐射穿透不同密度物质的能力不同推断出材料密度。通常伽马源用来探测物质的单位密度，中子源通过探测物质中的氢原子含量进而推测物质的含水量[1]。

3核子密度仪检测方法

针对可造孔的土类和未凝固的混凝土类，一般采用透射法。该方法首先要求在在被检测材料中按规定钻一个垂直的检测孔，随后将仪器的探测杆顺着钻好的探测孔放入到被检测材料中，进而探测出不同深度上的密度和湿度。针对不可造孔的石类、混凝土类等材料，一般采用反射法。该方法将仪器置于被测试材料的表面，按照被测试材料的厚度和种类的不同，调节仪器至合适的测试档位，进而检测出材料的密度、压实度等指标。针对岩土、混凝土的密度（或孔隙率）和含水量，相对于传统的检测方法，核子密度仪有着明显的优势。以非洲某工程赞比亚D019公路升级改造项目为例，按照监理要求，便道及主路土方压实施工完成后，要求每20m设置一个检测点，如果采用用灌砂法等传统方法需要大量的人工进行采样及试验，一方面将耗费大量时间，另一方面对现场熟练试验工人不足的情况提出了挑战，考虑到核子密度仪的快速性和便捷性，加之对南部非洲区域标准的学习与研究，项目部最终决定采用核子密度仪。事实证明，经专业机构培训后操作人员对核子密度仪上手很快（主要是对安全使用内容的培训），针对土壤密度和含水量的检测，使用核子密度仪检测一处一般不会超过2分钟，大大缩短了检测时间，几乎可以到碾压完毕的同时检测完毕，有效保证了施工强度及工作断面的连续性。通过核子密度仪的使用，项目完美解决了传统检测方法耗费大量人工的问题，同时，在较少熟练检测工人的情况下，一般一名熟练工人配合两名杂工即可完成对相关土样的检验，为在有限工期内快速高效施工提供了有力的技术支持。现场施工如图1、图2所示。

4核子密度仪及其他检测方法的比较

传统的检测方法对结构层具有一定的破坏性，特别是探测时留下较多的坑洞，后续容易产生渗水，进而破坏承重能力。相比而言，核子密度仪检测密度几乎不对被检测结构层造成破坏，特别是检测混凝土类路面，不产生任何破坏。同时，核子密度仪也在及时掌握碾压参数与压实度或孔隙率的关系展现出了极强的高效性[2]。目前，在我国道路工程建设领域，大部分情况下还是使用灌砂法、环刀法、取芯法等传统方法，上述方法需要较多的试验人员投入大量的人力与精力，变相提高人力成本。而新型核子密度仪快速高效，大量节约了试验人员的人数及精力。下述几种方法对比阐明了传统方法的固有的不足。

4.1灌砂法

灌砂法具体步骤如下：（1）按照标准挖好尺寸适合的试坑；（2）妥善保存挖出的材料并对其称重；（3）在容砂瓶灌入量砂，计算体积；（4）通过步骤2及步骤3的结果计算材料总密度；（5）在步骤2中挖除的材料取出部分做含水量测试，目前使用较多的为烘干法和燃烧法；（6）计算干密度和压实度。此方法在上述中的各个步骤均需要大量的人工操作，且极易产生较大误差。灌砂法的步骤繁琐，且检测环节需要操作人员进行经验判断，需长时间集中精力等待或检测试验结果。且因大量人工经验判断，极易产生误差。同时，现场的试验检测需考虑实际情况，监理和业主受时间和人工的影响，很难投入大量的人力去亲自操作以上事项，大部分情况下为施工方去做，监理人员旁站监督。施工单位出于自身利益的考虑，极易通过主管因素去影响或谋求获得更好的试验结果。此环节也往往成为监理与施工范围推诿责任的地方。

4.2环刀法

环刀法与灌砂法方法类似，主要区别在确定体积是否需要量砂，其准确度较之灌砂法有优势，但其适用范围仅限于细粒土。且相对灌砂法的步骤复杂繁琐以及容易受主观因素的影响，环刀法同样面临着上述问题。

4.3取芯法

取芯法适用于硬化面层的密度检测，其准确度较高。但该方法对路面造成较大的损害，且工作效率更低。因取芯的过程需耗费一定时间，考虑到对道路结构层的影响，很难做到大量取芯，故很难通过增加数据的方法保证取样的精确性。同时，该方法只能完工后进行，如存在压实度等问题只能返工，容易造成较大的经济损失。通过以上阐述，从数据的快速、准确、直观以及不影响正常施工方面来看，核子密度仪具有得天独厚的优势。特别是在国际工程中，由于语言及技术的差异，往往存在中方施工人员与监理互不信任的问题，监理往往希望严格监测进而保证工程质量，施工方出于自身考虑往往更希望于优化检测数据。核子密度仪有效解决了上述问题，其直观的检测数据减轻了国际工程中的障碍。

5新型核子密度仪的使用

早期核子密度仪未能广泛应用于公路建设领域，主要原因是在安全性、准确性、价位缺点明显[3]，主要含以下几个方面：（1）安全性：在早期的核子密度仪设置中，因材料的限制，放射源的放射性控制不足，对检测人员造成较大的安全隐患；同时，由于操作不规范等问题（如核辐射剂量测定仪佩带不规范、过程中安全保护措施不注意、仪器保存运输环境不达标）造成较大的安全隐患；（2）准确性：在早期的核子密度仪设置中，收集辐射剂量的测定准确性不足，导致波动性较大，结果的准确性较难保证；（3）价格：早期的核子密度仪价格较高，相对而言，环刀、灌砂筒价格低廉。随着时代的进步，核子密度仪也不断的升级，并针对上述的缺点进行了重点改进，其应用也越来越广泛。新型的核子密度仪针对安全方面对以下五个方面进行了改进：（1）针对放射源采用相对人体较低辐射剂量的放射源，从根源上减小了辐射风险；（2）加强放射源杆的钨块保护厚度和回复保护弹性，进一步减少了辐射风险；（3）严格规范使用条件及定期检查制度，增强对操作人员的保护；（4）规范核子密度仪储藏要求，目前大多采用30～50cm厚的钢筋混凝土墙体及屋顶；（5）规范运输条件，专车专运，避免运输过程中的辐射污染。同时，新型核子密度仪通过对芯片结构的改进，其计算辐射剂量的精确性相对早期核子密度仪大幅提高，极大减小了外界因素而引起的波动。在国际工程赞比亚D019公路升级改造项目中，核子密度仪为美国产Troxler3440型核子密度仪。在使用前期用灌砂法对仪器进行偏差校正时，对同一土样进行了密度检测和含水量检测及比对，二者所测结果基本一致，误差不超过1%，其精确性同时超过了环刀法和灌水法的检测要求，体现了良好的精确性，且正常施工环境下，核子密度仪体现了良好的稳定性。这也是赞比亚D019公路升级改造项目中全面采用新型核子密度仪进行检测的至关重要的原因之一。

6使用核子密度仪的注意事项

鉴于核子密度仪的放射性，在使用核子密度仪的过程中应注意以下几个方面：（1）在核子密度仪投入试验检测之前应进行对比校正试验，确保数据的准确性，且针对不同的材料需进行对比校正试验，确保数据的准确性。同时，应按规范对设备进行定期的对比校正，确保数据的有效性[4]。（2）针对不同的检测材料采用不同的检测模式，鉴于核子密度仪的使用范围广泛，且针对不同的材料形态采取不同的检测原理，为保证数据的精确性，需提前确定检测模式[5]。一般来说，路基体填筑材料采用土壤模式（透射法），混凝土和沥青混凝土采用沥青模式（反射法），低于10cm厚度的应采用沥青薄层模式（反射法）。（3）每次使用之前应充分预热机器。每日进行辐射密度标准校正，当且仅当密度标准校正值与含水量校正值都取得通过方能用于检测工作。

7结束语

新型核子密度仪具有检测速度快、操作简单、准确性高等一系列优点，在道路施工中有着巨大的优势。目前，在国内的工程施工中，因价位、安全、传统习惯等原因，暂时未被作为主要检测方法。但随着社会经济的进一步发展，技术的不断进步以及人力成本的不断升高，新型的核子密度仪的使用空间也变得越来越大。鉴于核子密度仪相对于传统密度检测方法的巨大优势，目前国际工程中已被较多使用，被为之制定了相关的规范，受到了更多施工试验人员特别是监理方的青睐。基于其巨大的优势，其在国内的使用也必将越来越广泛。

参考文献

[1]陈任卿.关于无损检测技术在道路工程中的运用分析[J].现代物业（中旬刊），2020（04）：60-61.

[2]陈洪波.公路工程路基路面压实施工技术分析[J].四川水泥，2019（07）：112.

[3]苏力辉.高速公路压实度检测技术[J].交通世界，2019（16）：16-17+45.

[4]苏冬兰.公路路基压实度影响因素及检测技术对比分析[J].福建建材，2020（08）：17-19.

[5]魏娟.路基路面检测技术与质量分析[J].四川水泥，2019（04）：149.

作者:蔡保佩 单位:中国港湾工程有限责任公司