核子密度儀在太長(zhǎng)三十一合同段路基工程中的應(yīng)用

王鳳美

（山西省公路局陽(yáng)泉分局，山西 陽(yáng)泉 045000）

1 核子密度儀工作原理

其放射源多采用137ts和241Am。137Cs通常密封在上下可移動(dòng)的探桿端部，241Am則密封在儀器底部；不使用時(shí)可將探桿縮回至安全位置，放射源則被儀器底部的屏蔽套屏蔽；使用時(shí)可根據(jù)測(cè)試需要，將探桿置于被測(cè)材料的不同深度(通常0～30 cm)。放射源137Cs發(fā)射出的γ射線(xiàn)在經(jīng)過(guò)被測(cè)媒介時(shí)發(fā)生衰減，不同密度材料，其γ射線(xiàn)衰減程度不同，這樣根據(jù)事先率定的γ射線(xiàn)計(jì)數(shù)率與密度關(guān)系，即可快速測(cè)出被測(cè)材料密度；水分測(cè)量，則是利用放射源241Am放射出的中子與被測(cè)材料水分中的氫發(fā)生碰撞來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2 核子密度儀的安全防護(hù)

放射防護(hù)工作不僅關(guān)系到放射工作人員和后代的健康，同時(shí)也關(guān)系到公眾的健康與安全，因此，放射工作人員必須有高度的責(zé)任感，有義務(wù)做好放射防護(hù)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)的宣傳普及，提高公眾的自我防護(hù)意識(shí)。核子密度儀的使用多在野外，易造成公眾的好奇圍觀，除應(yīng)采取設(shè)置醒目警示標(biāo)志或必要時(shí)設(shè)置警戒線(xiàn)外，放射工作人員還應(yīng)做好放射防護(hù)宣傳。輻射看不見(jiàn)、摸不著，不易被人們感知，因而放射防護(hù)易被忽視。因此，必須杜絕僥幸心理，預(yù)防為主，積極主動(dòng)防護(hù)。防護(hù)中應(yīng)充分利用時(shí)間、距離、屏蔽3要素。要定期將儀器送往有資質(zhì)的單位檢驗(yàn)、標(biāo)定，以避免放射源泄露。

2.1 時(shí)間防護(hù)

人體受到照射的累積劑量與受照時(shí)間成正比。因此，在核子密度儀使用和維護(hù)中，應(yīng)提高儀器操作熟練水平，縮短操作時(shí)間，減少受照射劑量。對(duì)于一次使用儀器需較長(zhǎng)時(shí)間的，應(yīng)盡量采取多名放射工作人員輪流操作，減少個(gè)人操作時(shí)間，以分擔(dān)個(gè)人受照劑量。

2.2 距離防護(hù)

輻射劑量率與放射源到受照物之間的距離平方成反比，即距離增大1倍，照射量則減少到原來(lái)的1/4。因此，在核子密度儀的使用維護(hù)中，應(yīng)充分利用這一規(guī)律，盡可能增大放射工作人員與儀器放射源的距離。在儀器維護(hù)中，有條件時(shí)可使用長(zhǎng)柄工具；在儀器測(cè)量時(shí)，放射工作人員應(yīng)離開(kāi)儀器2 m以上，待儀器測(cè)量結(jié)束發(fā)出蜂鳴，再靠近讀數(shù)或操作；在儀器運(yùn)輸時(shí)，原則上應(yīng)采取人員和儀器分車(chē)運(yùn)輸，無(wú)條件分車(chē)時(shí)，盡量增大儀器與乘車(chē)人距離。

2.3 屏蔽防護(hù)

核子密度儀放射源放射出的主要是γ射線(xiàn)和中子，其放射防護(hù)主要是外照射防護(hù)，做好屏蔽防護(hù)是十分重要的。屏蔽防護(hù)就是人為的在放射源與被照射物之間增加一層能減弱射線(xiàn)的屏蔽體，多以鋼、鉛、鋁和混凝土等密度大的材料制作，如，核子密度儀庫(kù)房可采用混凝土建造。核子密度儀機(jī)殼一般都采用具有較好屏蔽射線(xiàn)的材料制作，并設(shè)有屏蔽放射源的屏蔽套。在儀器操作和維護(hù)時(shí)，可充分利用機(jī)殼做屏蔽，避免直接面對(duì)儀器底部或探桿端頭的放射源。有時(shí)在儀器使用中，因造孔定位板的變形，定位不夠準(zhǔn)確，常導(dǎo)致探桿不易準(zhǔn)確插入測(cè)孔，這時(shí)嚴(yán)禁放射工作人員將儀器傾斜，伸出探桿，目視探桿端頭對(duì)著測(cè)孔插入。對(duì)于需要采取已被測(cè)的材料進(jìn)行其他試驗(yàn)的，應(yīng)避免采取儀器正下面部分，特別是測(cè)孔周?chē)牟牧?，?yīng)戴手套持工具采取。

核子密度儀在存放與使用過(guò)程中，均有微量的放射性輻射，對(duì)接觸人員有一定的傷害。國(guó)際上通常對(duì)從事放射性輻射工作人員的控制放射標(biāo)準(zhǔn)是一年所受的輻射量小于5 000 mrem。經(jīng)改革放射性測(cè)量?jī)x檢測(cè)，在距離核子密度儀2 m以外，測(cè)量?jī)x無(wú)放射量顯示。因此使用時(shí)，人員應(yīng)退至距儀器2 m以外的安全距離進(jìn)行自我防護(hù)。一般使用核子儀工作一年所受的輻射量大約為100 mrem，間歇性檢測(cè)的輻射量更少。實(shí)際上做一次醫(yī)療X光檢查的輻射量常常超過(guò)用核子儀工作一年的輻射量。所以，只要按儀器使用說(shuō)明書(shū)進(jìn)行操作，安全是有保障的。

3 核子密度儀與灌砂法的對(duì)比試驗(yàn)

3.1 準(zhǔn)備工作

3.1.1 標(biāo)定灌砂筒下部錐體內(nèi)砂的質(zhì)量

（1）在灌砂筒筒口高度上，向灌砂筒內(nèi)裝砂至筒頂15 mm左右為止。稱(chēng)取裝入筒內(nèi)砂的質(zhì)量m1，準(zhǔn)確至1 g，以后每次標(biāo)定及試驗(yàn)都應(yīng)該維持裝砂高度與質(zhì)量不變。

（2）將開(kāi)關(guān)打開(kāi)，讓砂自由流出，并使流出砂的體積與工地所挖試坑內(nèi)的體積相當(dāng)（可等于標(biāo)定罐的容積），然后關(guān)上開(kāi)關(guān)，稱(chēng)灌砂筒內(nèi)剩余砂質(zhì)量m5，準(zhǔn)確至1 g。

（3）不晃動(dòng)灌砂筒的砂，輕輕將灌砂筒移至玻璃板上，將開(kāi)關(guān)打開(kāi)，讓砂流出，直到筒內(nèi)砂不再下流時(shí)，將開(kāi)關(guān)關(guān)上，并細(xì)心地取走灌砂筒。

（4）收集并稱(chēng)量留在玻璃板上的砂，準(zhǔn)確至1 g。玻璃板上的砂就是填滿(mǎn)錐體的砂m2。

（5）重復(fù)上述測(cè)量3次，取其平均值。

3.1.2 標(biāo)定量砂的單位質(zhì)量rs

（1）用水確定標(biāo)定罐的容積V，準(zhǔn)確至1 mL。

（2）在灌砂筒中裝入質(zhì)量為m1的砂，并將灌砂筒放在標(biāo)定灌上，將開(kāi)關(guān)打開(kāi)，讓砂流出，在整個(gè)流砂過(guò)程中，不要碰動(dòng)灌砂筒，直到砂不在流時(shí)，將開(kāi)關(guān)關(guān)閉。取下灌砂筒，稱(chēng)取筒內(nèi)剩余砂的質(zhì)量m3，準(zhǔn)確至1 g。

（3）按下式計(jì)算填滿(mǎn)標(biāo)定罐所需砂的質(zhì)量ma：

ma=m1-m2-m3

式中：ma：標(biāo)定罐中砂的質(zhì)量，g；

m1：裝入灌砂筒內(nèi)的砂的總質(zhì)量，g；

m2：灌砂筒下部圓錐體內(nèi)砂的質(zhì)量，g；

m3：灌砂入標(biāo)定罐后，筒內(nèi)剩余砂的質(zhì)量，g；

（4）重復(fù)上述測(cè)量3次，取其平均值。

（5）按下式計(jì)算量砂的單位質(zhì)量：

式中：rs：量砂的單位質(zhì)量，g/cm3；

V：標(biāo)定罐的體積，g/cm3。

3.1.3 用標(biāo)準(zhǔn)板測(cè)定核子密度儀的標(biāo)準(zhǔn)值

（1）接通電源，按照儀器使用說(shuō)明書(shū)建議的預(yù)熱時(shí)間，預(yù)熱測(cè)定儀。

（2）在測(cè)定前，應(yīng)檢查儀器性能是否正常，在標(biāo)準(zhǔn)板上取34個(gè)讀數(shù)的平均值建立原始標(biāo)準(zhǔn)值，并與使用說(shuō)明書(shū)提供的標(biāo)準(zhǔn)值校對(duì)，如標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)超出使用說(shuō)明書(shū)規(guī)定的界限時(shí)應(yīng)重復(fù)此標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)定，若第二次標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)仍超出規(guī)定的界限時(shí)，需視做故障并進(jìn)行儀器檢查。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.2.1 核子密度儀測(cè)試壓實(shí)度

（1）選定距路面邊緣不小于30 cm的一路基干凈平面。

（2）用專(zhuān)用的探桿打孔，孔深略深于要求測(cè)定的深度，孔應(yīng)豎直圓滑。

（3）將放射源棒放下插入已打好的孔內(nèi)。

（4）打開(kāi)儀器，測(cè)試員退出儀器2 m以外，按照選定的測(cè)定時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，到達(dá)測(cè)定時(shí)間后，儀器發(fā)出“嘟”聲，讀取顯示的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并迅速關(guān)機(jī)。

3.2.2 灌砂法測(cè)定壓實(shí)度

（1）移開(kāi)核子密度儀，放上基板，使其中心位置與核子密度儀的探孔一致，沿基板中孔鑿洞。在鑿洞過(guò)程中，注意勿使鑿出的材料丟失，并隨時(shí)將鑿出的材料取出裝入塑料袋中不使水分蒸發(fā)。試洞的深度應(yīng)等于測(cè)定層厚度，但不得有下層材料混入，最后將洞內(nèi)的全部鑿松材料取出，并稱(chēng)其總質(zhì)量mw，準(zhǔn)確至1 g。

（2）從挖出的全部材料中取出有代表性的樣品，放在鋁盒中，測(cè)定其含水量（w，以%計(jì)）。

（3）將灌砂筒放在試洞中間，筒內(nèi)的砂質(zhì)量為m1，使灌砂筒的下口對(duì)準(zhǔn)試洞，打開(kāi)灌砂筒的開(kāi)關(guān)，讓砂流入試坑內(nèi)。在此期間，應(yīng)注意勿碰動(dòng)灌砂筒。直到筒內(nèi)砂不再下流時(shí)，關(guān)閉開(kāi)關(guān)。小心取走灌砂筒，并稱(chēng)量筒內(nèi)剩余砂的質(zhì)量m4，準(zhǔn)確至1 g。

（4）計(jì)算填滿(mǎn)試坑所用砂的質(zhì)量mb：

mb=m1-m4-m2

式中：mb：填滿(mǎn)試坑砂的質(zhì)量，g；

m1：灌砂前灌砂筒內(nèi)砂的質(zhì)量，g；

m4：灌砂后，灌砂筒內(nèi)剩余砂的質(zhì)量，g；

m2：灌砂筒下部圓錐體內(nèi)砂的質(zhì)量，g。

式中：mw：試坑中取出的全部材料的質(zhì)量，g；rs：量砂的單位質(zhì)量，g/cm3。

（6）計(jì)算試坑材料的壓實(shí)度ρd：

式中：w：試坑材料的含水量，%。

3 灌砂法與核子密度儀對(duì)比

對(duì)同一種材料，重復(fù)以上兩種方法測(cè)定壓實(shí)度至少15處，求取兩種不同方法測(cè)定的密度及含水量的相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)應(yīng)不小于0.9，在此采用了一元線(xiàn)形回歸分析。

Y=a+bx

式中：a，b：回歸系數(shù)。

設(shè)定灌砂法測(cè)定結(jié)果為Y值，核子密度儀測(cè)定結(jié)果為X值，先對(duì)濕密度進(jìn)行對(duì)比，然后分別對(duì)含水量和壓實(shí)度進(jìn)行對(duì)比。該層填土采用小河北3#土場(chǎng)土,最大干密度為1.89 g/cm3，最佳含水量為14.1%。土質(zhì)為低液限黏土。將兩種方法的試驗(yàn)結(jié)果列為表 1、表 2。

表1 灌砂法測(cè)得密度與含水量結(jié)果

表2 核子密度儀測(cè)得密度與含水量結(jié)果

濕密度對(duì)比結(jié)果：

經(jīng)計(jì)算：

相關(guān)系數(shù)r是描述回歸方程線(xiàn)性相關(guān)的密切程度的指標(biāo)，r的絕對(duì)值越接近1，x與y之間的線(xiàn)性關(guān)系越好。

含水量對(duì)比結(jié)果：

壓實(shí)度對(duì)比結(jié)果：

經(jīng)計(jì)算：

根據(jù)以上結(jié)果，說(shuō)明這臺(tái)核子密度儀可以用于路基施工檢測(cè)當(dāng)中。濕密度與含水量可以不進(jìn)行修正，但壓實(shí)度必須進(jìn)行修正，修正結(jié)果為：Y=1.658+0.982X。

如果進(jìn)行對(duì)比后的相關(guān)系數(shù)r小于0.9，則應(yīng)對(duì)核子密度儀進(jìn)行重新標(biāo)定或修正。