核子密度儀在國(guó)際道路工程上的應(yīng)用

蔡保佩

（中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司， 北京 100027）

1 材料密度檢測(cè)的方法及特點(diǎn)

在國(guó)際工程施工過(guò)程中，核子密度儀大多用于檢測(cè)施工材料的密度和含水量，進(jìn)而判斷施工材料壓實(shí)度、材料孔隙率以及材料的含水量是否滿足設(shè)計(jì)要求，為施工參數(shù)的制定和優(yōu)化提供依據(jù)。材料密度檢測(cè)的方法發(fā)展較為成熟，主要有以下幾種傳統(tǒng)方法，其具體特點(diǎn)如表1所示。

表1 傳統(tǒng)材料密度檢測(cè)方法及其適用范圍

以上環(huán)刀法、灌砂法、灌水法、蠟封法以及浸水天平法中，較多使用的為前三種，均具有適用面較窄、耗時(shí)較長(zhǎng)、對(duì)試驗(yàn)操作技術(shù)要求較高等缺點(diǎn)，而核子密度儀完成一次檢測(cè)通常只需不到2分鐘，大大縮短了檢測(cè)時(shí)間，同時(shí)核子密度儀操作更便捷，適用范圍也更廣泛。

2 核子密度儀檢測(cè)原理

核子密度儀主要利用的是同位素放射原理。核子密度儀的主要放射部分為：10毫居里的銫-137伽瑪源、50毫居里的镅-241中子源。同時(shí)核子密度儀中安裝有密度探測(cè)構(gòu)件和濕度探測(cè)構(gòu)件，基于核子輻射穿透不同密度物質(zhì)的能力不同推斷出材料密度。通常伽馬源用來(lái)探測(cè)物質(zhì)的單位密度，中子源通過(guò)探測(cè)物質(zhì)中的氫原子含量進(jìn)而推測(cè)物質(zhì)的含水量[1]。

3 核子密度儀檢測(cè)方法

針對(duì)可造孔的土類和未凝固的混凝土類，一般采用透射法。該方法首先要求在在被檢測(cè)材料中按規(guī)定鉆一個(gè)垂直的檢測(cè)孔，隨后將儀器的探測(cè)桿順著鉆好的探測(cè)孔放入到被檢測(cè)材料中，進(jìn)而探測(cè)出不同深度上的密度和濕度。

針對(duì)不可造孔的石類、混凝土類等材料，一般采用反射法。該方法將儀器置于被測(cè)試材料的表面，按照被測(cè)試材料的厚度和種類的不同，調(diào)節(jié)儀器至合適的測(cè)試檔位，進(jìn)而檢測(cè)出材料的密度、壓實(shí)度等指標(biāo)。

針對(duì)巖土、混凝土的密度（或孔隙率）和含水量，相對(duì)于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，核子密度儀有著明顯的優(yōu)勢(shì)。以非洲某工程贊比亞D019公路升級(jí)改造項(xiàng)目為例，按照監(jiān)理要求，便道及主路土方壓實(shí)施工完成后，要求每20m設(shè)置一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，如果采用用灌砂法等傳統(tǒng)方法需要大量的人工進(jìn)行采樣及試驗(yàn)，一方面將耗費(fèi)大量時(shí)間，另一方面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)熟練試驗(yàn)工人不足的情況提出了挑戰(zhàn)，考慮到核子密度儀的快速性和便捷性，加之對(duì)南部非洲區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)與研究，項(xiàng)目部最終決定采用核子密度儀。

事實(shí)證明，經(jīng)專業(yè)機(jī)構(gòu)培訓(xùn)后操作人員對(duì)核子密度儀上手很快（主要是對(duì)安全使用內(nèi)容的培訓(xùn)），針對(duì)土壤密度和含水量的檢測(cè)，使用核子密度儀檢測(cè)一處一般不會(huì)超過(guò)2分鐘，大大縮短了檢測(cè)時(shí)間，幾乎可以到碾壓完畢的同時(shí)檢測(cè)完畢，有效保證了施工強(qiáng)度及工作斷面的連續(xù)性。通過(guò)核子密度儀的使用，項(xiàng)目完美解決了傳統(tǒng)檢測(cè)方法耗費(fèi)大量人工的問(wèn)題，同時(shí)，在較少熟練檢測(cè)工人的情況下，一般一名熟練工人配合兩名雜工即可完成對(duì)相關(guān)土樣的檢驗(yàn)，為在有限工期內(nèi)快速高效施工提供了有力的技術(shù)支持?，F(xiàn)場(chǎng)施工如圖1、圖2所示。

圖1 核子密度儀原地面壓實(shí)度檢測(cè)

圖2 核子密度儀回填礫石土壓實(shí)度檢測(cè)

4 核子密度儀及其他檢測(cè)方法的比較

傳統(tǒng)的檢測(cè)方法對(duì)結(jié)構(gòu)層具有一定的破壞性，特別是探測(cè)時(shí)留下較多的坑洞，后續(xù)容易產(chǎn)生滲水，進(jìn)而破壞承重能力。相比而言，核子密度儀檢測(cè)密度幾乎不對(duì)被檢測(cè)結(jié)構(gòu)層造成破壞，特別是檢測(cè)混凝土類路面，不產(chǎn)生任何破壞。同時(shí)，核子密度儀也在及時(shí)掌握碾壓參數(shù)與壓實(shí)度或孔隙率的關(guān)系展現(xiàn)出了極強(qiáng)的高效性[2]。

目前，在我國(guó)道路工程建設(shè)領(lǐng)域，大部分情況下還是使用灌砂法、環(huán)刀法、取芯法等傳統(tǒng)方法，上述方法需要較多的試驗(yàn)人員投入大量的人力與精力，變相提高人力成本。而新型核子密度儀快速高效，大量節(jié)約了試驗(yàn)人員的人數(shù)及精力。下述幾種方法對(duì)比闡明了傳統(tǒng)方法的固有的不足。

4.1 灌砂法

灌砂法具體步驟如下：（1）按照標(biāo)準(zhǔn)挖好尺寸適合的試坑；（2）妥善保存挖出的材料并對(duì)其稱重；（3）在容砂瓶灌入量砂，計(jì)算體積；（4）通過(guò)步驟2及步驟3的結(jié)果計(jì)算材料總密度；（5）在步驟2中挖除的材料取出部分做含水量測(cè)試，目前使用較多的為烘干法和燃燒法；（6）計(jì)算干密度和壓實(shí)度。此方法在上述中的各個(gè)步驟均需要大量的人工操作，且極易產(chǎn)生較大誤差。

灌砂法的步驟繁瑣，且檢測(cè)環(huán)節(jié)需要操作人員進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)判斷，需長(zhǎng)時(shí)間集中精力等待或檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果。且因大量人工經(jīng)驗(yàn)判斷，極易產(chǎn)生誤差。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)檢測(cè)需考慮實(shí)際情況，監(jiān)理和業(yè)主受時(shí)間和人工的影響，很難投入大量的人力去親自操作以上事項(xiàng)，大部分情況下為施工方去做，監(jiān)理人員旁站監(jiān)督。施工單位出于自身利益的考慮，極易通過(guò)主管因素去影響或謀求獲得更好的試驗(yàn)結(jié)果。此環(huán)節(jié)也往往成為監(jiān)理與施工范圍推諉責(zé)任的地方。

4.2 環(huán)刀法

環(huán)刀法與灌砂法方法類似，主要區(qū)別在確定體積是否需要量砂，其準(zhǔn)確度較之灌砂法有優(yōu)勢(shì)，但其適用范圍僅限于細(xì)粒土。且相對(duì)灌砂法的步驟復(fù)雜繁瑣以及容易受主觀因素的影響，環(huán)刀法同樣面臨著上述問(wèn)題。

4.3 取芯法

取芯法適用于硬化面層的密度檢測(cè)，其準(zhǔn)確度較高。但該方法對(duì)路面造成較大的損害，且工作效率更低。因取芯的過(guò)程需耗費(fèi)一定時(shí)間，考慮到對(duì)道路結(jié)構(gòu)層的影響，很難做到大量取芯，故很難通過(guò)增加數(shù)據(jù)的方法保證取樣的精確性。同時(shí)，該方法只能完工后進(jìn)行，如存在壓實(shí)度等問(wèn)題只能返工，容易造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

通過(guò)以上闡述，從數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確、直觀以及不影響正常施工方面來(lái)看，核子密度儀具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。特別是在國(guó)際工程中，由于語(yǔ)言及技術(shù)的差異，往往存在中方施工人員與監(jiān)理互不信任的問(wèn)題，監(jiān)理往往希望嚴(yán)格監(jiān)測(cè)進(jìn)而保證工程質(zhì)量，施工方出于自身考慮往往更希望于優(yōu)化檢測(cè)數(shù)據(jù)。核子密度儀有效解決了上述問(wèn)題，其直觀的檢測(cè)數(shù)據(jù)減輕了國(guó)際工程中的障礙。

5 新型核子密度儀的使用

早期核子密度儀未能廣泛應(yīng)用于公路建設(shè)領(lǐng)域，主要原因是在安全性、準(zhǔn)確性、價(jià)位缺點(diǎn)明顯[3]，主要含以下幾個(gè)方面：（1）安全性：在早期的核子密度儀設(shè)置中，因材料的限制，放射源的放射性控制不足，對(duì)檢測(cè)人員造成較大的安全隱患；同時(shí)，由于操作不規(guī)范等問(wèn)題（如核輻射劑量測(cè)定儀佩帶不規(guī)范、過(guò)程中安全保護(hù)措施不注意、儀器保存運(yùn)輸環(huán)境不達(dá)標(biāo)）造成較大的安全隱患；（2）準(zhǔn)確性：在早期的核子密度儀設(shè)置中，收集輻射劑量的測(cè)定準(zhǔn)確性不足，導(dǎo)致波動(dòng)性較大，結(jié)果的準(zhǔn)確性較難保證；（3）價(jià)格：早期的核子密度儀價(jià)格較高，相對(duì)而言，環(huán)刀、灌砂筒價(jià)格低廉。

隨著時(shí)代的進(jìn)步，核子密度儀也不斷的升級(jí)，并針對(duì)上述的缺點(diǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)改進(jìn)，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。新型的核子密度儀針對(duì)安全方面對(duì)以下五個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)：（1）針對(duì)放射源采用相對(duì)人體較低輻射劑量的放射源，從根源上減小了輻射風(fēng)險(xiǎn)；（2）加強(qiáng)放射源桿的鎢塊保護(hù)厚度和回復(fù)保護(hù)彈性，進(jìn)一步減少了輻射風(fēng)險(xiǎn)；（3）嚴(yán)格規(guī)范使用條件及定期檢查制度，增強(qiáng)對(duì)操作人員的保護(hù)；（4）規(guī)范核子密度儀儲(chǔ)藏要求，目前大多采用30～50cm厚的鋼筋混凝土墻體及屋頂；（5）規(guī)范運(yùn)輸條件，專車專運(yùn)，避免運(yùn)輸過(guò)程中的輻射污染。同時(shí)，新型核子密度儀通過(guò)對(duì)芯片結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，其計(jì)算輻射劑量的精確性相對(duì)早期核子密度儀大幅提高，極大減小了外界因素而引起的波動(dòng)。

在國(guó)際工程贊比亞D019公路升級(jí)改造項(xiàng)目中，核子密度儀為美國(guó)產(chǎn)Troxler3440型核子密度儀。在使用前期用灌砂法對(duì)儀器進(jìn)行偏差校正時(shí)，對(duì)同一土樣進(jìn)行了密度檢測(cè)和含水量檢測(cè)及比對(duì)，二者所測(cè)結(jié)果基本一致，誤差不超過(guò)1%，其精確性同時(shí)超過(guò)了環(huán)刀法和灌水法的檢測(cè)要求，體現(xiàn)了良好的精確性，且正常施工環(huán)境下，核子密度儀體現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性。這也是贊比亞D019公路升級(jí)改造項(xiàng)目中全面采用新型核子密度儀進(jìn)行檢測(cè)的至關(guān)重要的原因之一。

6 使用核子密度儀的注意事項(xiàng)

鑒于核子密度儀的放射性，在使用核子密度儀的過(guò)程中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

（1）在核子密度儀投入試驗(yàn)檢測(cè)之前應(yīng)進(jìn)行對(duì)比校正試驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，且針對(duì)不同的材料需進(jìn)行對(duì)比校正試驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，應(yīng)按規(guī)范對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期的對(duì)比校正，確保數(shù)據(jù)的有效性[4]。

（2）針對(duì)不同的檢測(cè)材料采用不同的檢測(cè)模式，鑒于核子密度儀的使用范圍廣泛，且針對(duì)不同的材料形態(tài)采取不同的檢測(cè)原理，為保證數(shù)據(jù)的精確性，需提前確定檢測(cè)模式[5]。一般來(lái)說(shuō)，路基體填筑材料采用土壤模式（透射法），混凝土和瀝青混凝土采用瀝青模式（反射法），低于10cm厚度的應(yīng)采用瀝青薄層模式（反射法）。

（3）每次使用之前應(yīng)充分預(yù)熱機(jī)器。每日進(jìn)行輻射密度標(biāo)準(zhǔn)校正，當(dāng)且僅當(dāng)密度標(biāo)準(zhǔn)校正值與含水量校正值都取得通過(guò)方能用于檢測(cè)工作。

7 結(jié)束語(yǔ)

新型核子密度儀具有檢測(cè)速度快、操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，在道路施工中有著巨大的優(yōu)勢(shì)。目前，在國(guó)內(nèi)的工程施工中，因價(jià)位、安全、傳統(tǒng)習(xí)慣等原因，暫時(shí)未被作為主要檢測(cè)方法。但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，技術(shù)的不斷進(jìn)步以及人力成本的不斷升高，新型的核子密度儀的使用空間也變得越來(lái)越大。鑒于核子密度儀相對(duì)于傳統(tǒng)密度檢測(cè)方法的巨大優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)際工程中已被較多使用，被為之制定了相關(guān)的規(guī)范，受到了更多施工試驗(yàn)人員特別是監(jiān)理方的青睞?；谄渚薮蟮膬?yōu)勢(shì)，其在國(guó)內(nèi)的使用也必將越來(lái)越廣泛。