核子密度仪在工程检测中的应用

赵正信

(江苏省交通技师学院道路与桥梁工程系，江苏镇江 212006)

在道路工程、水运工程以及一些大型土石坝工程中，压实度是控制工程施工质量的一项重要指标。在我国，常用的传统检测方法有灌砂法、灌水法、环刀法等。其主要原理是，通过体积置换计算填筑材料的湿密度，然后运用酒精燃烧法和烘干法等测定材料的含水率，从而计算干密度和压实度。

使用传统的压实度检测方法，试验间隔时间长，速度慢，效率较低，难以满足高度机械化的施工要求。利用核子密度仪［1－2］测定土石等材料原位密度和含水量是一项迅速发展起来的新技术，具有无损、快速检测的优点。这类仪器的优点在于测量速度快，检测精度高，所需要的检测人员少，测试1个点，几分钟就可以知晓结果。使用核子密度仪能既合理又快速地选择压路机的频率和振幅，还能很容易地确定压路机的碾压速度和最佳碾压遍数，及时指导施工［3］。

1 核子密度仪的工作原理

1.1 应用现状与工作原理

核子密度仪检测技术在国际上已被广泛应用，在世界各地的高速公路等土木工程的质量控制和保障方面发挥着重要作用。针对土、岩石、沥青混凝土和水泥混凝土等材料，国际上，尤其是美国，做了大量的研究和应用实践工作，总结了丰富的实用经验和使用方法。然而，在我国的道路建设领域，由于长期缺乏实际应用经验的积累和系统的实验研究，大多数工程技术人员基本上不了解或很少了解核子密度仪检测技术。

核子密度仪已经成为土木工程结构质量检测和控制的重要工具，其内部装有2种放射源，即铯137γ源和镅241-铍中子源。

1)铯137γ源射出γ射线进入被测材料中与物质原子的外围电子发生碰撞而产生康普顿散射，散射后的γ射线能量减少，方向改变。因为物质的密度越大，康普顿散射的γ射线就越多，所以通过测量散射后的γ射线的数量，即可判断被测物质的密度［4－5］。

2)镅241-铍中子源主要用于测量物质的含水量。

在检测时，核子密度仪的液晶显示屏可以同时显示湿密度、干密度、含水量、含水率、压实度、孔隙率等检测数据及条件，具有方便、快捷、准确、高效的特点。

1.2 仪器设备的标定

核子密度仪的标定是核子法检测技术发展到现阶段的一项重要内容。其主要过程是，将仪器在一系列密度和湿度已知的标准材料块上进行检测，在每一个标定块上，在每一个检测深度上确定标定值和湿度值与射线计数率之间的对应关系。对于核子密度湿度仪，每12个月要对它进行一次标定。标定工作可以由仪器生产厂家或独立的、有资质的服务机构实施。对现存仪器，特别是经过维修的仪器，可能影响仪器的结构，必须重新进行标定后才能使用。现存仪器如果在标定核实过程中被发现不能满足规定的限值，也必须重新标定［6］。标定后的仪器在测量所有标定块的密度时，其示值误差不应超过±16 kg/m3。

2 工程应用实例探讨

2.1 现场灌砂法与核子密度仪试验对比

现场灌砂(水)法是当前广泛采用的最传统、最直观的检测方法。人们对灌砂法测试结果的认可度比较高。由于不同环境和不同填筑材料之间存在差异，使用核子密度仪所测量的数据与灌砂法存在一定偏差。为了消除这种影响，需要根据工区情况进行湿密度校正和水分方面的校正，并通过对比试验求出这两个校正值。试验选择在国道203线(肇源至松原)一级公路建设项目K33+100～K33+340段的原地面土方路基上15个测试点进行。对同一测点分别用灌砂法和核子密度仪检测，测试结果见表1。

表1 核子密度仪检测法和灌水法对比试验结果

2.2 数据整理与回归方程的建立

为了验证对比试验各项指标的差异性和相关关系，利用最小二乘法统计原理对试验数据进行相关性分析。

式(4)，式(5)，式(6)中，Xi，Yi分别为核子密度仪检测法和灌砂法所测某一点压实度的数据，n为试验比对的组数，r为相关系数。

如图1所示，以核子密度仪测得的湿密度数据为横坐标，以该点处灌砂法测得的湿密度数据为纵坐标，利用最小二乘法对所测得的数据进行拟合，很明显，能够很好地拟合出1条直线。

从图1可以看出，试验数据点的离散性不大，均匀分布在直线两边，说明该组数据具有很强的相关性。代入相关方程可以求出相关系数r，相关参数a和 b，即

利用求得的回归方程可以对该路线进行灌砂法压实度的估算。

图1 核子密度仪法和灌砂法密度散点图

3 使用核子密度仪的注意事项

在使用核子密度仪时应该做好一些必要的准备工作，主要包括以下几个方面:

1)要确保核子密度仪在使用前经过标定和数据的修正，以保证所得数据的准确性。

2)熟悉核子密度仪的使用规范。在仪器工作时，所有人员均应退至距离仪器2 m以外的地方。在仪器不使用时，首先应该将手柄置于安全位置，然后将仪器装入专用的仪器箱内，放置在符合核辐射安全规定的地方。

3)仪器必须由专人保管，专人使用。保管者必须是经有关部门审查合格的人员［7］。

4)做现场对比试验时，天气状况应该选择无风、无雨的时候，以免对称量器具造成影响，导致误差增大［6］。

5)数据处理时应该认真、仔细，并根据计算得出的相关系数r进行相应的数学相关分析。相关系数r愈接近于1，说明灌砂法和核子密度仪检测法二者的关系愈密切。相关系数r＜0.9，说明选点和测量有误差，以该选择组的试验数据求得的方程式结果不足以说明二者之间的关系，应该重新选点，重做对比试验。

本文求得的相关系数r=0.935，样本中测点数据为15，满足相关要求。

4 结论

大量实践证明，经过合格检定的核子密度仪的测试结果与灌砂法非常接近。Sanders等［8］对3524个测试结果进行计算后发现，核子法的测试结果与传统的检测方法所得的检测结果非常接近。但应用传统方法的成本比核子密度仪法高出很多。核子密度仪可以快速、准确地进行压实度的检测。将核子密度仪检测法运用到道路路基工程压实度检测中，并通过其与灌砂法的对比试验求得拟合回归方程，得到二者之间的拟合曲线。验算结果表明，用核子密度法检测工程压实度的结果准确、可信，而且检测速度快。将该方法应用于工程检测，尤其是大型工程项目，不仅能够有效地控制工程质量，而且能够加快施工进度，降低试验检测人员的工作强度，提高施工效率，节省工程费用。

［1］叶朝良.青藏铁路路基压实度检测方法的探讨［J］.路基工程，2005(6):21－22.

［2］杨怡，陈梦成，雷茂锦.核子密度仪在高速公路中的应用［J］.公路与汽运，2005(5):95－97.

［3］王静.核子密度仪在检测压实度中应用的探讨［J］.辽宁交通科技，2002(8):40.

［4］马伟斌，姚建平，蔡得钩，等.直接插入式深层核子密度仪探头的研制及其应用［J］.铁道建筑，2008(1):55－57.

［5］中华人民共和国水利部.SL275-2001核子水分密度仪现场测试规程［S］.北京:中国水利水电出版社，2002:10.

［6］交通运输部职业资格中心.公路水运工程试验检测人员考试用书［M］.2版.北京:人民交通出版社，2012:165－166.

［7］赵鑫.核子密度仪在土石坝压实度检测中的应用［J］.水利水电施工，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.