市政工程材料核子密度仪和灌砂法比对试验分析

王冬明

（珠海市金湾区建设工程质量监测站，广东 珠海 519041）

0 引言

传统市政工程材料压实度检测大都使用灌砂法，但该方法的检测效率较低，严重影响市政工程的施工进度，无法及时反馈施工质量。基于以上原因部分地区采用核子密度仪检测压实度的方法代替灌砂法，并实施比对试验，但在实际工程中需提取材料干密度、湿密度、含水率等相关数据，对数据结果修正处理，验证核子密度仪在材料检验中对灌砂法的可替代性，以确保市政工程材料检验结果的科学性、准确性。但是对于不同工程实体材料的比对试验却很少涉及，无法保证核子密度仪的适用性。

1 核子密度仪与灌砂法测量原理

1.1 核子密度仪

核子密度仪是一种常用的材料密度测定仪器，用于测量材料的干密度和湿密度，其工作原理是通过测量材料中的Cs-137 发出的γ 射线衰减情况来计算材料的密度[1]，并通过241Am-Be 中子源放射的中子流进入被测材料，被测材料氢原子与高能中子相碰撞使之减速，减速后的慢中子被仪器内的探测管接收到。被测材料氢原子含量越大，在单位时间内所转化的慢中子数越多，检测管接收的慢中子数越多，反之越少。然后微处理器把接收的慢中子数（水分计数值）除以水分标准计数值得到水分计数比，再把计数比送入水分计算程序可算出被测材料的含水率。值得注意的是被测物质中除了游离态的水以外还存在结合态的水及有机物中存在氢原子，因而被测得的含水量值一般偏高。核子密度仪测量速度快能够在短时间内完成大量的测量工作。在检测期间核子密度仪对工程实体没有破坏性，支持连续测量。核子密度仪应用流程如图1 所示。

图1 核子密度仪应用流程

1.2 灌砂法

灌砂法是一种常用的材料密度测定方法，用于测量材料的干密度和湿密度。其基本原理是通过将一定体积的砂子灌入材料中，然后测量砂子的质量与体积，从而计算出材料的密度[2]。灌砂法操作简单，不需要复杂的设备和技术，适用于现场操作。通过测量砂子的质量和体积能够较准确地计算出材料的密度。灌砂法操作流程如图2 所示。

图2 灌砂法操作流程

2 试验设计与应用

2.1 试验设计

试验准备好相应的仪器设备包括NDH-AⅡ型核子土基密度含水量联合测定仪、灌砂筒、数显温湿度仪、电子天平、电子计量秤、500℃高温烘箱、烘干箱等。含水率试验基于相关标准开展比对灌砂法和核子密度仪检测结果。选取试验段分别为为150m 的路基、150m管道回填、150m 雨水渠回填和150m 水稳基层，试验材料分别土路基、中粗砂、石屑、水稳碎石4 类，施工完成后现场进行核子密度仪法和灌砂法检测，并将灌砂法所的材料在105℃和500℃环境下分别烘干处理。为确保试验测量的最终结果满足要求，在材料内取点次数15 次，计算相应的偏差值得到校正补偿值，并重新在该项目另一路段取点分别检测10 个点进行比对试验[3]。

2.2 数据处理

比对试验期间提取的相关数据采用差值计算方法对含水率、湿密度补偿值等进行数据计算，并利用函数计算两者之间的相关系数。为计算两种测试方法的相关性，可通过最小二乘法进行线性回归分析，如式（1）和式（2）所示。

式中：A——斜率；B——截距；C——测量范围；X、Y——不同测量方法检测结果；Xmin——检测数据的最小值；Xmax——检测数据的最大值[4]。

A、B 及相关系数R 计算公式如下：

式中：x——灌砂法检测数据；y——核子仪法检测数据。

根据以上计算出来的线性回归方程和相关系数，分析该种材料在工程实体检测时是否适用核子密度仪法，并将在105℃和500℃环境下烘干处理后的含水量值分别于核子密度仪得到的含水量值进行对比，确保仪器结果的可靠性，并分析其原因。

3 测量结果

3.1 材料湿密度测量结果

根据150m 各类材料试验段试验结果，比对两种试验方法中的湿密度测量结果，如表1 所示。

表1 各材料湿密度测量结果

对于灌砂法和核子密度仪检测结果，比对两者之间的数据关系，校正后的中粗砂、土路基、水稳碎石、石屑材料的湿密度平均补偿值分别为-0.058g/cm3、0.060g/cm3、0.052g/cm3和-0.027g/cm3。将该湿密度补偿值输入核子密度仪的修正量中继续进行比对试验。

3.2 材料含水率测量结果

根据150m 各类材料试验段试验结果比对两种试验方法中的含水率测量结果，如表2 所示。

表2 各材料含水率测量结果

比对灌砂法和核子密度仪检测结果之间的数据关系，校正后的中粗砂、土路基、水稳碎石、石屑材料的含水率平均补偿值分别为-1.2%、-4.4%、-0.2%和-0.9%。将该含水率补偿值乘以该材料的最大干密度得到数值输入核子密度仪的修正量中继续进行比对试验[4]。

3.3 材料干密度及线性相关分析

在该工程各材料位置输入修正值后取点检测10个点进行继续比对试验后得到的每种材料的干密度值，如表3 所示。

表3 各材料干密度测量结果

通过数据拟合，可以得到4 种材料两种检测方法的线性回归公式和相关系数分别如下：中粗砂：Y=1.3848X-0.6449，R=0.902；土路基：Y=0.9908X+0.0133，R=0.983；水稳碎石：Y=1.0997X-0.2223，R=0.979；石屑：Y=0.7905X+0.409，R=0.937。

3.4 500℃烘干与核子密度仪测得的含水率分析

针对核子密度仪法含水率与灌砂法含水率偏差较大的问题，将灌砂法所测材料进行500℃的高温烘干试验，所得结果如表4 所示。

表4 各材料500℃烘干后含水率及核子密度仪检测得到的含水率结果

3.5 结果分析

通过4 种材料两种检测方法的线性回归公式和相关系数数值的具体情况，水稳碎石和土路基的相关系数大于0.95，相关性良好，能够通过比对试验，采用修正值修正后可以运用到工程检测中[5]。

通过4 种材料两种检测方法的线性回归公式和相关系数数值的具体情况，作为回填材料的中粗砂和石屑未能达到相关系数大于0.95 的要求，核子密度仪不适用于该此项目该种材料的检测，根据其工作原理可以分析得到其不适用的原因为回填材料周边有管道或者雨水渠，管道或雨水渠等会使γ 射线衰减，导致湿密度偏大，且无法保证核子密度仪每次测量与周边的管线距离保持一致。中粗砂和石屑的湿密度补偿值分别为-0.058g/cm3和-0.027g/cm3，与实际情况相符。

市政工程材料500℃烘干后的含水率与核子密度仪检测得到的含水率几乎相同，略小于核子密度仪检测数值，且校正后的中粗砂、土路基、水稳碎石、石屑材料的含水率平均补偿值分别为-1.2%、-4.4%、-0.2%和-0.9%，说明土路基中结合水的含量较高，对压实度结果有较大影响，且500℃烘干已经能将绝大部分结合水蒸发。中粗砂和石屑的含水率差值接近，与其材料的含泥量等有关。水稳碎石核子密度仪测得的含水率与灌砂法数值相差仅为-0.2%。

4 结论

综上所述，核子密度仪在市政工程材料检测中应用需要考虑不同材料及检测环境对于压实度检测的影响。作为回填材料的中粗砂和石屑因检测点周边存在管线等影响因素，核子密度仪检测压实度时无法满足相关系数大于0.95 的要求，无法适用于该类材料的压实度检测中。水稳碎石基层和土路基的相关系数分别为0.979 和0.983，能够满足大于0.95 的要求，核子密度仪能够应用于市政项目土路基及水稳碎石基层的压实度检测。另外，核子密度仪能够通过检测出材料中氢原子的含量，得到该类材料的游离态和结合态水的总量，而水稳碎石的结合水含量极低，因此，在土路基检测时发现路基土有明显差异时，需要重新进行比对试验，确定湿密度和含水率修正值。