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核子密度儀在道路工程上應(yīng)用

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核子密度儀在道路工程上應(yīng)用

摘要:在道路工程中,壓實(shí)度檢測是控制工程質(zhì)量的重要內(nèi)容之一,用傳統(tǒng)灌砂法、環(huán)刀法、取芯法檢測存在速度慢、效率低的問題?;诖耍疚囊阅硣H工程贊比亞D019公路升級(jí)改造項(xiàng)目的施工為背景,首先闡述了核子密度儀的檢測原理和檢測方法,進(jìn)而將其與傳統(tǒng)灌砂法、環(huán)刀法進(jìn)行比較。通過對(duì)比,結(jié)果顯示核子密度儀用于壓實(shí)度具有精度和速度兩方面的優(yōu)勢,在檢測道路壓實(shí)度的實(shí)用性和便捷性上更具有競爭力,最后提出型核子密度儀的使用和注意事項(xiàng),可供相關(guān)檢測人員參考。

關(guān)鍵詞:公路工程;核子密度儀;壓實(shí)度

1材料密度檢測的方法及特點(diǎn)

在國際工程施工過程中,核子密度儀大多用于檢測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。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、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通常只需不到2分鐘,大大縮短了檢測時(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構(gòu)件和濕度探測構(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。通常伽馬源用來探測物質(zhì)的單位密度,中子源通過探測物質(zhì)中的氫原子含量進(jìn)而推測物質(zhì)的含水量[1]。

3核子密度儀檢測方法

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材料中按規(guī)定鉆一個(gè)垂直的檢測孔,隨后將儀器的探測桿順著鉆好的探測孔放入到被檢測材料中,進(jìn)而探測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試材料的表面,按照被測試材料的厚度和種類的不同,調(diào)節(jié)儀器至合適的測試檔位,進(jìn)而檢測出材料的密度、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)的檢測方法,核子密度儀有著明顯的優(yōu)勢。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,使用核子密度儀檢測一處一般不會(huì)超過2分鐘,大大縮短了檢測時(shí)間,幾乎可以到碾壓完畢的同時(shí)檢測完畢,有效保證了施工強(qiáng)度及工作斷面的連續(xù)性。通過核子密度儀的使用,項(xiàng)目完美解決了傳統(tǒng)檢測方法耗費(fèi)大量人工的問題,同時(shí),在較少熟練檢測工人的情況下,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)場施工如圖1、圖2所示。

4核子密度儀及其他檢測方法的比較

傳統(tǒng)的檢測方法對(duì)結(jié)構(gòu)層具有一定的破壞性,特別是探測時(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,核子密度儀檢測密度幾乎不對(duì)被檢測結(jié)構(gòu)層造成破壞,特別是檢測混凝土類路面,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,且檢測環(huán)節(jié)需要操作人員進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)判斷,需長時(shí)間集中精力等待或檢測試驗(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)場的試驗(yàn)檢測需考慮實(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,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題。

4.3取芯法

取芯法適用于硬化面層的密度檢測,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)度等問題只能返工,容易造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。通過以上闡述,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看,核子密度儀具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。特別是在國際工程中,由于語言及技術(shù)的差異,往往存在中方施工人員與監(jiān)理互不信任的問題,監(jiān)理往往希望嚴(yán)格監(jiān)測進(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)化檢測數(shù)據(jù)。核子密度儀有效解決了上述問題,其直觀的檢測數(shù)據(jù)減輕了國際工程中的障礙。

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)檢測人員造成較大的安全隱患;同時(shí),由于操作不規(guī)范等問題(如核輻射劑量測定儀佩帶不規(guī)范、過程中安全保護(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)輸過程中的輻射污染。同時(shí),新型核子密度儀通過對(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)行了密度檢測和含水量檢測及比對(duì),二者所測結(jié)果基本一致,誤差不超過1%,其精確性同時(shí)超過了環(huán)刀法和灌水法的檢測要求,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)不同的檢測材料采用不同的檢測模式,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)采取不同的檢測原理,為保證數(shù)據(jù)的精確性,需提前確定檢測模式[5]。一般來說,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方能用于檢測工作。

7結(jié)束語

新型核子密度儀具有檢測速度快、操作簡單、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。目前,在國內(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越大。鑒于核子密度儀相對(duì)于傳統(tǒng)密度檢測方法的巨大優(yōu)勢,目前國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,其在國內(nèi)的使用也必將越來越廣泛。

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作者:蔡保佩 單位:中國港灣工程有限責(zé)任公司