王冬明

（珠海市金灣區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)測(cè)站，廣東 珠海 519041）

0 引言

傳統(tǒng)市政工程材料壓實(shí)度檢測(cè)大都使用灌砂法，但該方法的檢測(cè)效率較低，嚴(yán)重影響市政工程的施工進(jìn)度，無法及時(shí)反饋施工質(zhì)量?；谝陨显虿糠值貐^(qū)采用核子密度儀檢測(cè)壓實(shí)度的方法代替灌砂法，并實(shí)施比對(duì)試驗(yàn)，但在實(shí)際工程中需提取材料干密度、濕密度、含水率等相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果修正處理，驗(yàn)證核子密度儀在材料檢驗(yàn)中對(duì)灌砂法的可替代性，以確保市政工程材料檢驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性、準(zhǔn)確性。但是對(duì)于不同工程實(shí)體材料的比對(duì)試驗(yàn)卻很少涉及，無法保證核子密度儀的適用性。

1 核子密度儀與灌砂法測(cè)量原理

1.1 核子密度儀

核子密度儀是一種常用的材料密度測(cè)定儀器，用于測(cè)量材料的干密度和濕密度，其工作原理是通過測(cè)量材料中的Cs-137 發(fā)出的γ 射線衰減情況來計(jì)算材料的密度[1]，并通過241Am-Be 中子源放射的中子流進(jìn)入被測(cè)材料，被測(cè)材料氫原子與高能中子相碰撞使之減速，減速后的慢中子被儀器內(nèi)的探測(cè)管接收到。被測(cè)材料氫原子含量越大，在單位時(shí)間內(nèi)所轉(zhuǎn)化的慢中子數(shù)越多，檢測(cè)管接收的慢中子數(shù)越多，反之越少。然后微處理器把接收的慢中子數(shù)（水分計(jì)數(shù)值）除以水分標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)值得到水分計(jì)數(shù)比，再把計(jì)數(shù)比送入水分計(jì)算程序可算出被測(cè)材料的含水率。值得注意的是被測(cè)物質(zhì)中除了游離態(tài)的水以外還存在結(jié)合態(tài)的水及有機(jī)物中存在氫原子，因而被測(cè)得的含水量值一般偏高。核子密度儀測(cè)量速度快能夠在短時(shí)間內(nèi)完成大量的測(cè)量工作。在檢測(cè)期間核子密度儀對(duì)工程實(shí)體沒有破壞性，支持連續(xù)測(cè)量。核子密度儀應(yīng)用流程如圖1 所示。

圖1 核子密度儀應(yīng)用流程

1.2 灌砂法

灌砂法是一種常用的材料密度測(cè)定方法，用于測(cè)量材料的干密度和濕密度。其基本原理是通過將一定體積的砂子灌入材料中，然后測(cè)量砂子的質(zhì)量與體積，從而計(jì)算出材料的密度[2]。灌砂法操作簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的設(shè)備和技術(shù)，適用于現(xiàn)場(chǎng)操作。通過測(cè)量砂子的質(zhì)量和體積能夠較準(zhǔn)確地計(jì)算出材料的密度。灌砂法操作流程如圖2 所示。

圖2 灌砂法操作流程

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)準(zhǔn)備好相應(yīng)的儀器設(shè)備包括NDH-AⅡ型核子土基密度含水量聯(lián)合測(cè)定儀、灌砂筒、數(shù)顯溫濕度儀、電子天平、電子計(jì)量秤、500℃高溫烘箱、烘干箱等。含水率試驗(yàn)基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開展比對(duì)灌砂法和核子密度儀檢測(cè)結(jié)果。選取試驗(yàn)段分別為為150m 的路基、150m管道回填、150m 雨水渠回填和150m 水穩(wěn)基層，試驗(yàn)材料分別土路基、中粗砂、石屑、水穩(wěn)碎石4 類，施工完成后現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行核子密度儀法和灌砂法檢測(cè)，并將灌砂法所的材料在105℃和500℃環(huán)境下分別烘干處理。為確保試驗(yàn)測(cè)量的最終結(jié)果滿足要求，在材料內(nèi)取點(diǎn)次數(shù)15 次，計(jì)算相應(yīng)的偏差值得到校正補(bǔ)償值，并重新在該項(xiàng)目另一路段取點(diǎn)分別檢測(cè)10 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)[3]。

2.2 數(shù)據(jù)處理

比對(duì)試驗(yàn)期間提取的相關(guān)數(shù)據(jù)采用差值計(jì)算方法對(duì)含水率、濕密度補(bǔ)償值等進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，并利用函數(shù)計(jì)算兩者之間的相關(guān)系數(shù)。為計(jì)算兩種測(cè)試方法的相關(guān)性，可通過最小二乘法進(jìn)行線性回歸分析，如式（1）和式（2）所示。

式中：A——斜率；B——截距；C——測(cè)量范圍；X、Y——不同測(cè)量方法檢測(cè)結(jié)果；Xmin——檢測(cè)數(shù)據(jù)的最小值；Xmax——檢測(cè)數(shù)據(jù)的最大值[4]。

A、B 及相關(guān)系數(shù)R 計(jì)算公式如下：

式中：x——灌砂法檢測(cè)數(shù)據(jù)；y——核子儀法檢測(cè)數(shù)據(jù)。

根據(jù)以上計(jì)算出來的線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)，分析該種材料在工程實(shí)體檢測(cè)時(shí)是否適用核子密度儀法，并將在105℃和500℃環(huán)境下烘干處理后的含水量值分別于核子密度儀得到的含水量值進(jìn)行對(duì)比，確保儀器結(jié)果的可靠性，并分析其原因。

3 測(cè)量結(jié)果

3.1 材料濕密度測(cè)量結(jié)果

根據(jù)150m 各類材料試驗(yàn)段試驗(yàn)結(jié)果，比對(duì)兩種試驗(yàn)方法中的濕密度測(cè)量結(jié)果，如表1 所示。

表1 各材料濕密度測(cè)量結(jié)果

對(duì)于灌砂法和核子密度儀檢測(cè)結(jié)果，比對(duì)兩者之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，校正后的中粗砂、土路基、水穩(wěn)碎石、石屑材料的濕密度平均補(bǔ)償值分別為-0.058g/cm3、0.060g/cm3、0.052g/cm3和-0.027g/cm3。將該濕密度補(bǔ)償值輸入核子密度儀的修正量中繼續(xù)進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)。

3.2 材料含水率測(cè)量結(jié)果

根據(jù)150m 各類材料試驗(yàn)段試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)兩種試驗(yàn)方法中的含水率測(cè)量結(jié)果，如表2 所示。

表2 各材料含水率測(cè)量結(jié)果

比對(duì)灌砂法和核子密度儀檢測(cè)結(jié)果之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，校正后的中粗砂、土路基、水穩(wěn)碎石、石屑材料的含水率平均補(bǔ)償值分別為-1.2%、-4.4%、-0.2%和-0.9%。將該含水率補(bǔ)償值乘以該材料的最大干密度得到數(shù)值輸入核子密度儀的修正量中繼續(xù)進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)[4]。

3.3 材料干密度及線性相關(guān)分析

在該工程各材料位置輸入修正值后取點(diǎn)檢測(cè)10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行繼續(xù)比對(duì)試驗(yàn)后得到的每種材料的干密度值，如表3 所示。

表3 各材料干密度測(cè)量結(jié)果

通過數(shù)據(jù)擬合，可以得到4 種材料兩種檢測(cè)方法的線性回歸公式和相關(guān)系數(shù)分別如下：中粗砂：Y=1.3848X-0.6449，R=0.902；土路基：Y=0.9908X+0.0133，R=0.983；水穩(wěn)碎石：Y=1.0997X-0.2223，R=0.979；石屑：Y=0.7905X+0.409，R=0.937。

3.4 500℃烘干與核子密度儀測(cè)得的含水率分析

針對(duì)核子密度儀法含水率與灌砂法含水率偏差較大的問題，將灌砂法所測(cè)材料進(jìn)行500℃的高溫烘干試驗(yàn)，所得結(jié)果如表4 所示。

表4 各材料500℃烘干后含水率及核子密度儀檢測(cè)得到的含水率結(jié)果

3.5 結(jié)果分析

通過4 種材料兩種檢測(cè)方法的線性回歸公式和相關(guān)系數(shù)數(shù)值的具體情況，水穩(wěn)碎石和土路基的相關(guān)系數(shù)大于0.95，相關(guān)性良好，能夠通過比對(duì)試驗(yàn)，采用修正值修正后可以運(yùn)用到工程檢測(cè)中[5]。

通過4 種材料兩種檢測(cè)方法的線性回歸公式和相關(guān)系數(shù)數(shù)值的具體情況，作為回填材料的中粗砂和石屑未能達(dá)到相關(guān)系數(shù)大于0.95 的要求，核子密度儀不適用于該此項(xiàng)目該種材料的檢測(cè)，根據(jù)其工作原理可以分析得到其不適用的原因?yàn)榛靥畈牧现苓呌泄艿阑蛘哂晁艿阑蛴晁葧?huì)使γ 射線衰減，導(dǎo)致濕密度偏大，且無法保證核子密度儀每次測(cè)量與周邊的管線距離保持一致。中粗砂和石屑的濕密度補(bǔ)償值分別為-0.058g/cm3和-0.027g/cm3，與實(shí)際情況相符。

市政工程材料500℃烘干后的含水率與核子密度儀檢測(cè)得到的含水率幾乎相同，略小于核子密度儀檢測(cè)數(shù)值，且校正后的中粗砂、土路基、水穩(wěn)碎石、石屑材料的含水率平均補(bǔ)償值分別為-1.2%、-4.4%、-0.2%和-0.9%，說明土路基中結(jié)合水的含量較高，對(duì)壓實(shí)度結(jié)果有較大影響，且500℃烘干已經(jīng)能將絕大部分結(jié)合水蒸發(fā)。中粗砂和石屑的含水率差值接近，與其材料的含泥量等有關(guān)。水穩(wěn)碎石核子密度儀測(cè)得的含水率與灌砂法數(shù)值相差僅為-0.2%。

4 結(jié)論

綜上所述，核子密度儀在市政工程材料檢測(cè)中應(yīng)用需要考慮不同材料及檢測(cè)環(huán)境對(duì)于壓實(shí)度檢測(cè)的影響。作為回填材料的中粗砂和石屑因檢測(cè)點(diǎn)周邊存在管線等影響因素，核子密度儀檢測(cè)壓實(shí)度時(shí)無法滿足相關(guān)系數(shù)大于0.95 的要求，無法適用于該類材料的壓實(shí)度檢測(cè)中。水穩(wěn)碎石基層和土路基的相關(guān)系數(shù)分別為0.979 和0.983，能夠滿足大于0.95 的要求，核子密度儀能夠應(yīng)用于市政項(xiàng)目土路基及水穩(wěn)碎石基層的壓實(shí)度檢測(cè)。另外，核子密度儀能夠通過檢測(cè)出材料中氫原子的含量，得到該類材料的游離態(tài)和結(jié)合態(tài)水的總量，而水穩(wěn)碎石的結(jié)合水含量極低，因此，在土路基檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)路基土有明顯差異時(shí)，需要重新進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，確定濕密度和含水率修正值。