关于使用核子水分密度仪的几个问题

关于核子水分密度仪使用的几个问题

周文杰罗涛冯若谦

（大连市交通规划勘察设计院 116033 北京华宏路桥咨询监理公司 100024）

摘要：核子水分密度仪作为一种检测各种土壤、沥青、混凝土等建筑材料的水分及密度的智能化仪器先进的智能化仪器，与传统的试验检测仪器相比，有着快速、准确方便的特点。目前，核子仪的使用正在工程界逐步得到推广，为工程建设提供了方便快捷的检测方法。本文通过对核子仪工作原理和测量方法的介绍，着重阐述使用过程中的几个问题。

关键词：核子仪原理方法问题

一、前言

众所周知，任何物体在各方面同时受压后，体积会缩小，密度会加大。受到的压力越大，变形也越大，这是一般常识。但这种线性关系不是永久如此，当物体分子间的间隙接近到一定程度，即物体的密度达到最大密度时，再大的压力也不会使它的体积缩小了。一条道路如果它的路基及路面，在筑路时都压实到了该材料的最大密度，这条路以后就不会因载重车的碾压而变形了。因此道路各层的压实度，直接影响道路的工程质量。

一条道路的压实情况不可能各处都一样。大部分压实了，而有小部分没有压实的情况是经常有的，以后这小部分就可能因受压而出现凹坑。为了提高道路的质量，最好一边压一边测，多点测量，不留隐患。基于核子仪快速、准确和智能化的特点，它是目前在修筑公路、铁路、机场、堤坝等工程中，目前核子仪在路基的压实过程中作为检测仪器，完全可替代传统的测试方法。在路基工程施工中，我国最常见的传统测试密度的方法有环刀法和灌砂法。所谓环刀法主要利用环形刀从被测体中切出一定体积的试样，体积的大小由环刀的尺寸确定，只要再用天平称出试样的重量，就能计算出它的密度。这种方法在“素土”土基上取样是可行的。但对混有砾石的路基，即便是小鹅卵石，环刀法也是很难取出四壁光整的样块，即不易得到准确的体积，从而影响密度的准确；又因环刀的尺寸比较小，取样中卵石与细砂所占的比例很不固定，得出的密度也就不稳定。这些都降低了环刀法测量的精度。所谓灌砂法就是用挖坑的方法挖取土基的试样，用灌砂法探测坑体的体积（即土基试样的体积），再称出试样重量，算出试样密度。灌砂法取样的体积要比环刀法大，如路基中有较大的鹅卵石，多取一块少取一块都对测量结果有较大影响，因为石块的密度要比砂的密度大得多。以上两种方法对道路都是破坏性的，测点越多破坏越严重。被测点在一次测量后就被破坏，因此要在同一点上进行多次的测量、复核是不可能的。为了得到干密度，还要将取得的试样进行烘干脱水，这是一件费时费力的事。据交通部颁布的《公路工程试验规程》规定，试样在105℃下要烘8～10小时，驱尽其中水分，才能根据样块重量的减轻算出干密度。这样慢速的传统测量技术在目前快速的机械化施工中是极不适用的。核子仪最大优点是能快速、准确地测出结果。只要按按键，仅数分钟就能得出以上传统方法测得的结果，而且人为影响因素小，数据客观性强。核子仪还可以在同一点上重复测量、复核，对道路的损坏可忽略不计，不会因为等待测量结果而影响施工速度，也不会因为数据不准确而影响路基质量。

能快速、准确地检测湿度、密度的核子仪，在施工的实际应用中替代传统的测试方法已势在必行。

二、核子仪的工作原理

密度测量的原理：γ源放射出γ射线，γ射

线与物质原子外围的电子进行弹性碰撞，发生康普顿散射，散射后的γ射线能量减少，方向改变。物质的密度越大，γ射线变化也越大。因此测量某一固定的γ射线进入某物质前后强度的变化，就能计算出被测物质的平均密度。密度与射线间的函数关系，目前多用下列公式表示：

D＝B·Ln（A/（R－C））

式中：D——密度；

R——现场计数/标准计数；

A——常数；

B——常数；

C——常数。

水分测量的原理：中子源放射出快中子，快中子遇到水中的氢，碰撞后能量减少，变为慢中子。用氦3管就很容易测出慢中子的量，经过换算也就测出了被测物质中含水分的多少。水分与慢中子间的函数关系，目前多用下列公式表示：

M＝（A·R）－B

式中：M——水分；

R——现场计数/标准计数；

A——常数；

B——常数。

三、核子仪的测量方法

核子仪的测量方法有两种。一种是反射法：将放射源及检测器置于地面，放射源放出的γ射线经过被测路面散射到检测器，这样可以测量路面以下5cm厚的结构层平均密度。因为对被测结构层完全无损，故也称为无损检测法。这种方法主要用于道路完工验收。压好的、平整的沥青路面，不会因测量造成损害，而且测量有相当的精度，其误差小于0.008g/cm3。

另一种方法是透射法：用钢钎在地上打φ18的孔，检测器置于地面，仪器中的放射源则通过手柄下压的动作顺着孔道送入地下要测的位置。γ射线透过被测体到达检测器，这样可以测出放射源到检测器之间所含物质的平均密度。测试时间一般一分钟左右，加长测量时间就可提高测量精度，其测量不确定度可达0.004g/cm3。这种方法主要用于指导土基的压实工作。用核子仪进行测量，可以知道土基不同深度的压实程度，因此该仪器被施工者誉为指导土基施工的“眼睛”。透射法的优点是测量精度高，对路面的平整度没有要求，缺点是要在地面用细钢钎打孔。当然，钢钎留下的细孔，与环刀取土样对道路的损害程度是完全不同的。

四、核子仪在使用过程中的几个问题

4.1数据的有效性问题

使用核子仪的人最大的顾虑莫过于害怕测得的数据不被承认，因为现行的规范中没有关于核子仪检测的专门规范，即使仪器再先进，使用时也放心不下。在我国开始采用核子仪的公路多是外资或国际贷款项目，由于大胆采用了核子仪检测的先进技术，使得核子仪在我国逐年推广，到目前为止还没有核子仪测出的数据不可信的结论。我们用核子仪测得的数据与传统方法测得的数据相比较，将比较的结果用加入“偏差”的方法输入核子仪，使核子仪在某一点的测得值与传统方法的测得值完全相同。这个“点”最好选在被测路段认为合格或不合格的分界点，如压实度为95%的合格“样板点”，让核子仪的读数与传统方法测得的结果完全一致。核子仪具有极好的线性关系，它能极方便地给出路段压实度合格与不合格的评价，从而达到指导施工的目的。也有的研究者用线性回归的方法，将核子仪测得的数据与钻孔取芯算出的数据进行比较，从而使得到的数据可信可靠。

4.2数据的精度问题

用“环刀法”测量素土的密度和湿度，可以说精确度是比较高的。但取样过程中人为影响因素较多，如取土样时用锤对土样中部稍多敲一下，测出的密度就会增加。用“灌砂法”在挖取土样遇到鹅卵石时，多取一块石与多取一点砂效果就不同，因石块的密度比砂大一倍。而核子仪人为的因素很少，测量的范围又比较大，被测范围内的石块的影响大大小于“环刀法”和“灌砂法”。另外，