無核密度儀在沈山高速公路路面壓實度無損檢測中的應用

王義強，孫緒康，楊 磊，關 戈

(1.遼寧省交通科學研究院有限責任公司 沈陽市 110015； 2.遼寧交投公路科技養護有限責任公司 沈陽市 110000；3.遼寧省交通運輸事業發展中心 沈陽市 110005)

0 引言

壓實度是瀝青路面施工工藝、施工質量評價的一個關鍵指標，良好的壓實度才能保證良好的使用性能。路面現場壓實度主要利用鉆芯法進行檢測評價，鉆芯法需要在檢測位置鉆取一個直徑100mm左右的芯樣，會對路面造成一定程度的損壞，因此無法大面積取樣，無法實現對路面離析情況或壓實均一性情況的全面評價[1-2]。

目前，可實現對瀝青路面壓實度無損檢測的手段有兩種：一是核子密度儀法，一種是無核密度儀法。核子密度儀利用同位素放射原理，向被測材料發射射線，利用返回射線的計數來計算被測物體的密度；無核密度儀向被測物體發出電磁波，通過檢測電磁波波形的變化來分析被測物體的介電常數，再利用介電常數與密度的相關性來分析被測物體的密度。核子密度儀法和無核密度儀法均不會對路面產生損壞，皆為無損檢測方式。與核子密度儀相比，無核密度儀在使用過程中僅發出電磁波，因此使用安全性更高。近年來，無核密度儀在道路工程檢測中的應用研究較多，王江生等人對無核密度儀的測量方法與測量精度進行研究，指出采用相交法精度更高，且測量圓應不少于3個[3]；王少華對使用無核密度儀對鋼橋面瀝青混凝土鋪裝的壓實度進行了檢測與分析，研究指出，含水量的不同可導致修正密度較大的誤差，而現場系數修正可消除檢測結果的離散性和含水量對檢測結果的影響[4]。魯華英等人研究表明，瀝青鋪裝含水量和干燥時間的不同可使SMA-13電磁密度測試數據相對誤差達到8.74%，而基于現場修正常數的二次修正法可降低這種影響，提高檢測結果的準確性[5]。許建超利用無核密度儀對瀝青路面的適宜碾壓溫度進行了分析[6]。

在沈山高速公路路面維修工程中開展了無核密度儀檢測瀝青路面壓實度的一些試驗研究工作，對無核密度儀檢測瀝青路面壓實度的數據的穩定性以及大面積檢測方法進行了分析。

1 無核密度儀的測試原理

1.1 測試原理

無核密度儀是相對于核子密度儀來說的多種不使用同位素放射源檢測土工材料及瀝青混合料的密度的各種檢測儀器的統稱。無核密度儀一般采用的是高頻無線電波來測量壓實土壤或者瀝青路面的介電性，然后根據介電性與密度之間的特定關系來測算所測結構物的密度。當電磁波通過土壤或者瀝青路面時，由于受到土壤或者瀝青路面的密實程度的不同，進一步會影響到電磁波的波形，也就是說電磁波通過土壤或者瀝青路面時，其本身的相位和幅值都會受到相應的影響，然后我們通過對比標準的模塊的衰減參數，便可以計算出被測土樣或者瀝青路面的密實度。

1.2 無核密度儀的應用優勢

無核密度儀與鉆芯法相比，具有諸多優勢，例如，測量速度快、效率高，無核密度儀測量時間最大為2s，典型值1s，即接觸路面開始測試后，立即可測得路面的密實度，并計算出壓實度，而取芯法通常需要24h以上；無核密度儀檢測時對路面無損害，可進行大面積的測量評價以及不適于取芯的路面材料的壓實度快速檢測，例如鋼橋面瀝青混凝土鋪裝的壓實度如果采用取芯法，則容易造成鋼橋面板損傷。

2 試驗設備技術參數

本次試驗采用的無核檢測設備是美國Troxler(特克斯勒)公司的PaveTracker Plus 2701-B無核密度儀。

其主要技術參數如下：

操作溫度要求周圍環境溫度0～70℃，表面溫度最高175℃；測量模式分為連續、離析、平均三種模式；測量時間1s；測量精度±3.2kg/m3；探測深度4.44cm；數據存儲999條。

3 沈山高速公路檢測數據分析

3.1 測量值與芯樣數據的比較

無核密度儀測得的數據是一個相對值，需要將測得的相對密度按照實測密度進行修正。測試時，首先將無核密度儀的補償值設定為0，然后鋪砂進行測試，測試后，在測試位置鉆取芯樣進行測試測點處的芯樣密度，試驗結果如表1所示。

試驗結果表明，本次測試，無核密度儀測試結果與芯樣實際密度之間的差值在88～95kg/m3之間，標準差為3.8kg/m3，以三個差值的均值90.7kg/m3作為修正值。

3.2 同一測點數據分析

為分析設備測試的穩定性以及人為操作方面對檢測數據的影響，在同一測點進行了四次測量，測量時，首先進行了鋪砂，然后以90°為間隔改變設備角度進行了4次測量，測量值如表2所示，其中補償值設定為89.0kg/m3。

試驗數據表明，對于同一位置，測試4次時，由于設備及人為操作等方面的因素導致的變異性較小，數據之間的極差為36～53kg/m3，各個測試中，與平均值之間的最大差值為33kg/m3，如果馬歇爾密度按照2435kg/m3計算，極差之間的壓實度差值為2.2%，各測值與平均值之間的壓實度的最大差值為1.4%，即各測點只進行一次測試時，可能造成的最大誤差為1.4%，因此，建議在使用無核密度儀進行壓實度分析時，對同一點，至少進行3次測量。

3.3 不鋪砂與鋪砂比較

為了嘗試不鋪砂的可行性，以提高大面積檢測時的試驗效率，選擇三個測點進行了鋪砂與不鋪砂測試結果的比較，試驗時，先進行不鋪砂的試驗，然后在同一測試點鋪砂再進行一次試驗，每次試驗均進行4次，然后取平均值作為最終結果。試驗結果如表3所示。

試驗結果表明，對于相同路段的不同測點，不鋪砂與鋪砂試驗數據的差值之間差異較大，最大差值為100kg/m3，其原因應該與不同測試點表面的密實程度及平整程度有關，因此，用未鋪砂的測試數據來推算鋪砂數據很可能導致較大誤差，建議在使用無核密度儀進行現場壓實度離析程度分析或評價時，首先應選擇平整測試面，并鋪砂進一步整平，然后再開始測試。

3.4 無核密度儀用于壓實度離析程度分析的初步嘗試

利用無核密度儀對邊車道兩處位置進行了橫斷面和縱斷面的壓實度檢測，橫向測量時以平等間隔取5個測點，縱向測量時，沿車道的縱向中線每隔30m取一點，共取9個點進行測量，最后進行了離析程度分析。結果整理如表4所示。

試驗結果表明，對于所測路段，縱向與橫向相比，壓實度在縱向的變異性更小，橫向的變異性更大，約高1%左右。

橫向檢測結果與縱向檢測壓實度分布如圖1～圖3所示。

圖1 位置1壓實度橫向分布

圖2 位置2壓實度橫向分布

圖3 位置2壓實度縱向分布

由圖中可以看出，對于單個車道，在橫斷面上壓實度總體表現為中部壓實度較高，而邊緣處壓實度略低，其主要原因可能有以下兩個方面：一方面為邊緣處容易產生離析，另一方面邊緣處溫度降低較快，且位于壓路機鋼輪的邊緣，壓實效率較低。縱向的壓實度與橫向壓實度離析程度相比，其變異性更小。

4 結語

在沈山高速公路路面維修工程中開展了無核密度儀瀝青路面壓實度檢測分析工作，得出以下結論：

(1)經過修正后，無核密度儀測試的路面壓實度與芯樣數據較為接近，與實測芯樣密度的誤差值在3kg/m3以內，無核密度儀檢測可作為路面壓實度大面積檢測及離析程度總體評價的技術手段，尤其可以作為難以取芯的橋面鋪裝層等結構層的壓實度的檢測評價手段。

(2)現場檢測表明，不鋪砂與鋪砂試驗數據的差值之間差異較大，不鋪砂的檢測數據變異性較大，建議在使用無核密度儀進行現場壓實度檢測時，首先應選擇平整測試面，并鋪砂進一步整平，然后再開始正式測試。

(3)無核密度儀可實現對路面壓實度的大面積、快速檢測，是壓實度離析程度全面分析的重要手段，對于優化施工工藝以及路面設計指標完善均具有重要的參考意義，應持續進行實踐，不斷總結應用經驗。