氣球密度儀法在現場檢測壓實度中的應用

梁騰龍

（中國水利水電第十四工程局有限公司非洲事業部，云南 昆明 650041）

1 體積測試原理

氣球密度儀與灌砂筒檢測現場壓實度，都是以某種物質作為介質從而換算試驗探坑體積，最后達到計算現場材料壓實密度為目的。檢測方法的不同在于探坑體積測量方式存在區別。

灌砂筒：利用已知密度均勻（0.3-0.6mm）的量砂從一定高度自由下落灌入到探坑內，按單位重不變的原理來測量探坑體積，再根據探坑內的材料質量計算材料密度，以達到計算現場壓實度為目的。

氣球密度儀： 通過氣球密度儀加壓裝置向儀器中的儲水桶中施加壓力，使底部橡膠氣球膨脹填充探坑，再通過體積標尺直接讀取探坑體積，根據探坑內材料質量計算材料密度，以達到計算現場壓實度為目的。

2 氣球密度儀

從（圖1）可以簡單地了解該儀器的配件及說明，氣球密度儀主要配件：

1）水位器，連接與儀器頂部用于調節水位和觀察氣泡；

2）壓力表，最大量程1巴，精確0.02巴；

3）加壓桿（體積標尺），一個外部刻有刻度線的中空桿，底部配有橡膠活塞和密封圈；

4）儲水桶，銅制外殼，內徑9.5cm內壁光滑無凸起變形；

5）基礎版，基礎版為中心開有圓孔，外沿呈方形的合金金屬板，具有足夠的硬度，不會在使用的過程中變形，基礎版中心開孔直徑為150mm；

6）橡膠氣球，具有柔性的橡膠薄膜，防水且可自由拆卸，也可用其他乳膠材料代替。

圖1 氣球密度儀示意圖

3 試驗步驟

3.1 粗糙表面體積檢測

測點利用毛刷清除松散顆粒且面積不小于基礎板尺寸，用鉚釘固定基礎板使其接近水平面，如果達不到，應重新進行調整。將儀器固定在基礎板上，按壓手柄使其達到所需壓力（大于或等于0.05巴）本文所用儀器擬定的基準壓力為0.2巴，然后通過儀器的體積標尺上直接讀取測點粗糙表面體積。

3.2 試坑中材料的重量

用鐵錘和鋼釬挖取探坑內的所有材料，試坑深度不大于孔口直徑切不小于孔口直徑的一半，試坑的形狀必須是垂直向下，試坑內松散顆粒應用毛刷進行清理，收集從試坑中挖取的所有材料密封在塑料袋或稱樣器皿中防止水分蒸發，在挖取材料的過程中應避免材料丟失。

3.3 探坑體積測量

將氣球密度儀再次固定在基礎板上，扭緊固定螺栓，按壓手柄向儲水筒內加壓，待加壓至0.2bar的壓力時立即停止施壓，提起手柄利用體積標尺上的游標讀取所測探坑的總體積。最后利用總體積減去粗糙面體積所得出的就是探坑內的體積。

注意：在第3項中描述的所有操作過程中，基礎板都不得在試驗的過程中發生移位（特別是在體積測量期間）。

4 對比試驗

4.1 灌砂筒檢測準備工作

根據粒徑大小選用合適的灌砂筒，本文以150mm大型灌砂筒為例，一袋標準砂按照規范JTG E60-2008公路工程路基試驗檢測規程提取0.3mm-0.6mm的量砂，三次量砂的平均松方密度為1.33g/cm3；灌砂筒距筒口約15mm位置的定值筒加砂為8500g在玻璃板上標定錐體體積內基準量砂為661g灌砂筒流沙口開關關閉自由。

4.2 氣球密度儀檢測準備工作

安裝水位器，用生膠帶纏裹防止漏氣漏水；倒置氣球密度儀向儲水筒內注水，安裝底部橡膠氣球確保密封不透水；轉正儀器打開水位器頂部封蓋，將配套直徑為150mm的鋼制圓形鋼片墊入基礎板圓環內，然后將儀器安裝在基礎板上扭緊基礎板螺絲；體積標尺歸零，輕輕敲打基礎板和儲水桶外壁，使多余氣泡通過水溫器排出，過程中繼續向設備內注水，直至觀察無氣泡排出后擰緊水位器封蓋；擦干儀器外部水分，垂直旋轉設備觀察是否有水溢出，無水溢出則表明準備工作完畢。

4.3 同一探坑體積測試對比

在路基上選擇測點，根據3.2的操作步驟先利用灌砂筒基礎板，在測點上檢測粗糙面的體積，然后將氣球密度儀基板用鉚釘固定在原位置，挖取徑高比1∶1的試驗探坑，挖取探坑內的所有材料，清除坑內松散材料。將氣球密度儀安裝在基礎板上測量探坑體積，最后將灌砂筒置于探坑上測量探坑體積，兩種儀器分別檢測的結果數據看（表1）：

表1 儀器檢測數據

通過2種設備在同一測點位置做體積對比我們可以看出2種設備的體積檢測方法雖然有所不同，但最終的檢測結果相同令人滿意。氣球密度儀的基礎板厚實測為0.5cm通過計算得出基礎板內的理論體積為88.4g/cm3，氣球密度儀實測145g/cm3減去基礎板內體積結果為56.6g/cm3結果接近于灌砂筒所測得的測點粗糙面體積54.9g/cm3。氣球密度儀最小精度為10g/cm3如有精度要求可以進行估讀，因為精度的需要作者在這里進行了估讀。

4.4 數理統計分析

利用2種設備在相同材質的路基自然段上進行試驗評定統計分析，測試點采用隨機取樣法，路基結構層為PST-0路基頂，設計壓實度95% 材料為紅土礫石料，評定采用規范JTG F80/1-2017公路工程質量檢驗評定標準 第一冊 土建工程。

以上結果顯示灌砂法檢測結果評定中標準差和變異系數偏差大，數值反應現場壓實度不穩定。氣球密度儀法相對于灌砂法來說，結果偏差相對比較穩定，操作過程中只要施加的壓力保持一致，探坑體積變化就不會太大。

5 儀器標定

氣球密度儀體積標尺由30個主刻度線組成，最大測量體積3000cm3詳細信息可以查看（表2）中的刻度線。如果在使用之前對體積精度產生疑問，可以按照以下步驟對儀器進行標定，舉例為3000型密度儀：

1）將儀器底部固定裝置打開，將內置活塞提升至頂部并將體積標尺上的游標歸零，分別用1m的鋼直尺和游標卡尺檢測儲水桶的內徑和筒深，經測量筒深為4233mm，內徑為95mm通過體積公式計算得出儲水桶的體積為3000cm3按照體積標尺的精度又可以分為30個主要刻度線、150個次要刻度線和300個分刻度線，通過以上數據我們可以進行計算每個刻度線之間的間距（圖2）：

表2 灌砂筒法檢測壓實度結果評定

表3 氣球密度儀檢測壓實度結果評定

圖2 示意圖

每個主要刻度線間距：4233/300=14.11mm；

每個次要刻度線間距：4233/300/5=2.82mm；

每個分刻度線間距:4233/300/10=1.41mm。

2）用游標卡尺測量每個主刻度線、次刻度線和分刻度線的間距，每個刻度線的間距距離就代表相對應的體積，每1.41mm代表的就是10cm3的體積、每2.82mm代表的就是20cm3的體積、每14.11mm代表的就是100cm3的體積，以此類推。

3）如果體積標尺刻度間距出現差異且每級刻度間距保持一致的情況下可以通過修正系數來彌補，例如對分刻度進行測量實際測量刻度間距為1.21mm體積為8.58cm3通過標準體積可以計算出修正系數為1.166如果存在修正系數，在探坑體積的測量中應考慮修正系數，有必要時每年對儀器進行標定1次。

6 結語

灌砂法用的量砂在運輸過程中和試驗過程中的輕微震動都會造成探坑體積發生變化，每次量砂回收之后要進行多次篩分所以每天都需要進行清洗后重新標定量砂密度，以確保檢測結果準確有效，過程煩瑣不易操作。探坑體積誤差每增加1cm3壓實度濕密度變化1kg/m3壓實度結果變化0.041%，試驗過程避免因操作不當造成誤差偏離過大影響檢測結果。

氣球密度儀可以快速簡便的進行現場壓實度檢測，為現場試驗驗收工作節省時間。氣球密度儀建議采用蒸餾水，防止有過多微氣泡影響檢測結果，對于繼配碎石料土或針狀顆粒較多的碎石層，在探坑邊緣及底部用平面鐵器進行敲打，避免橡膠氣球破裂。儀器在使用及運輸過程中應小心搬運防止重物擠壓導致的體積標尺變形除此之外建議做定期保養和標定，防止數據失真，長久不使用的應保養后進行封存。