市政工程材料核子密度儀和灌砂法比對試驗分析

王冬明

（珠海市金灣區建設工程質量監測站，廣東 珠海 519041）

0 引言

傳統市政工程材料壓實度檢測大都使用灌砂法，但該方法的檢測效率較低，嚴重影響市政工程的施工進度，無法及時反饋施工質量?；谝陨显虿糠值貐^采用核子密度儀檢測壓實度的方法代替灌砂法，并實施比對試驗，但在實際工程中需提取材料干密度、濕密度、含水率等相關數據，對數據結果修正處理，驗證核子密度儀在材料檢驗中對灌砂法的可替代性，以確保市政工程材料檢驗結果的科學性、準確性。但是對于不同工程實體材料的比對試驗卻很少涉及，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定儀器，用于測量材料的干密度和濕密度，其工作原理是通過測量材料中的Cs-137 發出的γ 射線衰減情況來計算材料的密度[1]，并通過241Am-Be 中子源放射的中子流進入被測材料，被測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的探測管接收到。被測材料氫原子含量越大，在單位時間內所轉化的慢中子數越多，檢測管接收的慢中子數越多，反之越少。然后微處理器把接收的慢中子數（水分計數值）除以水分標準計數值得到水分計數比，再把計數比送入水分計算程序可算出被測材料的含水率。值得注意的是被測物質中除了游離態的水以外還存在結合態的水及有機物中存在氫原子，因而被測得的含水量值一般偏高。核子密度儀測量速度快能夠在短時間內完成大量的測量工作。在檢測期間核子密度儀對工程實體沒有破壞性，支持連續測量。核子密度儀應用流程如圖1 所示。

圖1 核子密度儀應用流程

1.2 灌砂法

灌砂法是一種常用的材料密度測定方法，用于測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，然后測量砂子的質量與體積，從而計算出材料的密度[2]。灌砂法操作簡單，不需要復雜的設備和技術，適用于現場操作。通過測量砂子的質量和體積能夠較準確地計算出材料的密度。灌砂法操作流程如圖2 所示。

圖2 灌砂法操作流程

2 試驗設計與應用

2.1 試驗設計

試驗準備好相應的儀器設備包括NDH-AⅡ型核子土基密度含水量聯合測定儀、灌砂筒、數顯溫濕度儀、電子天平、電子計量秤、500℃高溫烘箱、烘干箱等。含水率試驗基于相關標準開展比對灌砂法和核子密度儀檢測結果。選取試驗段分別為為150m 的路基、150m管道回填、150m 雨水渠回填和150m 水穩基層，試驗材料分別土路基、中粗砂、石屑、水穩碎石4 類，施工完成后現場進行核子密度儀法和灌砂法檢測，并將灌砂法所的材料在105℃和500℃環境下分別烘干處理。為確保試驗測量的最終結果滿足要求，在材料內取點次數15 次，計算相應的偏差值得到校正補償值，并重新在該項目另一路段取點分別檢測10 個點進行比對試驗[3]。

2.2 數據處理

比對試驗期間提取的相關數據采用差值計算方法對含水率、濕密度補償值等進行數據計算，并利用函數計算兩者之間的相關系數。為計算兩種測試方法的相關性，可通過最小二乘法進行線性回歸分析，如式（1）和式（2）所示。

式中：A——斜率；B——截距；C——測量范圍；X、Y——不同測量方法檢測結果；Xmin——檢測數據的最小值；Xmax——檢測數據的最大值[4]。

A、B 及相關系數R 計算公式如下：

式中：x——灌砂法檢測數據；y——核子儀法檢測數據。

根據以上計算出來的線性回歸方程和相關系數，分析該種材料在工程實體檢測時是否適用核子密度儀法，并將在105℃和500℃環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行對比，確保儀器結果的可靠性，并分析其原因。

3 測量結果

3.1 材料濕密度測量結果

根據150m 各類材料試驗段試驗結果，比對兩種試驗方法中的濕密度測量結果，如表1 所示。

表1 各材料濕密度測量結果

對于灌砂法和核子密度儀檢測結果，比對兩者之間的數據關系，校正后的中粗砂、土路基、水穩碎石、石屑材料的濕密度平均補償值分別為-0.058g/cm3、0.060g/cm3、0.052g/cm3和-0.027g/cm3。將該濕密度補償值輸入核子密度儀的修正量中繼續進行比對試驗。

3.2 材料含水率測量結果

根據150m 各類材料試驗段試驗結果比對兩種試驗方法中的含水率測量結果，如表2 所示。

表2 各材料含水率測量結果

比對灌砂法和核子密度儀檢測結果之間的數據關系，校正后的中粗砂、土路基、水穩碎石、石屑材料的含水率平均補償值分別為-1.2%、-4.4%、-0.2%和-0.9%。將該含水率補償值乘以該材料的最大干密度得到數值輸入核子密度儀的修正量中繼續進行比對試驗[4]。

3.3 材料干密度及線性相關分析

在該工程各材料位置輸入修正值后取點檢測10個點進行繼續比對試驗后得到的每種材料的干密度值，如表3 所示。

表3 各材料干密度測量結果

通過數據擬合，可以得到4 種材料兩種檢測方法的線性回歸公式和相關系數分別如下：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得的含水率分析

針對核子密度儀法含水率與灌砂法含水率偏差較大的問題，將灌砂法所測材料進行500℃的高溫烘干試驗，所得結果如表4 所示。

表4 各材料500℃烘干后含水率及核子密度儀檢測得到的含水率結果

3.5 結果分析

通過4 種材料兩種檢測方法的線性回歸公式和相關系數數值的具體情況，水穩碎石和土路基的相關系數大于0.95，相關性良好，能夠通過比對試驗，采用修正值修正后可以運用到工程檢測中[5]。

通過4 種材料兩種檢測方法的線性回歸公式和相關系數數值的具體情況，作為回填材料的中粗砂和石屑未能達到相關系數大于0.95 的要求，核子密度儀不適用于該此項目該種材料的檢測，根據其工作原理可以分析得到其不適用的原因為回填材料周邊有管道或者雨水渠，管道或雨水渠等會使γ 射線衰減，導致濕密度偏大，且無法保證核子密度儀每次測量與周邊的管線距離保持一致。中粗砂和石屑的濕密度補償值分別為-0.058g/cm3和-0.027g/cm3，與實際情況相符。

市政工程材料500℃烘干后的含水率與核子密度儀檢測得到的含水率幾乎相同，略小于核子密度儀檢測數值，且校正后的中粗砂、土路基、水穩碎石、石屑材料的含水率平均補償值分別為-1.2%、-4.4%、-0.2%和-0.9%，說明土路基中結合水的含量較高，對壓實度結果有較大影響，且500℃烘干已經能將絕大部分結合水蒸發。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。水穩碎石核子密度儀測得的含水率與灌砂法數值相差僅為-0.2%。

4 結論

綜上所述，核子密度儀在市政工程材料檢測中應用需要考慮不同材料及檢測環境對于壓實度檢測的影響。作為回填材料的中粗砂和石屑因檢測點周邊存在管線等影響因素，核子密度儀檢測壓實度時無法滿足相關系數大于0.95 的要求，無法適用于該類材料的壓實度檢測中。水穩碎石基層和土路基的相關系數分別為0.979 和0.983，能夠滿足大于0.95 的要求，核子密度儀能夠應用于市政項目土路基及水穩碎石基層的壓實度檢測。另外，核子密度儀能夠通過檢測出材料中氫原子的含量，得到該類材料的游離態和結合態水的總量，而水穩碎石的結合水含量極低，因此，在土路基檢測時發現路基土有明顯差異時，需要重新進行比對試驗，確定濕密度和含水率修正值。