毛里求斯B6道路升级改造二期项目位于毛里求斯中部，是世界银行贷款EPC项目，B6公路项目全长13公里，其中老路改造约7.5公里，新建线约5.5公里，2个T形接口，3个转盘，原老路宽约为6米，改造后的宽度为1+1.5+3.7+3.7+1.5+1；两侧设浆砌石排水沟，其中路面结构层为25cm碎石底基层（0～31.5）+23cm碎石基层（0～20）+16cm沥青砼基层（0～20，沥青含量4.8%）+5cm磨耗层（0～14，沥青含量6%）。工期要求为18个月。本工程具有工期短、工程量大、且受到台风以及降雨等影响，工期要求比较紧张。本工程由中国水电集团承建。
本工程安装英国BS 标准实施，对于路基回填之前要求原地面达到90%压实度，回填路基顶部30cm选料回填要求达到98%压实度；0/31.5mm碎石要求有95%压实度，0/20mm碎石要求达到98%压实度；沥青要求达到97%压实度。压实检测工程量较大，故选用核子密度仪用作检测仪器以替代传统的灌砂法检测，加快检测速度，及时指导生产提高工作效率。
关键词：国外工程 核子密度仪 Troxler3440 压实度
1 核子密度仪工作原理
本项目采用美国Troxler生产的3440型核子密度湿度仪（简称核子密度仪），用来测量泥土、泥石聚集物、水泥和沥青地基、沥青表面等的湿度、密度和压实度。
1.1密度检测
Troxler 3440 核子密度仪内置有两种放射性物质，其中铯-137（cesium-137）位于探测杆端部,产生伽玛射线(Gamma emission), 用于检测压实度。检测是共有两种检测模式：直射法与反射法。
采用直射法检测时（如图1示），含有铯-137放射源的探杆降低到要求深度，会产生伽玛粒子，核子密度仪底板的探测器检测放射强度。伽玛粒子到达探测器前必须经过需检测材料，大量伽玛粒子会与需检测物质内电子碰撞并消失，探测器可以检测消失的粒子数量并据此计算出需检测材料的压实度。简而言之，到达探测器的粒子数量越少，则材料的压实度越高。由于所有到达探测器的粒子都来自于探杆端部放射源且全部穿过检测物质，因此所得到的密度就是探测器表面与探杆端部放射源之间的平均密度。
采用反射法检测时（如图2示），伽玛粒子进入被检测材料内部需经过至少一次散射（或）反射才能进入探测器。此时探杆被锁定在安全模式下的第一格，使探杆与探测器处于同一水平位置。在理想情况下，伽玛粒子不会直接进入探测器，然而在实际情况下检测到的直射法粒子通常比反射法少10%或更少。由于不需要打洞，反射法更适用于混凝土或者沥青表面。由于粒子到达探测器之前至少被反射了一次，因此反射法测得的平均放射能量要小于直射法。直射法检测了从探杆端部至仪器探测器之间的平均密度，反射法检测的主要是材料表面的密度。
图2---放射法检测示意图
1.2 湿度检测
Troxler 3440型核子密度仪采用40毫居里（mCi）镅241放射源，向土壤等被测材料放射高能中子射线，高能中子与氢原子碰撞后，迅速失去能量而变成低能中子，而其它任何种类的原子都不能象氢原子那样显著减少高能中子的能量。被测材料中的湿度越高，水分含量就越高，氢原子就越多，当中子射线穿过时，将产生更多的低能中子；同样的原因，当被测材料较干时，产生的低能中子数目就较少。Troxler仪器中内置的氦-3管对低能中子非常敏感而对高能中子不敏感。低能中子计数越高，表示被测材料的湿度越高；反之，低能中子计数越低，表示湿度越低。核子仪测量的是地表到地表以下10公分的材料的平均含水率。
核子仪在进行密度和水分测量时，分别使用不同的放射源，不同的射线接受器，不同的数据计算系统，所以密度和水分两个检测系统相互独立，其检测数据也互不影响。
2 核子密度仪在公路工程的应用
2.1 核子密度仪自检
因为放射源会衰变，为确认工作正常，每日应取标准计数。 把参考件数放在干燥，平坦的表面上，至少离任何建筑物或结构2 米（6 尺），离任何其他放射源10米（30尺）。仪器放在参考件上，需保证参考件顶和仪器都清洁干净、平滑没有泥巴和任何其他物质妨碍良好的面对面接触，使仪器处于安全模式，即可进行标准计数。
仪器将自动地将这次新计数值和过去最后4 个标准计数的平均值进行比较，如果不超过（或不小于）湿度平均值的2%并（或）密度平均值的 1%，此新计数值将视为合格。在获取计数值之后，需把标准计数登记记录。
2.2 核子密度仪与灌砂法对比试验
根据本项目技术规范，在使用核子密度仪前需对核子密度仪与灌砂法进行对比试验，对比需每月进行一次。本工程分别在土方回填段、0/31.5mm碎石段、0/20mm碎石段进行对比试验，在每次对比试验室选取100～200m已压实施工段，取5个点进行灌砂法检测，根据对比试验结果建立回归方程，并对核子密度仪的检测结果进行修正。
式中a、b为回归系数。
其中假设Y值为灌砂法实测结果，X为核子密度仪检测结果。现以2012年10月份在0/31.5mm级配碎石施工段实测结果建立一元线性方程，其中0/31.5mm碎石最大干密度为2357Kg/m3，最佳含水量为6.3%。
表1 灌砂法与核子密度仪现场检测结果对比
得出压实度线性方程为Y=0.937X+5.47，相关系数为R2=0.98；
含水量线性方程为Y=0.932+0.749，相关系数为R2=0.97。
根据以上结果，说明Troxler 3440满足规范对于相关系数大于0.9的要求，可以用于本项目试验检测。同时在进行土方检测以及沥青检测（反射法）同样进行对比试验，土方与碎石一样采用灌砂法检测检测结果对比，沥青进行对比试验时采用钻芯法检测实际压实度，即可得出相应的线性方程以及相关系数。
2.3 核子密度仪现场检测
在进行土石方路基施工时，需分段对土样进行击实试验以获取相应的最大干密度以及最佳含水量，在核子密度仪内输入相应的值，在碾压过程之中即可进行压实度检测，检测方法为直射法检测，根据BS规范需检测至15cm深度的压实度，根据操作规范要求，打孔深度要至少大于检测深度5cm，故打孔深度为20cm。检测频率根据本项目规范要求，为每20m一个检测点，结果达到要求之后，即可进行验收等施工，在进行大量检测时，检测时感应时间一般设置为15s即可满足精度要求。
在进行0/31.5mm与0/20mm施工时，需首先按照规范要求频率取样送检，检测碎石级配等参数，同时由击实试验得出相应批次材料的最大干密度（MDD）以及最佳含水量（OMC）。在检测相应施工段压实度时，输入相应的MDD值，检测同样采用直射法，按照BS规范检测15cm深度的碎石压实度，打孔深度最小为20cm。检测频率根据本项目规范要求，为每20m一个检测点，感应时间可设置为15s，结果达到要求之后，即可进行验收等施工。
在进行沥青混凝土施工时，每天取沥青样本送检，获得相应的马歇尔值。在检测沥青混凝土压实度时采用反射法检测，避免打孔过多对沥青路面的破坏同时也可以加快检测速度。检测前需输入相应施工段的马歇尔值，在检测时只需将探杆放置在Backscatter位置，感应时间设置为15s即可满足检测精度要求。检测频率根据本项目规范要求，为每20m一个检测点。
3. 核子密度仪的防护
由上述可知Troxler 3440放射性粒子主要由γ射线以及中子构成。核子密度仪在使用及存放时均会产生微量的辐射。在美国以及其他国家规定每年人体能接受的最大辐射量为5000mrem，在一般使用情况下，使用3440型核子密度仪的操作人员接受到仪器辐射量为小于200mrem。然而仍然需要采取必要的措施以减少辐射量，减少辐射有三原则：时间、距离、防护。因此在使用仪器时，人员需后退到仪器3m以外，同时需对每一个操作人员申请辐射局配发的辐射卡片，每半年送至辐射局检查人体所接受的辐射量。储存核子密度仪需有专门的房间，砌筑简单的迷宫型储藏室以避免辐射对周围的影响。通过严格遵守操作手册以及规范规定，可最大程度的减少辐射对人体的影响，保证操作人员的安全。
5 结语
相比传统的灌砂法、取芯法检测压实度，核子密度仪的使用极大的加快了土石方、级配碎石以及沥青混凝土的压实度检测速度，减少了试验人员的工作量，为B6公路项目部顺利进行提供了必要的保证，加快了施工进度，提高了施工质量，取得了良好的效果。
论文作者:范金辉,,,王亚静
论文发表刊物:《科学与技术》2019年14期
论文发表时间:2019/12/5
标签：核子论文; 压实论文; 中子论文; 沥青论文; 探杆论文; 碎石论文; 密度仪论文; 《科学与技术》2019年14期论文;