無(wú)核密度儀（PQI）在道路工程領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

林春梅，潘 洋

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市 300051）

1 無(wú)核密度儀（PQI）簡(jiǎn)介

無(wú)核密度儀是相對(duì)于核子密度儀來(lái)說(shuō)的多種不使用同位素放射源檢測(cè)土工材料的密度的各種檢測(cè)儀器的統(tǒng)稱。

最新的兩種被稱作無(wú)核密度儀的產(chǎn)品是利用電磁法原理叫做PQI（見(jiàn)圖1）和利用時(shí)域反射（TDR）技術(shù)叫做“M+DI”的儀器，宣稱可以象核子儀一樣同時(shí)測(cè)試密度。PQI利用電磁輻射測(cè)試熱瀝青混合料的相對(duì)密度，不能測(cè)試土壤，也不能測(cè)試任何哪怕含有微量水分的材料。

圖1 無(wú)核密度儀

電磁密度儀（PQI等）利用發(fā)射的電磁波在材料中的能量吸收和損耗來(lái)檢測(cè)材料的密度。電磁密度儀主要包括一個(gè)電磁波發(fā)射器、一個(gè)隔離環(huán)和一個(gè)電磁波接收器。其檢測(cè)原理是向被檢測(cè)材料中發(fā)射電磁波，電磁波是指電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互作用。振動(dòng)而產(chǎn)生的波動(dòng)，是放射線、光、電波的總稱。電磁波在材料中傳播時(shí)，其能量發(fā)生吸收和損耗，材料對(duì)電磁波能量的吸收和損耗取決于材料的介電常數(shù)。

2 PQI在路面檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1 工作原理

瀝青混合料的密度與其介電常數(shù)直接相關(guān)。無(wú)核密度儀的工作原理就是利用儀器自帶的感應(yīng)盤建立環(huán)形電波，量測(cè)瀝青混合料的介電常數(shù)，由儀器內(nèi)部電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換為密度讀數(shù)并顯示出來(lái)。在缺陷處，如空隙位置，電波的傳遞受到了影響，必然使混合料的介電常數(shù)發(fā)生改變，從而影響密度。

2.2 檢測(cè)方法

第一步，進(jìn)行儀器標(biāo)定。PQI共有四種工作模式：連續(xù)模式、單點(diǎn)模式、平均模式、離析模式。對(duì)應(yīng)PQI標(biāo)定模式也有四種：標(biāo)準(zhǔn)模式、單點(diǎn)模式、兩點(diǎn)模式及人工斜率模式。本文采用標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定模式。標(biāo)定時(shí)，在干燥的瀝青路面上準(zhǔn)備10 ft長(zhǎng)、5 ft寬的矩形區(qū)域，將該區(qū)域分為5個(gè)數(shù)據(jù)位置（見(jiàn)圖2）。

圖2 標(biāo)定區(qū)域

將PQI置于數(shù)據(jù)位置1，使用粉筆沿PQI感應(yīng)盤畫(huà)圓。進(jìn)入單點(diǎn)模式，讀數(shù)并記錄。向右上方移動(dòng)2英寸至圓的邊緣，將此位置記為“2點(diǎn)鐘”方向，讀數(shù)并記錄。將PQI沿圓移動(dòng)至“4點(diǎn)鐘”方向，讀數(shù)并記錄。繼續(xù)至“8點(diǎn)鐘”與“10點(diǎn)鐘”方向，并記錄密度讀數(shù)。在剩余的4個(gè)數(shù)據(jù)位置，進(jìn)行類似的測(cè)量并記錄讀數(shù)，見(jiàn)圖3。

圖3 量測(cè)位置示意

讀數(shù)結(jié)束后，從1～5的數(shù)據(jù)位置中央鉆芯取樣，測(cè)量芯樣毛體積密度，并取其均值。將其均值與PQI讀數(shù)均值進(jìn)行比較，得到密度偏移量輸入此偏移量，完成標(biāo)定。

第二步，現(xiàn)場(chǎng)路面壓實(shí)度檢測(cè)。

（1）選擇路面類型。主要選項(xiàng)有：25～30 mm（Base）；16～24 mm（Inter）；9～15 mm（Top）。此處數(shù)值主要是指該層混合料最大顆粒粒徑。在進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，必須先進(jìn)行路面類型選擇。

（2）輸入待測(cè)瀝青路面厚度。PQI檢測(cè)深度為25～100 mm。PQI的讀數(shù)實(shí)為厚度范圍內(nèi)平均密度結(jié)果。

（3）輸入最大理論密度值。PQI輸出結(jié)果為百分比即壓實(shí)度，須人工輸入該路面瀝青混合料的最大理論密度值。

（4）選擇適當(dāng)模式，進(jìn)行讀數(shù)。

2.3 PQI在路面密度測(cè)試的應(yīng)用分析

PQI反映的是儀器底面下材料密度的平均值，因此PQI底面下測(cè)定層必須攤鋪平整，以使儀器底面與被測(cè)定層完全接觸。測(cè)定的表面不干凈、有松散體或測(cè)定的路面潮濕等都會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果有較大的影響。顯然，PQI更適用于表面相對(duì)光滑的路面密度測(cè)定，相對(duì)于構(gòu)造深度較大、公稱最大粒徑較大的瀝青層而言，PQI測(cè)定構(gòu)造深度小、公稱最大粒徑較小的瀝青層的密度結(jié)果可靠度較高。

瀝青混合料的粒徑較大，在施工過(guò)程中發(fā)生集料離析的可能性增加，使得路面的均勻性降低，路面材料表現(xiàn)出更大的各向異性，因此PQI測(cè)定較大粒徑的瀝青混合料路面的密度時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果的離散性也較大。

3 無(wú)核密度儀(PQI)在瀝青路面施工質(zhì)量控制中的應(yīng)用

3.1 PQI在瀝青面層密度(壓實(shí)度)中的應(yīng)用

為了驗(yàn)證PQI對(duì)瀝青面層密度(壓實(shí)度)檢測(cè)中的精度，分別對(duì)A高速公路測(cè)試段和B高速公路測(cè)試段進(jìn)行了測(cè)試，具體測(cè)試結(jié)果如下。

（1）測(cè)試一

首次對(duì)A高速瀝青路面中面層進(jìn)行了調(diào)研測(cè)試。使用PQI并結(jié)合傳統(tǒng)的鉆芯取樣，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行壓實(shí)效果測(cè)試。其中取芯密度采用水中重法進(jìn)行測(cè)量，壓實(shí)度采用最大理論密度和室內(nèi)馬歇爾試驗(yàn)兩種方法進(jìn)行計(jì)算，并計(jì)算了空隙率。具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

從表1中可以看出如果對(duì)路面壓實(shí)度采用雙控指標(biāo)，即最大理論密度大于92%、馬歇爾密度大于96%都能夠滿足要求;空隙率能夠控制在規(guī)范要求的3%～8%之間;最大誤差為1.73%，測(cè)試精度較高。

（2）測(cè)試二

在B高速公路測(cè)試路段，選擇剛剛施工完成瀝青面層的中面層左半幅一個(gè)斷面的6個(gè)點(diǎn)，分別使用PQI及常規(guī)的取芯樣試驗(yàn)水中重法測(cè)試密度對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2（由于PQI測(cè)試時(shí)存在一定的方向性所以選取測(cè)試點(diǎn)的密度為4個(gè)不同方向測(cè)試值即測(cè)值1、測(cè)值2、測(cè)值3、測(cè)值4的平均值）。

表2 PQI測(cè)試密度值與取芯密度對(duì)比

觀察表2可以看出，PQI測(cè)試與實(shí)際取芯測(cè)試有很好的相關(guān)關(guān)系和較高的測(cè)試精度，并且相對(duì)傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法，PQI更加快捷而且無(wú)損，在瀝青路面施工過(guò)程壓實(shí)度質(zhì)量控制中顯示出了重要的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 PQI在碾壓遍數(shù)和瀝青混合料密實(shí)度關(guān)系中的應(yīng)用研究

同樣在A高速公路上，進(jìn)行了碾壓遍數(shù)和瀝青混合料密實(shí)度關(guān)系的測(cè)試。試驗(yàn)采用PQI進(jìn)行跟蹤測(cè)量。測(cè)試時(shí)對(duì)某標(biāo)段1個(gè)縱斷面每隔1m選取個(gè)測(cè)試點(diǎn)，總共選取了5個(gè)測(cè)試點(diǎn)。采取的9遍碾壓方式為：初壓DD-110前進(jìn)弱振后退強(qiáng)振、XD120強(qiáng)振1遍、DD-110強(qiáng)振1遍；復(fù)壓YL20A和YL26各搓揉碾壓1遍、DD-110光面1遍、YL20和YL26各碾壓1遍;終壓DD-110光面1遍。每遍碾壓完畢后使用PQI測(cè)試各測(cè)點(diǎn)的密度值。總共采集到前9遍的數(shù)據(jù)值，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 碾壓遍數(shù)與PQI測(cè)試密度值（單位：g·cm-3）

總體上可以看出，在碾壓的初始階段，密度隨遍數(shù)增加而增加，基本上是存在直線線性關(guān)系，第4遍達(dá)到最大值，從第5遍開(kāi)始隨碾壓遍數(shù)增加而逐漸減小，第7遍達(dá)到最低，第8～9遍密度開(kāi)始增加，基本上與第5遍持平。

在試驗(yàn)路段的施工中，使用PQI對(duì)碾壓過(guò)程行實(shí)時(shí)測(cè)試其密度，找出密度隨碾壓遍數(shù)的變化線，從而確定整個(gè)標(biāo)段工程機(jī)械的最佳組合方式和碾壓遍數(shù)，這樣即可以節(jié)約成本、保證工程進(jìn)度，可以保證工程的施工質(zhì)量。

4 PQI在瀝青混凝土路面非均勻性檢測(cè)中的應(yīng)用

4.1 采用PQI定量檢測(cè)及評(píng)價(jià)瀝青混凝土路面非均勻性

非均勻性是瀝青混凝土路面出現(xiàn)質(zhì)量缺陷并導(dǎo)致路面病害的重要原因，這種非均勻性可能表現(xiàn)為橫向的、縱向的、豎向的和局部的，與路面施工過(guò)程中的質(zhì)量變異有很大的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)合某高速大修工程，采用PQI快速無(wú)損地定量檢測(cè)瀝青混凝土路面的密度變化情況，對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制和評(píng)估，并分析路面上橫向及縱向的非均勻性情況以及產(chǎn)生非均勻性的原因。

4.2 橫向非均勻性檢測(cè)及評(píng)價(jià)

對(duì)某高速公路橫向均勻性檢查檢測(cè)，路面密度的橫向非均勻性也是比較明顯的，路面密度代表值橫向分布，在中央分隔帶邊緣處和攤鋪機(jī)連接處密度最小，這些地方密度偏低的原因主要是連接處壓實(shí)機(jī)械不易壓實(shí)，導(dǎo)致攤鋪碾壓完成后對(duì)路面的邊緣以及攤鋪機(jī)的連接處位置鉆芯取樣，進(jìn)行抽提以及級(jí)配篩分發(fā)現(xiàn)，在這些位置的混合料并未出現(xiàn)級(jí)配上的離析，因此可以說(shuō)明這些區(qū)域出現(xiàn)的非均勻性主要是屬于壓實(shí)問(wèn)題導(dǎo)致的壓實(shí)非均勻性。因此發(fā)現(xiàn)密度不足需及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)壓。

同理也可對(duì)道路的縱向均勻性進(jìn)行檢測(cè)。

4.3 瀝青混凝土路面整體非均勻性評(píng)價(jià)

為了更直觀地分析瀝青混凝土路面整體的均勻性，本文采用MATLAB對(duì)使用PQI無(wú)損檢測(cè)得到的密度數(shù)據(jù)繪制三維圖，見(jiàn)圖4。

圖4 PQI測(cè)得的瀝青混凝土路面密度三維圖

從PQI密度三維圖可以直觀判斷路面的非均勻性及其分布。從圖4可以直觀地看出，路面顯然出現(xiàn)了非均勻性，在縱向和橫向上都有較大的密度差異，密度較小區(qū)域或空隙率較大的區(qū)域極有可能出現(xiàn)早期損害。在圖4上可以看出，在路面橫向位置1和位置4處出現(xiàn)了縱向的帶狀低密度區(qū)域，在坐標(biāo)（4，6）位置處密度只有 2327 kg/m3。采用PQI及時(shí)、無(wú)損、連續(xù)地采集的密度數(shù)據(jù)，可以繪制路面密度三維圖，可以形象直觀地看到施工碾壓后路面的施工質(zhì)量狀況（密度的分布），據(jù)此，可對(duì)路面質(zhì)量有一個(gè)全面的了解;也可用于定量分析瀝青混凝土路面在橫向及縱向的均勻性，判斷集料離析非均勻性還是壓實(shí)非均勻性，以便采取正確合理的質(zhì)量控制措施。

5 結(jié)論及建議

目前測(cè)量瀝青路面壓實(shí)度主要有表干法、蠟封法、水中重法和核子密度儀法等。傳統(tǒng)的鉆芯取樣對(duì)路面會(huì)造成不同程度的破壞。核子密度儀雖然能夠做到對(duì)路面實(shí)行無(wú)損的快速檢測(cè)，但是需要向路面發(fā)射放射線，對(duì)人體的身體健康造成危害，并且測(cè)試速度相對(duì)PQI密度儀較慢，不能滿足在瀝青路面面層碾壓過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求。PQI作為根據(jù)材料介電常數(shù)測(cè)量密度(壓實(shí)度)的無(wú)核檢測(cè)設(shè)備，具有快速檢測(cè)、無(wú)放射源、設(shè)備尺寸小、便于操作等特點(diǎn)，在路面檢測(cè)壓實(shí)度將有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，但其測(cè)試精度還有待驗(yàn)證.

（1）無(wú)核密度儀檢測(cè)瀝青路面壓實(shí)度是一種無(wú)損檢測(cè)方法，速度快，效率高。

（2）無(wú)核密度儀檢測(cè)結(jié)果與芯樣密度相關(guān)性大，誤差小，可滿足路面壓實(shí)度檢測(cè)要求。

（3）根據(jù)無(wú)核密度儀檢測(cè)結(jié)果繪制空隙率分布圖，路面施工質(zhì)量?jī)?yōu)劣清晰可辨。

PQI密度儀用于測(cè)量瀝青面層密度具有了較高的精度，可以用于瀝青面層施工中的密度的檢測(cè)評(píng)價(jià)，從而控制施工質(zhì)量。基于PQI密度儀確定碾壓遍數(shù)和瀝青混合料密實(shí)度關(guān)系，得到了面層密度隨碾壓遍數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明PQI對(duì)確定整個(gè)路段施工機(jī)械的最佳組合方式和碾壓遍數(shù)具有重要的指導(dǎo)意義。

采用無(wú)核密度儀(PQI)對(duì)瀝青混凝土路面的非均勻性進(jìn)行了分析，采用PQI可快速無(wú)損地對(duì)瀝青混凝土路面質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)，并作為施工質(zhì)量調(diào)控措施，可以減少路面非均勻性，提高瀝青混凝土路面的性能和使用壽命，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。

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