無核密度儀測量方法與測量精度研究

王江生， 鄭宗利， 邊慶華， 蘭海

(1.長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室， 陜西 西安 710064；2.甘肅省路橋建設集團有限公司， 甘肅 蘭州 730030)

壓實度是路面質量控制的重要指標之一，直接影響路面強度和使用壽命，在施工中和施工完成后都需進行壓實度檢測。現有路面壓實度檢測方法主要有鉆芯取樣法、核子密度儀法和無核密度儀法等。施工現場常采用鉆芯取樣法，該方法為一種微觀損傷檢測方法，其操作簡單，但會對路面造成一定損壞，且檢測周期較長，效率較低。無核及核子密度儀具有無損、實時檢測、測量周期短和效率高等優(yōu)點，但核子密度儀存在核輻射危險，需要專業(yè)人員操控，存在使用局限性。無核密度儀通過發(fā)射電磁波檢測路面壓實度，人力成本低且對人體無害，因而在壓實度檢測中具有良好的應用前景。但檢測中許多因素影響其測量精度，如果測量方法不當，會導致測量結果出現較大誤差。該文通過對不同測量方法在同一測點壓實度測量結果的比較，確定無核密度儀合理的測量方法。

1 試驗儀器及試驗方案

1.1 試驗儀器及其標定

試驗采用Trans-Tech公司第三代無核密度儀PQI380，其性能參數見表1。該儀器是最新一代瀝青路面密度測試儀，測量瀝青面層時可同步測量面層溫度和相對水分含量。

表1 無核密度儀PQI380的性能參數

無核密度儀通過發(fā)射電磁波測量材料的介電常數，瀝青混合料的介電常數與材料本身性質(如密度)有良好相關性，利用該特性將檢測信號轉化為電信號，通過相應算法得出混合料的密度。如圖1所示，無核密度儀的感應盤由發(fā)射器、隔離環(huán)和接收器組成，工作時，感應盤中心位置發(fā)射器向下發(fā)出環(huán)形電磁波，電磁波穿過被測材料后由接收器接收。電磁波在穿過被測材料的過程中會損耗部分能量，損耗能量大小取決于材料的介電常數。無核密度儀通過一個環(huán)形電子電容感應場測定材料阻抗性，利用特定公式推導被測材料的介電常數，最后將檢測電信號發(fā)送至微處理器，經過相應處理，得到密度、壓實度、溫度等。

圖1 無核密度儀的工作原理

無核密度儀使用前需經過嚴格標定。現場標定通常采用偏差補償法。方法如下：在平整度好、無污染的路段選取5個測點分別用無核密度儀、鉆芯取樣法測出各點的電磁密度和實驗室密度，得到偏差補償值。

無核密度儀測點密度測量方法主要有兩種，分別為Troxler Electronics lab公司推薦的測量方法(見圖3)和Trans-Tech公司推薦的測量方法(見圖4)。前一種方法在同一測點對密度測量4次，每次將儀器旋轉90°，取4次測量密度均值為測點的電磁密度。后一種方法在測點處以無核密度儀感應盤為輪廓畫圓，測出一次密度，然后分別在該圓上60°、120°、240°、300°位置畫出和感應圓盤同樣大小的圓，并進行測量，取5次測量密度均值為該點的電磁密度。

圖2 Troxler Electronics lab公司推薦的密度測量方法

圖3 Trans-Tech公司推薦的密度測量方法

1.2 試驗方案

1.2.1 測量方法

為找到一種簡易且測量誤差小的方法，進行9種測量方法對比分析(見表2)。其中：方法1為Troxler Electronics lab公司推薦的測量方法；方法9為Trans-Tech公司推薦的測量方法；其余方法則按表2中的測量位置進行測量，取測量結果均值作為各方法在測點的壓實度。

表2 測量方法方案

1.2.2 壓實度測量

試驗依托工程為JY長江公路大橋橋面，其下面層為6 mm AC-20C,上面層為4 mm SMA-10。由于上面層SMA-10碾壓后更平整均勻，故選擇上面層進行試驗。

該項目上面層SMA-10采用高彈改性瀝青，計算最大理論密度為2 625 kg/m3。將面層的最大理論密度、測量厚度和集料尺寸等參數輸入無核密度儀，按上述偏差補償法進行標定。標定完成后，在該路段隨機選擇平整、無污染且干燥的測點進行試驗，按表2中設計方法進行壓實度測量，每種方法測量15次。

2 試驗結果處理與分析

2.1 試驗結果

按上述試驗方案對同一測點壓實度依次采用不同方法進行測量，測量結果見表3。

表3 不同測量方法的壓實度測量結果

2.2 粗大誤差處理

試驗過程中，測量人員操作不當(測量位置偏移、讀數錯誤、記錄錯誤等)可能使測量結果產生異常值(壞值)，而含有大誤差數據會干擾試驗結果分析，甚至歪曲試驗結果。排除異常數據的常用準則有拉伊達準則、格拉布斯準則、肖維勒準則和狄克遜準則。前3種準則通過關系式vi>kσ(k為統計臨界系數)判別異常值，臨界系數k與測量次數n的關系見圖4；狄克遜準則利用極差比檢測異常值，其臨界系數與其他準則不具可比性。

圖4 3種準則統計臨界系數對比

由圖4可知：相同測量次數下，各判別準則的臨界系數不同。以拉伊達統計臨界系數3為線索，n=25次時，格拉布斯準則的統計臨界系數達到3以上；n=185次時，肖維勒準則的統計臨界系數剛好達到3。因此，根據測量次數與統計臨界系數的關系劃分3種準則適用范圍如下：n<25次時，用狄克遜準則或格拉布斯(顯著水平a=0.01)準則判別異常值；25次≤n≤185次時，用格拉布斯(顯著水平a=0.05)或肖維勒準則判別異常值；n>185次時，用拉伊達準則判別異常值。

該項目試驗測量次數n=15次，選擇狄克遜準則進行異常值檢驗。檢驗過程如下：1) 將測量數據從小到大排列為x1，x2，…，xn，其中n為測量次數。2) 分別按式(1)、式(2)計算異常統計量γ和γ′。3) 狄克遜檢驗臨界值為D(a,n),γ>γ′、γ>D(a,n)時，xn為異常值；γ<γ′、γ>D(a,n)時，x1為異常值;否則沒有異常值。

(1)

(2)

2.3 數據分析

按照狄克遜準則剔除表3中異常值后，計算每種方法測量數據的平均值、算術平均值的標準偏差和變異系數(見表4)。使用同一無核密度儀對同一測點采用不同測量方法，測量結果精度不同，其中方法5、7和9測量數據的變異系數較小，表明采用上述3種方法測量時，數據的離散程度小。采用同一無核密度儀測量同一測點壓實度時，數據離散程度愈小，則偶然誤差愈小，測量結果更準確。

表4 不同測量方法測量數據的處理結果

將無核密度儀測量方法分為相切法和相交法，對兩種方法的變異系數進行統計，繪制變異系數曲線(見圖5)。由圖5可知：使用相切法和相交法進行壓實度測量，測量數據變異系數具有不同特征。相切法測量壓實度的變異系數為0.2%左右，且變異系數不隨測量圓數量的變化呈現某種趨勢；相交法測量壓實度的變異系數在3個圓相交(即方法5)時出現拐點，變異系數急劇下降到0.06%，且隨著測量圓數量增加逐步穩(wěn)定在0.04%附近。說明測量圓數量大于3時，相交法測量壓實度的變異系數小于相切法測量壓實度的變異系數。這是由于相交法測量位置相對于測點更集中，測點附近壓實度變化對測點壓實度測量的影響較小。使用無核密度儀對測點進行壓實度測量，測量圓數量小于2個時，相交法和相切法測量結果的變異系數無明顯差別；測量圓數量大于3個時，采用相交法進行測量時變異系數急劇降低并逐步趨于穩(wěn)定。

圖5 不同測量方法變異系數曲線

根據以上分析，使用相交法進行壓實度測量，測量圓數量大于3個時，測量結果的變異系數急劇降低。因此，現場應選擇相交法進行測量，且測量圓數量不宜少于3個。對無核密度儀進行標定時，為使標定結果更準確，應選擇測量結果變異系數最小的方法進行壓實度測量。根據圖5，4個圓相交(方法7)時測量結果的變異系數最小，應采用不少于4個圓相交進行測量標定。

3 結論

使用無核密度儀進行壓實度測量時，測量方法應根據測量精度進行合理調整。標定時，應采用不少于4個圓相交進行測點壓實度測量，使無核密度儀的標定更準確。在進行現場壓實度測量時，應采用相交法且測量圓數量不少于3個，以提高測量精度。