无核密度仪在沈山高速公路路面压实度无损检测中的应用

王义强，孙绪康，杨 磊，关 戈

(1.辽宁省交通科学研究院有限责任公司 沈阳市 110015； 2.辽宁交投公路科技养护有限责任公司 沈阳市 110000；3.辽宁省交通运输事业发展中心 沈阳市 110005)

0 引言

压实度是沥青路面施工工艺、施工质量评价的一个关键指标，良好的压实度才能保证良好的使用性能。路面现场压实度主要利用钻芯法进行检测评价，钻芯法需要在检测位置钻取一个直径100mm左右的芯样，会对路面造成一定程度的损坏，因此无法大面积取样，无法实现对路面离析情况或压实均一性情况的全面评价[1-2]。

目前，可实现对沥青路面压实度无损检测的手段有两种：一是核子密度仪法，一种是无核密度仪法。核子密度仪利用同位素放射原理，向被测材料发射射线，利用返回射线的计数来计算被测物体的密度；无核密度仪向被测物体发出电磁波，通过检测电磁波波形的变化来分析被测物体的介电常数，再利用介电常数与密度的相关性来分析被测物体的密度。核子密度仪法和无核密度仪法均不会对路面产生损坏，皆为无损检测方式。与核子密度仪相比，无核密度仪在使用过程中仅发出电磁波，因此使用安全性更高。近年来，无核密度仪在道路工程检测中的应用研究较多，王江生等人对无核密度仪的测量方法与测量精度进行研究，指出采用相交法精度更高，且测量圆应不少于3个[3]；王少华对使用无核密度仪对钢桥面沥青混凝土铺装的压实度进行了检测与分析，研究指出，含水量的不同可导致修正密度较大的误差，而现场系数修正可消除检测结果的离散性和含水量对检测结果的影响[4]。鲁华英等人研究表明，沥青铺装含水量和干燥时间的不同可使SMA-13电磁密度测试数据相对误差达到8.74%，而基于现场修正常数的二次修正法可降低这种影响，提高检测结果的准确性[5]。许建超利用无核密度仪对沥青路面的适宜碾压温度进行了分析[6]。

在沈山高速公路路面维修工程中开展了无核密度仪检测沥青路面压实度的一些试验研究工作，对无核密度仪检测沥青路面压实度的数据的稳定性以及大面积检测方法进行了分析。

1 无核密度仪的测试原理

1.1 测试原理

无核密度仪是相对于核子密度仪来说的多种不使用同位素放射源检测土工材料及沥青混合料的密度的各种检测仪器的统称。无核密度仪一般采用的是高频无线电波来测量压实土壤或者沥青路面的介电性，然后根据介电性与密度之间的特定关系来测算所测结构物的密度。当电磁波通过土壤或者沥青路面时，由于受到土壤或者沥青路面的密实程度的不同，进一步会影响到电磁波的波形，也就是说电磁波通过土壤或者沥青路面时，其本身的相位和幅值都会受到相应的影响，然后我们通过对比标准的模块的衰减参数，便可以计算出被测土样或者沥青路面的密实度。

1.2 无核密度仪的应用优势

无核密度仪与钻芯法相比，具有诸多优势，例如，测量速度快、效率高，无核密度仪测量时间最大为2s，典型值1s，即接触路面开始测试后，立即可测得路面的密实度，并计算出压实度，而取芯法通常需要24h以上；无核密度仪检测时对路面无损害，可进行大面积的测量评价以及不适于取芯的路面材料的压实度快速检测，例如钢桥面沥青混凝土铺装的压实度如果采用取芯法，则容易造成钢桥面板损伤。

2 试验设备技术参数

本次试验采用的无核检测设备是美国Troxler(特克斯勒)公司的PaveTracker Plus 2701-B无核密度仪。

其主要技术参数如下：

操作温度要求周围环境温度0～70℃，表面温度最高175℃；测量模式分为连续、离析、平均三种模式；测量时间1s；测量精度±3.2kg/m3；探测深度4.44cm；数据存储999条。

3 沈山高速公路检测数据分析

3.1 测量值与芯样数据的比较

无核密度仪测得的数据是一个相对值，需要将测得的相对密度按照实测密度进行修正。测试时，首先将无核密度仪的补偿值设定为0，然后铺砂进行测试，测试后，在测试位置钻取芯样进行测试测点处的芯样密度，试验结果如表1所示。

试验结果表明，本次测试，无核密度仪测试结果与芯样实际密度之间的差值在88～95kg/m3之间，标准差为3.8kg/m3，以三个差值的均值90.7kg/m3作为修正值。

3.2 同一测点数据分析

为分析设备测试的稳定性以及人为操作方面对检测数据的影响，在同一测点进行了四次测量，测量时，首先进行了铺砂，然后以90°为间隔改变设备角度进行了4次测量，测量值如表2所示，其中补偿值设定为89.0kg/m3。

试验数据表明，对于同一位置，测试4次时，由于设备及人为操作等方面的因素导致的变异性较小，数据之间的极差为36～53kg/m3，各个测试中，与平均值之间的最大差值为33kg/m3，如果马歇尔密度按照2435kg/m3计算，极差之间的压实度差值为2.2%，各测值与平均值之间的压实度的最大差值为1.4%，即各测点只进行一次测试时，可能造成的最大误差为1.4%，因此，建议在使用无核密度仪进行压实度分析时，对同一点，至少进行3次测量。

3.3 不铺砂与铺砂比较

为了尝试不铺砂的可行性，以提高大面积检测时的试验效率，选择三个测点进行了铺砂与不铺砂测试结果的比较，试验时，先进行不铺砂的试验，然后在同一测试点铺砂再进行一次试验，每次试验均进行4次，然后取平均值作为最终结果。试验结果如表3所示。

试验结果表明，对于相同路段的不同测点，不铺砂与铺砂试验数据的差值之间差异较大，最大差值为100kg/m3，其原因应该与不同测试点表面的密实程度及平整程度有关，因此，用未铺砂的测试数据来推算铺砂数据很可能导致较大误差，建议在使用无核密度仪进行现场压实度离析程度分析或评价时，首先应选择平整测试面，并铺砂进一步整平，然后再开始测试。

3.4 无核密度仪用于压实度离析程度分析的初步尝试

利用无核密度仪对边车道两处位置进行了横断面和纵断面的压实度检测，横向测量时以平等间隔取5个测点，纵向测量时，沿车道的纵向中线每隔30m取一点，共取9个点进行测量，最后进行了离析程度分析。结果整理如表4所示。

试验结果表明，对于所测路段，纵向与横向相比，压实度在纵向的变异性更小，横向的变异性更大，约高1%左右。

横向检测结果与纵向检测压实度分布如图1～图3所示。

图1 位置1压实度横向分布

图2 位置2压实度横向分布

图3 位置2压实度纵向分布

由图中可以看出，对于单个车道，在横断面上压实度总体表现为中部压实度较高，而边缘处压实度略低，其主要原因可能有以下两个方面：一方面为边缘处容易产生离析，另一方面边缘处温度降低较快，且位于压路机钢轮的边缘，压实效率较低。纵向的压实度与横向压实度离析程度相比，其变异性更小。

4 结语

在沈山高速公路路面维修工程中开展了无核密度仪沥青路面压实度检测分析工作，得出以下结论：

(1)经过修正后，无核密度仪测试的路面压实度与芯样数据较为接近，与实测芯样密度的误差值在3kg/m3以内，无核密度仪检测可作为路面压实度大面积检测及离析程度总体评价的技术手段，尤其可以作为难以取芯的桥面铺装层等结构层的压实度的检测评价手段。

(2)现场检测表明，不铺砂与铺砂试验数据的差值之间差异较大，不铺砂的检测数据变异性较大，建议在使用无核密度仪进行现场压实度检测时，首先应选择平整测试面，并铺砂进一步整平，然后再开始正式测试。

(3)无核密度仪可实现对路面压实度的大面积、快速检测，是压实度离析程度全面分析的重要手段，对于优化施工工艺以及路面设计指标完善均具有重要的参考意义，应持续进行实践，不断总结应用经验。