林春梅，潘 洋

（天津市市政工程設(shè)計研究院，天津市 300051）

1 無核密度儀（PQI）簡介

無核密度儀是相對于核子密度儀來說的多種不使用同位素放射源檢測土工材料的密度的各種檢測儀器的統(tǒng)稱。

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

圖1 無核密度儀

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檢測材料的密度。電磁密度儀主要包括一個電磁波發(fā)射器、一個隔離環(huán)和一個電磁波接收器。其檢測原理是向被檢測材料中發(fā)射電磁波，電磁波是指電場和磁場相互作用。振動而產(chǎn)生的波動，是放射線、光、電波的總稱。電磁波在材料中傳播時，其能量發(fā)生吸收和損耗，材料對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，量測瀝青混合料的介電常數(shù)，由儀器內(nèi)部電路將信號轉(zhuǎn)換為密度讀數(shù)并顯示出來。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、單點模式、平均模式、離析模式。對應(yīng)PQI標(biāo)定模式也有四種：標(biāo)準(zhǔn)模式、單點模式、兩點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，在干燥的瀝青路面上準(zhǔn)備10 ft長、5 ft寬的矩形區(qū)域，將該區(qū)域分為5個數(shù)據(jù)位置（見圖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)盤畫圓。進(jìn)入單點模式，讀數(shù)并記錄。向右上方移動2英寸至圓的邊緣，將此位置記為“2點鐘”方向，讀數(shù)并記錄。將PQI沿圓移動至“4點鐘”方向，讀數(shù)并記錄。繼續(xù)至“8點鐘”與“10點鐘”方向，并記錄密度讀數(shù)。在剩余的4個數(shù)據(jù)位置，進(jìn)行類似的測量并記錄讀數(shù)，見圖3。

圖3 量測位置示意

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)場路面壓實度檢測。

（1）選擇路面類型。主要選項有：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，必須先進(jìn)行路面類型選擇。

（2）輸入待測瀝青路面厚度。PQI檢測深度為25～100 mm。PQI的讀數(shù)實為厚度范圍內(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底面下測定層必須攤鋪平整，以使儀器底面與被測定層完全接觸。測定的表面不干凈、有松散體或測定的路面潮濕等都會對測試結(jié)果有較大的影響。顯然，PQI更適用于表面相對光滑的路面密度測定，相對于構(gòu)造深度較大、公稱最大粒徑較大的瀝青層而言，PQI測定構(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測定較大粒徑的瀝青混合料路面的密度時，試驗結(jié)果的離散性也較大。

3 無核密度儀(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(壓實度)中的應(yīng)用

為了驗證PQI對瀝青面層密度(壓實度)檢測中的精度，分別對A高速公路測試段和B高速公路測試段進(jìn)行了測試，具體測試結(jié)果如下。

（1）測試一

首次對A高速瀝青路面中面層進(jìn)行了調(diào)研測試。使用PQI并結(jié)合傳統(tǒng)的鉆芯取樣，對施工現(xiàn)場進(jìn)行壓實效果測試。其中取芯密度采用水中重法進(jìn)行測量，壓實度采用最大理論密度和室內(nèi)馬歇爾試驗兩種方法進(jìn)行計算，并計算了空隙率。具體測試結(jié)果見表1。

表1 測試結(jié)果對比

從表1中可以看出如果對路面壓實度采用雙控指標(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%，測試精度較高。

（2）測試二

在B高速公路測試路段，選擇剛剛施工完成瀝青面層的中面層左半幅一個斷面的6個點，分別使用PQI及常規(guī)的取芯樣試驗水中重法測試密度對比，對比結(jié)果見表2（由于PQI測試時存在一定的方向性所以選取測試點的密度為4個不同方向測試值即測值1、測值2、測值3、測值4的平均值）。

表2 PQI測試密度值與取芯密度對比

觀察表2可以看出，PQI測試與實際取芯測試有很好的相關(guān)關(guān)系和較高的測試精度，并且相對傳統(tǒng)的試驗方法，PQI更加快捷而且無損，在瀝青路面施工過程壓實度質(zhì)量控制中顯示出了重要的應(yīng)用價值。

3.2 PQI在碾壓遍數(shù)和瀝青混合料密實度關(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)和瀝青混合料密實度關(guān)系的測試。試驗采用PQI進(jìn)行跟蹤測量。測試時對某標(biāo)段1個縱斷面每隔1m選取個測試點，總共選取了5個測試點。采取的9遍碾壓方式為：初壓DD-110前進(jìn)弱振后退強振、XD120強振1遍、DD-110強振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測試各測點的密度值。總共采集到前9遍的數(shù)據(jù)值，測試結(jié)果見表3。

表3 碾壓遍數(shù)與PQI測試密度值（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遍密度開始增加，基本上與第5遍持平。

在試驗路段的施工中，使用PQI對碾壓過程行實時測試其密度，找出密度隨碾壓遍數(shù)的變化線，從而確定整個標(biāo)段工程機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中的應(yīng)用

4.1 采用PQI定量檢測及評價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，與路面施工過程中的質(zhì)量變異有很大的關(guān)系。試驗結(jié)合某高速大修工程，采用PQI快速無損地定量檢測瀝青混凝土路面的密度變化情況，對施工質(zhì)量進(jìn)行動態(tài)控制和評估，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 橫向非均勻性檢測及評價

對某高速公路橫向均勻性檢查檢測，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機械不易壓實，導(dǎo)致攤鋪碾壓完成后對路面的邊緣以及攤鋪機的連接處位置鉆芯取樣，進(jìn)行抽提以及級配篩分發(fā)現(xiàn)，在這些位置的混合料并未出現(xiàn)級配上的離析，因此可以說明這些區(qū)域出現(xiàn)的非均勻性主要是屬于壓實問題導(dǎo)致的壓實非均勻性。因此發(fā)現(xiàn)密度不足需及時進(jìn)行補壓。

同理也可對道路的縱向均勻性進(jìn)行檢測。

4.3 瀝青混凝土路面整體非均勻性評價

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對使用PQI無損檢測得到的密度數(shù)據(jù)繪制三維圖，見圖4。

圖4 PQI測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、無損、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，可對路面質(zhì)量有一個全面的了解;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

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

（1）無核密度儀檢測瀝青路面壓實度是一種無損檢測方法，速度快，效率高。

（2）無核密度儀檢測結(jié)果與芯樣密度相關(guān)性大，誤差小，可滿足路面壓實度檢測要求。

（3）根據(jù)無核密度儀檢測結(jié)果繪制空隙率分布圖，路面施工質(zhì)量優(yōu)劣清晰可辨。

PQI密度儀用于測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評價，從而控制施工質(zhì)量?；赑QI密度儀確定碾壓遍數(shù)和瀝青混合料密實度關(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對確定整個路段施工機械的最佳組合方式和碾壓遍數(shù)具有重要的指導(dǎo)意義。

采用無核密度儀(PQI)對瀝青混凝土路面的非均勻性進(jìn)行了分析，采用PQI可快速無損地對瀝青混凝土路面質(zhì)量進(jìn)行檢測和評價，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)濟效益和應(yīng)用前景。

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