王江生， 鄭宗利， 邊慶華， 蘭海

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

壓實度是路面質(zhì)量控制的重要指標(biāo)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(jìn)行壓實度檢測?，F(xiàn)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(xiàn)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(yīng)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(dāng)，會導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)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(jié)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(biāo)定

試驗采用Trans-Tech公司第三代無核密度儀PQI380，其性能參數(shù)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(shù)

無核密度儀通過發(fā)射電磁波測量材料的介電常數(shù)，瀝青混合料的介電常數(shù)與材料本身性質(zhì)(如密度)有良好相關(guān)性，利用該特性將檢測信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過相應(yīng)算法得出混合料的密度。如圖1所示，無核密度儀的感應(yīng)盤由發(fā)射器、隔離環(huán)和接收器組成，工作時，感應(yīng)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(shù)。無核密度儀通過一個環(huán)形電子電容感應(yīng)場測定材料阻抗性，利用特定公式推導(dǎo)被測材料的介電常數(shù)，最后將檢測電信號發(fā)送至微處理器，經(jīng)過相應(yīng)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(jīng)過嚴(yán)格標(biāo)定?，F(xiàn)場標(biāo)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(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)圓盤同樣大小的圓，并進(jìn)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(jìn)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(jìn)行測量，取測量結(jié)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(jìn)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(shù)輸入無核密度儀，按上述偏差補償法進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定完成后，在該路段隨機選擇平整、無污染且干燥的測點進(jìn)行試驗，按表2中設(shè)計方法進(jìn)行壓實度測量，每種方法測量15次。

2 試驗結(jié)果處理與分析

2.1 試驗結(jié)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(jìn)行測量，測量結(jié)果見表3。

表3 不同測量方法的壓實度測量結(jié)果

2.2 粗大誤差處理

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

圖4 3種準(zhǔn)則統(tǒng)計臨界系數(shù)對比

由圖4可知：相同測量次數(shù)下，各判別準(zhǔn)則的臨界系數(shù)不同。以拉伊達(dá)統(tǒng)計臨界系數(shù)3為線索，n=25次時，格拉布斯準(zhǔn)則的統(tǒng)計臨界系數(shù)達(dá)到3以上；n=185次時，肖維勒準(zhǔn)則的統(tǒng)計臨界系數(shù)剛好達(dá)到3。因此，根據(jù)測量次數(shù)與統(tǒng)計臨界系數(shù)的關(guān)系劃分3種準(zhǔn)則適用范圍如下：n<25次時，用狄克遜準(zhǔn)則或格拉布斯(顯著水平a=0.01)準(zhǔn)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(zhǔn)則判別異常值；n>185次時，用拉伊達(dá)準(zhǔn)則判別異常值。

該項目試驗測量次數(shù)n=15次，選擇狄克遜準(zhǔn)則進(jìn)行異常值檢驗。檢驗過程如下：1) 將測量數(shù)據(jù)從小到大排列為x1，x2，…，xn，其中n為測量次數(shù)。2) 分別按式(1)、式(2)計算異常統(tǒng)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(shù)據(jù)分析

按照狄克遜準(zhǔn)則剔除表3中異常值后，計算每種方法測量數(shù)據(jù)的平均值、算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)(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(jié)果精度不同，其中方法5、7和9測量數(shù)據(jù)的變異系數(shù)較小，表明采用上述3種方法測量時，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)離散程度愈小，則偶然誤差愈小，測量結(jié)果更準(zhǔn)確。

表4 不同測量方法測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)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(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，繪制變異系數(shù)曲線(見圖5)。由圖5可知：使用相切法和相交法進(jìn)行壓實度測量，測量數(shù)據(jù)變異系數(shù)具有不同特征。相切法測量壓實度的變異系數(shù)為0.2%左右，且變異系數(shù)不隨測量圓數(shù)量的變化呈現(xiàn)某種趨勢；相交法測量壓實度的變異系數(shù)在3個圓相交(即方法5)時出現(xiàn)拐點，變異系數(shù)急劇下降到0.06%，且隨著測量圓數(shù)量增加逐步穩(wěn)定在0.04%附近。說明測量圓數(shù)量大于3時，相交法測量壓實度的變異系數(shù)小于相切法測量壓實度的變異系數(shù)。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(jìn)行壓實度測量，測量圓數(shù)量小于2個時，相交法和相切法測量結(jié)果的變異系數(shù)無明顯差別；測量圓數(shù)量大于3個時，采用相交法進(jìn)行測量時變異系數(shù)急劇降低并逐步趨于穩(wěn)定。

圖5 不同測量方法變異系數(shù)曲線

根據(jù)以上分析，使用相交法進(jìn)行壓實度測量，測量圓數(shù)量大于3個時，測量結(jié)果的變異系數(shù)急劇降低。因此，現(xiàn)場應(yīng)選擇相交法進(jìn)行測量，且測量圓數(shù)量不宜少于3個。對無核密度儀進(jìn)行標(biāo)定時，為使標(biāo)定結(jié)果更準(zhǔn)確，應(yīng)選擇測量結(jié)果變異系數(shù)最小的方法進(jìn)行壓實度測量。根據(jù)圖5，4個圓相交(方法7)時測量結(jié)果的變異系數(shù)最小，應(yīng)采用不少于4個圓相交進(jìn)行測量標(biāo)定。

3 結(jié)論

使用無核密度儀進(jìn)行壓實度測量時，測量方法應(yīng)根據(jù)測量精度進(jìn)行合理調(diào)整。標(biāo)定時，應(yīng)采用不少于4個圓相交進(jìn)行測點壓實度測量，使無核密度儀的標(biāo)定更準(zhǔn)確。在進(jìn)行現(xiàn)場壓實度測量時，應(yīng)采用相交法且測量圓數(shù)量不少于3個，以提高測量精度。