核子濕度密度儀

1、核子濕度密度儀的使用及安全防護,主講人:劉漢文,一、高速鐵路路基的特點及其與普通鐵路路基的區(qū)別 自20世紀60年代第一條高速鐵路在日本建成以來，世界范圍內出現(xiàn)了競相修建高速鐵路的熱潮，高速鐵路的出現(xiàn)對傳統(tǒng)鐵路的設計、施工和養(yǎng)護維修提出了新的挑戰(zhàn)，在許多方面變化和改變了傳統(tǒng)的設計方法和觀念。就路基工程而言，主要表現(xiàn)為以下三個特點： 1. 高速鐵路路基的多層結構系統(tǒng) 高速鐵路線路

2、結構，已經突破了傳統(tǒng)的軌道/道床/土路基這種結構型式，既有有碴軌道也有無碴軌道。對于有碴軌道，在道床和土路基之間，已拋棄了將道碴層直接放在土路基上的結構形式，作成了多層結構系統(tǒng)。例如：法國采用道碴層/碴底層（級配粒料）/基礎層（級配良好的礫石）/防污層（砂/土工纖維）；日本在道床和基床之間加設了5cm厚的瀝青混凝土；德國在道床與基床之間加設了路基保護層即PSS層。 2. 控制變形是路基設計的關鍵 控制變形是路基

3、設計的關鍵，采用各種不同的路基結構型式的首要目的是為高速線路提供一個高平順、均勻和穩(wěn)定的軌下基礎。由散體材料組成的路基是整個線路結構中最薄弱、也是最不穩(wěn)定的環(huán)節(jié)，是軌道變形的主要來源。它在多次重復荷載作用下所產生的累積永久下沉（殘余變形）將造成軌道的不平順，同時其剛度對軌道面的彈性變形也起關鍵性的作用，因而對列車的高速走行條件有重要的影響。,前 言,高速列車對軌道變形有嚴格的要求，因此，變形問題便為高速鐵路設計所考慮的主要控制因素。

4、就路基而言，過去對注重于強度設計，并以強度作為軌下系統(tǒng)設計的主要控制條件。而現(xiàn)在強度已不成為問題，一般在達到強度破壞前，可能已經出現(xiàn)了不能容許的過大有害變形。日本東海道新干線的設計時速為220km，由于其在設計中僅僅采取了軌道的加強措施，而忽略了路基的強化，以至從1965年開始，因為路基的嚴重下沉，致使路基病害不斷，線路變形嚴重超限，不得不對線路以年均30 km以上的速度大舉整修，10年內中斷行車200多次，列車運行平均速度也降到100

5、~110 km/h。 3. 列車/線路整體系統(tǒng)的相互匹配路基是重要組成部分 變形問題的解決相當復雜，是一個世界性的難題。日歐各國雖然實現(xiàn)了高速，但他們都是通過采用高標準的昂貴的強化線路結構和高質量的養(yǎng)護維修技術來彌補這方面的不足。日本對此不惜代價，在上越和東北新干線上，高架橋延長數所占比例分別為49%和57%，路基僅占1%和6%。所以，變形問題是軌下系統(tǒng)設計的關鍵。由于普通鐵路行車速度慢、運量小，因此在以往的設計

6、中，只孤立地研究輪/軌的相互作用，并把這種相互作用狹義地理解為輪/軌接觸部位的幾何學、運動學、動力學的關系，而忽略了路基的影響，其中各個部分的設計也只局限于本專業(yè)范圍內。對于高速鐵路，輪/軌系統(tǒng)應該是車輪、鋼軌、道床、路基整個系統(tǒng)各部分相互作用的整體。因為包括路基在內的軌下系統(tǒng)的垂向變形集中反映在軌面上，并且又直接影響著輪、軌作用的大小。因此，必須把輪/軌系統(tǒng)的各組成部分放到整個系統(tǒng)中去考察，建立適當的模型，著眼于各自的基本參數和運用狀

7、態(tài)，進行系統(tǒng)的最佳設計，實現(xiàn)輪/軌系統(tǒng)的合理匹配，盡可能將低輪/軌作用力，以保證列車的高速、安全運行。其中軌上各部分應盡量降低車輛輪載和簧下質量，軌下的道床、路基部分必須提供一個堅實穩(wěn)定的軌道基礎，以減少變形，同時有保持適當的彈性。,德國著名的高速鐵路專家Birmann指出：鐵路路基作為承受軌道和列車荷載的基礎，如果選擇了合理的剛度（彈性模量），則能明顯地影響輪載的分配，可以使軌面的最大支承力減少60%～70%，而且還可以改善基床動應力

8、的分布，減弱重復荷載的動力作用，減少列車荷載對線路的不良影響。但這并不是要求路基不存在變形，因為列車不可能在一個絕對剛性的基礎上作高速穩(wěn)定運行，而只能依循著不平順的走行面和剛度有變化的軌道運行。 因此，由于高速鐵路運行速度快、技術標準高、對路基的要求嚴格，控制路基變形已成為高速鐵路路基的最大特點。因此，高速鐵路路基與普通鐵路路基的本質區(qū)別在于機床表層厚度增加，壓實標準提高，同時對路基填料及路橋過渡段的剛度提出

9、了更高的要求。 在國際上，鐵路路基的設計和施工控制的參數主要有：壓實系數、相對密度、孔隙率或空氣率、地基系數K30與變形模量Ev1和Ev2及動態(tài)變形模量Evd等等。其中地基系數K30與變形模量Ev1和Ev2及動態(tài)變形模量Evd的試驗和所反映的問題有一定的類似。在我國和日本，地基系數K30已成為鐵路路基設計和施工中的一個基本的參數。了解其與變形模量Ev1和Ev2及動態(tài)變形模量Evd的關系，正確理解各參數的意義和

10、特點，有利于分析比較各國的路基設計標準，學習和借鑒國外的先進經驗。這在當前的客運專線和無碴軌道的建設中非常重要。,,1930年美國工程師proctor通過試驗首先提出：同一種土，在相同的壓實功能下，其干容重γd隨土中含水量ω的不同而發(fā)生變化。室內擊實試驗和現(xiàn)場碾壓機械都獲得填土的最佳含水量ωopt和與之對應的最大干容重γd，同時o to還規(guī)定了室內擊實試驗的儀器規(guī)格和試驗規(guī)程。自此，世界各國均以此壓實理論和試驗方法指導施工，并且都以填料

11、的壓實系數（壓實系數 等于現(xiàn)場填料壓實干容重除以室內擊實試驗最大干容重）控制壓實標準，以判斷壓實土的強度和變形特性。填土容重的現(xiàn)場量測早些時候采用環(huán)刀法、灌砂法及注水法進行，均屬對壓實土面的破壞性量測方法。每種測試方法都適用于不同的填料情況。環(huán)刀法只用于不含礫石顆粒的細粒土和無機結合料改良土。注水法只適用于粒徑不大于2毫米的粗粒料。確定填料最大干容重的室內擊實試驗，最初為標準的o to型，我國采用前蘇聯(lián)的“南實處標準”。隨著高速、重載鐵

12、路的出現(xiàn)，它們對路基提出了更高的要求，從而一些大型的壓實機械相繼出現(xiàn)。因此，為便于把室內擊實試驗結果比較正確的應用于設計與施工，適用于大型碾壓機具，在擊實試驗中，提高了重錘質量和落距，出現(xiàn)了修正的o to擊實儀及重型擊實試驗。,二、壓 實 系 數,由于傳統(tǒng)的環(huán)刀法、灌砂法及注水法測定填土容重的方法需要測定其含水量，而測定填土含水量的烘干法從試驗中得出結論需要時間很長，與現(xiàn)代化高效率的施工碾壓機械常常發(fā)生矛盾，并且受外界因素的影響較大。為

13、此，利用微電子技術，通過放射性元素（γ射線和中子射線）測量填土的密度、含水量的儀器自80年代產生，即核子濕度密度儀。該方法能在現(xiàn)場快速、準確、方便地測定填土的密度和含水量，能滿足現(xiàn)場填土壓實系數。是一種無損檢測的方法，具有操作方便、明顯直觀、非常適合于機械化路基填土施工。,核子濕度密度儀原理使用說明,圖1 密度坐標,圖2 水分坐標,用途,被測材料（細泥土、粗泥土級配碎石、瀝青混泥土小于等于6.3厘米）濕密度水分重、干密度、含水量

14、和含水率、壓濕度、孔隙率。,三、核子濕度密度儀,工作原理 MC-3C和MC-4C型核子濕度密度儀內部裝有兩種放射源。銫137r源用來測量密度，镅241/鈹中子源用來測量水分。中子源安在機殼底部位置不變。r源裝在輻射源金屬桿底部內，隨測量深度而變。 測量密度時，銫137r源發(fā)出r射線進入被測材料。如果材料的密度較低，大量的r射線就會穿過它，被裝在儀器內的蓋草—密勒計數管檢測到，那么

15、在單位時間內計到的數就較大。反之，如果材料的密度較高，高密度的材料吸收了部分r射線，起了輻射屏蔽作用，在單位時間內計到的數就較小。然后，微處理器把檢測管接收數值（稱為密度計數值）除以存儲在儀器內的密度標準計數值，得到計數比，再把計數比送入密度計數程序可算出被測材料的密度（這種密度包含被測材料水分，又稱為濕容重）。 測量水分時，中子源放射的中子流進入被測材料，被測材料水分中的氫原子與高能中子相碰撞使之減速，減速

16、后的慢中子被儀器內的氦—3探測管接收到。被測材料含水量大，在單位時間內所轉化的慢中子數也多，檢測管接收的慢中子數就多。反之就小。然后，微處理器把接收的慢中子數（稱為水分計數值）除以水分標準計數值得到水分計數比，再把計數比送入水分計數程序可算出被測材料的水分重。,測量范圍 密度范圍是1.12～2.73克/立方厘米，美國CPN公司MC-3C、MC-4C；TROXLER公司3440；HUMBOLDT公司5001C；

17、密度測量深度都是30厘米，水分測量深度是固定的， 一般是被測材料表面的15厘米。其中，CPN公司MC-S-24密度測量的深度是60厘米，MC-S-36測量90 厘米，501DR測10 米或20 米，它們是分層測量密度和含水量。 上述儀器符合下列標準： 本儀器符合下述ASTM（美國試驗與材料學會）標準 D2922—用原子方法測定 現(xiàn)場土和含骨料土的密度 D3017—用原子方法測定土和含骨料土的

18、含水率 D2950—用原子方法測定現(xiàn)場含瀝青材料的密度,采用新圖型式液晶顯示器，測量條件及所測結果全部一次顯示，使用者能一目了然，全面了解測量情況，也減少了操作者為讀數靠近放射源的時間。 該儀器被測材料體積較大，反映填料密濕度的實際情況。若采用儀器自錄測量時，可連續(xù)記錄128次的測量條件和結果，調出存儲的內容方便靈活，配上打印機還可按需要打印。能按選定的測量計數時間進行測量，計數時間的選擇范圍大；也可按測量

19、要求精度進行測量，縮短每個測點的測量時間。γ輻射的深度能自動檢測、顯示或記錄。 水分測量深度是固定的，一般是離采料表面15厘米深處的平均值。 標準計數后，可根據顯示器上的有關數據的大小來判斷儀器的性能好壞和穩(wěn)定性。 有電子日歷、計時裝置、并和測量結果同時顯示和記錄。,MC-3C和MC-4C特點：,. 正常

20、測量方式(Normal) 核子密度濕度儀測量方法有兩種：一種是反射式測量（不打孔測量），另一種是透射式測量（打孔測量如圖3）。反射式測量MC-3C、MC-4C有兩檔：一個是AC檔（如圖1），測量厚度是5.2厘米。另一個是BS檔（如圖2），測量厚度7.2厘米。其它型號的儀器只有一檔，深度是7.1厘米左右。長沙生產的只有反射式測量沒有透射式測量，測量深度是7.2厘米左右。 如下圖1、圖2、圖3

21、所示；,測量方式有三種：,圖1 AC位置放射式測量 圖2 BS位置放射式測量,圖3 透射式測量,薄層測量方式(Thin layer) 本儀器具有薄層罩面的測試功能，厚度小于50毫米采用薄層測量方式。可以快速測量瀝青路面罩面層的密度，首先需要知道薄層下的基層的濕密度以及罩面層的厚度，這兩個參數在測量之前是先確定下來的，因為在未

22、鋪復蓋層時則可用本儀器測定基層的密度，而復蓋層的厚度是已知的，用BS（或AC）反射法，置于薄層罩面狀態(tài)，可以測量薄層復蓋面的密度。 1） 按STEP+START鍵儀器進入測量方式選擇菜單：COUNTING MODE 計數模式Current：NORMAL Normal 正常方式Thin layer 薄層方式

23、Trench Wall 溝壁方式STEP ＆ ENTER choise按STEP 鍵挑選，按ENTER鍵輸入。,2） 用STEP將光標移至薄層方式，再按ENTER鍵（一個小正方形黑色閃爍光標移到Thinlayer（薄層）的第一個字母T上面按ENTER鍵）。薄層方式提示輸入罩面層材料的厚度以及基層材料的密度：THIN LAYER 薄層方式Lift：25mm

24、 厚度25mm（薄層厚度）Under. 2.72克/立方厘米 基層的濕密度值2.72克/立方厘米Enter Lift value.Enter Under value.3) 用鍵盤輸入罩面層厚度及基層材料濕密度后分別按ENTER鍵,儀器處于薄層測量方式.4) 儀器的受柄放在BS或AC位置按SEART鍵進行薄層試驗,儀器進行計數時,顯示屏顯示“THIN”（薄層）在試驗。,溝壁測量方式(Trench

25、Wall ),溝槽回填土的測試,首先要按前述要求準備水平試驗平面.溝槽開挖物的寬度大于等于610mm（24英寸）時，采用正常的方式測量，將本儀器放于溝糟的底部中心，以避免側壁反射的影響。 溝糟等開挖無物的寬度小于610mm（24英寸）時，就要用儀器的溝糟測試方式，并使用3英寸的標準塊來校正由于溝壁所放射的中子的影響。如下圖1所示。,圖1 儀器在溝槽中放置A=B,管溝的測量 管溝中有開口的管道時，M

26、C-3C的面向應如圖2，但探頭的定端與管道之間的距離不能小于3英寸（50mm）,圖2 儀器在孔上放置A≥50mm,測量畫面說明,圖一 測土,圖二 測瀝青,所謂基本畫面就是儀器測量后而顯示的畫面。其含義必須搞清。它的特點是光標在顯示器左上角R上閃動，此時鍵盤上各鍵才有上述功能，按啟動鍵（START）進行現(xiàn)場測量前，光標必須在R上閃動，否則應查明原因。如光標在第一行第二個字上閃動時必須按STER+CLEAR聯(lián)合鍵后，再按其他任何鍵才能

27、起作用。,圖三 孔隙率,R10001-3—代表第10001號測點的第三次測量條件及結果顯示在該畫面上。它僅供采用儀器自動記錄測量時使用。R后的測點記錄號是人工任意選擇。范圍在0~99999五位的有效數字組合?！埃焙蟮臄底譃楹擞涗浱柕臏y量次數，儀器隨測量次數自動記錄?！埃笔前延涗浱柡蜏y量次數分開，防止混在一起。 0325 1235——表示最后一次測量時間是3月25日23點35分。

28、 Dabs ——Da代表自動檢測，BS代表最后一次檢測的位置。 ET00：——ET代表現(xiàn)場測量實際計數時間為30秒（冒號前為分，冒號后為秒）。儀器開始測量時，ET自動變?yōu)镽T，其時間也一秒一秒遞減直到為零時測量結束。RT00：00又自動變?yōu)镋T00：30。 T00：30——T 代表現(xiàn)場測量前使用者選定的時間是30秒。如果T字變?yōu)镻字則代表測量前選定的精度測量。

29、 gcc——代表公制，單位是克/立方厘米；pcf則代表英制，單位為磅/立方英尺。 wet —— 代表濕密度。 h2o —— 代表體積含水量。,dry ——代表干密度。Dn —— 代表測量的數據，單位是克/立方厘米，顯示在該行Dn右邊的數分別是濕密度1.972。水分重0.172，干密度1.8。Pr —— 代表測量的精度。濕容重、水分重、干密度的精度分別在該行的右

30、邊顯示。% —— 代表百分率。該行右邊顯示的數分別是：含水量9.6%，干壓實率為90.9%。Md ——代表輸入的數是被測材料室內試驗的最大干密度為1.98克/立方厘米。如果Md位置是Mw或Av，分別代表輸入的數是室內試驗的最大濕密度，Av在測量孔隙率時用。（輸入被測材料的比重）Bi ——代表偏值。其后顯示的兩個數分別是濕容重和水分重的偏移量。一般情況下這兩個位偏置量都應為零。lob —— 代表儀器卻電，需要充電但在顯示lob時

31、還可用幾個小時。正常使用的儀器，顯示器右下角沒有任何符號顯示。,鍵 盤,鍵盤各個鍵的功能 鍵面上部為黑色的12個鍵都可當數據鍵使用（以后略述）。鍵面右下角有A、B、C、D、E、F（16進制）、英文字母的8個鍵，也可當上述字母鍵使用，它專供修理儀器時用。BS、AC英文字母的兩鍵供手動輸入深度之用。ENTER—— 輸入鍵。將顯示器上的數據送入微處理器。CLEAR—— 清除鍵。主要作用：1.清除沒按輸入鍵前輸錯的數據，重新送入正

32、確的數據。2. 顯示基本畫面或測量的結果（因顯示器只顯示一分鐘就自動消失）。3. 人為停止標準計數或現(xiàn)場測試。此外，在不同的狀態(tài)下，按該鍵有特定的功能（以后介紹）。STEP —— 跳步鍵。不同的狀態(tài)下有不同的作用（以后介紹）。START ——啟動鍵。用于標準計數和現(xiàn)場測量的啟動。ID —— 選定測點記錄號鍵。和STEP鍵或ENTER鍵配合使用有不同的功能（以后介紹）。,PRINT ——打印鍵。儀器外接打印機時可打印測量結果。暫不用

33、不要按。如誤按該鍵，應按CLEAR鍵退出。%COMP ——選擇Md、Mw 、Av三者之一按此鍵。反復按該鍵，依次轉換Md、Mw、Av狀態(tài)下用此鍵輸入的數據其含義不同（以后介紹）DBIAS ——濕容重偏值鍵。用于輸入濕容重的偏移量。MBIAS ——水分重偏值鍵。用于輸入水分重的偏移量。TIME —— 時間鍵。用于選定測量計數時間。STD ——標準鍵。用于顯示標準計數后的有關數據，和START鍵配合可進行標準計數。,標準計數

34、 1）為什么要進行標準計數 由于輻射的衰變，其輻射強度會緩慢下降。另外電子元件的參數和檢測管的靈敏度都有可能稍有變化影響到密度、水分計數值的變化。因此，在使用儀器時，最好每周做一次標準計數。有時標準計數時間雖很短，但測量的環(huán)境發(fā)生了大的變化，也應重做標準計數。如前所述，儀器測量密度和水分時都要用到計數化。輻射衰變、電子元件參數和檢測管靈敏度的變化使計數率下降，但這種變化對現(xiàn)場計數和標準計數的影響是一致的，γ（代表計數化）=現(xiàn)場計數&

35、#247;標準計數，任何時候這種計數比應是一個常數，從而保證了儀器測量的準確性。另外，儀器性能的判斷γ源、中子源衰變的程度，由標準計數后即可看出和分析出，由此看來，使用一臺儀器，做好標準計數尤為重要。,如何做標準計數 做標準技術如下圖所示。先把標準塊放在堅硬的材料上，標準塊上有三個凸出鋁釘面向上。然后把儀器放在標準塊上（儀器底部的三個凹窩應和標準塊上三個凸鋁釘對準）。分別按以下兩種鍵面即可進行標準計數：

36、 STD，START 標準計數時，不需選定計數時間，儀器自動進行一秒一次的采樣測定，共256次需四分一十六秒。標準計數開始后，顯示器上N后的數在不斷遞增到256時，標準計數結束，儀器發(fā)出兩聲響音。儀器正在做標準計數，如按了STEP，則停止標準計數，停止前做的標準計數已存入儀器內，如按了CLEAR鍵儀器退出標準計數，原標準計數不變。 標準計數時，要求儀器周圍最少4.5米內不應有放射源，1.5米內不應有其它

37、物質堆放在地面上,操作人員按鍵后應退出2米以外的地方。 另外,標準計數時,儀器手柄必須在安全(SAFE)位置。否則，不用進行標準計數，顯示器會有“把手柄放在安全位置再按啟動鍵”(put rod in SAFE and press START) 提示。,清 理 閘 門儀器在現(xiàn)場測量一段時間后，因r源金屬桿要經常上下滑動，有可能將灰塵或泥土等雜物帶入閘門內，造成閘門的開關不靈活，手柄向下壓時吃力。此時，決不可用力追使閘門打開

38、，必需作清潔處理。清理閘門的方法如下圖。首先將手柄放在安全（SAFE）位置，用隨儀器帶的十字頭螺絲刀旋出閘門蓋板上的四個埋頭螺釘，可將蓋板和彈簧推動的鎢制閘門一起取出。然后用長柄硬毛刷清理閘門槽中的贓物，絕對不能用手指去清除或觸摸腔壁。槽中清理后也要把閘門滑塊蓋板清理干凈，最后用隨儀器帶來的潤滑噴劑噴涂閘門斜面和其它相互摩擦的表面，待其干燥后將閘門裝好，再把導管內的放射金屬桿噴一些潤滑劑，一手抓住導管，一手拿著手柄用力上下推拉五、六次

39、，使金屬放射桿往下壓時自如。進行上述操作時，人應與站在閘門開關相反的方向上，以保證有最大的輻射屏蔽作用。隨儀器帶來的潤滑油用完，必須到服務中心購置核子濕度密度儀專用的潤滑劑，不能隨便用其他油作潤滑劑否則粘性大，把土及其他物帶進儀器內，一方面損壞儀器，另一方面測量的數據不準。,檢 定,使用核子濕度密度儀最重要的一個環(huán)節(jié)就是檢定。根據鐵道部的行規(guī)每年檢定一次，因為測量密度用的γ源半衰期是30年，它每年要衰減1.5%。電子元件參數的改

40、變及接收射線管的衰退，如果繼續(xù)利用廠家給的A、B、C的參數，使用一年以后測出的數據遠遠達不到技術要求。必須要在國家質檢局授權的單位進行檢定，才能拿到規(guī)定技術指標。,501DR 深層核子濕度密度儀,應用領域：土木工程 用于公路、鐵路、堤壩等建筑物修筑前現(xiàn)場檢測地下密度和含水率。 在工程修建過程中，跟蹤檢測地下密度和含水率的變化。 長期定點檢測堤壩、水庫、公路和鐵路路基的密度和含水率的變動情況。

41、 檢測水泥樁基的混凝土的填充均勻度。農業(yè) 檢測耕地的密度和含水率，推斷土壤狀況是否符合作物的生長。環(huán)境及其它 通過對堆積的密度檢測，結合體積，推測堆積物的重量，檢測垃圾場地等的添埋密度，判斷場地容量。,特點 可用RS232 串行接口將數據傳輸至電腦或打印機上 可使用普通打印機或便攜式專用打印機 用廠家配送的螺絲刀即可進行現(xiàn)場維修，更換部件

42、 可充電，耐用的電池組 集成微處理器，功能選擇簡單 大屏幕顯示，同時讀取所有測量數據 可儲存1000個測點的測試數據 時鐘和日歷 16種標定模式適用環(huán)境的多種變化,精度 若測試時間為一分鐘。 密度為2.0gcc（克/立方厘米），精度為：±0.0096gcc 含水率為0.24gcc，精度

43、為±0.0024 gcc技術參數 功能：地下深層密度，含水率檢測范圍 密度---------0.96-2.88gcc 水分密度-------0-0.64gcc 計數時間：用戶自定測量時間1、4、16、64或256秒 操作溫度：00C至700C 電源：AA鎳鎘電池焊接成一組。 電池壽命：500至1000次充放電循環(huán)，正常使用可

44、以用十年左右。 電源消耗：平均10mA，可進行3000次每次半分鐘的測試。 充電：墻插座式的電池充電器進行充電，時間14小時。 顯示：點陣液晶顯示屏，每屏顯示8行，每行20個字符,單位：公制克/立方厘米（ gcc），或英制磅/立方英寸（ pcf）標定：廠家及授權維修中心檢定，或用戶輸入標定系數自標定。放射源：伽瑪源：10mci（毫居里）銫-137 中子源：50