Измерение плотности грунтов и уплотнения

Дорожных покрытий

Задачи измерений плотности в строительстве дорог, мостов и аэродромов весьма разнообразны и охватывают измерение плот­ности грунтов с ненарушенной структурой (например, при изыска­ниях), плотности уплотненного или укрепленного грунта в процессе сооружения и эксплуатации земляного полотна, а также степени уплотнения свежеуложенных цементобетонных покрытий асфаль­тобетона и других дорожно-строительных материалов. Значение плотности обусловлено тем, что от этой характеристики зависят в значительной степени прочностные и деформативные свойства, а также долговечность сооружений, дорожных одежд и покрытий.

Контроль степени уплотнения грунтов и дорожных одежд позволяет получить информацию, необ­ходимую для управления процессами уплотнения различными мето­дами— укаткой, вибрированием, трамбованием, виброукаткой и т. д. Известные весовые методы определения плотности требуют отбора образцов и значительного времени для выполнения опреде­ления.

Более прогрессивные мето­ды определения плотности основанны на взаимодействии ядерных излучений с веще­ством: по ослаблению интенсивности гамма-лучей при прохождении через исследуемый объект; по рассеянию гамма-излучений ис­следуемой средой.

Метод ослабления основан на том, что поглощение гамма-лучей в слое материала постоянной толщины и при неизменных условиях измерения (геометрия излучателя и его расположение относительно приемника излучения) зависит от плотности материала. Суммарный эффект ослабления интенсивности гамма-излучения при прохожде­нии описывается экспоненциальным законом:

I=I_oe ^{- µл d}

или I=I e ^{- µм ρ d}= I_oe ^{- µм S}

где I₀— интенсивность излучения, падающего нормально на поверх­ность материала; I — интенсивность излучения, прошедшего че­рез слой вещества толщиной d, см; µ_л — линейный коэффици­ент ослабления, см^-1.

Объемный коэффициент ослабления µ_м определяется:

µ_м= µ_л/ρ

ρ — плотность вещества, г/см³;

S = ρ d— массовая толщина поглоти­теля (масса единицы площади) г/см².

ρ =(2, 3/ µ_м d) lg(I₀/ I)

Приведенные формулы характеризуют ослабление однородным поглотителем узкого параллельного пучка монохроматического из­лучения. Коэффициенты ослабления µ зависят от энергии квантов излучения и степени их рассеяния веществом; абсолютные значения µ мало отличаются для разных минеральных материалов, но дляводы величина µ несколько больше.

При измерениях плотности грунта или бетона его «просвечива­ют», вводя на нужную глубину зонд с источником излучения. Схема горизонтального зондирования дана на рис.8.1. Излучатель 1 (изотоп Со⁶⁰ или Cs^{! 37} в свинцовом контейнере, имеющем щель-коллиматор) и приемник излучения 2 (счетчик гамма-квантов) по­мещают в обсадных трубах 3, введенных в вертикальные скважи­ны нужной глубины. Расстояние L между обсадными трубами 40—50 см.

Недостатком описанного метода измерения является необходи­мость введения зонда в контролируемую среду, не позволяющая применять его, например, для непрерывного контроля плотности покрытий. При контроле плотности конструкций и сооружений ис­точник и приемник излучения приходится помещать с двух сторон объекта измерения. Применение Со⁶⁰ позволяет контролировать объекты большой толщины, но двухсторонний доступ к ним не все­гда возможен.

Метод рассеяния гамма-лучей основан на зависимости рассеяния гамма-квантов от свойств вещества, в частности, от его плотности. Метод рассеяния применим и для глубинных измерений (с помощью одного зонда), однако в транспортном строительстве наибольший интерес представляет его использование для поверхностных изме­рений, без нарушения структуры исследуемой среды (грунта, по­крытия). Недостатком поверхностных измерений является ограни­ченная глубина измерения, не превышающая, например, для бето­на 10—15 см.

В соответствии с тремя основными процессами ослабления гам­ма-лучей

 

при взаимодействии с атомами вещества, суммарный ли­нейный коэффициент ослабления µ представляет собой сумму коэффициентов:

µ=σ +τ +Н

где σ, τ, Н — линейные коэффициенты, соответственно: комптоновского рассеяния, фотоэффекта и образо­вания пар. При энергии гамма-излучения 0, 3—2 Мэв для легких и средних элементов основное значение имеет некогерентное рассея­ние (комптон-эффект), заключающееся во взаимодействии гамма-кванта с электроном, в результате которого вместо первичного гам­ма-кванта появляется рассеянный гамма-квант с меньшей энергией и измененным направлением движения, это явление используется в гамма-плотномерах по рассеянному излучению.

Зависимость интенсивности I_p рассеянного излучения, падаю­щего на детектор, от толщины d исследуемого материала можно приближенно описать следующим выражением:

I_p/ I_o≈ σ /( µ₁⁺ µ₂)[1+e ^{–( µ}₁^{+ µ}₂^)d]

где µ₁—линейный коэффициент полного ослабления первичных гамма-кван-

тов;

µ₂ — линейный коэффициент для рассеянных гам­ма-квантов.

Из приведенной зависимости видно, что при превышении определенного значения толщина слоя d (для цементнобетонного полотна — 20—22 см) дальнейшее увеличение толщины не влияет на результат измере­ния. Плотномер по рассеянию поверхностного типа дает информа­цию об усредненном значении плотности слоя, для некоторой «глу­бины проникновения», равной части указанной максимальной тол­щины.

Изменение химического состава дорожно-строительных материа­лов не оказывает заметного влияния на результаты измерения плотности методом рассеяния, что вытекает из выражения:

σ =ρ σ _еN_o Z/A

где σ _е — величина эффективного сечения энергии; N_o— число Авогадро;

Z и А — соответственно атомный номер и атомная масса эле­мента.

Почти у всех элементов, входящих в состав дорожно-строитель­ных материалов (кроме водорода) значение — Z/A близко к 0, 5. Схе­ма датчика поверхностного плотномера для дорожных покрытий приведена на рис. 8.2.

1 - источник излучения; 2 – контейнер; 3 – дополнительные экраны; 4 – экран; 5 – детекторы излучения; 6 – основание датчика; 7 – дорожное покрытие.

В качестве источника измерения использу­ются радиоактивные изотопы Со⁶⁰ или Cs¹³⁷. Приемниками рассе­янного излучения могут служить сцинтилляционные или газораз­рядные счетчики. Первые имеют более высокие эффективности ре­гистрации гамма-квантов и разрешающую способность, но более чувствительны к тряске и вибрациям, имеют более высокую стои­мость и требуют источник питания высокого напряжения с высоко­качественной стабилизацией величины напряжения.

В строительстве дорог и аэродромов находят также применение комбинированные приборы влагомеры-плотномеры для грунтов, основанные на рассмотренных выше методах измерения. В частно­сти, известны влагомеры-плотномеры для поверхностных измере­ний, представляющие собой сочетание нейтронного влагомера с плотномером по рассеянию гамма-лучей. Имеются модификации этих приборов, позволяющие выполнять также глубинные измере­ния плотности грунтов наряду с поверхностными.

Контроля уплотнения земляного полотна и дорожной одежды можно применить также динамометрический метод, предложенный Я. А. Калужским.

Этот метод удобен для контроля изменений плотности гравий­ных и щебеночных оснований, а также асфальтобетона в процессе их укатки моторными катками с гладкими вальцами. В процессе укатки существует тесная корреляция между осадкой вальцов, плотностью основания, сопротивлением перекатыванию и крутя­щим моментом, развиваемым в трансмиссии для передвижения кат­ка. Измерение крутящего момента можно использовать для косвен­ной оценки степени уплотнения.

Непосредственное измерение плот­ности по величине крутящего момента затруднено тем, что эта ве­личина зависит также от других параметров — вида укатываемого материала, его влажности, толщины слоя и т. д- Однако по мере роста плотности крутящий момент уменьшается и стабилизация его величины показывает, что при данных условиях процесса укатки до­стигнуто предельное значение уплотнения; дальнейшее уплотнение возможно только при использовании тяжелого катка.

Таким образом, с помощью динамометрического контроля мож­но устранить излишние проходы катка и улучшить качество уплот­нения.

Для измерения крутящего момента применяют электрические приборы, так называемые торсиометры, в которых с помощью рео­статных, емкостных, индуктивных или индукционных преобразова­телей деформация чувствительного элемента преобразуется в вы­ходную электрическую величину.

Максимальной надежностью в эксплуатационных условиях обладают торсиометры с бесконтакт­ным преобразователем; наибольшее применение получили индук­тивные торсиометры.

В процессах устройства дорожных одежд наряду с контролем уплотнения необходим также контроль ровности и толщины дорож­ных покрытий. Для измерения ровности вместо механических профилографов применяют бесконтактные ультразвуковые, рассчитан­ные на установку на автомобиле. В этих приборах микропрофиль дороги оценивают по времени прохождения ультразвукового импульса, посланного излучателем и отраженного поверхностью до­рожного покрытия.

Средством получения информации о профиле устраиваемого асфальто–

Бетонного покры­тия также являются датчики продольного и поперечного

 

профиля, основан­ные на различных принципах.

Датчики продольного профиля име­ют щуп, скользящий по копиру, которым могут служить проволока или трос, натягиваемые вдоль покрытия, металлическая рейка и т. п.

Также развиты «бесконтактные» системы с использова­нием в качестве копира светового луча, из­лучения оптического квантового генератора (лазера).

Простейшим копиром может являться уплотненное и спрофилированное основа­ние или ранее уплотненная полоса покрытия. Для измерения угла наклона поперечного профиля используются датчики-уклономеры маятникового типа; известны также датчики на принципе сообщаю­щихся сосудов и др.

 

⇐ Предыдущая12131415161718192021Следующая ⇒

Поделиться: