无核密度仪（PQI）在道路工程领域的应用现状

林春梅，潘 洋

（天津市市政工程设计研究院，天津市 300051）

1 无核密度仪（PQI）简介

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的密度的各种检测仪器的统称。

最新的两种被称作无核密度仪的产品是利用电磁法原理叫做PQI（见图1）和利用时域反射（TDR）技术叫做“M+DI”的仪器，宣称可以象核子仪一样同时测试密度。PQI利用电磁辐射测试热沥青混合料的相对密度，不能测试土壤，也不能测试任何哪怕含有微量水分的材料。

图1 无核密度仪

电磁密度仪（PQI等）利用发射的电磁波在材料中的能量吸收和损耗来检测材料的密度。电磁密度仪主要包括一个电磁波发射器、一个隔离环和一个电磁波接收器。其检测原理是向被检测材料中发射电磁波，电磁波是指电场和磁场相互作用。振动而产生的波动，是放射线、光、电波的总称。电磁波在材料中传播时，其能量发生吸收和损耗，材料对电磁波能量的吸收和损耗取决于材料的介电常数。

2 PQI在路面检测中的应用

2.1 工作原理

沥青混合料的密度与其介电常数直接相关。无核密度仪的工作原理就是利用仪器自带的感应盘建立环形电波，量测沥青混合料的介电常数，由仪器内部电路将信号转换为密度读数并显示出来。在缺陷处，如空隙位置，电波的传递受到了影响，必然使混合料的介电常数发生改变，从而影响密度。

2.2 检测方法

第一步，进行仪器标定。PQI共有四种工作模式：连续模式、单点模式、平均模式、离析模式。对应PQI标定模式也有四种：标准模式、单点模式、两点模式及人工斜率模式。本文采用标准标定模式。标定时，在干燥的沥青路面上准备10 ft长、5 ft宽的矩形区域，将该区域分为5个数据位置（见图2）。

图2 标定区域

将PQI置于数据位置1，使用粉笔沿PQI感应盘画圆。进入单点模式，读数并记录。向右上方移动2英寸至圆的边缘，将此位置记为“2点钟”方向，读数并记录。将PQI沿圆移动至“4点钟”方向，读数并记录。继续至“8点钟”与“10点钟”方向，并记录密度读数。在剩余的4个数据位置，进行类似的测量并记录读数，见图3。

图3 量测位置示意

读数结束后，从1～5的数据位置中央钻芯取样，测量芯样毛体积密度，并取其均值。将其均值与PQI读数均值进行比较，得到密度偏移量输入此偏移量，完成标定。

第二步，现场路面压实度检测。

（1）选择路面类型。主要选项有：25～30 mm（Base）；16～24 mm（Inter）；9～15 mm（Top）。此处数值主要是指该层混合料最大颗粒粒径。在进行标定时，必须先进行路面类型选择。

（2）输入待测沥青路面厚度。PQI检测深度为25～100 mm。PQI的读数实为厚度范围内平均密度结果。

（3）输入最大理论密度值。PQI输出结果为百分比即压实度，须人工输入该路面沥青混合料的最大理论密度值。

（4）选择适当模式，进行读数。

2.3 PQI在路面密度测试的应用分析

PQI反映的是仪器底面下材料密度的平均值，因此PQI底面下测定层必须摊铺平整，以使仪器底面与被测定层完全接触。测定的表面不干净、有松散体或测定的路面潮湿等都会对测试结果有较大的影响。显然，PQI更适用于表面相对光滑的路面密度测定，相对于构造深度较大、公称最大粒径较大的沥青层而言，PQI测定构造深度小、公称最大粒径较小的沥青层的密度结果可靠度较高。

沥青混合料的粒径较大，在施工过程中发生集料离析的可能性增加，使得路面的均匀性降低，路面材料表现出更大的各向异性，因此PQI测定较大粒径的沥青混合料路面的密度时，试验结果的离散性也较大。

3 无核密度仪(PQI)在沥青路面施工质量控制中的应用

3.1 PQI在沥青面层密度(压实度)中的应用

为了验证PQI对沥青面层密度(压实度)检测中的精度，分别对A高速公路测试段和B高速公路测试段进行了测试，具体测试结果如下。

（1）测试一

首次对A高速沥青路面中面层进行了调研测试。使用PQI并结合传统的钻芯取样，对施工现场进行压实效果测试。其中取芯密度采用水中重法进行测量，压实度采用最大理论密度和室内马歇尔试验两种方法进行计算，并计算了空隙率。具体测试结果见表1。

表1 测试结果对比

从表1中可以看出如果对路面压实度采用双控指标，即最大理论密度大于92%、马歇尔密度大于96%都能够满足要求;空隙率能够控制在规范要求的3%～8%之间;最大误差为1.73%，测试精度较高。

（2）测试二

在B高速公路测试路段，选择刚刚施工完成沥青面层的中面层左半幅一个断面的6个点，分别使用PQI及常规的取芯样试验水中重法测试密度对比，对比结果见表2（由于PQI测试时存在一定的方向性所以选取测试点的密度为4个不同方向测试值即测值1、测值2、测值3、测值4的平均值）。

表2 PQI测试密度值与取芯密度对比

观察表2可以看出，PQI测试与实际取芯测试有很好的相关关系和较高的测试精度，并且相对传统的试验方法，PQI更加快捷而且无损，在沥青路面施工过程压实度质量控制中显示出了重要的应用价值。

3.2 PQI在碾压遍数和沥青混合料密实度关系中的应用研究

同样在A高速公路上，进行了碾压遍数和沥青混合料密实度关系的测试。试验采用PQI进行跟踪测量。测试时对某标段1个纵断面每隔1m选取个测试点，总共选取了5个测试点。采取的9遍碾压方式为：初压DD-110前进弱振后退强振、XD120强振1遍、DD-110强振1遍；复压YL20A和YL26各搓揉碾压1遍、DD-110光面1遍、YL20和YL26各碾压1遍;终压DD-110光面1遍。每遍碾压完毕后使用PQI测试各测点的密度值。总共采集到前9遍的数据值，测试结果见表3。

表3 碾压遍数与PQI测试密度值（单位：g·cm-3）

总体上可以看出，在碾压的初始阶段，密度随遍数增加而增加，基本上是存在直线线性关系，第4遍达到最大值，从第5遍开始随碾压遍数增加而逐渐减小，第7遍达到最低，第8～9遍密度开始增加，基本上与第5遍持平。

在试验路段的施工中，使用PQI对碾压过程行实时测试其密度，找出密度随碾压遍数的变化线，从而确定整个标段工程机械的最佳组合方式和碾压遍数，这样即可以节约成本、保证工程进度，可以保证工程的施工质量。

4 PQI在沥青混凝土路面非均匀性检测中的应用

4.1 采用PQI定量检测及评价沥青混凝土路面非均匀性

非均匀性是沥青混凝土路面出现质量缺陷并导致路面病害的重要原因，这种非均匀性可能表现为横向的、纵向的、竖向的和局部的，与路面施工过程中的质量变异有很大的关系。试验结合某高速大修工程，采用PQI快速无损地定量检测沥青混凝土路面的密度变化情况，对施工质量进行动态控制和评估，并分析路面上横向及纵向的非均匀性情况以及产生非均匀性的原因。

4.2 横向非均匀性检测及评价

对某高速公路横向均匀性检查检测，路面密度的横向非均匀性也是比较明显的，路面密度代表值横向分布，在中央分隔带边缘处和摊铺机连接处密度最小，这些地方密度偏低的原因主要是连接处压实机械不易压实，导致摊铺碾压完成后对路面的边缘以及摊铺机的连接处位置钻芯取样，进行抽提以及级配筛分发现，在这些位置的混合料并未出现级配上的离析，因此可以说明这些区域出现的非均匀性主要是属于压实问题导致的压实非均匀性。因此发现密度不足需及时进行补压。

同理也可对道路的纵向均匀性进行检测。

4.3 沥青混凝土路面整体非均匀性评价

为了更直观地分析沥青混凝土路面整体的均匀性，本文采用MATLAB对使用PQI无损检测得到的密度数据绘制三维图，见图4。

图4 PQI测得的沥青混凝土路面密度三维图

从PQI密度三维图可以直观判断路面的非均匀性及其分布。从图4可以直观地看出，路面显然出现了非均匀性，在纵向和横向上都有较大的密度差异，密度较小区域或空隙率较大的区域极有可能出现早期损害。在图4上可以看出，在路面横向位置1和位置4处出现了纵向的带状低密度区域，在坐标（4，6）位置处密度只有 2327 kg/m3。采用PQI及时、无损、连续地采集的密度数据，可以绘制路面密度三维图，可以形象直观地看到施工碾压后路面的施工质量状况（密度的分布），据此，可对路面质量有一个全面的了解;也可用于定量分析沥青混凝土路面在横向及纵向的均匀性，判断集料离析非均匀性还是压实非均匀性，以便采取正确合理的质量控制措施。

5 结论及建议

目前测量沥青路面压实度主要有表干法、蜡封法、水中重法和核子密度仪法等。传统的钻芯取样对路面会造成不同程度的破坏。核子密度仪虽然能够做到对路面实行无损的快速检测，但是需要向路面发射放射线，对人体的身体健康造成危害，并且测试速度相对PQI密度仪较慢，不能满足在沥青路面面层碾压过程中进行实时检测的要求。PQI作为根据材料介电常数测量密度(压实度)的无核检测设备，具有快速检测、无放射源、设备尺寸小、便于操作等特点，在路面检测压实度将有很好的实际应用价值，但其测试精度还有待验证.

（1）无核密度仪检测沥青路面压实度是一种无损检测方法，速度快，效率高。

（2）无核密度仪检测结果与芯样密度相关性大，误差小，可满足路面压实度检测要求。

（3）根据无核密度仪检测结果绘制空隙率分布图，路面施工质量优劣清晰可辨。

PQI密度仪用于测量沥青面层密度具有了较高的精度，可以用于沥青面层施工中的密度的检测评价，从而控制施工质量。基于PQI密度仪确定碾压遍数和沥青混合料密实度关系，得到了面层密度随碾压遍数的变化规律。结果表明PQI对确定整个路段施工机械的最佳组合方式和碾压遍数具有重要的指导意义。

采用无核密度仪(PQI)对沥青混凝土路面的非均匀性进行了分析，采用PQI可快速无损地对沥青混凝土路面质量进行检测和评价，并作为施工质量调控措施，可以减少路面非均匀性，提高沥青混凝土路面的性能和使用寿命，具有良好的经济效益和应用前景。

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